CN110768564B - 一种复合推力器负载自适应电源***及供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合推力器负载自适应电源***及供电方法，属于电源技术领域。一种复合推力器负载自适应电源***，包括电离模块、控制模块和等离子体加速模块，既能输出推力器工质气体电离所需的高电压，又能输出等离子体加速所需的大电流；所述电离模块通过脉冲变压器耦合输出，脉冲变压器次级线圈低电位端与推力器阴极连接，高电位端与所述等离子体加速模块的储能电容器串联后与推力器阳极连接并接大地；两个模块的输出根据负载变化自动切换，并且通过脉冲变压器次级线圈实现了低压等离子体加速模块与电离模块之间的可靠隔离。

Description

一种复合推力器负载自适应电源***及供电方法

技术领域

本发明涉及一种复合推力器负载自适应电源***及供电方法，属于电源技术领域。

背景技术

复合推力器是将化学推进方法和电推进方法巧妙结合在一起而形成的新型推力器。它采用脉冲重频工作方式，一个脉冲周期内，由燃料和氧化剂组成的工质首先会被高电压击穿，发生气体放电并被点燃，诱发化学燃烧反应；放电和燃烧产生的等离子体会在大电流及其自感应磁场相互作用产生的洛伦兹力作用下进一步加速喷出。

复合推力器工作原理与现有的磁等离子体推力器具有一定的相似性，都需要高电压击穿工质气体使其放电，并需要大电流维持放电和加速。因此，两种推力器的负载变化规律也极其相似，在气体击穿前后，推力器的阻抗皆会发生较大变化。在气体放电过程中，推力器阻抗由近似无穷大逐渐降低，待阴阳极之间建立稳定的放电通路以后，阻抗降至几十毫欧量级，并趋于稳定。电源***连接在推力器的阴阳极之间，由于气体击穿前后推力器阻抗发生跃变，电源的前后输出模式也将发生很大变化。在气体击穿过程中，电源***需要输出用于击穿气体的高电压，由于此时推力器阻抗较大，其输出电流很小；稳定放电建立以后，电源***需要输出用于加速等离子体的大电流，由于此时推力器阻抗极小，其输出电压一般在百伏左右。

现有磁等离子体推力器的电源***一般是由高压、小电流产生模块和低压、等离子体加速模块两部分组成，两个模块以并联方式分别连接在推力器的阴极和阳极之间，其输出分别由两个开关进行控制。上述电源结构存在的突出问题是：(1)每个模块的输出控制是通过操控对应开关的开通与关断来实现的，两个模块对应开关的导通时序是由延时模块进行控制，而延时的大小是根据实际工况人为不断调整确定的，无法做到负载自适应切换。(2)两个模块采用并联方式，二者之间的隔离一般是在低压、大电流模块中增加多个二极管进行保护。由于二极管在高电压下容易损坏，可靠性有待提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种复合推力器负载自适应电源***及供电方法，电离模块通过脉冲变压器耦合输出，且脉冲变压器次级线圈低电位端与推力器阴极连接，高电位端与等离子体加速模块的储能电容器串联后与推力器阳极连接并接大地，两个模块的输出根据负载变化自动切换，并且通过脉冲变压器次级线圈实现了低压等离子体加速模块与推力器负载之间的可靠隔离，简化了电路结构。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种复合推力器负载自适应电源***，用于向推力器供电，包括电离模块、等离子体加速模块、控制模块；

所述电离模块包括充电电源、脉冲电容和脉冲变压器；所述等离子体加速模块包括直流电源、储能电容器；所述直流电源用于向储能电容器充电；

所述充电电源用于向脉冲电容充电，所述脉冲电容用于向脉冲变压器供电；所述脉冲变压器的次级线圈的低电位端与所述推力器的阴极连接；所述次级线圈的高电位端与所述储能电容器串联后，与所述推力器的阳极连接；

所述控制模块用于控制脉冲电容和储能电容器的充电或放电。

上述复合推力器负载自适应电源***，其特征在于，当所述脉冲电容充电到额定电压时，所述控制模块控制充电电源停止向脉冲电容充电。

上述复合推力器负载自适应电源***，其特征在于，所述电离模块还包括放电开关、充电电阻、放电电阻、阻尼电阻、阻尼二极管；所述充电电源的一端依次与充电电阻、放电电阻、放电开关后，与充电电源的另一端连接；所述脉冲电容、阻尼电阻和阻尼二极管，与，放电电阻和放电开关并联；所述阻尼电阻和阻尼二极管，与，脉冲变压器的初级线圈并联。

上述复合推力器负载自适应电源***，其特征在于，当所述脉冲电容向脉冲变压器供电时，所述控制模块控制放电开关闭合。

上述复合推力器负载自适应电源***，其特征在于，所述放电开关采用氢闸流管。

上述复合推力器负载自适应电源***，其特征在于，所述脉冲变压器的升压比大于等于1:10。

上述复合推力器负载自适应电源***，其特征在于，所述控制模块控制放电开关闭合的重复频率小于等于100Hz。

一种复合推力器负载自适应供电方法，采用上述复合推力器负载自适应电源***，包括如下步骤：

S10、控制模块控制充电电源和直流电源分别向脉冲电容和储能电容器充电；

S20、当所述脉冲电容充电到额定电压时，所述控制模块控制充电电源停止向脉冲电容充电；

S30、控制模块控制放电开关导通，脉冲电容和储能电容器同时向推力器供电，其中脉冲电容通过脉冲变压器向推力器供电。

上述复合推力器负载自适应供电方法，在S30之后，S40、当所述脉冲电容的放电电流小于等于所述放电开关的导通阈值时，所述放电开关关断。

上述复合推力器负载自适应供电方法，重复S10～S40，复合推力器负载自适应电源***对所述推力器进行周期性供电。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明提供一种复合推力器负载自适应电源***，电离模块通过脉冲变压器耦合输出，且脉冲变压器次级线圈的低电位端与推力器阴极连接，高电位端与等离子体加速模块的储能电容器串联后与推力器阳极连接并接大地，该电源***既能输出气体电离所需的高压，又能输出等离子体加速所需的大电流；

(2)本发明公开的一种复合推力器负载自适应电源***，与现有电源结构相比其电离模块和等离子体加速模块的输出能够根据推力器阻抗的变化自动切换，并且通过变压器次级线圈能够实现等离子体加速模块和电离模块之间的可靠隔离。

附图说明

图1为本发明实施例3中电源***电路结构；

图2为本发明实施例3中电源***工作时序；

图3为本发明实施例4中电源***仿真电路模型；

图4为本发明实施例4中电源***仿真验证波形。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

一种复合推力器负载自适应电源***，用于向推力器供电，包括电离模块、等离子体加速模块、控制模块；

所述电离模块包括充电电源、脉冲电容C1、脉冲变压器T1、放电开关S1、充电电阻R1、放电电阻R2、阻尼电阻R3、阻尼二极管D1，所述放电开关S1采用氢闸流管，所述脉冲变压器T1的升压比大于等于1:10。所述充电电源的一端依次与充电电阻R1、放电电阻R2、放电开关S1后，与充电电源的另一端连接；所述脉冲电容C1、阻尼电阻R3和阻尼二极管D1，与，放电电阻R2和放电开关S1并联；所述阻尼电阻R3和阻尼二极管D1，与，脉冲变压器T1的初级线圈并联。

所述等离子体加速模块包括直流电源、储能电容器C2；所述直流电源用于向储能电容器C2充电，

所述充电电源用于向脉冲电容C1充电，所述脉冲电容C1用于向脉冲变压器T1供电，当所述脉冲电容C1充电到额定电压时，所述控制模块控制充电电源停止向脉冲电容C1充电；所述脉冲变压器T1的次级线圈的低电位端与所述推力器的阴极连接；所述次级线圈的高电位端与所述储能电容器C2串联后，与所述推力器的阳极连接；

所述控制模块用于控制脉冲电容C1和储能电容器C2的充电或放电。当所述脉冲电容C1向脉冲变压器T1供电时，所述控制模块控制放电开关S1闭合。所述控制模块控制放电开关S1闭合的重复频率小于等于100Hz。

实施例2：

一种复合推力器负载自适应供电方法，采用实施例1所述的复合推力器负载自适应电源***，包括如下步骤：

S10、控制模块控制充电电源和直流电源分别向脉冲电容C1和储能电容器C2充电；

S20、当所述脉冲电容C1充电到额定电压时，所述控制模块控制充电电源停止向脉冲电容C1充电；

S30、控制模块控制放电开关S1导通，脉冲电容C1和储能电容器C2同时向推力器供电，其中脉冲电容C1通过脉冲变压器T1向推力器供电；

S40、当所述脉冲电容C1的放电电流小于等于所述放电开关S1的导通阈值时，所述放电开关S1关断。

S50、重复S10～S40，复合推力器负载自适应电源***对所述推力器进行周期性供电。

实施例3：

一种复合推力器负载自适应电源***，该***包括电离模块、控制模块、等离子体加速模块；电离模块通过脉冲变压器耦合输出，且脉冲变压器次级线圈的低电位端与推力器阴极连接，高电位端与等离子体加速模块的储能电容器串联后与推力器阳极连接并接大地；控制模块用于电离模块的脉冲电容器的充放电控制、充电电源的输出与终止控制、等离子体加速模块的直流电源的使能和终止控制。

所述的电离模块由充电电源、脉冲电容器C1、脉冲变压器T1、放电开关S1、充电电阻R1、放电电阻R2、阻尼电阻R3、阻尼二极管D1组成，用于产生推力器气体击穿和电离所需的高压脉冲。

所述的等离子体加速模块由直流电源和储能电容C2组成，二者并联，用于产生推力器等离子体加速所需的大电流。

所述的充电电源为直流稳压源，在每个工作周期初始阶段向所述的脉冲电容C1充电，待充到额定电压时，由所述的控制模块输出终止信号，使直流稳压源停止工作。

所述的放电开关S1采用氢闸流管，在每个脉冲周期待所述的脉冲电容C1充电至额定电压时由所述的控制模块控制放电开关S1导通，当脉冲电容C1的放电电流小于放电开关S1的导通阈值时，放电开关S1自动关断。

所述的直流电源为直流稳压源，在推力器工作期间一直处于使能状态，在推力器为高阻抗状态时，几乎无输出电流，在推力器阻抗变低时，输出大电流。

下面就结合附图对本发明作进一步介绍。

如图1所示，电离模块由充电电源、脉冲电容器C1、脉冲变压器T1、放电开关S1、充电电阻R1、放电电阻R2、阻尼电阻R3、阻尼二极管D1组成，等离子体加速模块由直流电源和储能电容C2组成。

复合推力器负载自适应电源***的工作时序如图2所示。采用脉冲重频模式，具体工作过程如下：

(1)推力器启动后，在推力器加速腔完成工质气体加注的前提下，控制模块会产生使能控制信号，包括充电电源使能信号和直流电源使能信号，使充电电源开始向脉冲电容器C1充电，直流电源向储能电容C2充电。

(2)当脉冲电容器C1充电至额定电压后，控制模块控制充电电源停止输出；直流电源使储能电容C2快速充电至额定电压；

采用但不局限于电压表对脉冲电容器C1的电压进行监测，采用但不局限于电压表对储能电容C2的电压进行监测；控制模块根据以上监测结果判断脉冲电容器是否充电至额定电压、储能电容C2是否充电至额定电压。

(3)在电源***中，放电开关S1采用氢闸流管。当工质气体注入完毕后，控制模块控制放电开关S1导通，脉冲电容器C1开始放电，在脉冲变压器T1次级输出高压脉冲至推力器阴极和阳极之间，使气体开始击穿电离。

(4)气体击穿的初始阶段，推力器阴阳极之间为高阻抗状态，直流电源输出电流很小，推力器工作能量主要由电离模块提供。随着气体电离程度的加剧，推力器阴阳极之间的阻抗逐渐降低，直流电源输出电流逐渐增大，而电离模块的输出电流则逐步减小，当脉冲电容器C1的放电电流低于放电开关S1的导通阈值时S1自动关断，推力器能量来源自动切换至由直流电源提供。直流电源在推力器工作过程中一直保持使能状态，当储能电容C2电压低于预设电压时，直流电源及时补充。

(5)放电产生的等离子体在大电流作用下，在洛伦兹力加速下从推力器后端喷口高速喷出，等到推力器加速腔内工质气体排空后，推力器负载恢复到高阻抗状态，一个脉冲工作周期结束。

下一个脉冲工作周期将重复步骤(1)-(5)。

(6)推力器工作n个脉冲周期以后终止工作，控制模块将给出直流电源终止信号，并由操作人员将整个电源***和供气***断电。

实施例4：

下面介绍采用matlab/simulink工具对电源***的电路合理性进行的仿真验证情况。图3为建立的电源***仿真电路模型，电离模块由充电电源、脉冲电容器C1、脉冲变压器T1、放电开关S1、充电电阻R1、放电电阻R2、阻尼电阻R3和阻尼二极管D1组成；等离子体加速模块由直流电源和储能电容C2组成；等效负载由电阻R4、R5以及切换控制开关S2组成。仿真参数设置如下：充电电源输出电压为600V；直流电源输出电压为100V；电阻R1、R2和R3分别取值100欧姆、0.0001欧姆和0.01欧姆；电容C1和C2分别取值0.05微法拉和0.5法拉；变压器T1升压比取1:2；R4和R5取值分别为0.1欧姆和10k欧姆，分别对应负载的低阻抗和高阻抗状态，负载阻抗状态切换通过阻抗变化使能信号进行控制，在使能信号为低电平时开关S2断开，对应高阻抗状态，使能信号变为高电平时开关S2闭合，切换成低阻抗状态；放电开关使能信号重频为90Hz，脉冲宽度为50us；阻抗变化使能信号相比放电开关使能信号同步延迟16us，脉冲宽度为200us。

图4为一个脉冲工作周期内的仿真验证波形，包括负载电流波形、负载电压波形、放电开关使能信号波形和阻抗变化使能信号波形四个部分。当负载为高阻抗状态时，对应的负载电流和电压波形如图4中1(a)和1(b)所示，负载两端电压幅值为100V，与等离子体加速模块输出电压相等，由于负载电阻很大，此时等离子体加速模块的输出电流很小，负载端电流幅值约为10mA；当放电开关S1受触发导通时，脉冲电容器C1开始放电，电离模块通过变压器T1次级线圈输出高压脉冲，因为开关S2为断开状态，此时负载仍保持高阻抗状态，对应的负载电流和电压波形如图4中2(a)和2(b)所示，高压脉冲幅值约为1200V，对应电流脉冲幅值上升为约120mA；当开关S2相比开关S1延时16us受触发导通后，负载阻抗切换为低阻抗状态，等离子体加速模块的输出电流将迅速升高，对应的负载电流和电压波形如图4中3(a)和3(b)所示，可以看出负载端自动切换成由等离子体加速模块进行供电，负载两端电压幅值迅速降低至100V，相应地负载电流幅值迅速升高至1000A左右；待负载恢复至高阻抗状态时，负载电流和电压波形恢复为1(a)和1(b)状态，一个脉冲工作周期结束。上述仿真结果验证了本发明的科学性和合理性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种复合推力器负载自适应电源***，用于向所述推力器供电，其特征在于，包括电离模块、等离子体加速模块、控制模块；

所述电离模块包括充电电源、脉冲电容（C1）和脉冲变压器（T1）；所述等离子体加速模块包括直流电源、储能电容器（C2）；所述直流电源用于向储能电容器（C2）充电；

所述充电电源用于向脉冲电容（C1）充电，所述脉冲电容（C1）用于向脉冲变压器（T1）供电；所述脉冲变压器（T1）的次级线圈的低电位端与所述推力器的阴极连接；所述次级线圈的高电位端与所述储能电容器（C2）串联后，与所述推力器的阳极连接；

所述控制模块用于控制脉冲电容（C1）和储能电容器（C2）的充电或放电；

所述电离模块还包括放电开关（S1）、充电电阻（R1）、放电电阻（R2）、阻尼电阻（R3）、阻尼二极管（D1）；所述充电电源的一端依次与充电电阻（R1）、放电电阻（R2）、放电开关（S1）串联后，与充电电源的另一端连接；所述脉冲电容（C1）、阻尼电阻（R3）和阻尼二极管（D1）串联后，与由放电电阻（R2）和放电开关（S1）组成的串联部分并联；所述阻尼电阻（R3）和阻尼二极管（D1）串联后，与脉冲变压器（T1）的初级线圈并联；

当所述脉冲电容（C1）充电到额定电压时，所述控制模块控制充电电源停止向脉冲电容（C1）充电；

当所述脉冲电容（C1）向脉冲变压器（T1）供电时，所述控制模块控制放电开关（S1）闭合；控制模块控制放电开关（S1）导通，脉冲电容（C1）和储能电容器（C2）同时向所述推力器供电，其中脉冲电容（C1）通过脉冲变压器（T1）向所述推力器供电；

所述脉冲变压器（T1）的升压比大于等于1:10；

所述控制模块控制放电开关（S1）闭合的重复频率小于等于100Hz。

2.根据权利要求1所述的一种复合推力器负载自适应电源***，其特征在于，所述放电开关（S1）采用氢闸流管。

3.一种复合推力器负载自适应供电方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的复合推力器负载自适应电源***，包括如下步骤：

S10、控制模块控制充电电源和直流电源分别向脉冲电容（C1）和储能电容器（C2）充电；

S20、当所述脉冲电容（C1）充电到额定电压时，所述控制模块控制充电电源停止向脉冲电容（C1）充电；

S30、控制模块控制放电开关（S1）导通，脉冲电容（C1）和储能电容器（C2）同时向所述推力器供电，其中脉冲电容（C1）通过脉冲变压器（T1）向所述推力器供电。

4.根据权利要求3所述的一种复合推力器负载自适应供电方法，其特征在于，在S30之后，S40、当所述脉冲电容（C1）的放电电流小于等于所述放电开关（S1）的导通阈值时，所述放电开关（S1）关断。

5.根据权利要求4所述的一种复合推力器负载自适应供电方法，其特征在于，重复S10~S40，复合推力器负载自适应电源***对所述推力器进行周期性供电。

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