離子推進(jìn)系統(tǒng)電源研究

摘要：離子推進(jìn)電源處理單元(PPU)是組成離子電推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。本文以某離子電推進(jìn)系統(tǒng)配置的電源處理單元為例，針對(duì)多路組合、輸出功率大、電壓高及時(shí)序控制等電源特點(diǎn)，采用不同的電源變換拓?fù)浞桨?，來?shí)現(xiàn)復(fù)雜電源功能。并通過實(shí)際電路驗(yàn)證和檢測(cè)，研究結(jié)果滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞：離子推進(jìn)系統(tǒng)；推力器；電源處理單元；驗(yàn)證

自從1911年俄羅斯火箭科學(xué)家齊奧爾科夫斯基提出電推進(jìn)概念以來，前蘇聯(lián)和美國相繼開始了近30年的電推進(jìn)空間飛行試驗(yàn)，到上世紀(jì)90年代開始，電推進(jìn)正式開始在航天器上應(yīng)用，到目前為止，電推進(jìn)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于空間任務(wù)。
電推進(jìn)作為一種先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)，由于其高比沖的優(yōu)勢(shì)，可以降低航天器系統(tǒng)質(zhì)量、提高壽命、增加有效載荷，已經(jīng)成為衡量一顆衛(wèi)星先進(jìn)性的重要指標(biāo)。并且電推進(jìn)已經(jīng)是具有戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)力的未來航天器關(guān)鍵技術(shù)。

1 離子推進(jìn)器簡介
離子推進(jìn)技術(shù)是利用電能(來自太陽能電池或核電反應(yīng)堆電源)使推進(jìn)劑電離，在磁場(chǎng)和電場(chǎng)的作用下，高速噴出，產(chǎn)生遠(yuǎn)高于化學(xué)推進(jìn)的噴氣速度，可有效減少推進(jìn)劑的需求量。離子推進(jìn)技術(shù)，由于其具有高比沖、高效率的特點(diǎn)。
離子推進(jìn)系統(tǒng)(Ion Push System，IPS)由推力器、電源處理單元(Power Processing Unit，PPU)、推進(jìn)劑供給系統(tǒng)(Xenon Feed Syste m，XFS)以及數(shù)字接口與控制單元(Digital Control Interface Unit，DCIU)4部分組成。離子推力器的基本功能是產(chǎn)生推力。離子推力器由推力器外殼、放電室、主陰極、中和空心陰極、離子光學(xué)系統(tǒng)(即柵極組件)等幾個(gè)基本部分構(gòu)成。圖1為其構(gòu)造示意圖。電源處理單元在控制單元的控制下，通過衛(wèi)星平臺(tái)的電源總線向推力器的加熱極，加速極，陽極電離室等功能單元提供各種電壓。

2 電源處理單元(PPU)概述
電源處理單元是電推進(jìn)系統(tǒng)的主要組成部分，它將航天器的母線電壓轉(zhuǎn)換為電推進(jìn)系統(tǒng)的推力器需要的各種電壓和電流，是電推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的基礎(chǔ)。
航天器用電源處理單元不僅需具備功率變換功能還需具備接受指令執(zhí)行各路輸出的開關(guān)功能、各路電源輸出電壓和電流的遙測(cè)功能和故障保護(hù)功能。其中故障保護(hù)功能主要包括母線的短路保護(hù)功能、輸出過載及短路保護(hù)功能和推力器異常息弧保護(hù)功能。
根據(jù)離子電推進(jìn)系統(tǒng)的不同型號(hào)推力器的供電要求，電源處理單元的內(nèi)部功能電源配置一般包括以下功能電源輸出：陰極加熱電源；陰極觸持極電源；陰極點(diǎn)火電源；陽極電源；中和器陰極加熱電源；中和器觸持極電源；中和器陰極點(diǎn)火電源；加速電源；屏柵電源。電源處理單元各功能電源組成及與推力器供電示意如圖2所示。

離子電推進(jìn)系統(tǒng)推力器工作過程中，電源處理單元各功能電源的工作情況如下：
1)陰極和中和器陰極兩個(gè)加熱電源，對(duì)空心陰極加熱絲通電加熱，直到空心陰極溫度被加熱到1 600℃，空心陰極發(fā)射體開始熱電子發(fā)射；
2)陰極觸持極電源、陽極電源及中和器觸持極電源，建立陰極和中和器陰極電子發(fā)射電場(chǎng)，維持陰極的穩(wěn)定持續(xù)放電狀態(tài)，并在主陰極和陽極間形成等離子體區(qū)域；
3)陰極點(diǎn)火電源和中和器點(diǎn)火電源，分別在主陰極和中和器的陰極與觸持極之間產(chǎn)生高壓單次脈沖，使陰極和觸持極之間起弧放電；
4)加速電源和屏柵電源用以離子光學(xué)組件供電，對(duì)放電室內(nèi)被電離的Xe+進(jìn)行聚焦、加速和引出，從而產(chǎn)生推力。