[发明专利]一种三维矢量方向的阵列式微阴极放电推进系统

说明书

一种三维矢量方向的阵列式微阴极放电推进系统，包括：电源功率控制单元、多个推力器及切换开关模块；推力器固定安装在立方星结构内的棱边处，推力器输出推力的方向与对应棱边的长度方向相同；立方星结构的一条棱边上最多安装两个推力器且两推力器的输出推力方向相反；电源功率控制单元接收整星电源的供电，电源功率控制单元接收整星控制系统传输的控制信号，根据控制信号向切换开关模块传输开关使能；切换开关模块接收电源功率控制单元传输的开关使能，根据开关使能，切换推力器的开关闭合或断开。本发明在一个模块上就可以实现推力大小以及矢量方向的控制，不需要卫星调转方向等操作就可以直接灵活实现卫星姿态及轨道的调控。

技术领域

本发明涉及一种三维矢量方向的阵列式微阴极放电推进系统，属于微纳卫星用的微型阴极电弧推进技术领域。

背景技术

微阴极电弧推进模块是一种用于微纳卫星的微型电推进装置，其通过固体金属推进剂烧蚀后喷出产生反冲的推力，可用来实现微纳卫星的姿态轨道控制。它可以在一个模块内集成了电源功率控制单元(EPCU，包括电源模块和控制与信号处理模块)、贮供、推进剂和推力器，且推进剂也采用固体金属材料内嵌到推力器中，从而无需额外的推进剂贮供管阀件等装置。其在体积、重量、比冲、推力等方面均具有很大优势，从而受到广泛关注。

目前一个微阴极放电推进模块通常有一个EPCU和一个推力器组成，一个EPCU仅可支持一路推力器的供电和控制；推力器在轨应用时，固定安装后仅能产生一个方向的推力，一般不具备矢量控制能力或矢量控制能力较差；或者采用多个模块分别控制不同方向，使得推进系统的重量成倍增加。

美国乔治华盛顿大学(The George Washington University，GWU)US20160273524A1号专利公开了一种双模电极微阴极电弧推力器，该发明采用两个管状的阴极材料(如钛和镍)，通过阴极材料的切换实现了推力器两种推力大小的切换，但并未实现对推力方向的控制(无法实现矢量控制)。

美国乔治华盛顿大学在AIAA 2012-4103(Micro-Cathode Arc Thruster(mCAT)with thrust vector control,48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint PropulsionConferenceExhibit,30July-01August 2012,Atlanta,Georgia)公开了一种外加磁场实现矢量控制的方法，该方法通过外加三个非同轴且相位差120度的外加线圈，并将推力器置于三个外加线圈的中心，通过分别控制三个外加线圈的励磁电流(时序和大小)实现磁场的调控，从而实现了一定程度的矢量控制。但该方法主要存在以下问题：

(1)对矢量控制幅度受限，由AIAA 2012-4103文献报道来看，外加磁场高达0.37T时矢量偏转角仅为30度左右，该推力方向的偏转角度可以给微纳卫星的姿态轨道调控带来一定的便利性，但该推力矢量偏置量仍较小，对于大角度控制任务仍不能实现(如超调后调整、无拖曳控制等)。

(2)外加磁场，特别是强外加磁场(如AIAA 2012-4103中的0.37T)需要消耗较多的电能功耗才能实现，而由于微纳卫星一般太阳能电池面积较小，整星的电能功耗均有很大限制；外加电磁线圈同时也增加了整星的重量。

(3)该方法容易带来电磁干扰，外加磁场会影响到整星磁棒等其他磁敏感部件的可靠工作，同时也会影响到卫星对外的信号传递。

北京控制工程研究所CN106742073号专利公开了一种微弧阴极放电微型电推进模块。该发明公开了电路组成及推力器连接方式。但该发明由于仅仅为一个PPU和一个推力器，所以仅能产生一个方向推力。实际在轨使用中，需要其他方向推力时，就必须配合其他使用策略，如进行卫星整体调转方向才能实现，使用的灵活性和可控性受到一定控制。