離子推進系統電源研究

摘要：離子推進電源處理單元(PPU)是組成離子電推進系統的關鍵設備之一。本文以某離子電推進系統配置的電源處理單元為例，針對多路組合、輸出功率大、電壓高及時序控制等電源特點，采用不同的電源變換拓撲方案，來實現復雜電源功能。并通過實際電路驗證和檢測，研究結果滿足了設計指標要求。
關鍵詞：離子推進系統；推力器；電源處理單元；驗證

自從1911年俄羅斯火箭科學家齊奧爾科夫斯基提出電推進概念以來，前蘇聯和美國相繼開始了近30年的電推進空間飛行試驗，到上世紀90年代開始，電推進正式開始在航天器上應用，到目前為止，電推進系統已廣泛應用于空間任務。
電推進作為一種先進的推進技術，由于其高比沖的優勢，可以降低航天器系統質量、提高壽命、增加有效載荷，已經成為衡量一顆衛星先進性的重要指標。并且電推進已經是具有戰略競爭力的未來航天器關鍵技術。

1 離子推進器簡介
離子推進技術是利用電能(來自太陽能電池或核電反應堆電源)使推進劑電離，在磁場和電場的作用下，高速噴出，產生遠高于化學推進的噴氣速度，可有效減少推進劑的需求量。離子推進技術，由于其具有高比沖、高效率的特點。
離子推進系統(Ion Push System，IPS)由推力器、電源處理單元(Power Processing Unit，PPU)、推進劑供給系統(Xenon Feed Syste m，XFS)以及數字接口與控制單元(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、離子光學系統(即柵極組件)等幾個基本部分構成。圖1為其構造示意圖。電源處理單元在控制單元的控制下，通過衛星平臺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系統的主要組成部分，它將航天器的母線電壓轉換為電推進系統的推力器需要的各種電壓和電流，是電推進系統穩定、可靠工作的基礎。
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行各路輸出的開關功能、各路電源輸出電壓和電流的遙測功能和故障保護功能。其中故障保護功能主要包括母線的短路保護功能、輸出過載及短路保護功能和推力器異常息弧保護功能。
根據離子電推進系統的不同型號推力器的供電要求，電源處理單元的內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。

離子電推進系統推力器工作過程中，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加熱電源，對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℃，空心陰極發射體開始熱電子發射；
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射電場，維持陰極的穩定持續放電狀態，并在主陰極和陽極間形成等離子體區域；
3)陰極點火電源和中和器點火電源，分別在主陰極和中和器的陰極與觸持極之間產生高壓單次脈沖，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組件供電，對放電室內被電離的Xe+進行聚焦、加速和引出，從而產生推力。