离子推进系统电源研究

摘要：离子推进电源处理单元(PPU)是组成离子电推进系统的关键设备之一。本文以某离子电推进系统配置的电源处理单元为例，针对多路组合、输出功率大、电压高及时序控制等电源特点，采用不同的电源变换拓扑方案，来实现复杂电源功能。并通过实际电路验证和检测，研究结果满足了设计指标要求。
关键词：离子推进系统；推力器；电源处理单元；验证

自从1911年俄罗斯火箭科学家齐奥尔科夫斯基提出电推进概念以来，前苏联和美国相继开始了近30年的电推进空间飞行试验，到上世纪90年代开始，电推进正式开始在航天器上应用，到目前为止，电推进系统已广泛应用于空间任务。
电推进作为一种先进的推进技术，由于其高比冲的优势，可以降低航天器系统质量、提高寿命、增加有效载荷，已经成为衡量一颗卫星先进性的重要指标。并且电推进已经是具有战略竞争力的未来航天器关键技术。

1 离子推进器简介
离子推进技术是利用电能(来自太阳能电池或核电反应堆电源)使推进剂电离，在磁场和电场的作用下，高速喷出，产生远高于化学推进的喷气速度，可有效减少推进剂的需求量。离子推进技术，由于其具有高比冲、高效率的特点。
离子推进系统(Ion Push System，IPS)由推力器、电源处理单元(Power Processing Unit，PPU)、推进剂供给系统(Xenon Feed Syste m，XFS)以及数字接口与控制单元(Digital Control Interface Unit，DCIU)4部分组成。离子推力器的基本功能是产生推力。离子推力器由推力器外壳、放电室、主阴极、中和空心阴极、离子光学系统(即栅极组件)等几个基本部分构成。图1为其构造示意图。电源处理单元在控制单元的控制下，通过卫星平台的电源总线向推力器的加热极，加速极，阳极电离室等功能单元提供各种电压。

2 电源处理单元(PPU)概述
电源处理单元是电推进系统的主要组成部分，它将航天器的母线电压转换为电推进系统的推力器需要的各种电压和电流，是电推进系统稳定、可靠工作的基础。
航天器用电源处理单元不仅需具备功率变换功能还需具备接受指令执行各路输出的开关功能、各路电源输出电压和电流的遥测功能和故障保护功能。其中故障保护功能主要包括母线的短路保护功能、输出过载及短路保护功能和推力器异常息弧保护功能。
根据离子电推进系统的不同型号推力器的供电要求，电源处理单元的内部功能电源配置一般包括以下功能电源输出：阴极加热电源；阴极触持极电源；阴极点火电源；阳极电源；中和器阴极加热电源；中和器触持极电源；中和器阴极点火电源；加速电源；屏栅电源。电源处理单元各功能电源组成及与推力器供电示意如图2所示。

离子电推进系统推力器工作过程中，电源处理单元各功能电源的工作情况如下：
1)阴极和中和器阴极两个加热电源，对空心阴极加热丝通电加热，直到空心阴极温度被加热到1 600℃，空心阴极发射体开始热电子发射；
2)阴极触持极电源、阳极电源及中和器触持极电源，建立阴极和中和器阴极电子发射电场，维持阴极的稳定持续放电状态，并在主阴极和阳极间形成等离子体区域；
3)阴极点火电源和中和器点火电源，分别在主阴极和中和器的阴极与触持极之间产生高压单次脉冲，使阴极和触持极之间起弧放电；
4)加速电源和屏栅电源用以离子光学组件供电，对放电室内被电离的Xe+进行聚焦、加速和引出，从而产生推力。