(57)【要約】飛行体（１００）の電気スラスタ（１１２）に電力供給するシステムおよび方法。方法は、高電圧ソーラーアレイ（１２２）の未調整高電圧出力電流を飛行体の電気推進システム（１０４）に直接提供することを含む。電気推進システムは、未調整高電圧出力電流の電圧レベルを変換することにより変換済み高電圧電流を生成する。変換済み高電圧電流は、電気スラスタのアノードに直接供給される。調整済み低電圧電流もまた、低電圧ソーラーアレイ（１２４）の低電圧出力を調整することにより生成される。調整済み低電圧電流は、電気スラスタの少なくとも１つの電子部品に電力を供給するのに使用される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧（ＨＶ）ソーラーアレイの未調整ＨＶ出力電流を飛行体の電気推進（ＥＰ）システムに直接提供し、
ＥＰシステムにより、未調整ＨＶ出力電流の電圧レベルを変換することにより変換済みＨＶ電流を生成し、
変換済みＨＶ電流を電気スラスタのアノードに直接供給する、
ことを含むことを特徴とする、飛行体の電気スラスタに電力供給する方法。
【請求項２】
低電圧（ＬＶ）ソーラーアレイのＬＶ出力を調整することにより調整済みＬＶ電流を生成し、
電気スラスタの少なくとも１つの電子部品に電力を供給するように調整済みＬＶ電流を使用する、
ことをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
ＨＶソーラーアレイからの入力電圧値が常にＨＶソーラーアレイの被追跡ピーク電力点の電圧値より大きいかまたはそれに等しくなるように、ＥＰシステムのアノード放電コンバータの作動を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
ＨＶソーラーアレイの被追跡ピーク電力点に基づいてＥＰシステムの弁を制御することをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
電気推進（ＥＰ）システムと、
未調整高電圧（ＨＶ）出力電流をＥＰシステムに提供するＨＶソーラーアレイと、
を備え、
ＥＰシステムは、（１）未調整ＨＶ出力電流の電圧レベルを変換することにより変換済みＨＶ電流を生成し、（２）変換済みＨＶ電流を電気スラスタに直接供給することを特徴とする、システム。
【請求項６】
低電圧（ＬＶ）ソーラーアレイのＬＶ出力を調整することにより調整済みＬＶ電流を生成する電力管理・分配システムをさらに備えることを特徴とする請求項５記載のシステム。
【請求項７】
調整済みＬＶ電流は、電気スラスタの少なくとも１つの電子部品に電力を供給するのに使用されることを特徴とする請求項６記載のシステム。
【請求項８】
ＨＶソーラーアレイからの入力電圧値が常にＨＶソーラーアレイの被追跡ピーク電力点の電圧値より大きいかまたはそれに等しくなるように、ＥＰシステムのアノード放電コンバータの作動が制御されることを特徴とする請求項５記載のシステム。
【請求項９】
ＨＶソーラーアレイの被追跡ピーク電力点に基づいてＥＰシステムの弁が制御されることを特徴とする請求項５記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、太陽電気推進（Ｓｏｌａｒ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ）（「ＳＥＰ」）電力システムに関する。より詳細には、本開示は、ＳＥＰ用途のための電力アーキテクチャに関する。
【０００２】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１４年１１月１３日に出願された出願番号第６２／０７９，０２２号の米国仮特許出願に対して利益および優先権を主張し、その出願の内容は、参照により本願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
一般に衛星や宇宙船では、１つまたは複数の電源から電力管理・分配（Ｐｏｗｅｒ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）（「ＰＭＡＤ」）システムへと電力が流れる。電源は、限定される訳ではないが、バッテリ、燃料電池、および／またはＳＥＰシステムのソーラーアレイを含むことができる。そこから電力は、全ての負荷に分配される。負荷は、限定される訳ではないが、バス負荷、ペイロード、およびＥＰシステムを含む。ＰＭＡＤシステムは、フィルタ、分配器、コンバータ、絶縁回路および調整器から成る回路の集まりを含む。作動中にＰＭＡＤシステムは、調整されたバス電圧を出力し、このバス電圧は、バス全体を通して、ＥＰシステム、バス負荷、ペイロード、およびバッテリ充電器に分配される。バス負荷は、限定される訳ではないが、飛行体の通信、誘導、航行および制御を含む。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示は、飛行体の電気スラスタに（電力アーキテクチャにより）電力供給する方法に関する。方法は、高電圧ソーラーアレイの未調整高電圧出力電流を飛行体の電気推進システムに直接提供することを含む。電気推進システムは、未調整高電圧出力電流の電圧レベルを変換することにより変換済み高電圧電流を生成する。変換済み高電圧電流は、電気スラスタのアノードに直接供給される。調整済み低電圧電流もまた、低電圧ソーラーアレイの低電圧出力を調整することにより生成される。調整済み低電圧電流は、電気スラスタの少なくとも１つの電子部品に電力を供給するのに使用される。
【０００５】
いくつかのシナリオでは、高電圧ソーラーアレイからの入力電圧値が常に高電圧ソーラーアレイの被追跡ピーク電力点の電圧値より大きいかまたはそれに等しくなるように、電気推進システムのアノード放電コンバータの作動が制御される。追加または代替として、高電圧ソーラーアレイの被追跡ピーク電力点に基づいて電気推進システムの弁が制御される。
【０００６】
本開示はまた、飛行体の電気スラスタに電力供給するシステムに関する。各システムは、電気推進システムと、未調整高電圧出力電流を電気推進システムに提供する高電圧ソーラーアレイとを備える。電気推進システムは、未調整高電圧出力電流の電圧レベルを変換することにより変換済み高電圧電流を生成する。変換済み高電圧電流は、電気スラスタに直接供給される。
【０００７】
いくつかのシナリオでは、システムはまた、電力管理・分配システムを含む。電力管理・分配システムは、低電圧ソーラーアレイの低電圧出力を調整することにより調整済み低電圧電流を生成する。調整済み低電圧電流は、電気スラスタの少なくとも１つの電子部品に電力を供給するのに使用される。高電圧ソーラーアレイからの入力電圧値が常に高電圧ソーラーアレイの被追跡ピーク電力点の電圧値より大きいかまたはそれに等しくなるように、電気推進システムのアノード放電コンバータの作動が制御される。高電圧ソーラーアレイの被追跡ピーク電力点に基づいて電気推進システムの弁が制御される。
【０００８】
実施例は以下の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】飛行体の例示的なアーキテクチャの概略図。
【図２Ａ】（図２Ａは図２Ｂとまとめて図２と呼ばれる。）日食なしのシナリオにおいて電気推進システムの構成要素に電力供給する例示的な方法の流れ図。
【図２Ｂ】（図２Ｂは図２Ａとまとめて図２と呼ばれる。）日食ありのシナリオにおいて電気推進システムの構成要素に電力供給する例示的な方法の流れ図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１に示すように、本開示は、飛行体１００用のＳＥＰシステムを含む。飛行体１００は、限定される訳ではないが、宇宙船または衛星を含むことができる。ＳＥＰシステムは、従来の飛行体のＳＥＰシステムのものに比較して、飛行体の寄生電力を４０％超だけ、熱生成を４０％超だけ、質量および体積を約２２％だけ、費用を約２０％だけ低減することができる。
【００１１】
日食なしのシナリオにおける作動中に、１つまたは複数の電源１０２、１２０から電力管理・分配（「ＰＭＡＤ」）システム１０６へと電力が流れる。電源は、バッテリ１２０、燃料電池（図示せず）、および／またはソーラーアレイ１２２、１２４を含むことができる。ＰＭＡＤシステム１０６は、電力を飛行体１００の負荷１０４、１０８、１１０に分配する。この点では、ＰＭＡＤシステム１０６は、フィルタ、分配器、コンバータ、絶縁回路、および／または調整器から成る回路の集まりを含む。回路は、調整されたバス電圧を出力するように構成され、このバス電圧は、バス全体を通して、負荷およびバッテリ充電器（図示せず）に分配される。負荷は、バス負荷１０８、ペイロード１１０およびＥＰシステム１０４を含むことができる。バス負荷１０８は、飛行体の通信、誘導、航行および制御を含むことができる。
【００１２】
ＥＰシステム１０４は、電気スラスタ１１２と電力処理ユニット（Ｐｏｗｅｒ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）（「ＰＰＵ」）１３０とを備える。電気スラスタは、当業技術内でよく知られており、従って、本明細書では詳細に説明しない。いくつかのシナリオでは、電気スラスタは、限定される訳ではないが、プラズマに基づく電気スラスタ、イオンスラスタまたはホール効果スラスタを含む。単一の電気スラスタを図１に示すが、ＥＰシステムはそのようなものに限定されない。任意の数の電気スラスタを特定の用途に従って使用できる。
【００１３】
電気スラスタ１１２を「オン」および「オフ」するように、また作動の必要に応じて最大効率で電気スラスタ１１２が作動するように、飛行体１００のＳＥＰシステムによって電気スラスタ１１２に電力を供給できる。この点では、ＳＥＰシステムは、スプリットソーラーアレイ（Ｓｐｌｉｔ  Ｓｏｌａｒ  Ａｒｒａｙ）（「ＳＳＡ」）電源１０２、ＰＭＡＤ１０６、ＰＰＵシステム１３０、および制御装置１１４を備える。ＳＳＡ電源１０２は、高電圧（Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ）（「ＨＶ」）ソーラーアレイ１２２および低電圧（Ｌｏｗ  Ｖｏｌｔａｇｅ）（「ＬＶ」）ソーラーアレイ１２４を含む。ソーラーアレイは、当業技術内でよく知られており、従って、本明細書では詳細に説明しない。任意の既知のまたは既知となるソーラーアレイを限定なしに本明細書で使用できる。例えば、いくつかのシナリオでは、各ソーラーアレイ１２２、１２４は、互いに電気的に接続されて支持構造上に取り付けられた光起電性（Ｐｈｏｔｏ  Ｖｏｌｔａｉｃ）（「ＰＶ」）モジュールを備える。
【００１４】
作動中に、日食なしのシナリオにおいて、ＳＳＡ電源１０２のＬＶソーラーアレイ１２４のＬＶ出力（例えば、２８Ｖ）が（参照符号１５２に示すように）、バッテリ充電を含む、ＰＭＡＤシステム１０６に提供される。日食ありのシナリオにおいて、バッテリ１２０のＬＶ出力がＰＭＡＤシステム１０６に提供される。ＰＭＡＤシステム１０６において、ＬＶソーラーアレイ１２４および／またはバッテリ１２０のＬＶ出力が調整される。ＰＭＡＤシステム１０６からの調整済み電圧出力は、次いで、参照符号１５４に示すようにＥＰシステム１０４のスラスタ電源１１８に分配される。
【００１５】
次に、スラスタ電源１１８は、ＬＶ電流を補助コンバータ１３４に提供する。補助コンバータ１３４は、電気スラスタ１１２の少なくとも１つの電子部品１４２に電力を供給するように、ＬＶ電流を使用する。１つまたは複数の電子部品は、限定される訳ではないが、内部磁石、外部磁石、イグナイタ／フィーダおよび／またはヒータを含む。
【００１６】
イグナイタ／フィーダを介する電気スラスタ１１２の点弧の時に、電気スラスタ１１２には、タンク１１６内に貯蔵される推進剤が供給される。従って、ＥＰシステム１０４はまた、電気スラスタ１１２への推進剤の正確に制御された提供を促進する少なくとも1つの弁１３２を備える。弁１３２は、限定される訳ではないが、電気機械式弁（例えば、電磁弁）を含む。弁１３２の開閉は、ＨＶソーラーアレイ１２２の被追跡ピーク電力点に基づいて制御装置１１４によって正確に制御される。結果として、作動に必要な特定のインパルス（Ｉｓｐ）のために電気スラスタ１１２によって日食なしの全ての時に最大利用可能ＨＶソーラーアレイ電流で推進剤の最大イオン化が達成される。
【００１７】
本明細書で使用される「被追跡ピーク電力点」という用語は、ある与えられた作動条件（例えば、ソーラーアレイの温度および／または太陽放射の量）におけるソーラーアレイ電源によって生成される最大電力のことを言う。最大電力は、ＰＰＵ１３０および／または制御装置１１４によって追跡される。この点では、これらの構成要素１１４、１３０は、ピーク電力追跡（Ｐｅａｋ  Ｐｏｗｅｒ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ）（「ＰＰＴ」）アルゴリズムを実行する。ＰＰＴアルゴリズムは、当業技術内でよく知られており、従って、本明細書では詳細に説明しない。任意の既知のまたは既知となるＰＰＴアルゴリズムを限定なしに本明細書で使用できる。
【００１８】
いくつかのシナリオでは、ＰＰＵ１３０は、ソーラーアレイ寿命、熱および作動に対処するように、未調整ＨＶ入力電圧範囲を有する。代替または追加として、ＰＰＵ１３０は、直列または並列接続による高電力（Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ）（「ＨＰ」）およびＨＶアナログ放電コンバータ出力のための複数のモジュールＰＰＵを備える。
【００１９】
推進剤イオン化は、参照符号１５６に示すように、電気スラスタ１１２のアノード１４０への変換済みＨＶ電流の供給によって促進される。未調整ＨＶ電流は、ＰＰＵ１３０のアノード放電コンバータ（Ａｎｏｄｅ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）（「ＡＤＣ」）１２８に供給される。ＡＤＣ１２８は、広い（２：１）入力電圧範囲（例えば、７０〜１４０ボルト）と、広い出力電圧範囲（例えば、１５０〜８００ボルト）とを有する。ＡＤＣ１２８の入力電圧（例えば、ＢＯＬにおける１００Ｖ）は、参照符号１５０に示すように、何ら中間の調整または電力調整作動なしに、ＳＳＡ電源１０２のＨＶソーラーアレイ１２２から供給される。ＡＤＣ１２８の変換済みＨＶ電流出力は、ＨＶソーラーアレイ１２２の被追跡ピーク電力点に基づいて制御装置１１４によって制御される。従って、ＡＤＣ１２８の作動は、ＡＤＣ１２８の入力電圧レベルが常にＨＶソーラーアレイ１２２の被追跡ピーク電力点の電圧値より大きいかまたはそれに等しくなるように制御される。
【００２０】
上述の説明から明らかなように、ＳＥＰシステムアーキテクチャの電力アーキテクチャは、構成要素１０２、１０６、１１２、１１４、１２０、１３０によって規定される。電力アーキテクチャは、作動の柔軟性と設計の最適化との間で均衡しており、高電力システム効率、低熱負荷、生成される電力の高使用、低い質量、体積、スケジュールおよび費用に対する中間から最大の利益を有しながら、同時に、さまざまな飛行任務局面に対して作動柔軟性を維持する。さらに、電力アーキテクチャは、従来の調整済み電力バスへの依存からＳＥＰシステムを解放し、電気スラスタ１１２による最適性能を可能にする。電気スラスタ１１２は、専用のＨＶ電力バス１５０からの広い入力電圧範囲に亘って作動しながら、他の飛行体サブシステムに専用のＬＶ電力バス１５４を使用させる。
【００２１】
ソーラーアレイＨＶチャネルの作動点は、電気スラスタ１１２の組み合わされた電力需要によって決定される。ＳＥＰ飛行任務の大部分は、日光下で作動するが、（静止地球軌道において）アレイ温度が−１６０℃と同じくらい低い場合、飛行体１００は日食ありとなり得る。この温度においてさえ、設計されたＨＶソーラーアレイ開回路電圧は、（１ＡＵ軌道について）１４０ボルト未満となり得る。ＰＰＵ１３０は、入力電圧範囲に亘って作動することができるので、電気スラスタ１１２は、ソーラーアレイ１２２、１２４が日光に入ると、すぐに駆動されるであろう。電気スラスタ１１２が点弧されると、推進剤の流れは、スラスタ電力需要を増加させ、ソーラーアレイ１２２、１２４をそれらのピーク電力作動点へと駆動するように、増加されるであろう。ソーラーアレイ作動点が、１４０ボルトのその開回路値から約７０ボルトのピーク電力電圧へと移動するので、ＰＰＵ１３０および／または制御装置１１４は、所望の出力電圧を維持するように入力スイッチのデューティサイクルを自動的に増加させるであろう。
【００２２】
ここで図２Ａ、図２Ｂを参照すると、日食なしのシナリオおよび日食ありのシナリオにおいてＥＰシステム（例えば、図１のＥＰシステム１０４）の構成要素に電力供給する例示的な方法２００の流れ図が提供される。図２Ａに示すように、方法２００は、ステップ２０２から開始し、ステップ２０４に続き、そこでは、周囲環境の日食なしの状態が検出される。このような検出は、ソーラー放射による電圧の増加および／またはソーラーアレイにより生成される電力の減少を検出することによってなされ得る。
【００２３】
このような日食なしの状態が検出されると、電気スラスタ（例えば、図１の電気スラスタ１１２）に電力供給するようにステップ２０６〜２１８が実行される。ステップ２０６〜２１６は、ＬＶソーラーアレイ（例えば、図１のＬＶソーラーアレイ１２４）のＬＶ出力をＰＭＡＤシステム（例えば、図１のＰＭＡＤ１０６）に供給し；  調整済み電圧を生成するようにＰＭＡＤシステムにおいてＬＶ出力を調整し；  調整済み電圧出力をＰＭＡＤシステムからスラスタ電源（例えば、図１のスラスタ電源１１８）に分配し；  ＬＶ電流をスラスタ電源からＰＰＵ（例えば、図１のＰＰＵ１３０）の補助コンバータ（例えば、図１の補助コンバータ１３４）に提供し；  補助コンバータから電気スラスタの少なくともイグナイタ／フィーダ（例えば、図１の電子部品１４２）に電力を供給するようにＬＶ電流を使用し；  イグナイタ／フィーダを介する点弧の時に電気スラスタに推進剤が供給されるようにＥＰシステムの弁（例えば、図１の弁１３２）を制御する、ことを含む。弁は、ＨＶソーラーアレイ（例えば、図１のＨＶソーラーアレイ１２２）の被追跡ピーク電力点に基づいて制御される。ステップ２１８において、ＨＶ電流をＥＰシステムのアノード放電コンバータ（例えば、図１のアノード放電コンバータ１２８）に直接供給し；  変換済みＨＶ電流を生成するようにアノード放電コンバータによる作動を実行し；  変換済みＨＶ電流を電気スラスタのアノード（例えば、図１のアノード１４０）に供給する、ことにより、推進剤イオン化が促進される。
【００２４】
特に、作動は、周囲環境の日食なしの状態および／または日食ありの状態を検出するように、周期的にまたは連続的に実行される。日食ありの状態が検出されない場合［２２０：ＮＯ］、次いで、方法２００は、ステップ２１８に戻る。これとは対照的に、日食ありの状態が検出される場合［２２０：  ＹＥＳ］、次いで、方法２００は、図２Ｂのステップ２２２〜２３２へと続く。
【００２５】
図２Ｂに示すように、ステップ２２２〜２３２は、電気スラスタを停止させ；  バッテリ（例えば、図１のバッテリ１２０）のＬＶ出力をＰＭＡＤシステムに供給し；  調整済み電圧を生成するようにＰＭＡＤシステムにおいてＬＶ出力を調整し；  調整済み電圧出力をＰＭＡＤシステムからスラスタ電源に分配し；  ＬＶ電流をスラスタ電源からＰＰＵの補助コンバータに提供し；  補助コンバータから電気スラスタの少なくともヒータ（例えば、図１のヒータ１４２）に電力を供給するようにＬＶ電流を使用する、ことを含む。ステップ２３２が完了すると、ステップ２３４が実行され、そこでは、方法２００が終了するか、または他の処理が実行される（例えば、図２Ａのステップ２０４に戻る）。
【図１】
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【図２Ａ】
2017537831.tif 000004
【図２Ｂ】
2017537831.tif 000005
【国際調査報告】
2017537831.tif 000006