ЦЕПЬ ЗАЖИГАНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ, СОДЕРЖАЩЕЙ БЕСПОДОГРЕВНЫЙ ДИСПЕНСЕРНЫЙ КАТОД
IGNITION AND ELECTRONIC DISCHARGE CIRCUIT FOR ELECTRIC PROPULSION PLANT CONTAINING UNHEATED DISPENSER CATHODE

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится, в общем, к электрическим двигательным установкам и более конкретно - к электрической двигательной установке, использующей бесподогревный диспенсерный катод.
Уровень техники
[0002] Спутники и другие небольшие электрические устройства, используемые в космических приложениях, обычно включают в себя бортовые двигательные установки для обеспечения точного управления положением и ориентацией устройств. Традиционно в таких установках использовались химические двигатели, поскольку химические двигатели обеспечивают большую тягу. Однако химические двигательные установки требуют большой массы топлива, высокой температуры и давления и потребляют потенциально опасное или сложное в обращении топливо.
[0003] Одной из альтернатив такой двигательной установке является электрическая двигательная установка. Электрические двигательные установки имеют высокую скорость истечения выхлопных газов и эффективность использования топлива и обычно разделяются на три категории: электротермическую, электростатическую и электромагнитную. Центральным аспектом электрических двигательных установок является применение катода для генерирования электронов, которые используются для зажигания разряда. Для зажигания катодного разряда в вакууме может быть использовано множество различных способов, включая газовую инжекцию, высоковольтный пробой, механические исполнительные элементы для создания электрической дуги и детонацию плавкой проволоки.
Раскрытие сущности изобретения
[0004] В одном иллюстративном варианте осуществления цепь для зажигания и поддержания электронного разряда включает в себя цепь зажигания, содержащую высоковольтный трансформатор, переключатель, соединенный последовательно между первичной обмоткой трансформатора и отрицательным полюсом источника постоянного тока, переключатель, выполненный с возможностью приема управляющего сигнала, цепь возврата в исходное состояние, соединенную параллельно первичной обмотке высоковольтного трансформатора, первый выпрямитель, соединенный последовательно между вторичной обмоткой высоковольтного трансформатора и запальником, вывод вторичной обмотки трансформатора, соединенный с катодом, и цепь поддержки, содержащую источник тока, отрицательный полюс которого соединен с катодом, и второй выпрямитель, соединенный последовательно между источником тока и запальником.
[0005] Другой пример вышеописанной цепи зажигания и поддержания электронного разряда включает в себя также множество источников питания, подключенных по меньшей мере к одному разъему подвода питания, при этом указанный по меньшей мере один разъем подвода питания обеспечивает питание как для цепи зажигания, так и для цепи поддержки.
[0006] В следующем примере любой из вышеописанных цепей зажигания и поддержания электронного разряда высоковольтный трансформатор представляет собой трансформатор с большим коэффициентом трансформации, подключенный к источнику питания постоянного тока по меньшей мере через один вход питания.
[0007] В следующем примере любой из вышеописанных цепей зажигания и поддержания электронного разряда трансформатор с большим коэффициентом трансформации имеет отношение витков, составляющее, по меньшей мере, 10:1.
[0008] В следующем примере любой из вышеописанных цепей зажигания и поддержания электронного разряда отношение витков составляет, по меньшей мере, 100:1.
[0009] В следующем примере любой из вышеописанных цепей зажигания и поддержания электронного разряда отношение витков составляет примерно 60:1.
[0010] В следующем примере любой из вышеописанных цепей зажигания и поддержания электронного разряда цепь отличается отсутствием выходного конденсатора.
[0011] В следующем примере любой из вышеописанных цепей зажигания и поддержания электронного разряда цепь возврата в исходное состояние представляет собой линейно расположенные диод и стабилитрон.
[0012] В следующем примере любой из вышеописанных цепей зажигания и поддержания электронного разряда управление переключателем, соединенным последовательно между первичной обмоткой трансформатора и отрицательным полюсом источника постоянного тока, обеспечено посредством блока управления.
[0013] В следующем примере любой из вышеописанных цепей зажигания и поддержания электронного разряда указанный переключатель представляет собой полевой МОП-транзистор (полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник).
[0014] В следующем примере любой из вышеописанных цепей зажигания и поддержания электронного разряда при замыкании переключателя источник постоянного тока подключается к первичной обмотке трансформатора, чтобы создать высокое напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
[0015] В следующем примере любой из вышеописанных цепей зажигания и поддержания электронного разряда источник тока содержит изолированный преобразователь и индуктор.
[0016] В следующем примере любой из вышеописанных цепей зажигания и поддержания электронного разряда источник тока представляет собой понижающий преобразователь.
[0017] В следующем примере любой из вышеописанных цепей зажигания и поддержания электронного разряда цепь поддержки содержит также нагрузку постоянного тока, соединяющую вход второго выпрямителя с отрицательным полюсом постоянного тока изолированного преобразователя.
[0018] Эти и другие характеристики настоящего изобретения можно лучше всего понять из следующего описания и чертежей, кратко описанных ниже.
Краткое описание чертежей
[0019] ФИГ. 1 схематически иллюстрирует электрический двигатель для спутника.
[0020] ФИГ. 2 схематически иллюстрирует цепь зажигания для использования в электрическом двигателе с ФИГ. 1.
[0021] ФИГ. 3 схематически иллюстрирует в качестве примера цепь возврата сердечника в исходное состояние.
Осуществление изобретения
[0001] В диспенсерных катодах используются нагреватель для разогрева диспенсерного катода, чтобы вставка диспенсерного катода могла создавать термоэмиссионные электроны. Термоэмиссионные электроны взаимодействуют с газом низкого давления, присутствующем в диспенсерном катоде, образуя ионы и свободные электроны, которые вызывают возникновение катодного разряда. Нагреватели представляют собой физические компоненты, которые частично окружают катод и превращают сохраненную электрическую энергию в тепловую энергию. Наличие нагревателей увеличивает вес электрического устройства, а также повышают электрическую нагрузку, создаваемую устройством, однако, что особенно важно, нагреватель создает опасность снижения надежности и является сложным в изготовлении.
[0002] Диспенсерные катоды обычно заключаются в еще один электрод, который называется запальником. Основная функция запального электрода заключается в том, чтобы обеспечивать зажигание катодного разряда и поддерживать процесс, образуя путь для притяжения электронов при отсутствии других путей.
[0003] ФИГ. 1 схематически иллюстрирует пример электрической двигательной установки 10 для спутника или другого космического обтекаемого электрического устройства. Электрическая двигательная установка 10 включает в себя блок 20 обработки питания, соединенный с множеством источников 30 питания. В блоке 20 обработки питания установлена цепь 22 зажигания. Цепь 22 зажигания и поддержания катодного разряда генерирует две выходных мощности, одна из которых подается на катод 42, а другая - на запальник 44. Катод 42 и запальник 44 расположены в двигателе 40. Двигатель 40 соединен по текучей среде с источником 50 подачи газа.
[0004] В примере, показанном на ФИГ. 1, используется одна цепь 22 зажигания и один двигатель 50, однако, следует понимать, что в случае необходимости цепь 22 зажигания и двигатель 50 могут быть продублированы, чтобы получить любое количество дополнительных двигателей, которые требуются для данного космического обтекаемого электрического устройства.
[0005] Цепь 22 зажигания и поддержки катодного разряда выполнена с возможностью приема питания от источников 30 питания через блок 20 обработки питания и обеспечения катода 42 и запальника 44 обработанным питанием. Для того чтобы обеспечивать зажигание и работу бесподогревного катода 42 для двигателя 40 на выходе цепи 22 зажигания должны выполняться два условия, которые касаются электрических параметров. Во-первых, на выходе для запальника 44 должно быть достаточно высокое напряжение, чтобы обеспечивать пробой газа низкого давления на катоде 42. Во-вторых, ток цепи 22 зажигания и поддержки катодного разряда должен быть ограничен достаточно низкой величиной, чтобы предотвращать возникновение вакуумных дуг, вызывающих повреждения.
[0006] В наземных испытательных системах (т.е., в лабораторных условиях), это можно обеспечить, используя источник питания с напряжением 1500 В, ток которого ограничен между 0.15 А и 0.3 А, с дополнительным последовательно включенным сопротивлением 1 кОм. Однако схема, применяемая для достижения таких условий, является громоздкой и дорогостоящей. Кроме того, точное воспроизведение лабораторных систем на спутнике было бы связано со слишком большим весом для практической реализации конструкции.
[0007] Для того, чтобы обеспечить эти условия в более компактном варианте, электрическая двигательная установка 10 обеспечивает отдельные выходы электропитания для запальника 44 и катода 42. С учетом ФИГ. 1 ФИГ. 2 более подробно схематически иллюстрирует цепь 22 зажигания в блоке 20 обработки питания.
[0008] Цепь 22 зажигания и поддержки катодного разряда соединена с входами 30 питания посредством входа 102 обработки питания и может быть, в принципе, разделена на две цепи: на цепь 101 зажигания и цепь 103 поддержки. В зависимости от параметров питания, поступающего с входа 30, питание, принимаемое на входе 102 питания может быть либо обработанным дополнительной цепью в блоке 20 обработки питания, либо непосредственно подаваемым на вход 102 от источников 30 питания. Питание, полученное на входе 102, поступает на трансформатор 110 с большим коэффициентом трансформации, на цепь 114 возврата сердечника в исходное состояние и на источник 105 тока, содержащий изолированный преобразователь 130 и индуктор 140.
[0009] Трансформатор 110 с большим коэффициентом трансформации подает положительное выходное напряжение на выходной выпрямитель 120, который, в свою очередь, подает положительное выходное напряжение на запальник 44 через выход 104 питания. Отрицательное выходное напряжение трансформатора 110 с большим коэффициентом трансформации поступает на второй выход 106, который подает питание на катод 42. В трансформаторе 110 отсутствует выходная емкость, при этом трансформатор 110 может подавать высокое напряжение без накопления энергии. В некоторых примерах отношение витков, которое требуется для трансформатора с большим коэффициентом трансформации, составляет более, чем 10:1.
[0010] Цепь 114 возврата сердечника в исходное состояние в одном примере представляет собой линейное соединение диода 204 и стабилитрона 202. Этот пример иллюстрирует ФИГ. 3. Цепь 114 возврата сердечника в исходное состояние включена параллельно трансформатору 110, при этом сторона высокого напряжения цепи 114 возврата сердечника в исходное состояние соединена с входом высокого напряжения трансформатора 110, а сторона низкого напряжения цепи 114 возврата сердечника в исходное состояние соединена с входом низкого напряжения трансформатора 110. Сторона низкого напряжения цепи 114 возврата сердечника в исходное состояние соединена с обесточенной ветвью трансформатора 110. Обесточенная ветвь трансформатора 110 также соединена с переключателем 112, который соединяет эту обесточенную ветвь с нейтралью 108, когда переключатель 112 замкнут, и отсоединяет трансформатор, когда переключатель разомкнут.Если переключатель 112 замкнут, диод 204 в цепи 114 возврата сердечника в исходное состояние блокирует прохождение тока через цепь 114 возврата сердечника в исходное состояние. Если переключатель 112 разомкнут, диод 204 в цепи 114 возврата сердечника в исходное состояние пропускает ток намагничивания через цепь 114 возврата сердечника в исходное состояние, и падение напряжения на стабилитроне 202 передается на первичную обмотку трансформатора 110, создавая напряжение, которое приводит поток в трансформаторе 110 в исходное состояние.
[0011] Во время работы внешняя цепь управления (содержащаяся в блоке 20 обработки питания или в другой части электрического устройства) подает импульсы на переключатель 112. Эти импульсы обеспечивают эффективную передачу напряжения силовой цепи от входа 102 питания до первичной обмотки трансформатора 110 для получения высокого напряжения на вторичной обмотке трансформатора 110. Когда переключатель 112 выключен, паразитная емкость в кабеле, идущем к запальнику 44, и последовательный импеданс трансформатора 110 и переключателя 112 поддерживают требуемое высокое напряжение с некоторым спадом до следующего цикла включения переключателя 112. Размер сердечника трансформатора и число витков выбирается таким образом, чтобы предотвратить насыщение сердечника во время нахождения переключателя 112 в замкнутом положении, при этом указанный выбор может быть осуществлен в соответствии с любой известной методикой. На практике во время подачи последовательности импульсов зажигания напряжение, поступающее на запальник, 44 не имеет плоскую форму (т.е., не является постоянным), поскольку существует время нарастания, когда переключатель 112 включен, и спад напряжения во время выключения переключателя. Общая форма результирующего напряжения, подаваемого на запальник, представляет собой пилообразную форму, смещенную импульсом постоянного тока.
[0012] Период времени между импульсами переключателя 112 и цепи 114 возврата сердечника в исходное состояние определяет длительность и напряжение возврата сердечника трансформатора 110 в исходное состояние и возвращает трансформатор 110 к нулевому потоку. При такой конфигурации напряжение может поддерживаться высоким неопределенно долго до тех пор, пока не будет зафиксирован ток на катоде, или импульсы могут подаваться периодическими группами, чтобы создавать определенную последовательность импульсов, поступающих на запальник 44, в зависимости от конкретных требований для данного электрического двигателя 40.
[0013] Если длительность включения переключателя 112 поддерживается постоянной, величина напряжения зажигания зависит от входного напряжения на запальнике 44. При этом требуемое напряжение зажигания для типичного входа может изменяться до 50%. Нестабильность напряжения импульсов зажигания, вызываемая входным напряжением, в некоторых примерах уменьшается, если сделать ширину импульсов зажигания зависимой от напряжения зажигания. Это обеспечивается при помощи любой известной цифровой или аналоговой системы управления.
[0014] Чтобы получить поддерживающий ток, проходящий через запальник 44 к катоду 42 после начала разряда, изолированный преобразователь 130 обеспечивает необходимое напряжение и силу тока. В качестве примера изолированный преобразователь 130 может быть выполнен с возможностью обеспечения примерно от 20 до 400 В и от 0,15 до 0,3 А и может представлять собой двухтактный преобразователь или другой тип переключаемого преобразователя. В альтернативных примерах можно получить любую другую величину тока, используя аналогичную конфигурацию с соответствующим масштабированием.
[0015] Для того, чтобы полностью исключить подогреватели катода, катод 42 выполнен в виде самонагревающегося катода. Самонагревающийся катод преобразует часть полученного электрического тока в тепловую энергию, которая затем повышает температуру катода. Для обеспечения непрерывного тока на катоде 42 и, таким образом, поддержания функции самонагрева в течение всего времени работы, индуктор 140 соединяет выход изолированного преобразователя 130 со вторым выпрямителем 122. Второй выпрямитель 122 подключен к выходу катода 106 и в иллюстрируемом примере представляет собой диод.
[0016] Разряд катода 42 устанавливает напряжение на эффективном уровне постоянного напряжения, в то время как обратная связь по току используется для управления величиной тока, подаваемого на катод 42. Источник тока обеспечивает прохождение постоянного тока до зажигания разряда катода 42. Для этого в примере осуществления, показанном на ФИГ. 2, предусмотрена нагрузка 150 постоянного тока. Нагрузка 150 постоянного тока может представлять собой коммутируемое сопротивление, цепь стабилитронов или любое аналогичное устройство, которое может быть предварительно заряжено источником разряда. Напряжение нагрузки 150 устанавливается на более высоком уровне, чем ожидаемый разряд, поэтому, при зажигании катодного разряда ток естественным образом перенаправляется от нагрузки 150 к катодному разряду. Для предотвращения шунтирования всей энергии источником разряда и нагрузкой разряд и нагрузка 150 соединяются с запальником 44 через высоковольтный диод 122. Высоковольтный диод 122 рассчитан на то, чтобы выдерживать полную величину импульса зажигания.
[0017] При этом следует понимать, что любая из вышеописанных концепций может быть использована отдельно или в комбинации с любой или всеми другими вышеописанными концепциями. Хотя в описании раскрыт один вариант осуществления изобретения, для специалистов в данной области техники очевидно, что определенные модификации могут входить в объем этого изобретения. По этой причине следует изучить прилагаемую формулу изобретения, чтобы определить истинный объем и содержание данного изобретения.