包括用于电推进器的跨接电力处理单元的卫星的制作方法

1.本公开通常涉及卫星推进器系统，并且更具体地涉及包括用于电推进器的冗余电力处理系统的卫星。


背景技术：

2.卫星和航天系统利用内置推进器来在系统行进通过空间时保持和调整轨迹和取向。推进器是由诸如太阳能发电机的机载发电系统供电，或者被提供有预期持续该航天系统的使用寿命的存储的电力。在一些示例中，推进器是电推进器，并且可以根据已知的电动推力生成技术将电力转换成推力。
3.用于电动推力发生器的一些电力处理单元被设计成在电力供应单元发生故障时停止工作。此外，一些航天系统需要冗余。需要冗余推进器的现有系统提供完全冗余的系统，使得当一个系统发生故障时，冗余系统开始生效。举例来说，采用了冗余的现有推力产生系统包括两组不同的冗余推进器和电力处理单元以及控制器，该控制器被配置成在主系统中发生故障的情况下激活备用(冗余)推进器系统。


技术实现要素：

4.在一个示例性实施例中，航天器推进系统包括第一推进器系统，其包括第一电力处理单元，其通过跨接(crossover)切换单元连接到第一推进器串，并通过跨接切换单元连接到第二推进器串；第二推进器系统，其包括第二电力处理单元，其通过跨接切换单元连接到第二推进器串，并通过跨接切换单元连接到第一推进器串；以及控制器，其连接到第一电力处理单元、第二电力处理单元和跨接切换单元中的每一个。
5.在上述航天器推进系统的另一示例中，所述第一推进器串和所述第二推进器串均包括至少两个推进器。
6.在任何上述航天器推进系统的另一示例中，第一推进器串和第二推进器串中的每一个中的至少两个推进器是电推进器。
7.在任何上述航天器推进系统的另一示例中，第一推进器串和第二推进器串中的每一个中的至少两个推进器是霍尔效应电推进器。
8.在任何上述航天器推进系统的另一示例中，所述跨接切换单元包括第一多个切换器，所述第一多个切换器中的每个切换器是机械接触器、继电器、自锁继电器和固态切换器中的一个，并且所述跨接切换单元包括第二多个切换器，所述第二多个切换器中的每个切换器是机械接触器、继电器、自锁继电器和固态切换器中的一个。
9.在任何上述航天器推进系统的另一示例中，第一多个切换器和第二多个切换器中的每个切换器是自锁继电器。
10.在任何上述航天器推进系统的另一示例中，跨接切换单元中的第一多个切换器和跨接切换单元中的第二多个切换器近似地相同。
11.在任何上述航天器推进系统的另一示例中，跨接切换单元包括在对应推进器串中
的每个推进器的七个自锁继电器。
12.在任何上述航天器推进系统的另一示例中，控制器包括控制模块，其被配置成使用跨接切换单元解复用第一电力处理单元和第二电力处理单元中的一个的输出，使得第一电力处理单元向第一推进器串和第二推进器串提供输出信号。
13.一种用于在航天器推进系统中提供跨接冗余的一个示例性方法包括使用跨接切换单元将第一电力处理单元连接到第一推进器串以及使用跨接切换单元连接到第二推进器串，使用跨接切换单元将第二电力处理单元连接到第一推进器串并且使用跨接切换单元连接到第二推进器串，以及利用控制器控制跨接切换单元，使得第一电力处理单元信号通过跨接切换单元传递到第一推进器串，并且第二电力处理单元信号通过跨接切换单元传递到第二推进器串。
14.在用于在航天器推进系统中提供跨接冗余的上述方法的另一示例进一步包括利用控制器控制跨接切换单元，使得跨接切换单元响应于第二电力处理单元中的故障，将信号从第一电力处理单元解复用到第一和第二推进器串。
15.在用于在航天器推进系统中提供跨接冗余的任何上述方法的另一示例中，利用控制器控制跨接切换单元包括使用控制器命令跨接切换单元内的第一多个切换器中的每个切换器的状态，以及命令跨接切换单元内的第二多个切换器中的每个切换器的状态。
16.用于在航天器推进系统中提供跨接冗余的任何上述方法的另一示例进一步包括自锁第一多个切换器中的每个切换器并且自锁第二多个切换器中的每个切换器，使得不需要来自控制器的连续命令来维持期望的切换器状态。
17.在用于在航天器推进系统中提供跨接冗余的任何上述方法的另一示例中，第一多个切换器中的每个切换器和第二多个切换器中的每个切换器是自锁继电器。
18.在用于在航天器推进系统中提供跨接冗余的任何上述方法的另一示例中，所述跨接切换单元包括第一多个切换器和第二多个切换器，并且其中，每个多个切换器包括机械接触器、继电器、自锁继电器和固态切换器中的至少一个。
19.在用于在航天器推进系统中提供跨接冗余的任何上述方法的另一示例中，利用控制器控制跨接切换单元包括将每个电力处理单元连接到对应推进器串作为单个单元。
20.在用于在航天器推进系统中提供跨接冗余的任何上述方法的另一示例中，利用控制器控制跨接切换单元包括将每个电力处理单元独立地连接到所述对应推进器串中的每个推进器。
21.从下面的说明书和附图中可以最好地理解本发明的这些和其它特征，下面是附图的简要说明。
附图说明
22.图1示出包括跨接冗余电力处理配置的一个示例性卫星。
23.图2示意性地示出用于为冗余跨接电力处理系统内的一组四个电推进器供电的一个示例性继电器系统。
24.图3示意性地示出用于不同推进器串中的一对对应推进器的更详细的跨接切换单元配置。
具体实施方式
25.图1示意性地示出了示例性卫星10，其包括具有两个推进器串20的航天推进系统。在所示的示例中，每个推进器串20包括四个电推进器22。在替代的实际实施例中，推进器串可以包括包含单个推进器串的任何数量的推进器。电推进器22可以是配置成在太空条件下将电力转换成推力的任何类型的推进器。虽然在图1中示意性地示出了线性配置，但是应当理解，在实际实施中推进器围绕卫星10以不同的位置和取向设置。在一个实际的示例中，电推进器22是霍尔效应电推进器。在替代示例中，替代电推进器类型可被用于类似的效果。为了向每个推进器串20中的推进器22提供电力，对应的电力处理单元30通过切换单元40连接到推进器串20。虽然在示例性卫星10中示意性地示出为单线，但是电力处理单元30和切换单元40之间的连接以及切换单元40和推进器22之间的连接可以是为推进器22供电或控制可能需要的多个电连接。电力处理单元30、切换单元40和推进器串20的组合在这里被称为推进器系统，并且示出的卫星10包括两个推进器系统a、b。
26.控制器50通过通信线路52连接到每个电力处理单元30和切换单元40。在一些示例中，控制器50是专用推进器系统控制器。在替代示例中，控制器50是通用卫星系统控制器，其包括使得控制器50能够向推进器系统提供包括跨接冗余控制的操作控制的专用硬件或软件。
27.在所示的示例中，卫星10包括两个冗余推进器系统a、b，其中每一个包括对应的电力处理单元30和推进器串20，其中跨接切换单元40将电力处理单元30连接到推进器串20。切换单元40通过将每个电力处理单元30与另一推进器系统a、b的推进器串20交叉连接而促进跨接冗余，从而使每个电力处理单元30在电力处理单元30之一被禁用的情况下控制推进器串20中的任一个。在一些示例中，跨接切换单元40可以在二元模式下操作，使得切换单元40切换从一个推进器串20到另一推进器串20电力处理单元30连接作为单个单元连接。在替代示例中，切换单元40被配置成独立于其他推进器22切换电力处理单元30和推进器串20内的每个单独推进器22之间的连接。
28.切换单元40允许推进器串20中的每个推进器22在任何给定时间由任一电力处理单元30冗余地供电。在电力处理单元30发生故障的情况下，另一推进器系统a、b的电力处理单元30可以经由切换单元40切换，以根据需要向另一推进器系统a、b中的推进器串20的推进器22提供电力。在切换单元40被配置成独立地切换每个推进器22的示例中，切换单元40可以允许每个单独的推进器22根据控制器50指示的控制由任一电力处理单元30单独供电，并且不需要基于推进器串来切换电力处理单元。
29.一个电力处理单元30使用切换单元40跨接到与另一推进器系统a、b的推进器22连接的能力被称为跨接，并且这里示出的布置被称为跨接配置。
30.在一些示例中，两个或更多个推进器串20可以在常规操作期间同时或顺序地操作，其中，每个电力处理单元30控制对应推进器串20中的一个。如果一个电力处理单元30在卫星10的操作期间发生故障，则另一电力处理单元30就被控制为在向其推进器系统a、b中的推进器和另一推进器系统a、b中的对应推进器22提供电力之间交替。在该示例性故障状态下，控制器50被配置成使用切换单元40解复用从良好电力处理单元30(例如未处于故障状态下的电力处理单元)到对应的推进器22或推进器串20中的每一个的连接。
31.继续参考图1，并且相同的附图标记表示相同的要素，图2示意性地示出了推进器
系统100的局部视图，该推进器系统包括两个不同的电力处理单元130，这两个不同的电力处理单元通过切换单元140内的切换器142向推进器122提供冗余的跨接电力。切换单元140和电力处理单元130中的每一个经由通信线路152连接到控制器50(图1中绘出)。通信线路152控制跨接切换单元140内的每个切换器142的状态。在一些示例中，切换器142包括机械接触器、继电器、自锁继电器和固态切换器中的至少一个。在另一示例中，每个切换器142是自锁继电器。在使用自锁继电器的示例中，继电器的自锁能力使切换器142的状态被自锁在控制器50最近命令的任何状态，其中，控制通信的最小电力足以建立和自锁切换器142的状态。相对于其他切换器类型，自锁减少了维持操作所需的电力消耗，因为不需要连续的电源来维持任何给定的自锁继电器的任一状态。
32.在该示例中，每个推进器122是霍尔效应推进器，并且包括到电力处理单元130的多个连接124，其中，连接124在图2中被图示为单个连接线。应当理解，每个切换器142示意性地表示一组近似相同的切换器，用于将电力处理单元130的连接从一组推进器122同时切换到另一组推进器122。
33.图2所示的配置包括来自每个推进器串20(图1所示)的两个推进器122，并且每个电力处理单元130向一个推进器串20提供电力。左电力处理单元130向左上和左下推进器122提供电力，并且右电力处理单元130向右上和右下推进器122提供电力。控制和连接到推进器122的特定信号是常规的，并且取决于推进器的类型(例如霍尔效应推进器)和推进器系统100中使用的电力处理单元130。
34.继续参考图1和2，图3示出了切换单元240的一个示意性细节200，其包括两组切换器240a、240b，并连接了在不同推进器系统中的两个对应霍尔效应推进器222。在一个替代示例中，推进器222和电力处理单元230的位置颠倒，其中推进器222连接到右侧连接，并且电力处理单元连接到左侧连接。图1的切换单元40包括相同的切换配置，其中在一个示例中，图3的切换配置240a、240b针对推进器串20中的每个推进器222而复制。
35.每个切换单元240a、240b从对应的电力处理单元230接收七个电力处理输入260。将七个电力处理输入提供给每个切换单元中的切换器242。每个切换单元240中的切换器联合操作，以确保在正常操作期间，每个电力处理信号仅被提供给推进器222中的一个。在电力处理单元230之一发生故障的情况下，切换器242可以被转换(toggle)以将控制信号从一个推进器222切换到另一个推进器222，其中控制器使用该转换以解复用来自运行中的电力处理单元230的信号，从而为两个推进器222供电。第七信号260类似地运行，但是需要在相同状态下操作的两个切换器242。
36.在所示的示例中，一对信号用于控制推进器222的推进控制阀。霍尔效应推进器222的放电电力通过阳极连接来提供，并通过阴极连接返回到电力处理单元230。另一连接为被提供以充分加热阴极以便操作的阴极加热器和阴极保持器供电以支持来自保持器的电子提取，二者与放电共享阴极连接以便返回。磁体连接为用于建立磁场的电磁体提供了路径，该磁场用于霍尔效应推进器操作。这里包括的所述信号和功能本质上是示例性的，并且不禁止替代的切换配置和信号功能。
37.除了继电器切换器之外，所示的切换器组240a、240b包括线圈246。线圈246使用控制信号252中的电力来将继电器242自锁到最近命令的位置(状态)。该自锁使到电力处理单元230的连接通过了切换单元240a、240b，而不需要持续地向切换单元240a、240b施加电力
以保持期望的切换器位置(状态)。
38.虽然在此描述和示出的结构中每个串具有四个推进器，但是应当理解，实际的实施方式可以包括每个串中任意数量的推进器，并且可以修改切换单元以在对所公开的结构进行最小修改的情况下适应附加的推进器。此外，虽然示出有两个通道和在两个通道之间交叉连接电力处理单元的切换单元，但是本领域技术人员可以通过包括含有具有与电力处理单元的数量对应的状态的数量的自锁继电器或其他切换网络的切换系统，将所公开的结构的范围扩展为包括三个或更多个通道。
39.还应当理解，任何上述概念可以单独使用或者与任何或所有其它上述概念组合使用。尽管已经公开了本发明的实施例，但是本领域的普通技术人员应当认识到，某些修改将落入本发明的范围内。因此，应当研究所附权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

技术特征：
1.一种航天器推进系统，包括：第一推进器系统，所述第一推进器系统包括第一电力处理单元，所述第一电力处理单元经由跨接切换单元连接到第一推进器串并且经由所述跨接切换单元连接到第二推进器串；第二推进器系统，所述第二推进器系统包括第二电力处理单元，所述第二电力处理单元经由所述跨接切换单元连接到所述第二推进器串并且经由所述跨接切换单元连接到所述第一推进器串；以及控制器，所述控制器连接到所述第一电力处理单元、所述第二电力处理单元和所述跨接切换单元中的每一个。2.根据权利要求1所述的航天器推进系统，其中，所述第一推进器串和所述第二推进器串均包括至少两个推进器。3.根据权利要求2所述的航天器推进系统，其中，所述第一推进器串和所述第二推进器串中的每个中的所述至少两个推进器是电推进器。4.根据权利要求3所述的航天器推进系统，其中，所述第一推进器串和所述第二推进器串中的每个中的所述至少两个推进器是霍尔效应电推进器。5.根据权利要求1所述的航天器推进系统，其中，所述跨接切换单元包括第一多个切换器，所述第一多个切换器中的每个切换器是机械接触器、继电器、自锁继电器和固态切换器中的一个，并且所述跨接切换单元包括第二多个切换器，所述第二多个切换器中的每个切换器是机械接触器、继电器、自锁继电器和固态切换器中的一个。6.根据权利要求5所述的航天器推进系统，其中，所述第一多个切换器和所述第二多个切换器中的每个切换器是自锁继电器。7.根据权利要求6所述的航天器推进系统，其中，所述跨接切换单元中的所述第一多个切换器和所述跨接切换单元中的所述第二多个切换器近似地相同。8.根据权利要求6所述的航天器推进系统，其中，所述跨接切换单元包括所述对应推进器串中的每个推进器的七个自锁继电器。9.根据权利要求1所述的航天器推进系统，其中，所述控制器包括控制模块，所述控制模块被配置成使用所述跨接切换单元解复用所述第一电力处理单元和所述第二电力处理单元中的一个的输出，使得所述第一电力处理单元向所述第一推进器串和所述第二推进器串提供输出信号。10.一种用于在航天器推进系统中提供跨接冗余的方法，包括：使用跨接切换单元将第一电力处理单元连接到第一推进器串，并且使用所述跨接切换单元连接到第二推进器串；使用所述跨接切换单元将第二电力处理单元连接到所述第一推进器串，并且使用所述跨接切换单元连接到所述第二推进器串；以及用控制器控制所述跨接切换单元，使得第一电力处理单元信号通过所述跨接切换单元传递到所述第一推进器串，并且第二电力处理单元信号通过所述跨接切换单元传递到所述第二推进器串。11.根据权利要求10所述的方法，还包括：用所述控制器控制所述跨接切换单元，使得所述跨接切换单元响应于所述第二电力处理单元中的故障，将来自所述第一电力处理单元
的信号解复用到所述第一推进器串和所述第二推进器串。12.根据权利要求10所述的方法，其中，用所述控制器控制所述跨接切换单元包括使用所述控制器命令所述跨接切换单元内的第一多个切换器中的每个切换器的状态和命令所述跨接切换单元内的第二多个切换器中的每个切换器的状态。13.根据权利要求12所述的方法，还包括将所述第一多个切换器中的每个切换器自锁并且将所述第二多个切换器中的每个切换器自锁，使得不需要来自所述控制器的连续命令来维持期望的切换器状态。14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一多个切换器中的每个切换器以及所述第二多个切换器中的每个切换器是自锁继电器。15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述跨接切换单元包括第一多个切换器和第二多个切换器，并且其中，每个多个切换器包括机械接触器、继电器、自锁继电器和固态切换器中的至少一个。16.根据权利要求10所述的方法，其中，用控制器控制所述跨接切换单元包括将每个电力处理单元连接到对应推进器串作为单个单元。17.根据权利要求10所述的方法，其中，用控制器控制所述跨接切换单元包括将每个电力处理单元独立地连接到对应推进器串中的每个推进器。

技术总结
一种航天器推进系统，包括第一推进器系统，所述第一推进器系统包括第一电力处理单元(30)，所述第一电力处理单元经由跨接切换单元(40)连接到第一推进器串(20)并且经由所述跨接切换单元(40)连接到第二推进器串(20)。第二推进器系统，其包括第二电力处理单元(30)，所述第二电力处理单元经由所述跨接切换单元(40)连接到所述第二推进器串(20)并且经由所述跨接切换单元(40)连接到所述第一推进器串(20)。控制器(50)连接到第一电力处理单元、第二电力处理单元和跨接切换单元中的每一个。二电力处理单元和跨接切换单元中的每一个。二电力处理单元和跨接切换单元中的每一个。


技术研发人员：B
受保护的技术使用者：航天喷气发动机洛克达因股份有限公司
技术研发日：2020.07.10
技术公布日：2023/5/9