用於離子推進系統的旋轉開關的製作方法

2023-06-11 10:49:41

用於離子推進系統的旋轉開關的製作方法
【專利摘要】包括兩個功率控制器、四個離子推進器和兩個開關組件的柵極式離子推進系統。一個開關組件被聯接到兩個功率控制器和四個離子推進器中的兩個。另一個開關組件被聯接到兩個功率控制器和四個離子推進器中的另外兩個。每個開關組件具有第一和第二轉換狀態，其可以使功率控制器中的任何一個能提供電能至四個離子推進器中的任何一個。每個開關組件包括各自的可移動主體和各自的多重開關，當主體改變位置時，多重開關一致地改變狀態。例如，可移動主體可以是由步進電機驅動的可旋轉空心軸。
【專利說明】用於離子推進系統的旋轉開關
【技術領域】
[0001]本發明大體涉及用於優化離子推進器陣列的操作的設備和方法。
【背景技術】
[0002]離子推進通常涉及使用穿過帶電柵極被電加速的電離氣體以產生推進。電加速的粒子能夠獲得非常高的速度。使用的氣體典型是惰性氣體，比如氙。由離子推進系統提供的優於常規化學推進系統的主要優點是其具有非常高的效率。例如，用相同數量的燃料質量，離子推進系統能夠獲得的最終速度比用化學推進系統可獲得的速度高十倍。儘管它們是高效的，但是當與化學推進系統相比較時，離子推進系統產生非常低的推力。這個事實已經使得離子推進應用的範圍變窄。然而，離子推進系統非常適合於空間應用，其中低的推力通常是可接受的並且燃料效率是決定性的。包括衛星和探險飛行器的許多飛行器使用離子推進系統。
[0003]例如，比如通信衛星的飛行器現在通常使用離子推進以用於工作站的保持和其他的功能。離子推進器使用由衛星的太陽能電池產生的電功率來提供能量到推進劑以產生推進。在典型的衛星離子推進器中，通過在推進室的一端通過一系列柵極電極加速正離子來產生推力。所述電極被稱為離子引出組件，其產生成千上萬的微小推電波。通過外部的電子發射中和器，阻止所述電波被電吸引回至推進器。功率控制器是用於提供電控制和功率以驅動離子推進器的裝置，其包括控制放電和中和器陰極內的發射電流。
[0004]眾所周知，使用氙離子推進系統(XIPS)以提供用於軌道保持和轉移衛星軌道的推力。XIPS使用來自太陽和工作氣體的電以通過帶電離子加速提供推進。傳統的衛星使用四個離子推進器(兩對)並且具有四個單獨的功率處理單元(PPU)以便所有四個推進器能夠被同時開動。因此，這顯著地增加了驅動離子推進器陣列所需要的質量。
[0005]美國專利號6948305公開了一種XIPS，其包括具有減少質量的功率處理系統。該功率處理系統允許單個PPU用推進器的某些元件共有的可調電壓電源驅動在一個陣列內的多個離子推進器。(可調電流電源具有單個輸出以便提供期望的受控電流至陽極、保持器和加熱器)。這種方法的優點在於可調電壓電源的質量節省和整個封裝質量的顯著下降。
[0006]進一步已知的，給衛星裝備有兩個多餘的子系統，每個子系統均包括連線到兩個離子推進器的一個PPU。所述兩個子系統是完全獨立的，但是如果例如一個子系統有推進器問題並且另一個子系統有PPU問題則會使兩個子系統都不起作用。為了解決這個問題，XIPS繼電器單元(XRU)被加到離子推進器和PPU之間。這個XRU允許其他多餘的子系統的離子推進器和PI3U被使用。因此，任何一個PI3U均能夠點火四個推進器中的一個。XRU的增加允許了 PPU和推進器的多個故障，且同時保持子系統工作。維持飛行器控制所需的只是來自一個推進器的推力。每個XRU包括由繼電器驅動電路操作的繼電器組。離子推進器和PPU被接線成得到最大多餘度。
[0007]已知的XRU設計使用高達36個繼電器以運行轉換功能。該XRU在尺寸上大並且所述36個轉換元件必需全部運行以轉換單個的18個電路。孤立任何一對推進器的能力在使用繼電器的XRU中是不能得到的。
[0008]需要一種更加可靠的轉換功能，且其比XRU顯著地更輕便、具有更小的包線並且花費更少，並且允許推進器中的任何一對被孤立。

【發明內容】

[0009]公開了一種柵極離子推進系統，其具有兩個XIPS功率控制器(XPC)、兩個旋轉開關組件(RSA)和四個離子推進器。通過合適的配置RSA和XPC，四個離子推進器中的每個都能夠由任一 XPC點火。另一種陳述方式是，系統將允許任意推進器被任一 XPC點火。當一次只點火一個推進器時這將在工作站完成。然而，如果合適的衛星操作需要兩個推進器同時被點火，則公開的系統通過使用單個可移動的主體(例如，可旋轉的空心軸(也就是捲筒))允許兩個XPC中的任何一個點火四個推進器中的任何兩個。所述系統能夠通過合理地配置RSA和XPC選擇哪兩個推進器點火併且隨後決定哪個XPC將點火哪個推進器。一個XPC —次只能夠操作一個推進器。因此只要需要同時點火兩個推進器，就必需使用兩個XPC。
[0010]按照一個實施例，通過使用旋轉開關(或者如下面所描述的其他類型的開關)而不是繼電器以選擇哪個離子推進器由哪個XPC點火的系統來實現前面的轉換功能。在XPC與離子推進器之間使用專用高壓高可靠性的旋轉開關允許衛星上的兩個XPC中的任何一個點火四個推進器中的任何推進器。按照不同的實施例，每個旋轉開關使用一個共同的轉換元件(即單個轉子)來切換所有的18個電路。或者它們全部轉換或者它們全部不轉換，從而有助於更加可靠的轉換功能。另外，通過使用證明的高可靠性轉子和電刷組件，每個旋轉開關能夠具有緊湊設計。另外，旋轉開關概念允許推進器被孤立以為了附加的操作靈活性。一對RSA的存在允許XPC和離子推進器二者中的多個故障。保持飛行器控制所需的僅是來自一個推進器的推力。
[0011]按照一個實施例，每個RSA均具有18個接觸環並且每個接觸環具有三個電刷。按照一個可替代的實施例，RSA中每個接觸環四個電刷，由此將所需接觸環的數量減少至9個。在可替代的實施例中，減少接觸環的數量允許RSA的尺寸和質量被減少。在兩種旋轉開關的實施例中，每個RSA包括帶有分段滑環和周向電刷的旋轉電接觸環組件，其同時接通與斷開聯接到RSA的所有XPC和所有推進器的電聯接。RSA的所有環被同時旋轉以便聯接的混合狀態是不可能的。RSA的轉子由帶有冗餘繞組的步進電機驅動。RSA被設計以在真空或者地面測試環境中高壓運行。
[0012]儘管下面詳細描述的實施例使用旋轉開關，但是其他類型的共同切換的開關能夠被用於轉換聯接電源到一對離子推進器的各個電路。這樣的可替代的開關系統可以包括板簧類型接觸，其通過旋轉接觸臂或者線性可移動接觸板被打開/關閉，其中成對彈簧被接觸以形成多級開關。其他的板簧設計概念包括旋轉的搖臂和線性螺旋杆。雖然後面的可替代的開關系統避免了燒結電刷和模壓軸組件的採購，但是它們具有更大的包線、更大的重量和更高的轉矩。
[0013]文中公開的主題的一個方面是離子推進系統，其包括第一和第二功率控制器、第一和第二離子推進器和具有至少第一和第二轉換狀態的開關組件，其中，當第一和第二功率控制器開啟時，當第一開關組件在第一轉換狀態時，第一和第二離子推進器經由第一開關組件分別接收來自第一和第二功率控制器的功率，並且當第一開關組件在第二轉換狀態時，第一和第二離子推進器經由開關組件分別接收來自第二和第一功率控制器的功率。開關組件包括可移動的主體和多重開關，當主體改變位置時所述多重開關一致地改變狀態。當主體在第一位置時，開關組件在第一轉換狀態，並且當主體在第二位置時，開關組件在第二轉換狀態。另外，當主體處於第三位置時，第一和第二離子推進器通過開關組件與第一和第二功率控制器電絕緣。在一個實施例中，主體包括中心軸，並且開關組件進一步包括附接到中心軸的多個接觸板和多重電刷，各組三個或四個電刷與每個接觸板的相應外表面接觸，每個外表面包括導電接觸部段和不導電部段。
[0014]按照一個實施例，主體包括可旋轉的中心軸並且第一和第二位置分別是中心軸的第一和第二角度位置。步進電機可操作地聯接到中心軸以改變其角度位置。開關組件進一步包括附接到中心軸的多個接觸板和多重電刷。
[0015]所述系統進一步包括計算機系統，其被編程以發送脈衝序列，其步進地驅動步進電機並且提供由步進電機需要的運行步進功能的功率。所述計算機系統被進一步編程，以便保持第一或第二離子推進器穩定運行，選擇地開啟或關閉由第一或第二功率控制器提供的電源。
[0016]按照另一個方面，離子推進系統被提供，其包括第一和第二功率控制器、第一到第四離子推進器以及第一和第二開關組件，所述第一開關組件連接至第一和第二功率控制器並且連接至第一和第二離子推進器，並且所述第二開關組件連接至第一和第二功率控制器並且連接至第三和第四離子推進器。第一和第二開關組件中的每個均具有第一和第二轉換狀態，其能夠被選擇以使得第一和第二功率控制器中的任一能提供電力至第一到第四離子推進器中的任何一個。第一開關組件包括可移動的第一主體和第一多重開關，當第一主體改變位置時，所述第一多重開關共同地改變狀態，並且第二開關組件包括可移動的第二主體和第二多重開關，當第二主體改變位置時，所述第二多重開關一致地改變位置。
[0017]仍然另一個方面是用於從第一和第二功率控制器中的選定一個提供電力至衛星上機載的第一和第二離子推進器中的選定一個的方法，其包括:(a)電連接第一和第二離子推進器以及第一和第二功率控制器至開關組件，該開關組件包括可移動的主體和多重開關，當主體從第一位置改變位置至第二位置時所述多重開關一致地改變位置，其中在所述第一位置時所述第一和第二離子推進器中的所述選定一個未連接至所述第一和第二功率控制器中的所述選定一個，在所述第二位置時所述第一和第二離子推進器中的所述選定一個藉助於所述開關連接至所述第一和第二功率控制器中的所述選定一個；(b)引起所述主體從第一位置改變其位置到第二位置；和((3)在主體處於第二位置的同時，開啟所述第一和第二功率控制器中的所述選定一個。按照一些實施例，主體包括可旋轉的中心軸並且第一和第二位置分別是中心軸的第一和第二角度位置。
[0018]進一步的方面是用於從選定的功率控制器提供功率至衛星上機載的選定離子推進器的方法，所述方法包括:Ca)在所述選定的功率控制器關閉時，旋轉包括多個接觸板的組件從第一角度位置至第二角度位置；和(b)在軸組件處於第二角度位置的同時，開啟所述選定的功率控制器。
[0019]本發明能夠涉及一種離子推進系統，其可以包括第一和第二功率控制器、第一和第二離子推進器以及具有至少第一和第二轉換狀態的第一開關組件，其中當所述第一和第二功率控制器開啟時，當第一開關組件處於所述第一轉換狀態時，所述第一和第二離子推進器經由所述第一開關組件分別接收來自所述第一和第二功率控制器的功率，並且當所述第一開關組件處於第二轉換狀態時，所述第一和第二離子推進器經由所述第一開關組件分別接收來自所述第二和第一功率控制器的功率，並且其中所述第一開關組件包括可移動的第一主體和第一多重開關，當所述第一主體改變位置時，所述第一多重開關一致地改變狀態，當所述第一主體處於第一位置時，所述第一開關組件處於所述第一轉換狀態，並且當所述第一主體處於第二位置時，所述第一開關組件處於第二轉換狀態。所述第一主體可以包括可旋轉的中心軸並且所述第一和第二位置分別是所述中心軸的第一和第二角度位置。所述系統還可以包括步進電機，其可操作地聯接至所述中心軸以改變所述中心軸的角度位置。所述系統還可以包括計算機系統，其被編程以發送脈衝序列，從而步進地驅動步進電機並且提供由步進電機所需的運行步進功能的功率。所述計算機系統可以被進一步編程以選擇地開啟或關閉由所述第一或第二功率控制器提供的電源以保持所述第一或第二離子推進器的穩定運行。所述第一開關組件還可以包括附接到所述中心軸的多個接觸板和多重電刷，相應一組三個電刷與每個接觸板的相應外表面接觸，每個外表面包括導電接觸部段和不導電部段。第一開關組件還可以包括附接到所述中心軸的多個接觸板和多重電刷，相應一組四個電刷與每個接觸板的相應外表面接觸，每個外表面包括一對導電接觸部段和一對不導電部段。當所述主體處於第三位置時，第一和第二離子推進器可以由所述第一開關組件與第一和第二功率控制器電隔離。所述第一主體可以包括可旋轉的中心軸，並且所述第一、第二和第三位置分別是所述中心軸的第一、第二和第三角度位置。所述系統還可以包括第三和第四推進器以及具有至少第一和第二轉換狀態的第二開關組件，其中當所述第一和第二功率控制器開啟時，當所述第二開關組件處於所述第一轉換狀態時，所述第三和第四離子推進器經由所述第二開關組件分別從第一和第二功率控制器接收功率，當所述第二開關組件處於所述第二轉換狀態時，所述第三和第四離子推進器經由所述第二開關組件分別從第二和第一開功率控制器接收功率，並且其中所述第二開關組件包括可移動的第二主體和第二多重開關，當所述第二主體改變位置時，所述第二多重開關一致地改變狀態，當所述第二主體處於第一位置時，所述第二開關組件處於所述第一轉換狀態，並且當所述第二主體處於第二位置時，所述第二開關組件處於第二轉換狀態。
[0020]本發明能夠涉及一種離子推進系統，其可以包括第一和第二功率控制器、第一到第四離子推進器以及第一和第二開關組件，所述第一開關組件連接到所述第一和第二控制器並且連接到所述第一和第二離子推進器，並且所述第二開關組件連接至所述第一和第二功率控制器以及所述第三和第四離子推進器，其中所述第一和第二開關組件中的每個均具有第一和第二轉換狀態，其能夠被選擇以使得所述第一和第二功率控制器中的任一能夠供應功率至所述第一到第四離子推進器中的任何一個，所述第一開關組件包括可移動的第一主體和第一多重開關，當所述第一主體改變位置時，所述第一多重開關一致地改變狀態，並且所述第二開關組件包括可移動的第二主體和第二多重開關，當所述第二主體改變位置時所述第二多重開關一致地改變狀態。第一主體可以包括可旋轉的第一中心軸，並且所述第二主體包括可旋轉的第二中心軸。權利要求12所引用的系統，該系統進一步包括:可操作地連接至所述第一中心軸以改變所述第一中心軸的角度位置的第一步進電機；和可操作地連接至所述第二中心軸以改變所述第二中心軸的角度位置的第二步進電機。所述系統還可以包括計算機系統，其被編程以選擇地發送脈衝序列，來步進地驅動所述第一或第二步進電機並且提供由所述第一或者第二步進電機所需的運行步進功能的功率。所述計算機系統可以進一步被編程以選擇地開啟或者關閉所述第一或者第二功率控制器以保持所述第一、第二、第三或第四離子推進器穩定運行。第一開關組件還可以包括附加到所述第一中心軸的第一組多個接觸板以及第一多重電刷，相應一組電刷與每個接觸板的相應外表面接觸，每個外表面包括至少一個導電接觸部段和至少一個不導電部段。
[0021]本發明能夠涉及一種用於從第一和第二功率控制器中的選定一個提供功率至衛星上機載的第一和第二離子推進器中的選定一個的方法，所述方法包括:Ca)連接第一和第二離子推進器以及第一和第二功率控制器至開關組件，開關組件包括可移動的主體和多重開關，當主體從第一位置改變至第二位置時，所述多重開關一致地改變狀態，其中在第一位置，第一和第二離子推進器中的所述選定一個未連接至所述第一和第二功率控制器中的所述選定一個，在第二位置，所述第一和第二離子推進器中的所述選定一個藉助於開關連接至所述第一和第二功率控制器中的所述選定一個；(b)使得主體從所述第一位置改變其位置至所述第二位置；和((3)在主體處於所述第二位置的同時，開啟所述第一和第二功率控制器中的所述選定一個。主體可以包括可旋轉的中心軸，並且所述第一和第二位置分別是所述中心軸的第一和第二角度位置。步驟(b)可以包括步進地驅動可操作地聯接至主體的步進電機。
[0022]本發明可以涉及用於從選定的功率控制器提供功率至衛星上機載的選定離子推進器的方法，所述方法可以包括(a)在所述選定的功率控制器關閉的同時，旋轉包括多個接觸板的組件從第一角度位置至第二角度位置jP(b)在所述組件處於所述第二角度位置的同時，開啟所述選定的功率控制器。所述第一和第二功率控制器中的每個可以包括相應的電源總線和相應的穩壓二極體，所述穩壓二極體連接至所述相應的下端電源總線以允許所述相應的下端電源總線相對於飛行器電勢負浮動以實現引起電子流來均衡離子束的電勢。所述第一和第二離子推進器中的每個可以包括相應的放電陽極和相應的放電陰極，並且所述第一和第二功率控制器中的每個包括相應的電源總線，其使得放電電源、放電保持器電源、放電加熱器電源以及屏柵極參照放電電子源，所述放電電源連接至相應的放電陽極以提供致電離能力至燃料和連接至相應放電陰極的屏電源以驅動主要離子束。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1示出藉助於旋轉開關組件(RSA)將一個XPC連接至一個推進器的框圖。
[0024]圖2示出按照一個實施例的RSA單元的等距視圖。為了清晰，RSA單元的一些部件已經被省略。
[0025]圖3示出按照一個實施例的RSA單元的軸組件和其他部件的截面圖。(步進電機54不是以截面被示出)
[0026]圖4-7示出圖1-3描述的類型的一對RSA的一些(但不是全部)模式，包括正常模式(圖4)、交叉綑紮模式(圖5)、隔離正常模式(圖6)和隔離交叉綑紮模式(圖7)。
[0027]圖8示出旋轉開關組件的截面圖，其中每個環四個電刷並且具有不同於圖3所示的軸組件。
[0028]圖8A、圖8B和圖8C示出在正常配置(圖8A)、開放配置(圖8B)和交叉綑紮配置(圖SC)中的旋轉開關組件的截面圖。這種旋轉開關組件中每個環四個電刷並且具有的軸組件與圖3所示相同。
[0029]圖9A和圖9B示出一組九個電源連接的示意圖，其用於旋轉開關組件和在圖8A中部分描述的正常配置。
[0030]圖10和圖11示出具有兩組共軸接觸環(例如每組九個接觸環)的旋轉開關組件的示意性等距視圖，其中每個接觸環三個電刷。
[0031]圖10示出在交叉綑紮配置的旋轉開關組件。
[0032]圖11示出在正常配置的旋轉開關組件。
[0033]圖12A和圖12B示出按照圖10和圖11中部分描述的實施例的每個旋轉開關組件中的所有電源連接。
[0034]圖13示出根據在下文中公開的實施例的XIPS的基本部件框圖。
[0035]在下文中，附圖將被參考，其中不同的附圖中相似的元件具有相同的附圖標記。
【具體實施方式】
[0036]衛星上使用的離子推進器的基本結構和操作是眾所周知的並且將在這裡僅作簡要介紹。每個離子推進器包括離子引出組件、形成電離室的外殼、被置於電離室內的放電電子源和電極系統、也置於電離室內的磁場產生裝置和置於相鄰於離子引出組件的中性器。離子推進器聯接到包含可電離氣體(例如氙)的容器和電源系統。
[0037]在離子推進器的基本操作中，容器的可電離氣體經由閥被提供到電離室並且初級電子被從電子源噴射到氣體內。供應到電子系統的放電電壓將這些電子加速成與氣體原子碰撞以產生等離子體。磁場產生裝置典型地包括環形永磁體並且被配置為產生接近至外殼的磁通線。這些磁通線沿著延伸的路徑引導電子並且因此增強等離子體的產生。按照一個實施例，離子引出組件具有屏柵極、加速器柵極和減速器柵極(減速器柵極是可選的)。來自電源系統的電功率被供應到柵極以引起離子引出組件從等離子體引出離子束並且加速其離開推進器。離子束在其附接的離子推進器和飛行器上產生力。
[0038]如果沒有另外的補償，則離子束的正電荷流動將在離子推進器上產生負電荷，其將降低推進器的力。相應地，中和器噴射電子流至離子束附近以抵消其電荷耗盡效應。電子流也部分地中和離子束的正的空間電荷以防止過度的束流發散。
[0039]圖1示出XIPS的部件，其包含上面描述類型的離子推進器。更具體地，圖1示出安裝在XIPS功率控制器(XPC) 10和推進器12之間的旋轉開關組件(RSA) 14。推進器12包括放電陽極102、放電陰極106、放電保持器電極104、放電加熱器108、中和器陰極110、中和器保持器電極112、中和器加熱器114、屏柵極116和加速器柵極118以及減速器柵極120。
[0040]圖1示出運行推進器12所需的九種不同的電路，每個電路包括在RSA14內部的相應電連接15。儘管在優選的實施例中的每個RSA具有用於兩個XPC的輸入和用於兩個推進器的輸出，不過圖1隻示出了從一個XPC至一個推進器的連接。當旋轉開關組件(RSA) 14的軸組件被旋轉至預定角度位置時形成電連接15 (如後面將參照圖8A-8C更加詳細地描述)。
[0041]XPClO包括屏電源16、加速器電源18和減速器電源20，其中每個都是可調電壓的電源。XPClO進一步包括放電電源22、放電保持器和加熱器電源24、26以及中和器保持器和加熱器電源28、30，其中所有均為可調電流的電源。[0042]推進器12的放電電子源包括放電陰極106、放電保持器電極104和放電加熱器108，當合適的電連接已經被形成時放電加熱器108接收來自XPClO的放電加熱器電源36的電流。XPClO的放電保持器電源24將正電壓加於推進器保持器電極104上以引發等離子體放電並且提供電子到電離室。推進器的電極系統進一步包括放電陽極102。放電電壓被XPClO的放電電源22加於推進器12的電子源和放電陽極102兩端上以加速初級電子穿過可電離氣體。加速器電源18加速離子離開推進器。推進器中和器包括中和器陰極110、中和器保持器電極112和中和器加熱器114，它們基本上與被置於電離室內的放電陰極106、放電保持器電極104和放電加熱器108 —樣。XPClO的中和器加熱器電源30聯接在中和器加熱器114兩端上以產生電子源，並且XPClO的中和器保持器電源28在中和器保持器電極112上施加正電壓以引發作為電子束源的等離子體。
[0043]仍然參照圖1，XPC10包括下端電源總線32和上端電源總線34。下端電源總線32被參考成飛行器「地電位」並且這些電源總線的電勢由屏電源16的電壓差電氣隔離。下端電源總線32參照中和器保持器電源28、中和器加熱器電源30、加速其電源18和減速器電源20。連接到下端電源總線32的穩壓二極體8允許下端電源總線相對於飛行器電勢負浮動，從而實現導致電子束來均衡離子束的電勢。上端電源總線34將放電電源22、放電保持器電源24、放電加熱器電源26和屏柵極116參照至放電電子源。放電電源22被聯接到放電陽極102以提供電離能力至燃料(例如，氙)並且屏柵極16被聯結到放電陰極106以驅動主要束。
[0044]上面描述的在XPClO與推進器12之間的所有電氣連接15通過RSA14的軸組件(見圖1)被形成和破壞。圖2和圖3示出按照一個實施例的單個RSA的一些部件(為了清晰，一些部件已經被省略)。圖2所示的RSA14包括外殼46，其由被四個導軌48聯接的一對安裝板50a、50b構成。兩組電刷塊(每組四個電刷塊)被緊固到導軌48以形成兩個方形的封罩，其被置於在安裝板之間彼此相鄰。只有第一組電刷塊的電刷塊84b、84c和84d和第二組電刷塊的電刷塊85b、85c和85d在圖2中是可見的。這些方形的封罩包圍軸組件(在圖2中不可見)。第一組中的每個電刷塊被配置為支撐一排五個電刷，而第二組中的每個電刷塊被配置為支撐一排四個電刷。八個電刷塊共同支撐四排電刷，每排由與相應接觸環接觸的九個電刷構成。電刷塊可以由聚醚醯亞胺組成，比如Ultem聚醚醯亞胺樹脂。
[0045]如圖2可見，每個電刷塊具有由夾鉗78被附接到其上的接觸板82。附接到任意電刷塊的接觸板82的數量等於由那個電刷塊連續支撐在一排內的電刷的數量(也就是，在這個實施例中四個或者五個)。圖2中所描繪的用於本實施例中接觸板的總數為36。
[0046]圖8示出由相應成對夾鉗78夾持到四個電刷塊84a_84d的四個接觸板82的截面圖。在圖8中沒有示出在接觸板82前方和後方的其他接觸板。每個接觸板82是由導電金屬(例如鍍銀銅)構成的板且帶有銅焊至其上的焊柱(solder post)(參見圖8的項目87)。接觸板82為若干電源線(在圖8中未示出)提供公共電接頭，所述若干電源線隨後被電氣地聯接至被分別安裝到電刷塊84a-84d的電刷組件70、72、74、76 (下文中「電刷」)的接觸柱(contact post)。電刷可以由鍍銅或者包括鑰、銀、石墨以及其他成分的金屬合金組成。
[0047]再次參照圖3，軸組件40被安裝板50a、50b經由相應的球軸承組件62和64可旋轉地支撐。軸組件40的旋轉被步進電機54通過齒輪頭56被驅動，齒輪頭56被可旋轉地安裝到安裝板50a。另一安裝板50b支撐四個高壓連接器60 (在圖3中只有其中的兩個是可見的)，其承載由電源系統提供的高電壓電力。四個連接器60中的每個均被電氣地聯接至相應一組電刷(在圖2和圖3中未示出)。如前面所解釋，四個連接器中的第一個被聯結至第一 XPC ;第二連接器被聯結至第一推進器；第三連接器被聯結至第二 XPC ;並且第四連接器被聯結至第二推進器。
[0048]仍然參照圖3，按照一個實施例，軸組件40包括多個接觸環44，每個接觸環44具有兩個導電弧形部段66和68以及基本上不導電的分離盤42。分離盤42防止鄰近接觸環44的不希望的電幹涉。額外的隔離元件可以被置於分離盤之間以進一步隔離鄰近的環，並且防止碎片從一個接觸環移動至另一個。
[0049]接觸環44可以由鑄造環氧樹脂製成。導電部段66、68可以由銀或者鍍銅製成。
[0050]可以通過旋轉軸組件直到導電電刷接觸到安裝在接觸環外表面上的導電接觸部段66、68來形成在XPC與推進器之間的電連接。按照圖3描繪的實施例，一共有九個接觸環。軸組件40包括中心軸80，分離盤42和接觸環44被安裝在中心軸80上。中心軸80相對於外殼46的角度位置確定RSA14的模式。
[0051]圖4-7是示出一對RSA (RSA A和RSA B)的一些(但不是全部)模式的視圖，所述一對RSA被布置成允許各種推進器被連接至兩個XPC以便額外的冗餘。在圖4-7中的每個圖中，下面的連接是固定的=XPCl的連接器Jl被連接至RSA A的連接器Jll ；XPC1的連接器J2被連接至RSA B的連接器Jll ；XPC2的連接器Jl被連接至RSA A的連接器J22 ；XPC2的連接器J2被連接至RSA B的連接器J22 ；RSA A的連接器Jl被連接至推進器I ;RSA A的連接器J2被連接至推進器2 ；RSA B的連接器Jl被連接至推進器3 ;並且RSA B的連接器J2被連接至推進器4。
[0052]圖4示出一種正常模式，其中RSA的軸組件被旋轉至導致每個RSA的輸入連接器Jll和J22分別被聯結至輸出連接器Jl和J2的角度位置，作為其結果，推進器I和3能夠接收來自XPCl的功率並且推進器2和4能夠接收來自XPC2的功率。
[0053]圖5示出一種交叉綑紮模式，其中RSA的軸組件被旋轉至導致每個RSA的輸入連接器Jll和J22分別被連接至輸出連接器J2和Jl的角度位置，作為其結果，推進器I和3能夠接收來自XPC2的功率並且推進器2和4能夠接收來自XPCl的功率。
[0054]另外，一個RSA在正常配置並且另一個在交叉綑紮配置是可能的。
[0055]圖6示出一種隔離正常模式，其中RSA A的軸組件被旋轉至導致RSA A的輸入連接器Jll和J22分別被連接至輸出連接器Jl和J2的角度位置，而RSA B的軸組件被旋轉至導致RSA B的輸入連接器Jll和J22不連接至輸出連接器Jl和J2的角度位置。在這種隔離模式中，推進器3和4隔離於XPC。通過顛倒圖4所示的RSA的模式，XPC能夠被聯結至推進器3和4並且與推進器I和2隔離。
[0056]圖7示出一種隔離交叉綑紮模式，其中RSA A的軸組件被旋轉至導致RSA A的輸入連接器Jll和J22分別被連接至輸出連接器J2和Jl的角度位置，而RSA B的軸組件被旋轉至導致RSA B的輸入連接器不被連接至輸出連接器Jl和J2的角度位置。在這種隔離模式中，推進器3和4與XPC隔離。通過顛倒圖7所示的RSA的模式，XPC能夠被連接至推進器3和4而與推進器I和2隔離。
[0057]圖8示出一種旋轉開關組件的截面圖，其中每個環四個電刷(項目70、72、74、76)並且具有與圖3所示不同的軸組件81。在圖3中，不導電的分離盤42和軸80是分離的部件。在圖8中，這些部件已經被集成以形成具有兩個直徑對置的弧形的凹槽的軸81，其中由導電材料製成的一對周向放置的弧形的接觸部段66和68安放在所述凹槽中。這些導電的接觸部段被軸81的外表面的相應基本不導電部段分隔開。
[0058]如圖8可見，每個電刷塊84a_84d被附接到外殼46的縱嚮導軌48以形成大體方形電刷支撐外殼。每個電刷塊84a-84d支撐相應一排五個電刷組件。如圖8所示，針對每對接觸部段66和68，有四個電刷70、72、74、76。由於軸組件被旋轉，這些電刷可滑動地接觸軸組件81的外表面，由此選擇地提供與接觸部段66、68電接觸。
[0059]現在仍然參照圖8，每個電刷組件包括由導電材料製成的相應電刷70、72、74、76、延伸通過在相應電刷塊84a-84d的相應開口的相應接觸柱52 (也是由導電材料製成)以及被布置在接觸柱52的凸緣和相關聯的接觸板82之間以推動相應電刷接觸到導電部段66和68的電刷預加載彈簧86。如前面所描述，四個電刷塊84a-84d被緊固於四個導軌48以形成方形封罩。電刷70、72、74、76沿著相應徑向軸線可移置，所述相應徑向軸線以90度角度互相分隔開。
[0060]圖8A、圖8B和圖8C示出旋轉開關組件截面圖，其中每個環四個電刷70、72、74、76並且具有與圖3所示相同的軸組件40。旋轉開關組件被示出以正常配置(圖8A)、開放配置(圖8B)和交叉綑紮配置(圖8C)。
[0061]在圖8A-8C描繪的實施例中，一個XPC至一對推進器中的一個推進器以及另一個XPC至同一對推進器中的另外一個的選擇連接是通過旋轉中心軸80至一個角度位置被實現，在該角度位置，相鄰電刷中的一對與接觸部段66接觸並且相鄰電刷中的另一對與接觸部段68接觸。實際上，在兩個角度位置中的任一位置，每個接觸部段均在一對導電電刷之間形成橋接。當中心軸沿任一方向旋轉45°角時，對置電刷均接觸到位於接觸部段66和68之間的不導電部段，因此打開由相應接觸部段橋接的成對相鄰電刷所形成的「開關」。以這種方式，軸組件40相對於外殼46的角度位置確定RSA14的模式。
[0062]圖8A示出在正常配置的RSA，其中推進器I被連接到XPCl並且推進器2被連接到XPC2。在這種配置中，中心軸80在0°的角度位置，在該角度位置電刷70和72與接觸部段66接觸，並且電刷74和76與接觸部段68接觸。
[0063]圖8B示出開放狀態的RSA，其中推進器I和推進器2均不被連接到XPCl或XPC2。在這種狀態中，中心軸80在45°的角度位置，在該角度位置，電刷70與接觸部段66接觸，電刷72與接觸環44的一個不導電部段相接觸，電刷74與接觸部段68接觸，並且電刷76與接觸環44的另一個不導電部段接觸。
[0064]圖8C示出交叉配置的RSA，其中推進器I被連接到XPC2並且推進器2被連接到XPC1。在這種配置中，中心軸80在90°的角度位置，在該角度位置電刷70和76與接觸部段66接觸並且電刷72和74與接觸部段68接觸。
[0065]圖9A和圖9B示出如圖8A所部分描繪的正常配置中用於旋轉開關組件的一組九個電源連接。然而圖8A示出一個接觸環的狀態，圖9A和圖9B示出具有每個接觸環四個電刷的旋轉開關組件的九個接觸環的狀態。儘管為了說明的目的，這九個接觸環在圖中不同的位置被描繪，不過需要被理解的是這九個接觸環是共軸的並且被安裝到公共中心軸上。在圖9A和圖9B描繪的正常配置中，連接器Jll被電氣聯接至連接器J1，而連接器J22被電氣聯接至連接器J2。[0066]圖10和圖11示出具有兩組共軸接觸環(例如每組九個接觸環)的旋轉開關組件示意性等距視圖，其中每個接觸環三個電刷。點劃線指示出公共中心軸的軸線。圖10示出在交叉綑紮配置的旋轉開關組件；圖11示出在正常配置的旋轉開關組件。每個旋轉開關組件的一個圓形接觸環在圖10和圖11中由相應橢圓描繪。然而，需要理解的是，每個旋轉開關組件通過在中心軸(在圖10和圖11中未示出)上裝配一系列交替的接觸環和分離盤(例如，10個接觸環)被實現。在這個實施例中，每個接觸環(例如90和90a)在其外表面具有不導電部段(例如92和92a)。外表面的剩餘部分是導電的。例如，每個接觸環可以包括帶有包含絕緣材料的外部弧形部段的固體導電金屬。當電刷在絕緣體上行進時，該電刷與接觸環電隔離並且其他的電刷接觸該接觸環。在操作中，在任何時刻只有一個推進器和一個XPC被連接。當離子推進系統關閉時，RSA只被轉換至不同的配置。
[0067]在圖10和圖11所描繪的實施例中，RSA具有18個接觸環，其可被一致地旋轉。接觸環中的九個將XPCl連接至推進器I或者推進器2中的任一，並且相反地，另外九個接觸環將XPC2連接至推進器2或者推進器I中的任一。在這個實施例中，18個接觸環中的每個接觸環具有與其關聯的三個電刷(例如94、96、98以及94a、96a、98a)，所述電刷是彈簧預加載的(彈簧未示出)並且可以沿著以120°角度分隔開(將這個與圖8所描繪的實施例比較，其中電刷之間的角度為90° )的相應徑向軸線移置。第二 RSA (在圖10和圖11中未示出)能夠被布置成選擇性地連接XPC至第三和第四推進器(在圖10和圖11中未示出)。
[0068]圖10示出在交叉綑紮配置的第一 RSA，其中推進器2被連接到XPCl並且推進器I被連接到XPC2。在這種配置中，中心軸(未示出)在0°的角度位置。在0°的角度位置，電刷94和96接觸接觸環90的外表面的導電部分，而電刷98接觸接觸環90的不導電部段92 ;並且電刷94a和96a接觸接觸環90a的外表面的導電部分，而電刷98a接觸接觸環90a的不導電部段92a。
[0069]圖11示出在正常配置的第一 RSA，其中推進器I被連接到XPCl並且推進器2被連接到XPC2。在這種配置中，中心軸(未示出)在120°的角度位置。在120°的角度位置，電刷94和98接觸接觸環90的外表面的導電部分，而電刷96接觸接觸環90的不導電部段92 ;並且電刷94a和98a接觸接觸環90a的外表面的導電部分，而電刷96a接觸接觸環90a的不導電部段92a。
[0070]每個接觸環三個電刷的實施例還使得當電刷94和94a分別接觸不導電部段92和92a時，推進器I和2能夠電隔離。
[0071]圖12A和圖12B示出圖10所部分描繪的正常配置中的旋轉開關組件的一組18個電源連接。圖10示出兩個接觸環的狀態，而圖12A和圖12B示出每個接觸環三個電刷的旋轉開關組件的18個接觸環的狀態。儘管為了說明的目的，在圖中這18個接觸環被描繪在不同的位置，不過需要理解的是，這18個接觸環是共軸的並且被安裝到公共中心軸上。在圖12A和圖12B所描繪的正常配置中，連接器JlI被電氣聯接至連接器Jl，而連接器J22被電氣聯接至連接器J2。
[0072]圖13示出按照上面公開的實施例的XIPS的基本部件。描繪的部件只包括兩個XPClO中的一個、兩個RSA14中的一個、四個推進器12中的一個和兩個步進電機54中的一個。每個步進電機54均由(例如，在衛星上機載的)中央計算機36控制。對於圖13所示的部件，中央計算機36發送出脈衝序列,其步進地驅動步進電機54。脈衝序列是步進電機54的唯一輸入並且提供步進的信號以及運行步進功能所需要的動力/功率。也就是說，步進電機不需要單獨的電源；只是需要來自中央計算機36的一根控制線。
[0073]仍然參照圖13，給推進器12加電的電源由XPClO提供。從XPClO傳動到推進器12的4.5千瓦動力由RSA14轉換。來自XPClO的動力由中央計算機36開啟和關閉，但是為了保持推進器的運行穩定，對輸出功率的緊密調整在XPClO內部地完成；中央計算機36隻命令XPClO起動和停止推進器動力。
[0074]每個上面描述的系統提供推進器連接性以便任一 XPC能夠點火四個推進器中的任何一個。按照一些實施例，連接性被提供通過分段滑環。使用可靠的電刷和滑環技術，分段滑環和電刷取向在所有時刻只允許一個推進器和一個XPC被聯接，也就是，兩個推進器不能夠被聯接到一個XPC並且兩個XPC不能夠被聯接到一起。這些布置允許推進器中的任意一對被隔離。當在隔離模式時，推進器將不被連接到XPC並且因此，將不通過XPC接地。然而，對於這種隔離情況，接地的電阻(例如20兆歐)被加到RSA的每個電路，其在開關的推進器一側，以便推進器將在隔離模式保持接地，因此避免靜電放電或者接地問題。
[0075]進一步，為了非常可靠操作，公開的系統在RSA中使用單個旋轉元件。可替代的，單個可移置元件可以被用於不同開關配置中。也就是，其他類型的一致切換的開關能夠被用於切換聯接功率控制器至離子推進器的各個電路。這樣的可替代開關系統可以包括板簧類型的接觸，其通過旋轉接觸臂或者線性可移動接觸板被打開/關閉，其中，成對彈簧接觸以形成多極開關。其他的板簧設計概念包括旋轉搖臂和線性螺旋杆。提供具有單個公共轉換元件(例如旋轉的中心軸)的開關組件，根據中心軸的角度位置(第一或者第二角度位置)，允許兩個XPC中的任一點火兩個推進器中的任一。在中心軸的第三角度位置，相同的兩個推進器能夠與兩個XPC電隔離。
[0076]離子推進系統優選地被設計成允許高達2000伏的電壓且相關聯的高達25安的電流的轉換。合理設計的系統是小的並且緊湊的、易於裝配並且具有低的重現成本。
[0077]雖然已經參照特定的實施例描述了離子推進器，不過本領域技術人員將理解不同的變化可以被生成並且等價物可以替代其中元件而不背離本教導的範圍。另外，可以做出許多修改來調試本教導中的具體情節，而不背離其實質性範圍。因此，其意圖是，所附權利要求不被局限於公開的實施例。
[0078]如權利要求中所使用，詞語「計算機系統」應被寬泛地詮釋為包括具有至少一個計算機或者處理器的系統，並且其可以具有通過網絡或者總線通信的兩個或者更多個自主的計算機或者處理器。
【權利要求】
1.一種離子推進系統，包括第一和第二功率控制器、第一和第二離子推進器以及具有至少第一和第二轉換狀態的第一開關組件，其中當所述第一和第二功率控制器開啟時，當所述第一開關組件在所述第一轉換狀態時所述第一和第二離子推進器經由所述第一開關組件分別從所述第一和第二功率控制器接收動力，並且當所述第一開關組件在所述第二轉換狀態時所述第一和第二離子推進器經由所述第一開關組件分別從所述第二和第一功率控制器接收動力，並且其中所述第一開關組件包括可移動的第一主體和第一多重開關，當所述第一主體改變位置時所述第一多重開關一致地改變狀態，當所述第一主體在第一位置時所述第一開關組件在所述第一轉換狀態，並且當所述第一主體在第二位置時所述第一開關組件在所述第二轉換狀態。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一主體包括可旋轉的中心軸，並且所述第一和第二位置分別是所述中心軸的第一和第二角度位置。
3.根據權利要求2所述的系統，進一步包括步進電機，其可操作地聯接到所述中心軸以改變所述中心軸的角度位置。
4.根據權利要求3所述的系統，進一步包括計算機系統，其被編程以發送步進地驅動所述步進電機的脈衝序列並且提供所述步進電機所需的運行步進功能的動力。
5.根據權利要求4所述的系統，其中所述計算機系統進一步被編程成選擇性地開啟和關閉所述第一或第二功率控制器提供的動力以保持所述第一或第二離子推進器運行穩定。
6.根據權利要求2所述的系統，其中所述第一開關組件進一步包括附接到所述中心軸的多個接觸板和多重電刷，相應一組三個電刷接觸每個接觸板的相應外表面，每個外表面包括導電接觸部段和不導電部段。
7.根據權利要求2所述的系統，其中所述第一開關組件進一步包括附接到所述中心軸的多個接觸板和多重電刷，相應一組四個電刷接觸每個接觸板的相應外表面，每個外表面包括一對導電接觸部段和一對不導電部段。
8.根據權利要求1所述的系統，其中當所述第一主體在第三位置時，所述第一和第二離子推進器通過所述第一開關組件與所述第一和第二功率控制器電隔離。
9.根據權利要求8所述的系統，其中所述第一主體包括可旋轉的中心軸並且所述第一、第二和第三位置分別為所述中心軸的第一、第二和第三角度位置。
10.根據權利要求1所述的系統，進一步包括第三和第四離子推進器以及具有至少第一和第二轉換狀態的第二開關組件，其中當所述第一和第二功率控制器開啟時，當所述第二開關組件在所述第一轉換狀態時，所述第三和第四離子推進器經由所述第二開關組件分別接收來自所述第一和第二功率控制器的動力，並且當所述第二開關組件在所述第二轉換狀態時所述第三和第四離子推進器經由第二開關組件分別接收來自所述第二和第一功率控制器的動力，並且其中所述第二開關組件包括可移動的第二主體和第二多重開關，當所述第二主體改變位置時所述第二多重開關一致地改變狀態，當所述第二主體在第一位置時所述第二開關組件在所述第一轉換狀態，並且當所述第二主體在第二位置時所述第二開關組件在所述第二轉換狀態。
11.用於提從第一和第二功率控制器中的選定一個提供動力至衛星上機載的第一和第二離子推進器中的選定一個的方法，該方法包括: (a)連接所述第一和第二離子推進器以及所述第一和第二功率控制器至開關組件，該開關組件包括可移動的主體和多重開關，當所述主體從第一位置改變位置至第二位置時所述多重開關一致地改變位置，在所述第一位置時所述第一和第二離子推進器中的所述選定一個未被連接到所述第一和第二功率控制器中的所述選定一個，在所述第二位置時所述第一和第二離子推進器中的所述選定一個藉助於所述開關被連接到所述第一和第二功率控制器中的所述選定一個； (b)使所述主體從所述第一位置改變其位置到所述第二位置；和 Ce)當所述主體在所述第二位置時，開啟所述第一和第二功率控制器中的所述選定一個。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述主體包括可旋轉的中心軸，並且所述第一和第二位置分別是所述中心軸的第一和第二角度位置。
13.根據權利要求11所述的方法，其中步驟(b)包括步進地驅動被可操作地聯接到所述主體的步進電機。
14.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一和第二功率控制器中的每個均包括相應電源總線和相應穩壓二極體，所述相應的穩壓二極體被連接至所述相應下端電源總線以允許所述相應下端電源總線相對於飛行器電勢負浮動以實現引起電子流來平衡離子束的電勢。
15.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一和第二離子推進器中的每個均包括相應放電陽極和相應放電陰極，並且所述第一和第二功率控制器中的每個均包括相應電源總線，其將放電電源、 放電保持器電源、放電加熱器電源和屏柵極參照至放電電子源，所述放電電源被聯接到相應放電陽極以向燃料提供電離能力並且屏電源被聯接到相應放電陰極以驅動主要束。
【文檔編號】F03H1/00GK103835904SQ201310545903
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年11月6日 優先權日:2012年11月21日
【發明者】J·F·斯迪克梅爾, J·扎夫拉斯, J·M·珀金斯, K·B·克賴納, G·N·卡普林, B·K·史密斯, P·S·勞恩施泰因 申請人:波音公司