基於能量轉換的太空飛行器電位主動控制系統及控制方法與流程

2023-04-24 05:06:26 1

本發明屬於空間環境效應防護技術領域，具體而言，本發明涉及一種太空飛行器充放電效應主動防護的系統和控制方法，在減緩太空飛行器充放電的危害的同時，將充電電位轉換為電能加以利用。

背景技術：

衛星帶電效應又稱充放電效應，是指衛星的充放電過程分為表面充放電效應和內帶電效應。

實際上，太空飛行器在軌運行期間，將與空間等離子體和高能電子等環境相互作用而發生靜電電荷積累及洩放，即充放電效應。其中，低能等離子體環境的主要成分為低能電子和質子，主要來源於日冕物質拋射的太陽風。等離子體的粒子通量、能量等與太陽活動、光照、地球磁場、軌道空間位置等相關。等離子體環境將與太空飛行器的表面材料相互作用，使太空飛行器表面積累電荷。由於衛星的表面材料的介電性能、幾何形狀等不同，從而引起衛星表面之間、表面與深層之間、表面與衛星地之間產生表面電位差，當這個電位差達到一定的量值後，將會以電暈、擊穿等發生放電，或者通過衛星結構、接地系統將放電電流耦合到衛星電子系統中，導致發生電路故障，威脅衛星安全。

目前，國內外關於太空飛行器的電位主動控制主要是想辦法將表面電荷發射出去，通過利用等離子體發射器-電荷中和裝置、熱電子發射電子槍、場致電子發射器、靜電防護屏裝置、靜電防護柵等實現對衛星表面充放電效應的在軌監測與主動控制。然而，這種方法，不但需要消耗額外的能源或大大增 加太空飛行器的重量，而且技術難度較高。

為了克服上述不足，本發明人出人意料地通過將充電電荷收集利用的思路，將達到一定充電電位的充電電荷進行轉換收集，一方面能夠將電位控制在安全閾值之下，另一方面，可將收集到的能量作為能源進行二次利用，從而完成了本發明。

技術實現要素：

鑑於此，本發明的目的在於提供一種基於能量轉換的太空飛行器電位主動控制系統，該控制系統利用能量轉換裝置，將其表面充電電荷和能量進行轉化儲存，在抑制太空飛行器表面充放電威脅的同時，實現充電電能的轉換利用，有效避免了太空飛行器在軌運行期間的表面充放電效應及其威脅，

同時，本發明也提供了一種基於能量轉換的太空飛行器電位主動控制方法，該方法簡單易行，且能夠通過能量轉換，將廢棄的能量加以儲存並利用。

本發明採用的技術方案如下：

基於能量轉換的太空飛行器電位主動控制系統，包括上收集極、下收集極，電連接設置在上下收集極之間的電能轉化存儲器以及檢測單元，電能轉化存儲器與負載進行電連接，其中，上收集極、下收集極分別電連接設置在太空飛行器的電位差異較大的兩個部位上或者太空飛行器的電位差異較大的兩個部位對應作為上下收集極，當檢測單元檢測到兩極之間的電位差，並通過電源管理系統判斷獲得的電位差信號是否達到一臨界電位差，當達到時，開啟能量轉換，為電能轉化存儲器充電，當電位降低到一定電位時，停止充電，從而實現太空飛行器電位下降到安全閾值，實現太空飛行器電位的主動控制，同時，電能轉化存儲器將其存儲的能量為太空飛行器的載荷提供電能，維持其相應地運動。

其中，太空飛行器電位主動控制系統適用於太空飛行器在GEO軌道的在軌運行期間。

其中，所述安全閾值根據太空飛行器具體情況設定，通常為100～500V之間的一定值。。

其中，所述臨界電位差根據太空飛行器具體情況設定，範圍通常為800～1500V之間的一定值。

其中，所述負載為有效載荷或需要電源供電的系統。其中，電能轉化存儲器包括依次電連接的變壓電路、電壓調理電路和儲能裝置，當電源管理單元判斷獲得的電位差信號達到一定的電位差時，通過電壓調理電路對變壓電路的輸出電壓調節並將電能存儲在儲能裝置中。

基於能量轉換的太空飛行器電位主動控制方法，包括如下步驟：

1將太空飛行器上電位差異較大的兩個部位分別作為兩極或者在兩者上分別電連接設置上下收集極，兩極之間連接能量轉換裝置；

2通過一檢測電路對兩極電位差進行檢測，並通過電源管理系統對獲得的電位差信號進行判讀是否達到需要進行能量轉換或為儲能裝置充電的條件；

3當電源管理系統判讀電位差已經達到設定的臨界電位差時，通過電壓調理電路連通充電電路，經變壓電路開始為儲能裝置充電，隨著充電的進行，太空飛行器兩極間的電位將下降；

4若電源管理系統判讀，隨著充電進行，電位下降到安全閾值以下，則切斷充電電路，停止儲能裝置的能量轉換。

其中，儲能裝置獲得能量適用於為太空飛行器的載荷或負載提供電源。

其中，所述設定的電位差根據太空飛行器具體情況設定，範圍通常為800～1500V之間的一定值。

其中，太空飛行器的負載為有效載荷或需要電源供電的系統。

本發明的基於能量轉換的太空飛行器電位主動控制系統，能將在GEO軌道運行的太空飛行器可達近萬伏的充電電位和達到mA量級的電流，通過不同電位的太空飛行器部件作為能量存儲(如蓄電池)充電的兩極，將充電電荷導出， 從而降低充電電位到安全閾值(如300V以下)，降低了放電的風險，同時可以獲得將近10W量級的能量。

附圖說明

圖1為本發明的基於能量轉換的太空飛行器電位主動控制系統結構示意圖。

圖2為本發明的基於能量轉換的太空飛行器電位主動控制系統中電能轉化存儲器的連接關係示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的基於能量轉換的太空飛行器電位主動控制系統進行進一步說明，該說明僅僅是示例性的，並不旨在限制本發明的保護範圍。

參見圖1，本發明的基於能量轉換的太空飛行器電位主動控制系統，包括上收集極、下收集極，電連接設置在上下收集極之間的電能轉化存儲器以及檢測單元，電能轉化存儲器與負載進行電連接，其中，上收集極、下收集極分別電連接設置在太空飛行器的電位差異較大的兩個部位上或者太空飛行器的電位差異較大的兩個部位對應作為上下收集極，當檢測單元檢測到兩極之間的電位差，並通過電源管理系統判斷獲得的電位差信號是否達到臨界電位差(如1000V)，當達到臨界電位差時，開啟能量轉換，為電能轉化存儲器充電，當電位降低到一定電位例如300V以下時，停止充電，從而實現太空飛行器電位下降到安全閾值(如300V)，實現太空飛行器電位的主動控制，同時，電能轉化存儲器將其存儲的能量為太空飛行器的載荷提供電能，維持其相應地運動。該控制系統能夠自動監測太空飛行器的表面充電電位，在達到一定充電電位時，啟動儲能裝置的充電程序，為儲能裝置充電；當降低到一定電位時，關閉儲能裝置的充電程序；需要使用能源時，能夠啟動儲能裝置的放電程序，通過負載為太空飛行器上設置的太陽能帆板供電，即實現能量轉化的自主管理。

本發明的基於能量轉換的太空飛行器電位主動控制方法如下：

首先，將太空飛行器上電位差異較大的兩個部位分別作為兩極，中間連接能 量轉換裝置，由於兩極存在電位差，當連接線路導通時，將產生電流，這是實現能量轉換的前提。

其次，通過一檢測電路對兩極電位差進行檢測，並通過電源管理系統對獲得電位差信號進行判讀是否達到需要進行能量轉換或為儲能裝置充電的條件。

第三，若檢測電路判讀電位差已經達到設定臨界電位差或臨界閾值(假設為1000V)，聯通充電電路，通過變壓電路開始為儲能裝置充電，隨著充電的進行，太空飛行器兩極間的電位將下降。

第四，若檢測電路判讀，隨著充電進行，電位下降到安全閾值以下(假設為300V)，則切斷充電電路，停止儲能裝置的能量轉換。

第五，儲能裝置獲得能量可以為太空飛行器的負載或載荷提供電源。當負載需要電能時，啟動放電程序，為負載供電。本發明的基於能量轉換的太空飛行器電位主動控制系統中電能轉化存儲器的連接關係示意圖參見圖2。

儘管上文對本發明的具體實施方式給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是，我們可以依據本發明的構想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發明的保護範圍之內。