Коммутационный узел поворотных переключателей для ионной системы обеспечения продвижения
Изобретение относится к транспорту, в частности к ионным двигателям. Система управления ионными двигателями содержит два устройства управления питанием, четыре ионных двигателя и два коммутационных узла. Один коммутационный узел соединен с двумя устройствами управления питанием и с двумя из четырех ионных двигателей. Другой коммутационный узел соединен с указанными двумя устройствами управления питанием и с другими двумя ионными двигателями. Каждый коммутационный узел имеет первое и второе коммутационные состояния, которые могут быть выбраны для обеспечения возможности подачи питания любым устройством управления питанием на любой ионный двигатель с первого по четвертый. Каждый коммутационный узел содержит полый вал, выполненный с возможностью поворота и приводимый в действие шаговым двигателем. Ионный двигатель содержит разрядный анод, разрядный катод, электрод устройства поддержания разряда, разрядный нагреватель, катод нейтрализатора, нагреватель нейтрализатора, экранную, ускорительную и замедлительную решетки. Технический результат - повышение надежности средств коммутации. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 17 ил.
Изобретение в целом относится к устройству и способу оптимизации работы упорядоченной совокупности ионных двигателей.
Обеспечение продвижения за счет ионов в общем случае включает в себя использование ионизированного газа, ускоряемого посредством электрического воздействия при прохождении через заряженные решетки для развития тяги. Частицы, получившие ускорение в результате электрического воздействия, могут развивать очень высокие скорости. Обычно в этом случае используется инертный газ, такой как ксенон. Главным преимуществом ионных систем обеспечения продвижения по сравнению с обычными химическими системами обеспечения продвижения является их очень высокая эффективность. Например, при использовании одного и того же количества топлива ионная система обеспечения продвижения обеспечивает возможность развития конечной скорости, превосходящей в десять раз скорость, которой можно достичь с использованием химической системы обеспечения продвижения. Хотя ионные системы обеспечения продвижения являются эффективным средством, однако они развивают очень малую тягу по сравнению с химическими системами обеспечения продвижения. Это обстоятельство приводит к сужению области применения средств обеспечения продвижения за счет ионов. Однако средства, обеспечивающие продвижение за счет ионов, хорошо подходят для использования в космосе, в котором малые значения тяги часто являются приемлемыми, а топливная эффективность является критическим показателем. Ионные системы обеспечения продвижения используются во многих космических летательных аппаратах, включая спутники, а также исследовательские транспортные средства.
Например, в настоящий момент средства обеспечения продвижения за счет ионов обычно используются в космических летательных аппаратах, таких как спутники связи, для сохранения своего местоположения и других функций. Ионные двигатели используют электрическую энергию, генерируемую солнечной батареей спутника, для подачи энергии к горючему для обеспечения необходимого продвижения. В ионном двигателе обычного спутника тяга создается за счет ускорения положительных ионов при прохождении через последовательность решетчатых электродов на одном конце тяговой камеры. Электроды, обычно известные под названием узел извлечения ионов, создают тысячи небольших пучков тяги. При этом посредством внешнего нейтрализатора, производящего эмиссию электронов, обеспечивается предотвращение обратного электрического притягивания этих пучков к двигателю. Устройство управления питанием, или силовой контроллер, служит для обеспечения электрического управления и питания с целью приведения ионного двигателя в действие, включая управление эмиссионными токами в разрядном катоде и катоде нейтрализатора.
Известно использование ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (XIPS) для обеспечения тяги с целью сохранения местоположения спутников и изменения их орбит. В ионной системе обеспечения продвижения на основе ксенона (XIPS) используется электричество от Солнца и рабочий газ для обеспечения продвижения посредством ускорения заряженных ионов. В традиционном спутнике используются четыре ионных двигателя (две пары) и четыре отдельных обрабатывающих блока питания (PPU), так что обеспечивается возможность одновременного включения всех четырех двигателей. Это приводит к значительному увеличению массы, необходимой для приведения в действие используемой упорядоченной совокупности ионных двигателей.
В патенте US 6,948,305 раскрыта ионная система обеспечения продвижения на основе ксенона (XIPS), содержащая обрабатывающую систему питания, имеющую уменьшенную массу. Известная обрабатывающая система обеспечивала возможность подачи питания одним обрабатывающим блоком питания на множество ионных двигателей, содержащихся в упорядоченной совокупности, посредством устройств подачи питания с регулировкой по напряжению, которые являются общими для определенных элементов этих ионных двигателей (устройства подачи питания с регулировкой по току имеют отдельные выходы для обеспечения подачи необходимых управляющих токов на аноды, устройства поддержания работы и нагреватели). Преимуществом такого подхода являются меньшая масса устройств подачи питания с регулировкой по напряжению и значительное уменьшение общей массы всего оборудования.
Кроме того, известно оснащение спутника двумя резервными подсистемами, каждая из которых содержит один обрабатывающий блок питания, соединенный проводами с двумя ионными двигателями. Эти две подсистемы выполнены полностью независимыми, но обе из них могут оказаться неработоспособными, если, например, в одной подсистеме вышел из строя двигатель, а в другой подсистеме вышел из строя обрабатывающий блок питания. Для устранения этого недостатка между ионными двигателями и обрабатывающим блоком питания был дополнительно выполнен релейный блок ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (XIPS Relay Unit (XRU)). Этот релейный блок XRU ионной системы обеспечивал возможность использования ионных двигателей и обрабатывающего блока питания других резервных подсистем. В результате обеспечивалась возможность запуска любым обрабатывающим блоком питания любого из четырех ионных двигателей. Добавление релейного блока XRU ионной системы обусловливало появление многочисленных неисправностей в обрабатывающем блоке питания и двигателях при сохранении работоспособной подсистемы. Для сохранения управления космическим летательным аппаратом прежде всего нужно было обеспечить тягу от одного двигателя. Каждый релейный блок XRU ионной системы был выполнен состоящим из группы реле, управляемой схемой управляющей цепи реле. Ионные двигатели и обрабатывающий блок питания были соединены проводами для обеспечения максимального резервирования.
Для выполнения коммутационной функции в конструкции известного релейного блока XRU ионной системы использовалось до тридцати шести реле. Этот релейный блок XRU ионной системы имел большие габариты, а тридцать шесть коммутационных элементов должны были работать вместе для обеспечения переключений отдельных восемнадцати схем. Известным релейным блоком XRU ионной системы нельзя было выполнить изолирование какой-либо пары двигателей с использованием реле.
Существует необходимость в более надежных средствах для реализации коммутационной функции, при этом такие средства должны быть значительно легче, иметь меньший корпус, стоить меньше известного релейного блока XRU ионной системы и обеспечивать возможность изоляции любой пары двигателей.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрыта решетчатая ионная система обеспечения продвижения, имеющая два устройства управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), два коммутационных узла поворотных переключателей (RSA) и четыре ионных двигателя. Запуск каждого из четырех ионных двигателей может быть осуществлен любым устройством управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) посредством надлежащего конфигурирования коммутационных узлов поворотных переключателей (RSA) и устройств управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). Другим способом обеспечения этого является то, что указанная система обеспечивает возможность запуска любого двигателя посредством любого устройства управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). Это будет выполнено на станции только тогда, когда за один период времени осуществляется запуск одного двигателя. Однако, если для правильной работы спутника необходим запуск двух двигателей в одно и то же время, раскрытая система обеспечивает возможность осуществления запуска любым из двух устройств управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) любых двух из указанных четырех ионных двигателей посредством использования одной корпусной детали, выполненной с возможностью перемещения, например, полого вала, выполненного с возможностью поворота (т.е. барабана). Система может выбирать, запуск каких двух двигателей необходимо осуществить, и затем решить, какими устройствами управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона осуществить запуск конкретного двигателя посредством надлежащего конфигурирования коммутационных узлов поворотных переключателей (RSA) и устройств управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). Одно устройство управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) в конкретный момент времени может обеспечивать работу только одного двигателя. Так что всякий раз, когда в одно и то же время необходимо осуществить запуск двух двигателей, должны быть использованы оба устройства управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС).
В соответствии с одним вариантом реализации изобретения раскрытая выше коммутационная функциональность реализуется системой, в которой используются коммутационные поворотные переключатели (или переключатели иных типов, как описано далее) вместо реле для выбора того, какой ионный двигатель запускается конкретным устройством управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). Использование специальных высоконадежных коммутационных поворотных переключателей (RSA) высокого напряжения между указанными устройствами управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) и ионными двигателями обеспечивает возможность запуска любым из двух устройств управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) на спутнике любого из четырех двигателей. В соответствии с различными вариантами реализации изобретения в каждом коммутационном поворотном переключателе (RSA) используется один общий коммутационный элемент, т.е. один ротор, для осуществления переключений всех восемнадцати схем. Либо во всех из них происходит переключение, либо во всех из них не происходит переключения, благодаря чему обеспечивается повышение надежности коммутации. Кроме того, каждый коммутационный поворотный переключатель (RSA) может быть выполнен имеющим компактную конструкцию посредством использования хорошо себя зарекомендовавших надежных узлов, содержащих ротор и щетки. Кроме того, такая концепция поворотных переключателей обеспечивает возможность изоляции любой пары двигателей для увеличения операционной или рабочей гибкости. Наличие пары коммутационных узлов поворотных переключателей (RSA) обуславливает появление многочисленных неисправностей как в устройствах управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), так и ионных двигателях. Для сохранения управления космическим летательным аппаратом прежде всего нужно обеспечить тягу от одного ионного двигателя.
В соответствии с одним вариантом реализации изобретения каждый коммутационный узел поворотных переключателей (RSA) имеет восемнадцать контактных колец с тремя щетками на контактное кольцо. В соответствии с альтернативным вариантом реализации изобретения коммутационный узел поворотных переключателей (RSA) имеет четыре щетки на контактное кольцо, благодаря чему достигается уменьшение количества необходимых контактных колец до девяти. Меньшее количество колец в альтернативном варианте реализации изобретения позволяет обеспечить меньшие габариты и массу коммутационного узла поворотных переключателей. В обоих вариантах реализации изобретения с поворотными переключателями каждый коммутационный узел поворотных переключателей (RSA) содержит узел поворотного электрического контактного кольца с сегментированными токосъемными контактными кольцами и расположенными вокруг щетками, которые замыкают и размыкают электрические соединения в одно и то же время для обоих устройств управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) и обоих двигателей, прямо соединенных с коммутационным узлом поворотных переключателей (RSA). Все кольца коммутационного узла поворотных переключателей (RSA) оказываются повернуты в одно и то же время, так что не возможны смещенные состояния в отношении возможности соединения. Роторы коммутационных узлов поворотных переключателей (RSA) приводятся в действие шаговым двигателями с резервными обмотками. Коммутационные узлы поворотных переключателей (RSA) выполнены с возможностью работы при высоком напряжении в условиях разрежения или при наземных испытаниях.
Хотя в вариантах реализации изобретения, подробно описанных далее, используются коммутационные поворотные переключатели (RSA), могут быть использованы переключатели других типов, осуществляющие переключение одновременно, для переключений тех отдельных схем, которые прямо соединяют устройства подачи питания с парами двигателей, обеспечивающих продвижение за счет ионов. Такие альтернативные коммутационные системы могут содержать контакты наподобие пластинчатых пружин, которые размыкаются или замыкаются посредством поворотных контактных рычагов или контактных пластин, выполненных с возможностью линейного перемещения, при этом пары пружин приводятся в контакт для образования многополюсного переключателя. Другие концепции конструкций с пластинчатыми пружинами включают использование поворотных качающихся рычагов и винтов для линейного сочленения и расчленения электрического соединителя. Хотя последние указанные альтернативные коммутационные системы не требуют приобретения узлов, содержащих щетки, полученные спеканием, и вал, полученный формованием, такие системы имеют крупный корпус, большой вес и большие крутящие моменты.
Согласно одной особенности раскрытого в настоящем документе объекта изобретения предложена ионная система обеспечения продвижения, содержащая первое и второе устройства управления питанием, первый и второй ионные двигатели и коммутационный узел переключателей (RSA), имеющий по меньшей мере первое и второе коммутационные состояния, в которой, когда первое и второе устройства управления питанием включены, первый и второй ионные двигатели получают питание от первого и второго устройств управления питанием соответственно через первый коммутационный узел переключателей, когда первый коммутационный узел переключателей находится в первом коммутационном состоянии, и получают питание от второго и первого устройств управления питанием соответственно через этот коммутационный узел переключателей, когда первый коммутационный узел переключателей находится во втором коммутационном состоянии. Коммутационный узел переключателей содержит корпусную деталь, выполненную с возможностью перемещения, и множество переключателей, изменяющих состояние одновременно, когда эта корпусная деталь изменяет положение. Коммутационный узел переключателей находится в первом коммутационном состоянии, когда эта корпусная деталь находится в первом положении, и находится во втором коммутационном состоянии, когда эта корпусная деталь находится во втором положении. Кроме того, первый и второй ионные двигатели электрически изолированы от первого и второго устройств управления питанием посредством коммутационного узла переключателей, когда эта корпусная деталь находится в третьем положении. В одном варианте реализации изобретения корпусная деталь содержит центральный вал, а коммутационный узел переключателей, кроме того, содержит множество контактных дисков, прикрепленных к центральному валу, и множество щеток, при этом соответствующая группа из трех или четырех щеток находится в контакте с соответствующей внешней поверхностью каждого контактного диска и каждая внешняя поверхность содержит проводящий контактный сегмент и непроводящий сегмент.
В соответствии с одним вариантом реализации изобретения корпусная деталь содержит центральный вал, выполненный с возможностью поворота, а первым и вторым положениями являются соответственно первое и второе положения центрального вала. Шаговый двигатель в рабочем состоянии соединен прямо или косвенно с центральным валом для изменения своего углового положения. Коммутационный узел переключателей, кроме того, содержит множество контактных дисков, прикрепленных к центральному валу, множество щеток.
Указанная система, кроме того, содержит компьютерную систему, которая запрограммирована с возможностью передачи последовательности импульсов, обеспечивающих пошаговую работу шагового двигателя, обеспечения питания, необходимого шаговому двигателю для выполнения пошагового функционирования. Указанная компьютерная система также запрограммирована с возможностью выборочного включения и выключения устройств подачи питания, обеспечиваемых первым или вторым устройством управления питанием для поддержания стабильной работы первого или второго ионного двигателя.
В соответствии с еще одной особенностью изобретения предложена ионная система обеспечения продвижения, которая содержит первое и второе устройства управления питанием, ионные двигатели с первого по четвертый и первый и второй коммутационные узлы переключателей, при этом первый коммутационный узел переключателей соединен прямо с первым и вторым устройствами управления питанием и первым и вторым ионными двигателями, а второй коммутационный узел переключателей соединен прямо с первым и вторым устройствами управления питанием и третьим и четвертым ионными двигателями. Каждый узел из первого и второго коммутационных узлов переключателей имеет первое и второе коммутационные состояния, которые могут быть выбраны для обеспечения возможности подачи питания любым устройством из первого и второго устройств управления питанием на любой ионный двигатель с первого по четвертый. Первый коммутационный узел переключателей содержит первую корпусную деталь, выполненную с возможностью перемещения, и первое множество переключателей, изменяющих состояние одновременно, когда первая корпусная деталь изменяет положение, а второй коммутационный узел переключателей содержит вторую корпусную деталь, выполненную с возможностью перемещения, и второе множество переключателей, изменяющих состояние одновременно, когда вторая корпусная деталь изменяет положение.
В соответствии с еще одной особенностью изобретения предложен способ обеспечения подачи питания от управляющего устройства, выбранного из первого и второго устройств управления питанием, к ионному двигателю, выбранному из первого и второго ионных двигателей, на борту спутника, включающий этапы, на которых: (a) прямо электрически соединяют первый и второй ионные двигатели и первое и второе устройства управления питанием с коммутационным узлом переключателей, который содержит корпусную деталь, выполненную с возможностью перемещения, и множество переключателей, изменяющих состояние одновременно, когда эта корпусная деталь изменяет положение с первого положения, в котором выбранный первый или второй ионный двигатель не соединен прямо с указанным управляющим устройством, выбранным из первого и второго устройств управления питанием, на второе положение, в котором выбранный первый или второй ионный двигатель соединен с указанным управляющим устройством, выбранным из первого и второго устройств управления питанием, посредством указанных переключателей; (b) вызывают изменение корпусной деталью своего положения с первого положения на второе положение и (c) включают указанное управляющее устройство, выбранное из первого и второго устройств управления питанием, при нахождении корпусной детали во втором положении. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения корпусная деталь содержит центральный вал, выполненный с возможностью поворота, а первым и вторым положениями являются соответственно первое и второе положения центрального вала.
Согласно еще одной особенности изобретения предложен способ обеспечения подачи питания от выбранного устройства управления питанием к выбранному ионному двигателю на борту спутника, включающий этапы, на которых: (a) осуществляют поворот узла, содержащего множество контактных дисков из первого углового положения во второе угловое положение при выключенном выбранном устройстве управления питанием, и (b) включают выбранное устройство управления питанием, когда узел вала находится во втором угловом положении.
Изобретение может включать в себя ионную систему обеспечения продвижения, которая может содержать первое и второе устройства управления питанием, первый и второй ионные двигатели и первый коммутационный узел переключателей, имеющий по меньшей мере первое и второе коммутационные состояния, причем когда включены первое и второе устройства управления питанием, указанные первый и второй ионные двигатели получают питание от указанных первого и второго устройств управления питанием соответственно через указанный первый коммутационный узел переключателей, когда первый коммутационный узел переключателей находится в первом коммутационном состоянии, и получают питание от указанных второго и первого устройств управления питанием соответственно через указанный первый коммутационный узел переключателей, когда первый коммутационный узел переключателей находится во втором коммутационном состоянии, причем первый коммутационный узел переключателей содержит первую корпусную деталь, выполненную с возможностью перемещения, и первое множество переключателей, изменяющих состояние одновременно, когда первая корпусная деталь изменяет положение, первый коммутационный узел переключателей находится в первом коммутационном состоянии, когда первая корпусная деталь находится в первом положении и находится во втором коммутационном состоянии, когда первая корпусная деталь находится во втором положении. Первая корпусная деталь может включать в себя центральный вал, выполненный с возможностью поворота, а указанными первым и вторым положениями являются соответственно первое и второе положения центрального вала. Система может также включать в себя шаговый двигатель, в рабочем состоянии соединенный прямо или косвенно с указанным центральным валом для изменения углового положения центрального вала. Система может также включать в себя компьютерную систему, которая запрограммирована с возможностью передачи последовательности импульсов, обеспечивающих пошаговую работу шагового двигателя, и обеспечения питания, необходимого шаговому двигателю для выполнения пошагового функционирования. Компьютерная система может быть также запрограммирована с возможностью выборочного включения и выключения устройств подачи питания, обеспечиваемого первым или вторым устройством управления питанием, для поддержания стабильной работы указанного первого или второго ионного двигателя. Первый коммутационный узел переключателей может также включать в себя множество контактных дисков, прикрепленных к центральному валу, множество щеток, при этом соответствующая группа из трех щеток находится в контакте с соответствующей внешней поверхностью каждого контактного диска и каждая внешняя поверхность содержит проводящий контактный сегмент и непроводящий сегмент. Первый коммутационный узел переключателей может также включать в себя множество контактных дисков, прикрепленных к центральному валу, множество щеток, при этом соответствующая группа из четырех щеток находится в контакте с соответствующей внешней поверхностью каждого контактного диска и каждая внешняя поверхность содержит пару проводящих контактных сегментов и пару непроводящих сегментов. Первый и второй ионные двигатели могут быть электрически изолированы от указанных первого и второго устройств управления питанием посредством первого коммутационного узла переключателей, когда первая корпусная деталь находится в третьем положении. Первая корпусная деталь может включать в себя центральный вал, выполненный с возможностью поворота, а указанными первым, вторым и третьим положениями являются соответственно первое, второе и третье положения центрального вала. Система может также включать в себя третий и четвертый ионные двигатели и второй коммутационный узел переключателей, имеющий по меньшей мере первое и второе коммутационные состояния, причем когда включены первое и второе устройства управления питанием, указанные третий и четвертый ионные двигатели получают питание от указанных первого и второго устройств управления питанием соответственно через второй коммутационный узел переключателей, когда второй коммутационный узел переключателей находится в первом коммутационном состоянии, и получают питание от указанных второго и первого устройств управления питанием соответственно через второй коммутационный узел переключателей, когда второй коммутационный узел переключателей находится во втором коммутационном состоянии, причем второй коммутационный узел переключателей содержит вторую корпусную деталь, выполненную с возможностью перемещения, и второе множество переключателей, изменяющих состояние одновременно, когда вторая корпусная деталь изменяет положение, при этом второй коммутационный узел переключателей находится в первом коммутационном состоянии, когда вторая корпусная деталь находится в первом положении, и находится во втором коммутационном состоянии, когда вторая корпусная деталь находится во втором положении.
Изобретение может включать в себя ионную систему обеспечения продвижения, которая может включать в себя первое и второе устройства управления питанием, ионные двигатели с первого по четвертый и первый и второй коммутационные узлы переключателей, причем первый коммутационный узел переключателей соединен прямо с указанными первым и вторым устройствами управления питанием и с указанными первым и вторым ионными двигателями, а второй коммутационный узел переключателей соединен прямо с указанными первым и вторым устройствами управления питанием и с указанными третьим и четвертым ионными двигателями, при этом каждый узел из первого и второго коммутационных узлов переключателей имеет первое и второе коммутационные состояния, которые могут быть выбраны для обеспечения возможности подачи питания любым устройством из указанных первого и второго устройств управления питанием на любой ионный двигатель с первого по четвертый, при этом первый коммутационный узел переключателей содержит первую корпусную деталь, выполненную с возможностью перемещения, и первое множество переключателей, изменяющих состояние одновременно, когда первая корпусная деталь изменяет положение, а второй коммутационный узел переключателей содержит вторую корпусную деталь, выполненную с возможностью перемещения, и второе множество переключателей, изменяющих состояние одновременно, когда вторая корпусная деталь изменяет положение. Первая корпусная деталь может включать в себя первый центральный вал, выполненный с возможностью поворота, а вторая корпусная деталь содержит второй центральный вал, выполненный с возможностью поворота. Система по п.12, также содержащая: первый шаговый двигатель, в рабочем состоянии соединенный прямо или косвенно с указанным первым центральным валом для изменения углового положения указанного первого центрального вала; и второй шаговый двигатель, в рабочем состоянии соединенный прямо или косвенно с указанным вторым центральным валом для изменения углового положения указанного второго центрального вала. Система может также включать в себя компьютерную систему, которая запрограммирована с возможностью выборочной передачи последовательности импульсов, обеспечивающих пошаговую работу указанных первого или второго шагового двигателя, и обеспечения питания, необходимого указанному первому или второму шаговому двигателю для выполнения пошагового функционирования. Компьютерная система может быть также запрограммирована с возможностью выборочного включения и выключения устройств подачи питания, обеспечиваемого первым или вторым устройством управления питанием, для поддержания стабильной работы указанного первого, второго, третьего или четвертого ионного двигателя. Первый коммутационный узел переключателей может также включать в себя первое множество контактных дисков, прикрепленных к указанному первому центральному валу, и первое множество щеток, при этом соответствующая группа щеток находится в контакте с соответствующей внешней поверхностью каждого контактного диска и каждая внешняя поверхность содержит по меньшей мере один проводящий контактный сегмент и по меньшей мере один непроводящий сегмент.
Изобретение может включать в себя способ обеспечения подачи питания от управляющего устройства, выбранного из первого и второго устройств управления питанием, к ионному двигателю, выбранному из первого и второго ионных двигателей, на борту спутника, согласно которому: (a) прямо соединяют первый и второй ионные двигатели и первое и второе устройства управления питанием с коммутационным узлом переключателей, который содержит корпусную деталь, выполненную с возможностью перемещения, и множество переключателей, изменяющих состояние одновременно, когда эта корпусная деталь изменяет положение с первого положения, в котором указанный ионный двигатель, выбранный из первого и второго ионных двигателей, не соединен прямо с указанным управляющим устройством, выбранным из первого и второго устройств управления питанием, на второе положение, в котором указанный ионный двигатель, выбранный из первого и второго ионных двигателей, соединен прямо с указанным управляющим устройством, выбранным из первого и второго устройств управления питанием, посредством указанных переключателей; (b) вызывают изменение корпусной деталью своего положения с указанного первого положения на указанное второе положение и (c) включают указанное управляющее устройство, выбранное из первого и второго устройств управления питанием, при нахождении корпусной детали во втором положении. Корпусная деталь может включать в себя центральный вал, выполненный с возможностью поворота, а указанными первым и вторым положениями являются соответственно первое и второе положения центрального вала. Этап (b) может включать в себя пошаговую работу шагового двигателя, соединенного в рабочем состоянии прямо или косвенно с корпусной деталью.
Изобретение может включать в себя способ обеспечения подачи питания от выбранного устройства управления питанием к выбранному ионному двигателю на борту спутника, согласно которому возможно следующее: (a) осуществляют поворот узла, содержащего множество контактных дисков из первого углового положения во второе угловое положение при выключенном указанном выбранном устройстве управления питанием, и (b) включают указанное выбранное устройство управления питанием, когда указанный узел находится в указанном втором угловом положении. Каждое устройство из указанных первого и второго устройств управления питанием может быть выполнено включающим в себя соответствующую шину подачи питания и соответствующий стабилитрон, прямо соединенный с указанной соответствующей нижней шиной подачи питания для обеспечения возможности получения на ней плавающего отрицательного потенциала относительно потенциала космического летательного аппарата, чтобы создавать потенциал, заставляющий поток электронов выравнивать ионный пучок. Каждый двигатель из указанных первого и второго двигателей может включать в себя соответствующий разрядный анод и соответствующий разрядный катод, а каждое устройство из указанных первого и второго устройств управления питанием содержит соответствующую шину подачи питания, обеспечивающую обращение устройства подачи питания для обеспечения разряда, устройства подачи питания для устройства поддержания разряда, устройства подачи питания для нагревателя обеспечения разряда и экранной решетки к разрядному источнику электронов, при этом устройство подачи питания обеспечения разряда соединено прямо или косвенно с соответствующим разрядным анодом для обеспечения подачи питания к топливу, а с соответствующим разрядным катодом для возбуждения главного пучка прямо или косвенно соединено устройство подачи питания для экрана.
Другие особенности раскрыты и заявлены ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На ФИГ.1 показана блок-схема соединения одного устройства управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) с одним двигателем посредством коммутационного узла поворотных переключателей (RSA).
На ФИГ.2 показан изометрический вид блока коммутационного узла поворотных переключателей (RSA) в соответствии с одним вариантом реализации изобретения. Некоторые компоненты блока коммутационного узла поворотных переключателей не показаны для наглядности.
На ФИГ.3 показан вид в разрезе узла вала и других компонентов блока коммутационного узла поворотных переключателей (RSA) в соответствии с одним вариантом реализации изобретения (шаговый двигатель 54 в разрезе не показан).
ФИГ.4-7 представляют собой схемы, показывающие некоторые (не все) режимы работы пары коммутационных узлов поворотных переключателей (RSA), выполненных согласно ФИГ.1-3, включая нормальный режим (ФИГ.4), режим с изоляцией (ФИГ.5), нормальный режим с изоляцией (ФИГ.6) и перекрестный режим с изоляцией (ФИГ.7).
На ФИГ.8 показан вид в разрезе коммутационного узла поворотных переключателей, имеющего четыре щетки на кольцо и имеющего узел вала, отличающийся от узла вала, показанного на ФИГ.3.
На ФИГ.8A, 8B и 8C показаны виды в разрезе коммутационного узла поворотных переключателей в нормальной конфигурации (ФИГ.8A), в открытой конфигурации (ФИГ.8B) и в перекрестной конфигурации (ФИГ.8C). Этот коммутационный узел поворотных переключателей имеет четыре щетки на кольцо и узел вала, выполненный так же, как узел вала, который показан на ФИГ.3.
ФИГ.9A и 9B представляют собой схемы, показывающие одну группу из девяти питающих соединений для коммутационного узла поворотных переключателей и нормальной конфигурации, частично показанного на ФИГ.8A.
На ФИГ.10 и 11 схематически изображены изометрические виды коммутационного узла поворотных переключателей, имеющего две соосные группы контактных колец (например, девять контактных колец в каждой группе) с тремя щетками на контактное кольцо. На ФИГ.10 показан коммутационный узел поворотных переключателей в перекрестной конфигурации; на ФИГ.11 показан коммутационный узел поворотных переключателей в нормальной конфигурации.
ФИГ.12A и 12B представляют собой схемы, показывающие все питающие соединения в каждом коммутационном узле поворотных переключателей в соответствии с вариантом реализации, частично показанным на ФИГ.10 и 11.
Фиг.13 представляет собой блок-схему, показывающую основные компоненты ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (XIPS) в соответствии с вариантами реализации изобретения, раскрытыми ниже.
Далее будет приведена ссылка на чертежи, при этом одинаковые элементы на различных чертежах имеют одни и те же позиционные обозначения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основная конструкция и функционирование ионного двигателя при использовании на спутниках хорошо известны и будут описаны в настоящем документе только кратко. Каждый ионный двигатель включает в себя узел извлечения ионов, корпус, образующий ионизационную камеру, разрядный источник электронов и систему электродов, размещенных в этой камере, генератор магнитного поля, также размещенный в этой камере, и нейтрализатор, размещенный рядом с узлом извлечения ионов. Ионный двигатель соединен прямо или косвенно с емкостью, содержащей ионизируемый газ (например, ксенон), и системой подачи питания.
В целом, при работе ионного двигателя ионизируемый газ этой емкости подают к указанной камере через клапан, а первичные электроны вводят в газ от источника электронов. К системе электродов прикладывают разрядное напряжение, вызывающее ускорение этих электронов и их столкновения с атомами газа, приводящее к образованию плазмы. Обычно используемый генератор магнитного поля содержит кольцевые постоянные магниты и выполнен с возможностью образования линий магнитной индукции, проходящих близко к указанному корпусу. Линии магнитной индукции направляют электроны по удлиненным траекториям, и таким образом происходит усиление образования плазмы. В соответствии с одним вариантом реализации изобретения узел извлечения ионов содержит экранную решетку, ускорительную решетку и замедлительную решетку (замедлительная решетка используется при необходимости). От системы подачи питания на решетки подают электрическое питание, чтобы вызвать извлечение ионного пучка узлом извлечения ионов из образованной плазмы и придать этому пучку ускорение, в направлении прочь от двигателя. Ионный пучок приводит к образованию силы, воздействующей на ионный двигатель и космический летательный аппарат, к которому он прикреплен.
Если не производить компенсирование потока положительных зарядов ионного пучка, он будет создавать отрицательный заряд на ионном двигателе, который приводил бы к ухудшению силы двигателя. Соответственно, нейтрализатор осуществляет ввод потока электронов в область возле ионного пучка, чтобы компенсировать возникающее под его влиянием обеднение заряда. Поток электронов также частично нейтрализует положительный пространственный заряд ионного пучка, чтобы предотвращать чрезмерное расхождение пучка.
На ФИГ.1 показаны компоненты ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (XIPS), содержащей ионные двигатели описанного выше типа. В частности, на ФИГ.1 показан коммутационный узел 14 поворотных переключателей (RSA), установленный между устройством 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) и двигателем 12. Двигатель 12 содержит разрядный анод 102, разрядный катод 106, электрод 104 устройства поддержания разряда, разрядный нагреватель 108, катод 110 нейтрализатора, электрод 112 устройства поддержания работы нейтрализатора, нагреватель 114 нейтрализатора, экранную решетку 116, ускорительную решетку 118 и замедлительную решетку 120.
На ФИГ.1 показано девять различных схем, необходимых для обеспечения работы двигателя 12, при этом каждая схема включает в себя соответствующее электрическое соединение 15 внутри коммутационного узла 14 поворотных переключателей (RSA). Хотя в предпочтительном варианте реализации изобретения в каждом коммутационном узле поворотных переключателей (RSA) выполнены входы для двух устройств управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) и выходы для двух двигателей, на ФИГ.1 показаны соединения только от одного устройства управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) с одним двигателем. Электрические соединения 15 выполняются при повороте узла вала коммутационного узла 14 поворотных переключателей (RSA) в предварительно заданное угловое положение (как будет подробно раскрыто дальше со ссылкой на ФИГ.8A-8C).
Устройство 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) содержит устройство подачи питания 16 для экрана, устройство подачи питания 18 для ускорителя и устройство подачи питания 20 для замедлителя, каждое из которых выполнено в виде устройства подачи питания с регулировкой по напряжению. Устройство 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), кроме того, содержит устройство подачи питания 22 для обеспечения разряда, устройства подачи питания 24, 26 для устройства поддержания разряда и для нагревателя обеспечения разряда и устройства подачи питания 28, 30 для устройства поддержания работы нейтрализатора и для нагревателя нейтрализатора, все из которых выполнены в виде устройств подачи питания с регулировкой по току.
Разрядный источник электронов двигателя 12 содержит разрядный катод 106, электрод 104 устройства поддержания разряда и разрядный нагреватель 108, который при выполнении надлежащих электрических соединений получает ток от устройства подачи питания 26 для нагревателя обеспечения разряда устройства 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). Устройство подачи питания 24 для устройства поддержания разряда, относящееся к устройству 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), подает положительное напряжение на электрод 104 устройства поддержания работы двигателя, чтобы возбудить разряд плазмы и обеспечить подачу электронов к ионизационной камере. Система электродов двигателя, кроме того, включает в себя разрядный анод 102. Разрядное напряжение прикладывают между источником электронов и разрядным анодом 102 двигателя 12 посредством устройства подачи питания 22 для обеспечения разряда, содержащегося в устройстве 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), чтобы ускорять первичные электроны при прохождении через ионизируемый газ. Устройство подачи питания 18 для ускорителя обеспечивает ускорение ионов, выходящих из двигателя. Нейтрализатор двигателя включает в себя катод 110 нейтрализатора, электрод 112 устройства поддержания работы нейтрализатора и нагреватель 114 нейтрализатора, которые выполнены, по существу, так же, как разрядный катод 106, электрод 104 устройства поддержания разряда и разрядный нагреватель 108, размещенные в ионизационной камере. Устройство подачи питания 30 для нагревателя нейтрализатора, содержащееся в устройстве 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), соединено прямо или косвенно с нагревателем 114 нейтрализатора для обеспечения подачи получаемых электронов, а устройство подачи питания 28 для устройства поддержания работы нейтрализатора, содержащееся в устройстве 10, подает положительное напряжение на электрод 112 устройства поддержания работы нейтрализатора, чтобы возбудить плазму, которая является источником потока электронов.
Как показано на ФИГ.1, устройство 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) содержит нижнюю шину 32 подачи питания и верхнюю шину 34 подачи питания. Обращение к нижней шине 32 подачи питания происходит как к ʺземлеʺ космического летательного аппарата, а потенциалы этих шин подачи питания электрически разделены разностью напряжения устройства подачи питания 16 для экрана. Нижняя шина 32 подачи питания обеспечивает обращение устройства подачи питания 28 для устройства поддержания работы нейтрализатора, устройства подачи питания 30 для нагревателя нейтрализатора, устройства подачи питания 18 для ускорителя и устройства подачи питания 20 для замедлителя. Используется стабилитрон 8, прямо соединенный с нижней шиной 32 подачи питания для обеспечения возможности подачи питания на нее для получения плавающего отрицательного потенциала относительно потенциала космического летательного аппарата, чтобы создавать потенциал, заставляющий поток электронов выравнивать ионный пучок. Верхняя шина 34 подачи питания обеспечивает обращение устройства подачи питания 22 для обеспечения разряда, устройства подачи питания 24 для устройства поддержания разряда, устройства подачи питания 26 для нагревателя обеспечения разряда и экранной решетки 116 к разрядному источнику электронов. Устройство подачи питания 22 для обеспечения разряда соединено прямо или косвенно с разрядным анодом 102, чтобы обеспечивать подачу к топливу (например, ксенону) ионизирующего питания, а устройство подачи питания 16 для экрана соединено прямо или косвенно с разрядным катодом 106 для возбуждения главного пучка.
Все из описанных выше электрических соединений 15 между устройством 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) и двигателем 12 замыкаются и размыкаются посредством поворота узла вала коммутационного узла 14 поворотных переключателей (RSA) (см. ФИГ.1). На ФИГ.2 и 3 показаны некоторые компоненты одного коммутационного узла поворотных переключателей (RSA) в соответствии с одним вариантом реализации изобретения (для большей наглядности некоторые компоненты не показаны). Коммутационный узел 14 поворотных переключателей (RSA), показанный на ФИГ.2, содержит корпус 46, состоящий из пары монтажных оснований 50a, 50b, соединенных четырьмя направляющими 48. Две группы щеточных блоков (четыре щеточных блока в каждой группе) прикреплены к направляющим 48 для образования двух прямоугольных корпусов, расположенных рядом друг с другом между монтажными основаниями. На ФИГ.2 видны только щеточные блоки 84b, 84c и 85d второй группы щеточных блоков. Эти прямоугольные корпуса окружают узел вала (не видно на ФИГ.2). Каждый щеточный блок первой группы выполнен с возможностью служить опорой для ряда из пяти щеток, причем каждый щеточный блок второй группы выполнен с возможностью служить опорой для ряда из четырех щеток. Вместе восемь щеточных блоков служат опорой для четырех рядов щеток, при этом каждый ряд состоит из девяти щеток, находящихся в контакте с соответствующими контактные кольцами. Щеточные блоки могут быть выполнены из полиэфиримидной смолы, такой как полиэфиримидная смола типа Ultem.
Каждый щеточный блок имеет контактные пластины 82, прикрепленные к нему крепежными деталями 78, как видно из ФИГ.2. Количество контактных пластин 82, прикрепленных к какому-либо щеточному блоку, равно количеству щеток, поддерживаемых в ряду этим щеточным блоком (т.е. в этом варианте реализации изобретения либо четырем, либо пяти). Общее количество контактных пластин для варианта реализации изобретения, показанного на ФИГ.2, составляет тридцать шесть.
На ФИГ.8 дан вид в разрезе, показывающий четыре контактные пластины 82, прикрепленные к четырем щеточным блокам 84a-84d соответствующими парами крепежных деталей 78. Другие контактные пластины, размещенные спереди или сзади контактных пластин 82, на ФИГ.8 не показаны. Каждая контактная пластина 82 представляет собой пластину, выполненную из проводящего металла (например, меди с серебряным покрытием), со столбиковыми выводами (см. позицию 87 на ФИГ.8), припаянными к ней. Контактная пластина 82 обеспечивает общее электрическое подключение для нескольких силовых проводов (не показано на ФИГ.8), которые затем оказываются электрически соединены с контактными столбиковыми выводами 52 щеточных узлов 70, 72, 74, 76 (далее ʺщеткиʺ), соответственно установленных на щеточных блоках 84a-84d. Щетки могут быть выполнены из меди с покрытием или металлического сплава, содержащего молибден, серебро, графит или иные составляющие.
Как показано на ФИГ.3, узел 40 вала поддерживается монтажными основаниями 50a, 50b с возможностью поворота посредством соответствующих узлов 62 и 64 шариковых подшипников. Поворот узла 40 вала обеспечивается шаговым двигателем 54 посредством зубчатого редуктора 56, установленного с возможностью поворота на монтажном основании 50a.
Другое монтажное основание 50b служит опорой для четырех соединительных элементов 60 высокого напряжения (на ФИГ.3 видны только два из них), передающих электрическое питание высокого напряжения, обеспечиваемое системой подачи питания. Каждый из четырех соединительных элементов 60 электрически соединен с соответствующей группой щеток (на ФИГ.2 и 3 не показано). Как объяснено выше, первый из четырех соединительных элементов прямо соединен с первым устройством управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС); второй соединительный элемент прямо соединен с первым двигателем; третий соединительный элемент прямо соединен со вторым устройством управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС); а четвертый соединительный элемент прямо соединен со вторым двигателем.
Как показано на ФИГ.3, в соответствии с одним вариантом реализации изобретения узел 40 вала содержит множество контактных колец 44, при этом каждое контактное кольцо имеет два электрически проводящих дугообразных сегмента 66 и 68 и, по существу, непроводящие разделительные диски 42. Разделительные диски 42 предотвращают появление нежелательных электрических помех от расположенных смежно контактных колец 44. Между разделительными дисками могут быть размещены дополнительные изоляционные элементы для большей изоляции расположенных смежно колец и недопущения перемещения грязи от одного от контактного кольца к другому.
Контактные кольца 44 могут быть выполнены из литой эпоксидной смолы. Электрически проводящие сегменты 66, 68 могут быть выполнены из серебра или меди, осажденной гальваническим способом.
Электрические соединения между устройствами управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) и двигателем осуществляются посредством поворота узла вала до тех пор, пока проводящие щетки не придут в контакт с электрически проводящими контактными сегментами 66, 68, установленными на внешней поверхности контактных колец. Согласно варианту реализации, представленному на ФИГ.3, всего используется девять контактных колец. Узел 40 вала содержит центральный вал 80, на котором установлены разделительные диски 42 и контактные кольца 44. Угловое положение центрального вала 80 относительно корпуса 46 определяет режим коммутационного узла 14 поворотных переключателей.
ФИГ.4-7 представляют собой схемы, показывающие некоторые (но не все) режимы работы пары коммутационных узлов поворотных переключателей (RSA) (коммутационный узел A и коммутационный узел B), выполненных с возможностью обеспечения прямого соединения различных двигателей с двумя устройствами управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) для обеспечения максимального резервирования. На каждой из ФИГ.4-7 зафиксированы следующие соединения: соединительный элемент J1 устройства 1 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) прямо соединен с соединительным элементом J11 коммутационного узла А; соединительный элемент J2 устройства 1 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) прямо соединен с соединительным элементом J11 коммутационного узла B; соединительный элемент J1 устройства 2 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) прямо соединен с соединительным элементом J22 коммутационного узла A; соединительный элемент J2 устройства 2 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) прямо соединен с соединительным элементом J22 коммутационного узла B; соединительный элемент J1 коммутационного узла А прямо соединен с двигателем 1; соединительный элемент J2 коммутационного узла А прямо соединен с двигателем 2; соединительный элемент J1 коммутационного узла В прямо соединен с двигателем 3; а соединительный элемент J2 коммутационного узла В прямо соединен с двигателем 4.
На ФИГ.4 показан нормальный режим, в котором узлы валов коммутационных узлов поворотных переключателей (RSA) повернуты в угловые положения, которые вызывают прямое соединение входных соединительных элементов J11 и J22 каждого коммутационного узла поворотных переключателей (RSA) с выходными соединительными элементами J1 и J2 соответственно, в результате чего двигатели 1 и 3 могут получать питание от устройства 1 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), а двигатели 2 и 4 могут получать питание от устройства 2 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС).
На ФИГ.5 показан перекрестный режим, в котором узлы валов коммутационных узлов поворотных переключателей (RSA) повернуты в угловые положения, которые вызывают прямое соединение соединительных элементов J11 и J22 каждого коммутационного узла поворотных переключателей (RSA) с выходными соединительными элементами J2 и J1 соответственно, в результате чего двигатели 1 и 3 могут получать питание от устройства 2 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), а двигатели 2 и 4 могут получать питание от устройства 1 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС).
Кроме того, возможен вариант, при котором один коммутационный узел поворотных переключателей (RSA) находится в нормальной конфигурации, а другой коммутационный узел находится в перекрестной конфигурации.
На ФИГ.6 показан нормальный режим с изоляцией, в котором узел вала коммутационного узла А повернут в угловое положение, которое вызывает прямое соединение входных соединительных элементов J11 и J22 коммутационного узла А с выходными соединительными элементами J1 и J2 соответственно, когда узел вала коммутационного узла В повернут в угловое положение, которое обусловливает отсутствие прямого соединения входных соединительных элементов J11 и J22 коммутационного узла поворотных переключателей с выходными соединительными элементами J1 и J2. В этом режим с изоляцией двигатели 3 и 4 изолированы от устройств управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). При использовании обратных режимов коммутационных узлов поворотных переключателей (RSA), показанных на ФИГ.6, устройства управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) могут быть прямо соединены с двигателями 3 и 4 и изолированы от двигателей 1 и 2.
На ФИГ.7 показан перекрестный режим с изоляцией, в котором узел вала коммутационного узла А повернут в угловое положение, которое вызывает прямое соединение входных соединительных элементов J11 и J22 коммутационного узла А с выходными соединительными элементами J2 и J1 соответственно, когда узел вала коммутационного узла В повернут в угловое положение, которое обусловливает отсутствие прямого соединения входных соединительных элементов J11 и J22 коммутационного узла поворотных переключателей (RSA) с выходными соединительными элементами J1 и J2. В этом режиме с изоляцией двигатели 3 и 4 изолированы от устройств управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). При использовании обратных режимов коммутационных узлов поворотных переключателей (RSA), показанных на ФИГ.7, устройства управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) могут быть прямо соединены с двигателями 3 и 4 и изолированы от двигателей 1 и 2.
На ФИГ.8 показан вид в разрезе коммутационного узла поворотных переключателей, имеющего четыре щетки (позиции 70, 72, 74, 76) на кольцо и имеющего узел 81 вала, отличный от того вала, который показан на ФИГ.3. На ФИГ.3 непроводящие разделительные диски 42 и вал 80 выполнены в виде отдельных компонентов. На ФИГ.8 эти компоненты выполнены заодно целое для образования вала 81, имеющего две диаметрально противоположные дугообразные канавки, в которые посажена пара расположенных по окружности дугообразных контактных сегментов 66 и 68, выполненных из электрически проводящего материала. Эти проводящие контактные сегменты отделены соответствующими по существу непроводящими сегментами наружной поверхности вала 81.
Как видно из ФИГ.8, каждый щеточный блок 84a-84d прикреплен к продольным направляющим 48 корпуса 46 для образования в целом прямоугольного корпуса, служащего опорой для щеток. Каждый щеточный блок 84a-84d служит опорой для соответствующего ряда из пяти щеточных узлов. Как показано на ФИГ.8, выполнены четыре щетки 70, 72, 74, 76 для каждой пары контактных сегментов 66 и 68. Эти щетки находятся в подвижном контакте с внешней поверхностью узла 81 вала по мере его вращения, что приводит к выборочному обеспечению электрического контакта с контактными сегментами 66, 68.
Как показано на ФИГ.8, каждый щеточный узел содержит соответствующую щетку 70, 72, 74, 76, выполненную из электрически проводящего материала, соответствующий контактный столбиковый вывод 52 (также выполненный из электрически проводящего материала), проходящий через соответствующее отверстие в соответствующем щеточном блоке 84a-84d, и пружину 86 для поджатия щетки, размещенную между выступом контактного столбикового вывода 52 и связанной контактной пластиной 82, чтобы поджимать соответствующую щетку и приводить ее в контакт с непроводящими сегментами 66 и 68. Четыре щеточных блока 84a-84b прикреплены к четырем направляющим 48 для образования прямоугольного корпуса, как описано выше. Щетки 70, 72, 74, 76 выполнены с возможностью смещения вдоль соответствующих радиальных осей, отделенных друг от друга на 90 градусов.
На ФИГ.8A, 8B и 8C показаны виды в разрезе коммутационного узла поворотных переключателей, имеющего четыре щетки 70, 72, 74, 76 на кольцо и узел 40 вала, который выполнен так же, как узел вала, показанный на ФИГ.3. Коммутационный узел поворотных переключателей показан в нормальной конфигурации (ФИГ.8A), в открытой конфигурации (ФИГ.8B) и в перекрестной конфигурации (ФИГ.8C).
В варианте реализации изобретения, показанном на ФИГ.8A-8C, выборочное прямое соединение одного устройства управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) с одним двигателем пары и другого устройства управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) с другим двигателем этой же пары достигается посредством поворота центрального вала 80 в угловое положение, в котором одна пара соседних щеток находится в контакте с контактным сегментом 66, а другая пара соседних щеток находится в контакте с контактным сегментом 68. В сущности, каждый контактный сегмент формирует перемычку между парой проводящих щеток в любом из двух угловых положений. Когда центральный вал оказывается повернут в любом направлении на угол 45°, противоположные щетки приводятся в контакт с непроводящими сегментами, расположенными между контактными сегментами 66 и 68, и таким образом происходит размыкание ʺпереключателейʺ, образованных парами соседних щеток, соединенных перемычкой посредством соответствующего контактного сегмента. Таким образом угловое положение узла 40 вала относительно корпуса 46 определяет режим работы коммутационного узла 14 поворотных переключателей (RSA).
На ФИГ.8A показан коммутационный узел поворотных переключателей (RSA) в нормальной конфигурации, в которой двигатель 1 прямо соединен с устройством 1 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), а двигатель 2 прямо соединен с устройством 2 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). В этой конфигурации центральный вал 80 находится в угловом положении 0°, в котором щетки 70 и 72 находятся в контакте с контактным сегментом 66, а щетки 74 и 76 находятся в контакте с контактным сегментом 68.
На ФИГ.8B показан коммутационный узел поворотных переключателей (RSA) в открытом состоянии, в котором ни двигатель 1, ни двигатель 2 не соединен прямо ни с устройством 1 (ХРС), ни с устройством 2 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). В этом состоянии центральный вал 80 находится в угловом положении 45°, в котором щетка 70 находится в контакте с контактным сегментом 66, щетка 72 находится в контакте с одним непроводящим сегментом контактного кольца 44, щетка 74 находится в контакте с контактным сегментом 68, а щетка 76 находится в контакте с другим непроводящим сегментом контактного кольца 44.
На ФИГ.8C показан коммутационный узел поворотных переключателей (RSA) в перекрестной конфигурации, в которой двигатель 1 прямо соединен с устройством 2 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), а двигатель 2 прямо соединен с устройством 1 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). В этой конфигурации центральный вал 80 находится в угловом положении 90°, в котором щетки 70 и 76 находятся в контакте с контактным сегментом 66, а щетки 72 и 74 находятся в контакте с контактным сегментом 68.
На ФИГ.9A и 9B показана одна группа из девяти питающих соединений для коммутационного узла поворотных переключателей в нормальной конфигурации, как частично показано на ФИГ.8A. Тогда как на ФИГ.8A показано состояние одного контактного кольца, на ФИГ.9A и 9B показаны состояния девяти контактных колец коммутационного узла поворотных переключателей, имеющего четыре щетки на контактное кольцо. Хотя на чертежах эти девять контактных колец изображены находящимися в различных местах с целью наглядности иллюстрирования, следует понимать, что эти девять контактных колец выполнены соосными и установлены на общем центральном вале. В нормальной конфигурации, изображенной на ФИГ.9A и 9B, соединительный элемент J11 электрически соединен прямо или косвенно с соединительным элементом J1, когда соединительный элемент J22 электрически соединен прямо или косвенно с соединительным элементом J2.
На ФИГ.10 и 11 схематически изображены изометрические виды коммутационного узла поворотных переключателей, имеющего две соосные группы контактных колец (например, девять контактных колец в каждой группе) с тремя щетками на контактное кольцо. Прерывистая линия обозначает ось общего центрального вала. На ФИГ.10 показан коммутационный узел поворотных переключателей в перекрестной конфигурации; на ФИГ.11 показан коммутационный узел поворотных переключателей в нормальной конфигурации. Одно круговое контактное кольцо каждого коммутационного узла поворотных переключателей изображено на ФИГ.10 и 11 соответствующим овалом. Однако следует понимать, что каждый коммутационный узел поворотных переключателей выполняется посредством сборки последовательностей контактных колец и разделительных дисков (например, восемнадцать контактных колец), размещаемых на центральном вале попеременно (не показано на ФИГ.10 и 11). В этом варианте реализации изобретения каждое контактное кольцо (например, 90 и 90a) имеет непроводящий сегмент (например, 92 и 92a) на своей наружной поверхности. Остальная часть наружной поверхности выполнена проводящей. Например, каждое контактное кольцо может содержать цельнолитой проводящий металл с наружным дугообразным сегментом, который содержит изолирующий материал. Когда щетка проходит поверх изолятора, она оказывается электрически изолирована от контактного кольца и других щеток, находящихся в контакте с этим контактным кольцом. При работе только один двигатель и одно устройство управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) будут прямо соединены в любой момент времени. Переключение коммутационного узла поворотных переключателей (RSA) в другую конфигурацию происходит только тогда, когда ионная система обеспечения продвижения выключена.
В варианте реализации изобретения, изображенном на ФИГ.10 и 11, коммутационный узел поворотных переключателей (RSA) имеет восемнадцать контактных колец, выполненных с возможностью совершения одновременного поворота. Одни девять контактных колец прямо соединяют устройство 1 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) либо с двигателем 1, либо с двигателем 2, и наоборот, другие девять контактных колец прямо соединяют устройство 2 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) либо с двигателем 2, либо с двигателем 1. В этом варианте реализации изобретения каждое из восемнадцати контактных колец имеет три щетки (например, 94, 96, 98 и 94a, 96a, 98a), связанные с ней, при этом щетки выполнены подпружиненными (пружины не показаны) и с возможностью смещения вдоль соответствующих радиальных осей, соответствующих радиальных осей, отделенных друг от друга на угол 120° (сравните указанное с вариантом реализации изобретения, показанным на ФИГ.8, в котором угол между щетками составляет 90°). Второй коммутационный узел поворотных переключателей (RSA) (не показан на ФИГ.10 и 11) может быть выполнен для выборочного прямого соединения устройств управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона с третьим и четвертым двигателями (не показано на ФИГ.10 и 11).
На ФИГ.10 показан первый коммутационный узел поворотных переключателей (RSA) в перекрестной конфигурации, в которой двигатель 2 прямо соединен с устройством 1 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), а двигатель 1 прямо соединен с устройством 2 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). В этой конфигурации центральный вал (не показан) находится в угловом положении 0°. В угловом положении 0° щетки 94 и 96 находятся в контакте с проводящим участком наружной поверхности контактного кольца 90, когда щетка 98 находится в контакте с непроводящим сегментом 92 контактного кольца 90; а щетки 94a и 96a находятся в контакте с проводящим участком наружной поверхности контактного кольца 90a, когда щетка 98a находится в контакте с непроводящим сегментом 92a контактного кольца 90a.
На ФИГ.11 показан первый коммутационный узел поворотных переключателей (RSA) в нормальной конфигурации, в которой двигатель 1 прямо соединен с устройством 1 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), а двигатель 2 прямо соединен с устройством 2 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). В этой конфигурации центральный вал (не показан) находится в угловом положении 120°. В угловом положении 120° щетки 94 и 98 находятся в контакте с проводящим участком наружной поверхности контактного кольца 90, когда щетка 96 находится в контакте с непроводящим сегментом 92 контактного кольца 90; а щетки 94a и 98a находятся в контакте с проводящим участком наружной поверхности контактного кольца 90a, когда щетка 96a находится в контакте с непроводящим сегментом 92a контактного кольца 90a.
Вариант реализации изобретения с тремя щетками на контактное кольцо также обеспечивает возможность электрической изоляции двигателей 1 и 2, когда щетки 94 и 94a находятся в контакте соответственно с непроводящим сегментом 92 и 92a.
На ФИГ.12A и 12B показана одна группа из восемнадцати питающих соединений для коммутационного узла поворотных переключателей в нормальной конфигурации, как частично изображено на ФИГ.10. Тогда как на ФИГ.10 показано состояние двух контактных колец, на ФИГ.12A и 12B показано состояние восемнадцати контактных колец коммутационного узла поворотных переключателей, имеющего три щетки на контактное кольцо. Хотя на чертежах эти восемнадцать контактных колец изображены в различных местах с целью наглядности иллюстрирования, следует понимать, что эти восемнадцать контактных колец выполнены соосными и установлены на общем центральном валу. В нормальной конфигурации, изображенной на ФИГ.12A и 12B, соединительный элемент J11 электрически соединен прямо или косвенно с соединительным элементом J1, когда соединительный элемент J22 электрически соединен прямо или косвенно с соединительным элементом J2.
На ФИГ.13 показаны основные компоненты ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (XIPS) в соответствии с вариантами реализации изобретения, раскрытыми выше. Показанные компоненты включают в себя только одно из двух устройств 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), один из двух коммутационных узлов 14 поворотных переключателей (RSA), один из четырех двигателей 12 и один из двух шаговых двигателей 54. Каждый шаговый двигатель 54 управляется центральным компьютером 36 (например, на борту спутника). Центральный компьютер 36 в отношении компонентов, показанных на ФИГ.13, выдает последовательность импульсов, обеспечивающих пошаговую работу шагового двигателя 54. Указанная последовательность импульсов является единственным входным сигналом для шагового двигателя 54 и обеспечивает создание сигнала для обеспечения пошаговой работы, а также питания, необходимого для выполнения пошагового функционирования. Иными словами, для шаговых двигателей не требуется отдельное устройство подачи питания; только указанная одна линия управления от центрального компьютера 36.
Как показано на ФИГ.13, работа устройств подачи питания, подающих питание на двигатель 12, обеспечивается устройством 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). Переключение питания 4,5 киловатта, подаваемого на двигатель 12 от устройства 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), осуществляется коммутационным узлом 14 поворотных переключателей (RSA). Включение и выключение подачи питания от устройства 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) осуществляется центральным компьютером 36, а точное подстраивание выходного питания, для поддержания стабильной работы двигателя, осуществляется внутри в устройстве 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС); центральный компьютер 36 только выдает команды устройству 10 управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) для начала подачи питания на двигатель и прекращения подачи питания на двигатель.
Каждая из систем, описанных выше, обеспечивает такую возможность соединения с двигателями, что запуск любого из четырех двигателей может быть осуществлен любым из используемых устройств управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС). В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения возможность соединения обеспечивается посредством сегментированного токосъемного контактного кольца. Использование проверенной технологии с щетками и токосъемными контактными кольцами, сегментированные токосъемные контактные кольца и ориентация щеток обеспечивают возможность прямого соединения при любых обстоятельствах только одного двигателя и одного устройства управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), т.е. два двигателя не могут быть прямо соединены с одним устройством управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС), и два устройства управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) не могут быть прямо соединены вместе. Такие конструктивные решения обеспечивают возможность изоляции любой пары двигателей. При работе в режиме с изоляцией двигатель не будет прямо соединен с устройством управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) и поэтому не будет ʺзаземленʺ через это устройство (ХРС). Однако для этого случая с изоляцией для ʺзаземленияʺ для каждой схемы в коммутационном узле поворотных переключателей (RSA) на двигательной стороне переключателя добавляются резисторы (например, 20 мегаом), так что этот двигатель (эти двигатели) в конфигурации с изоляцией будет (будут) оставаться ʺзаземленнымʺ (ʺзаземленнымиʺ), благодаря чему удается избежать электростатического разряда или недостатков, связанных с заземлением.
Кроме того, раскрытые системы используют один поворотный элемент в коммутационном узле поворотных переключателей (RSA) для обеспечения очень надежной работы. В альтернативном варианте реализации изобретения в различных переключательных конфигурациях может быть использован один элемент, выполненный с возможностью смещения. Другими словами, переключатели других типов, осуществляющие переключения одновременно, могут быть использованы для переключений тех отдельных схем, которые прямо соединяют устройства управления питанием с ионными тяговыми двигателями. Такие альтернативные коммутационные системы могут быть выполнены содержащими контакты наподобие пластинчатых пружин, которые размыкаются или замыкаются посредством поворотных контактных рычагов или контактных пластин, выполненных с возможностью линейного перемещения, причем пары пружин приводятся в контакт для образования многополюсного переключателя. Другие концепции конструкций с пластинчатыми пружинами включают использование поворотных качающихся рычагов и винты для линейного сочленения и расчленения электрического соединителя. Использование коммутационного узла переключателей, имеющего один общий коммутационный элемент (например, центральный поворотный вал), обеспечивает возможность запуска любым из двух устройств управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС) любого из двух двигателей в зависимости от углового положения (первого или второго углового положения) этого центрального вала. В третьем угловом положении центрального вала те же самые два двигателя могут быть электрически изолированы от двух устройств управления питанием ионной системы обеспечения продвижения на основе ксенона (ХРС).
В предпочтительном варианте реализации изобретения ионная система обеспечения продвижения выполнена с возможностью обеспечения коммутационного переключения напряжений величиной до 2000 вольт и связанных с ними токов величиной до 25 ампер. Надлежащим образом выполненная система является небольшой и компактной, простой для сборки и характеризуется малыми издержками.
Ионные системы обеспечения продвижения описаны здесь со ссылкой на конкретные варианты реализации изобретения, однако для специалиста в данной области техники будет понятно, что могут быть выполнены различные изменения и произведена замена элементов их эквивалентами в рамках объема изобретения, раскрытого в настоящем документе. Кроме того, могут быть выполнены различные модификации для приспособления конкретной ситуации к раскрытому изобретению без отступления, по существу, от его основного объема, определенного представленной ниже формулой изобретения, а не раскрытыми вариантами реализации изобретения.
Выражение ʺкомпьютерная системаʺ, используемое в формуле изобретения, должно толковаться широко и охватывает систему, имеющую по меньшей мере один компьютер или процессор, которая может иметь два или большее количество автономных компьютеров или процессоров, сообщающихся посредством сети или шины.
1. Ионная система обеспечения продвижения, содержащая первое и второе устройства управления питанием, первый и второй ионные двигатели и первый коммутационный узел, имеющий по меньшей мере первое и второе коммутационные состояния, в которой
когда первое и второе устройства управления питанием включены, первый и второй ионные двигатели
получают питание от указанных первого и второго устройств управления питанием соответственно через первый коммутационный узел, когда первый коммутационный узел находится в первом коммутационном состоянии, и
получают питание от указанных второго и первого устройств управления питанием соответственно через первый коммутационный узел, когда первый коммутационный узел находится во втором коммутационном состоянии, причем
первый коммутационный узел содержит первый корпус, выполненный с возможностью перемещения, и первое множество переключателей, изменяющих состояние одновременно, когда первый корпус изменяет положение, и при этом
первый коммутационный узел
находится в первом коммутационном состоянии, когда первый корпус находится в первом положении, и
находится во втором коммутационном состоянии, когда первый корпус находится во втором положении.
2. Система по п. 1, в которой
первый корпус содержит центральный вал, выполненный с возможностью поворота, а указанными первым и вторым положениями являются соответственно первое и второе угловые положения центрального вала.
3. Система по п. 1, в которой
каждое устройство из указанных первого и второго устройств управления питанием содержит соответствующую шину подачи питания и соответствующий стабилитрон, соединенный с указанной соответствующей нижней шиной подачи питания для обеспечения возможности получения на ней плавающего отрицательного потенциала относительно потенциала космического летательного аппарата, чтобы создавать потенциал, заставляющий поток электронов выравнивать ионный пучок.
4. Система по п. 1, в которой
каждый двигатель из указанных первого и второго двигателей содержит соответствующий разрядный анод и соответствующий разрядный катод, а
каждое устройство из указанных первого и второго устройств управления питанием содержит соответствующую шину подачи питания, обеспечивающую связь устройства подачи питания для обеспечения разряда, устройства подачи питания для устройства поддержания разряда, устройства подачи питания для нагревателя обеспечения разряда и экранной решетки с разрядным источником электронов, причем
устройство подачи питания для обеспечения разряда соединено с соответствующим разрядным анодом для обеспечения подачи питания для ионизации к топливу, а
с соответствующим разрядным катодом для возбуждения главного пучка соединено устройство подачи питания для экрана.
5. Система по п. 2, также содержащая шаговый двигатель, функционально соединенный с центральным валом для изменения углового положения центрального вала.
6. Система по п. 3, также содержащая компьютерную систему, которая запрограммирована с возможностью передачи последовательности импульсов, обеспечивающих пошаговую работу шагового двигателя, и обеспечения питания, необходимого шаговому двигателю для выполнения пошагового функционирования.
7. Система по п. 4, в которой компьютерная система также запрограммирована с возможностью выборочного включения и выключения устройств подачи питания, обеспечиваемого первым или вторым устройством управления питанием, для поддержания стабильной работы первого или второго ионного двигателя.
8. Система по п. 2, в которой
первый коммутационный узел кроме того содержит множество контактных дисков, прикрепленных к центральному валу, и множество щеток,
при этом соответствующая группа из трех щеток находится в контакте с соответствующей внешней поверхностью каждого контактного диска, и каждая внешняя поверхность содержит проводящий контактный сегмент и непроводящий сегмент.
9. Система по п. 2, в которой
первый коммутационный узел кроме того содержит множество контактных дисков, прикрепленных к центральному валу, и множество щеток,
при этом соответствующая группа из четырех щеток находится в контакте с соответствующей внешней поверхностью каждого контактного диска, и каждая внешняя поверхность содержит пару проводящих контактных сегментов и пару непроводящих сегментов.
10. Система по п. 1, в которой первый и второй ионные двигатели электрически изолированы от указанных первого и второго устройств управления питанием посредством первого коммутационного узла, когда первый корпус находится в третьем положении.
11. Система по п. 8, в которой первый корпус содержит центральный вал, выполненный с возможностью поворота, а указанными первым, вторым и третьим положениями являются соответственно первое, второе и третье угловые положения центрального вала.
12. Система по п. 1, также содержащая третий и четвертый ионные двигатели и второй коммутационный узел, имеющий по меньшей мере первое и второе коммутационные состояния, в которой
когда включены первое и второе устройства управления питанием, третий и четвертый ионные двигатели
получают питание от указанных первого и второго устройств управления питанием соответственно через второй коммутационный узел, когда второй коммутационный узел находится в первом коммутационном состоянии, и
получают питание от указанных второго и первого устройств управления питанием соответственно через второй коммутационный узел, когда второй коммутационный узел находится во втором коммутационном состоянии, причем
второй коммутационный узел содержит второй корпус, выполненный с возможностью перемещения, и второе множество переключателей, изменяющих состояние одновременно, когда второй корпус изменяет положение, при этом
второй коммутационный узел
находится в первом коммутационном состоянии, когда второй корпус находится в первом положении, и
находится во втором коммутационном состоянии, когда второй корпус находится во втором положении.
13. Способ подачи питания от устройства, выбранного из первого и второго устройств управления питанием, к ионному двигателю, выбранному из первого и второго ионных двигателей, на борту спутника, включающий этапы, на которых:
(а) соединяют первый и второй ионные двигатели и первое и второе устройства управления питанием с коммутационным узлом, который содержит корпус, выполненный с возможностью перемещения, множество переключателей, изменяющих состояние одновременно, когда этот корпус изменяет положение с первого положения, в котором указанный ионный двигатель, выбранный из первого и второго ионных двигателей, не соединен с указанным устройством, выбранным из первого и второго устройств управления питанием, на второе положение, в котором указанный ионный двигатель, выбранный из первого и второго ионных двигателей, соединен с указанным устройством, выбранным из первого и второго устройств управления питанием, посредством указанных переключателей;
(b) вызывают изменение корпусом своего положения с указанного первого положения на указанное второе положение и
(c) включают указанное устройство, выбранное из первого и второго устройств управления питанием, при нахождении корпуса во втором положении.
14. Способ по п. 11, при котором корпус содержит центральный вал, выполненный с возможностью поворота, а указанными первым и вторым положениями являются соответственно первое и второе угловые положения центрального вала.
15. Способ по п. 11, при котором этап (b) включает в себя пошаговую работу шагового двигателя, функционально соединенного с корпусом.
