Műholdak energiaellátó rendszere: Hall-effect hajtómű tápegység
(Rovat: Hazai kutatóhelyek és űripar - 2009.10.18 17:00.)

Az ionhajtóművek jelenlegi fejlettségi állapotukban arra használhatók, hogy segítségükkel már pályán levő műholdak helyzetét változtassák, esetleg jelentősebb pályakorrekciót végezzenek el, sőt a kémiai hajtóművekhez képest jobb hatásfokuk révén bolygóközi missziókra is tervezhetők.

Az ionhajtóműben valamilyen gázt ionizálnak (például xenont), majd az ionizált gázt elektrosztatikus és/vagy elektromágneses térrel gyorsítják. A gyorsító kamrából kilépő ionfelhő hajtja az űreszközt. Az „elhagyott” ionfelhőt semlegesíteni kell, mert ha a töltése megmaradna, vonzaná a meghajtott járművet. Az ionizációs kamrában keletkező elektrontöbbletet összegyűjtik, és a szonda mögé sugározzák egy izzó katóddal (halo katód). Az elektromos hajtómű alkalmazásával csökken a hasznostömeg-egységre jutó startköltség. A különbség abból adódik, hogy egy „hagyományos” kémiai hajtómű nagyobb tömegű üzemanyagot igényel, ugyanakkora hatékonyságot feltételezve.

A Magyar Űrkutatási Iroda támogatásával elnyert témapályázat kidolgozása során elsősorban a speciális konverter típusok kiválasztására, modellezésére és bemérésére koncentráltunk. Megterveztük a katódgyújtó és fenntartó tápegység blokkvázlatát, kapcsolási rajzát és elkészítettük a tekercselési utasítást.

A katódgyújtó és fenntartó tápegység duális üzemmódú, azaz a katód begyújtásának pillanatáig viszonylag nagy kimeneti feszültséget kell biztosítani alacsony áramszint mellett. A gyújtás után azonban a gyorsan lecsökkenő terhelő impedanciát áramgenerátoros üzemben kell táplálni ±6% pontos áramértékkel. Valós tenderkiírásra támaszkodva választottuk a fejlesztés tárgyának egy Hall-effect Thruster katódgyújtó és fenntartó tápegységének 60V/0,7A-es feszültség-áram generátorát. A felhasznált tender specifikációjában az ionhajtómű 38V-os szabályozatlan energiabuszról van táplálva.

Főbb műszaki paraméterek:

• Bemenő feszültség: szabályozatlan műholdfedélzeti BUS 33-43 V
• Működési bemenő feszültség: 38±6V
• Működési frekvencia: <100 kHz
• Hatásfok: <85%

• Kimenő feszültség: 60±2,5 V feszültséggenerátoros üzemben
• Kimenő áram maximuma: 0,7±0,05 A áramgenerátoros üzemben
• Terhelés jellege: dinamikus <65 kHz
• Maximális bemenő teljesítmény: 15 W

A tápegység funkcionális blokkvázlata

A feladat megoldására egy vezérelt kapcsoló eszközt tartalmazó csatolt fojtótekercses nyitóüzemű konverter kifejlesztését választottuk, és ehhez illeszkedően alakítottuk ki a modelláramkör funkcionális blokkvázlatát. Az alkalmazott áramköri megoldások és alkatrészek kiválasztásánál figyelembe vettük az űrkörnyezetbeli alkalmazhatóságot.

Az elkészült elvi rendszerterv, ami a fejlesztés kiindulási célja, a berendezés fő moduljait és azok egymás közötti kapcsolatait mutatja. Az 1. ábrán látható blokkvázlaton az egyes részegységek az alábbi rövid leírás alapján végigkövethetők.

1. ábra (nagyobb méretben itt megtekinthető)

A limiter-kapcsoló a műholdfedélzeti parancsvonalakon statikusan meglévő logikai szinteknek megfelelően a tápegység energiabemenetét rákapcsolja az energiaforrásra. A blokk bekapcsoláskor elvégzi a kialakuló túláram korlátozását, közben telemetria jelet állít elő az áramkorlátozás ideje alatt. Ha a túláram jel egy előre meghatározott időtartamon túl is fennáll, akkor az energiaellátó rendszer vezérlője a parancsvonalak segítségével a tápegységet lekapcsolja az energiaforrásról.

A bemeneti aluláteresztő szűrő elsősorban a kapcsolóüzemű tápegységek által generált zavarok az energiaforrás felé történő visszajutásának mértékét csökkenti.

A primer oldali segédtápegység – egy lineáris, kis teljesítményű feszültség-stabilizátor – a vezérlőkör működéséhez biztosít megfelelő paraméterű elektromos energiát.

A szekunder oldali segédtápegység kapcsoló üzemben, a bemenettől galvanikusan szeparált segédfeszültséget állít elő a vezérlőkör szekunder oldali részegységeinek táplálására. A teljesítmény-igény 8V-on néhány mA, ezért egyszerű kimeneti oldalon zéner diódával stabilizált fix kitöltési tényezőjű záróüzemű konvertert használtunk.

A bemeneti és kimeneti árammérő a szolgálati rendszer számára állít elő analóg, a megfelelő áramokkal arányos jeleket.

A referencia feszültségforrás a segédtápegység feléledésével együtt kapcsolódik be és azonnal biztosítja a megfelelő stabilitású feszültségszintet a bemeneti alulfeszültség védelem és a hibajel erősítő számára.

Alacsony bemenő feszültség esetén a bemenő áram nem tervezett mértékű megnövekedése lépne fel, ami eszközvédelmi szempontból is kockázatot és funkcionális zavart is okozhatna a limiterkapcsolók nevű blokkban. A védelem aktivizálódásakor, több ponton tiltójel lép fel és a kapcsoló üzemű működés azonnal leáll, a lassú indulást biztosító áramkör pedig alapállapotot vesz fel.

A lassú indulást biztosító áramkör a referencia jel megjelenését késlelteti a hibajel erősítő bemenetén, ezzel biztosítja, hogy bekapcsoláskor a tápegység kimenetét szűrő kondenzátorok energiától mentes állapota miatt fellépő bemeneti áramcsúcs ne alakuljon ki.

A feszültség hibajel erősítő a kimeneti jellel arányos, leosztott feszültséget hasonlítja össze a referencia feszültséggel és egy „áramreferencia” jelet állít elő az árammódusú vezérlés számára. A szélessávú áramkomparátor összehasonlítja a kapcsolócella pillanatnyi értékét ezzel a jellel és azonosság esetén a vezérelt kapcsoló „be>ki” állapotváltását végrehajtja.

A meghajtó fokozat dinamikusan kis impedanciás meghajtást biztosít az állapot váltások alatt, mivel az állapotok fenntartása gyakorlatilag nem igényel különösebb energiát

A kimeneti szűrő a kapcsoló üzemű működésből fakadó, a kimenő jelre szuperponálódott hullámosság csökkentését végzi el.

A bemeneti teljesítménykorlátozás az árammódusú vezérlés miatt automatikusan valósul meg, mivel a hibajel erősítő maximális értéke meghatározza a maximálisan kapcsolható áram értékét és a bemenő feszültség specifikált, véges értékek között változhat.

A kimeneti túláramvédelem, az árammódusú vezérlés miatt, egy kimenetű esetben már részlegesen megvalósulna, de esetünkben a követelményekben rögzített értéken áramgenerátoros üzemet kell megvalósítani, amit a kívánt pontosság elérésének érdekében csak áramreferencia és áram hibajel erősítő alkalmazásával értünk el.

A kimeneti feszültség telemetria egység a fedélzeti szolgálati rendszer számára állít elő analóg, a kimenő feszültséggel arányos jelet.

Dr. Rieger István, Dr. Szabó József
BME-HVT Űrkutató Csoport