一种电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法技术

本发明专利技术提供了一种电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法。本方法使用电推力器滚转力矩测量转台，通过马赫探针法测量羽流场中不同位置的电子温度、电子密度、离子密度等参数，并通过负偏压测试方法得到不同轴向距离下径向各点的离子电流密度，获得离子速度分布；使用电推力器滚转力矩计算软件对等离子体参数进行计算，从而得到电推力器稳态点火过程的推力和力矩性能，最终实现对电推力器的滚转力矩的间接测量。本发明专利技术实现了在μN

【技术实现步骤摘要】
一种电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法


[0001]本专利技术涉及电推进
，且具体地涉及一种电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法。

技术介绍

[0002]空间电推进技术作为一种先进的推进技术，具有比冲高、推力小、成本低等特点，可以实现航天器的姿态控制、轨道转移、南北位置保持、重定位等需求，近年来在航天器上得到了广泛的应用。
[0003]电推力器在工作中会产生一个围绕推力器轴线的滚转力矩，该力矩大小通常在几μN
·
m至数十μN
·
m之间。推力器产生的滚转力矩主要来源于电推力器栅极的装配误差和束流中的切向洛伦兹力，因此在设计中无法避免。该滚转力矩在航天器上带来动量积累，需要消耗航天器载荷成本来消除动量积累，因此测量电推力器产生的滚转力矩对于电推力器在航天器上的应用具有重要意义。
[0004]现有的滚转力矩测量方法有微量滚转力矩应变天平法、气浮轴承或液浮轴承自由滚转法、气浮天平法等，但这些技术主要集中在导弹、再入飞行器的滚转力矩测量，所测量的范围较大，一般在N
·
m量级，无法满足电推力器几μN
·
m至数十μN
·
m的测量需求。因此，亟需针对电推力器设计一种可以测量μN
·
m量级滚转力矩的测量方法，以满足电推力器滚转力矩的测量需求。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法。本方法使用电推力器滚转力矩测量转台，通过马赫探针法测量羽流场中不同位置的电子温度、电子密度、离子密度等参数，并通过负偏压测试方法得到不同轴向距离下径向各点的离子电流密度，获得离子速度分布；使用电推力器滚转力矩计算软件对等离子体参数进行计算，从而得到电推力器稳态点火过程的推力和力矩性能，最终实现对电推力器的滚转力矩的间接测量。
[0006]为实现上述目的，本专利技术包括如下步骤：
[0007]S1：将电推力器滚转力矩测量转台和电推力器安装在真空舱内，运行真空舱进行抽真空；
[0008]S2：实验开始时，确定真空度满足要求后，进行电推力器点火，待其进入稳定工况；
[0009]S3：操作位移机构，将法拉第探针移至选取的测点处，记录测点序号；
[0010]S4：操作探针原位扫描装置，让法拉第探针对所选测点进行旋转扫描，找到收集电流最大的位置，记录此时探针原位扫描装置的位移量，得到位移的角度θ和对应的束流密度i；
[0011]S5：操作位移机构，让阻滞能量分析仪对准S3步选取的测点，此时探针原位扫描装置保持不变，以保证阻滞能量分析仪和法拉第探针对准于同一个方向；
[0012]S6：给阻滞能量分析仪施加扫描电压，得到离子电流的曲线，记录此测点电流曲线对应的文件序号；
[0013]S7：操作探针原位扫描装置，使法拉第探针回到水平位置；
[0014]S8：操作位移机构，选取下一个测点，重复步骤S3
‑
S7；
[0015]S9：结束测量，输出各个测点的电流曲线，进行微分处理，得到并记录各个测点的速度v，用位移角度和测点速度求出角速度v
az
；
[0016]S10：利用粒子速度与粒子速度方向计算出各个测点得到的扭矩密度，进行积分得到总扭矩。
[0017]在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法中，所述电推力器滚转力矩测量转台包括羽流离子参数数据获取装置、位移滑台、电源控制组件、标定系统和计算软件。
[0018]在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法中，所述羽流离子参数数据获取装置包括法拉第探针测试系统、阻滞能量分析仪测试系统，法拉第探针测试系统用于测量束流密度，阻滞能量分析仪用于测量离子速度。
[0019]在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法中，所述法拉第探针测试系统包括法拉第探针本体、探针安装架、偏置电源、诊断电路以及采集存储系统。
[0020]在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法中，所述位移机构使用的是直线位移滑台，用于调整探针测点的径向和轴向位置。
[0021]在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法中，所述步骤S3选取的测点，在垂直轴向的束流截面处，位于电推力器羽流的直径上，测点选取规律为：中央区域密度大，间隔约为5mm
‑
10mm；两侧区域密度小，间隔约为10mm
‑
20mm。
[0022]在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法中，所述探针原位扫描装置由两台位移旋转台组装而成，可以完成探针朝向的360
°
球面扫描。
[0023]在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法中，所述位移旋转台的组装方法为，使探针的测点在两个位移旋转台的交汇处。
[0024]在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法中，所述电流曲线的微分处理原理如下：
[0025]阻滞能量分析仪收集电流可用离子速度的分布表达式表达：
[0026][0027]其中，A
c
为收集极有效收集面积，q
i
为离子所带的电量，n
i
为离子数密度，V为阻滞能量分析仪中的离子阻滞栅极电势；v
i
为离子速度，f(u
i
)为离子速度分布函数。
[0028]根据能量守恒方程，离子的动能与阻滞能量分析仪内阻滞电场做功能量守恒，因此有
[0029][0030]其中，mi为离子质量。对式(2)两边求微分，得
[0031][0032]将式(2)、式(3)代入公式(1)，处理后可得收集电流表达式：
[0033][0034]对式(4)方程两边对离子阻滞栅极电势V进行微分，得到：
[0035][0036]式中f(V)为离子能量分布。由式(5)可知，求得离子电流对扫描电压的微分后，可以得到离子能量的分布函数。根据f(V)可以求出该分布函数的最大值，即离子最概然能量，和对应的扫描电压值。在计算中使用离子最概然能量代表该测点下的平均离子能量，由此可以得到对应的离子的动能和速度。离子速度可以通过如下方法计算：最概然离子能量对应扫描电压V
i
，代入式(2)即可得到当前测点下的离子速度v。
[0037]在一种可能的实现方式中，在本专利技术提供的上述电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法中，所述角速度v
az
的计算方法如下：
[0038]步骤S4所测得的收集电流最大的方向与水平面所夹角度为θ，步骤S6测得角度θ下的离子电流曲线，并通过如权利要求本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1：将电推力器滚转力矩测量转台和电推力器安装在真空舱内，运行真空舱进行抽真空；S2：实验开始时，确定真空度满足要求后，进行电推力器点火，待其进入稳定工况；S3：操作位移机构，将法拉第探针移至选取的测点处，记录测点序号；S4：操作探针原位扫描装置，让法拉第探针对所选测点进行旋转扫描，找到收集电流最大的位置，记录此时探针原位扫描装置的位移量，得到位移的角度θ和对应的束流密度i；S5：操作位移机构，让阻滞能量分析仪对准S3步选取的测点，此时探针原位扫描装置保持不变，以保证阻滞能量分析仪和法拉第探针对准于同一个方向；S6：给阻滞能量分析仪施加扫描电压，得到离子电流的曲线，记录此测点电流曲线对应的文件序号；S7：操作探针原位扫描装置，使法拉第探针回到水平位置；S8：操作位移机构，选取下一个测点，重复步骤S3
‑
S7；S9：结束测量，输出各个测点的电流曲线，进行微分处理，得到并记录各个测点的速度v，用位移角度和测点速度求出角速度v
az
；S10：利用粒子速度与粒子速度方向计算出各个测点得到的扭矩密度，进行积分得到总扭矩。2.如权利要求1所述的电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法，其特征在于，所述电推力器滚转力矩测量转台包括羽流离子参数数据获取装置、位移滑台、电源控制组件、标定系统和计算软件。3.如权利要求2所述的羽流离子参数数据获取装置，其特征在于，包括法拉第探针测试系统、阻滞能量分析仪测试系统，法拉第探针测试系统用于测量束流密度，阻滞能量分析仪用于测量离子速度。4.如权利要求3所述的法拉第探针测试系统，其特征在于，包括法拉第探针本体、探针安装架、偏置电源、诊断电路以及采集存储系统。5.如权利要求1所述的电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法，其特征在于，所述位移机构使用的是直线位移滑台，用于调整探针测点的径向和轴向位置。6.如权利要求1所述的电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法，其特征在于，所述步骤S3选取的测点，在垂直轴向的束流截面处，位于电推力器羽流的直径上，测点选取规律为：中央区域密度大，间隔约为5mm
‑
10mm；两侧区域密度小，间隔约为10mm
‑
20mm。7.如权利要求1所述的电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法，其特征在于，所述探针原位扫描装置由两台位移旋转台组装而成，可以完成探针朝向的360
°
球面扫描。8.如权利要求7所述的探针原位扫描装置，其特征在于，所述位移旋转台的组装方法为，使探针的测点在两个位移旋转台的交汇处。9.如权利要求1所述的电推力器滚转力矩的等离子体探针测量方法，其特征在于，所述电流曲线的微分处理原理如下：阻滞能量分析仪收集电流可用离子速度的分布表达式表达：
其中，A
c
为收集极有效收集面积，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王一白，陈方鋆，张仲恺，张广川，任军学，汤海滨，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：