一种高功率电推力器中离子能量在线测量系统及方法与流程

测量装置的制造及其应用技术1.本发明属于空间电推力器领域，涉及一种高功率电推力器中离子能量在线测量系统及方法。背景技术：2.高功率电推进在载人航天、深空探测、空间站等任务中具有重要的应用前景，相比于其他类型的空间推进系统，高功率电推力器具有推力密度高、比冲高以及寿命长等优点，是未来深空探测、空间站长期在轨、机动转移等任务重要的发展方向之一。3.在高功率电推进技术中，需要首先将工质气体电离，形成等离子体；然后通过电磁场将能量耦合到等离子体中，加速离子；最后将离子能量全部转化为轴向能量，从喷口喷出，从而获得推力。4.从上述原理可知，等离子体是推力器获得能量和产生推力的重要媒介，而离子能量是推力器等离子体中的重要参数，直接反应了推力器能量耦合效率，然而，高功率电推力器一般需要在一段较长的等离子体输运过程中耦合能量，为细致研究在等离子体输运的不同阶段能量耦合情况，从而改进推力器结构设计，需要对等离子体的离子能量参数进行时刻监控。现有离子能量测量方法一般采用多栅极离子能量分析仪，测量系统尺寸较大，测量时间较长，难以满足研制需求。技术实现要素：5.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种用于高功率电推进器离子能量测量系统，包括位于电推力器放电腔体内部的集成探头，以及位于电推力器放电腔体外部的数据采集系统；集成探头包括三探针探头和金属圆环探头；金属圆环探头为由金属丝绕制的不封闭的环状结构，三探针探头位于金属圆环探头内部，包括三根并排排布的金属丝；数据采集系统获取金属圆环探头内部产生的感应电势，根据所述感应电势得到电流密度，数据采集系统同时获取三探针探头的离子饱和电流、正偏压电位和悬浮电位，根据离子饱和电流、正偏压电位和悬浮电位得到离子密度；数据采集系统根据电流密度和离子密度得到离子能量。本发明还基于上述系统提出一种高功率电推力器中离子能量在线测量方法。本发明实现了离子能量的实时监测，能够推动高功率电推力器能量耦合机理研究，优化推力器设计，促进高功率电推力器的快速发展。6.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：7.一种高功率电推力器中离子能量在线测量系统，包括位于电推力器放电腔体内部的集成探头，以及位于电推力器放电腔体外部的数据采集系统；8.集成探头包括三探针探头和金属圆环探头；金属圆环探头为由金属丝绕制的不封闭的环状结构，三探针探头位于金属圆环探头内部，包括三根并排排布的金属丝；9.数据采集系统获取金属圆环探头内部产生的感应电势，根据所述感应电势得到电流密度，数据采集系统同时获取三探针探头的离子饱和电流、正偏压电位和悬浮电位，根据离子饱和电流、正偏压电位和悬浮电位得到离子密度；数据采集系统根据电流密度和离子密度得到离子能量。10.进一步的，三探针探头的三根并排排布的金属丝中，中间一根金属丝的头部与金属圆环探头的圆心重合；11.金属圆环探头所在平面与电推力器放电腔体的轴线垂直。12.进一步的，所述集成探头采用预埋的方式固定于电推力器放电腔体内部；13.集成探头的个数≥3，多个集成探头沿电推力器放电腔体轴向分布，且多个集成探头的分布位置覆盖放电腔体；14.所述三探针探头由直径为0.3～0.8mm的钨丝制成；金属圆环探头由直径为0.1～0.3mm的钨丝制成。15.进一步的，金属圆环探头为由金属丝绕制的不封闭的环状结构，金属丝两端为金属圆环探头引出端，三探针探头的三根并排排布的金属丝尾部为三探针探头引出端；金属圆环探头引出端和三探针探头引出端外部设有陶瓷管，金属圆环探头引出端和三探针探头引出端穿出放电腔体后与数据采集系统连接；金属圆环探头引出端和三探针探头引出端外部的陶瓷管与放电腔体之间采用烧结方式密封。16.进一步的，电推力器放电腔体轴向分布的多个集成探头中，最后一个集成探头与放电腔体喷口的距离为50～80mm；17.具体的说，电推力器放电腔体中多个集成探头沿放电腔体轴向均匀排布，通过这种做法来保证数据采样的平均性与普遍性，最终保证测量数据的精度。由于位于放电腔体喷口处的等离子体密度较低，一般不具有统计意义，因此最后一个集成探头中的陶瓷管与放电腔体的密封位置与放电腔体喷口应该有一定的距离，以此来过滤掉不必要的数据，提高测量精度。根据放电腔体的尺寸与过往经验，这个距离一般在50～80mm之间。18.进一步的，还包括滤波电路和三探针控制系统；19.所述滤波电路为由电感与可调电容并联形成的lc共振电路，金属圆环探头内部产生的感应电势经滤波电路后传送至数据采集系统；所述滤波电路的电感和可调电容的值满足如下关系式：20.ω2＝lc；21.其中，ω为电推力器射频电源的加载频率，l为电感值，c为可调电容的电容值；22.三探针控制系统用于为三探针探头供电。23.进一步的，数据采集系统包括采集卡、与采集卡匹配的转接板和pc机；24.金属圆环探头内部产生的感应电势，以及三探针探头的离子饱和电流、正偏压电位和悬浮电位的电信号经转接板传入采集卡，采集卡将所述电信号转换为数字信号并将数字信号传入pc机，pc机根据数字信号进行运算，得到电流密度和离子密度，并根据电流密度和离子密度得到离子能量。25.进一步的，数据采集系统根据离子饱和电流is+、正偏压电位v+和悬浮电位vf，利用如下公式得到离子密度：26.te＝(v+-vf)/ln2[0027][0028]其中，α为与三探针探头及等离子体有关的常数；te为电子温度的时序信号；ne为电子的密度时序信号，即离子密度；[0029]所述离子能量根据离子速度v得到；[0030]离子速度v由电流密度j和离子密度ne，通过如下公式得到：[0031]j＝neev[0032]其中，e为电子电荷量。[0033]进一步的，所述数据采集系统根据实时得到的离子能量获取离子能量实时演变参数，根据离子能量实时演变参数得到电推力器的能量耦合效率。[0034]一种高功率电推力器中离子能量在线测量方法，采用上述高功率电推力器中离子能量在线测量系统实现，包括如下步骤：[0035]数据采集系统获取金属圆环探头内部产生的感应电势，根据所述感应电势得到电流密度，数据采集系统同时获取三探针探头的离子饱和电流、正偏压电位和悬浮电位，根据离子饱和电流、正偏压电位和悬浮电位得到离子密度；数据采集系统根据电流密度和离子密度得到离子能量。[0036]本发明与现有技术相比具有如下有益效果：[0037](1)三探针一般用于电推进系统羽流区域测量等离子体密度，能够实现等离子体密度的高速测量，本发明采用三探针探头和金属圆环探头集成探头，同时实现相同位置电流密度和离子密度的实时测量，有效分析测量位置的离子能量，计算测量点的离子能量实时演变规律，为高功率推力器的优化设计提供依据；[0038](2)本发明采用预埋式测量探头，大幅度的降低了测量仪器对等离子体的干扰，避免了射频电磁场对测量仪器的干扰，实现了放电腔体内部等离子体参数的实时监测，大大减小了测量系统体积，缩短了测量时间，本发明对研究推力器腔体内部能量耦合机理具有重要作用；[0039](3)本发明集成探头结构简单，可靠性高，能够适用于多种类型的电推力器放电腔体。附图说明[0040]图1为本发明一种优选的高功率电推力器中离子能量在线测量系统示意图；[0041]图2为本发明一种优选的集成探头结构示意图；[0042]图中，1-三探针探头，2-金属圆环探头，3-陶瓷管，4-烧结密封。具体实施方式[0043]下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。[0044]在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。[0045]高功率电推力器通过电磁场，将电能在等离子体输运过程中，逐渐耦合到等离子体中，转换为离子能量。原有离子能量测量方法均存在测量设备体积较大、测量时间长等问题，大多数情况下，射频推力器放电腔体内等离子体参数测量较为困难，无法实现实时监测，也无法将测量仪器至于推力器放电腔体内，监测等离子体输运过程的不同阶段能量耦合情况，这对研究高功率电推力器中能量耦合机理造成了极大的困难。[0046]本发明以功率50kw的高功率电推力器能量高效耦合为目标，提出一种高功率电推力器中离子能量实时测量方案，在高功率电推力器中预埋多个集成探头，将三探针系统和电流密度测量系统集成，高效实时测量不同位置的离子密度ne和电流密度j，根据公式j＝neev(其中ne代表离子密度，e代表电子电荷量)，计算出离子速度v，从而得到离子能量，并通过积分运算将测量数据进行处理，获得离子能量实时演变参数，从而分析高功率电推进系统的能量耦合效率，分析推力器对离子的加速效果以及加速机理。[0047]实施例1：[0048]如图1，本实施例一种用于高功率电推进器离子能量测量系统，包括集成探头、三探针控制系统、滤波电路、传输线缆和信号差分放大数据采集系统。[0049]集成探头包括三探针探头和金属圆环探头，可以同时提取离子密度和电流密度，从而获得离子能量，大大简化了离子能量数据采集的结构和缩短了测量时间，使得集成探头置于推力器放电腔体内部进行实时测量；如图2所示，图中1表示三探针探头，2表示金属圆环探头，3表示陶瓷管，4表示烧结密封，具体的说，三探针探头由三根直径0.5mm钨丝组成，钨丝尖端5mm位置裸漏，用于收集等离子体参数，三根钨丝间距1mm，并排排布，钨丝其他位置，即钨丝尾部用长为5mm的陶瓷管保护，陶瓷管与放电腔体烧结密封，并引出放电腔体外，留出与电源控制系统相连的接线头，电源控制系统与现有三探针控制系统相同；金属圆环探头由直径0.2mm的钨丝绕制，圆环直径为10mm，置于三探针外部，确保三探针与圆环测量位置相同，圆环两接口处，即钨丝两引出端用陶瓷管保护，同样引出放电腔体外，陶瓷管与放电腔体交接处与放电腔室烧结密封。放电腔体外，三探针探头引出端直接与数据采集系统连接，金属圆环探头与滤波电路相连，之后通过传输线输入到信号差分数据采集系统中。[0050]4～5个集成探头预埋在放电腔体内部，集成探头间距根据放电腔体长度进行调整，使其能够覆盖整个放电腔体(不同类型电推力器放电腔体长度各异)，监测等离子体的输运过程。最后一个集成探头的密封位置距离喷口60mm，每两根集成探头的密封位置的间距为80mm。[0051]数据采集系统是由一台装有一块采集卡的pc机与和采集卡匹配的转接板组成，负责采集集成探头的原始信号，包括金属圆环探头内部产生的感应电势和三探针探头的离子饱和电流、正偏压电位和悬浮电位。三探针探头中，三个探针中有两个构成一双探针，用来测量离子饱和电流is+和正偏压电位v+，最后一个探针用来测量悬浮电位vf。在集成探头采集到相应的信号后，经过转接板将信号传入到采集卡中，采集卡将采集到的电信号转化为数字信号传入到pc机中，最后pc机通过部分算法计算出离子密度和电流密度。离子密度的算法核心原理如下：[0052]te＝(v+-vf)/ln2[0053][0054]其中，α是与探针及放电物质有关的常数，因此，由原始信号很容易得到电子温度的时序信号te，再通过电子温度的时序信号便可以计算得出电子的密度时序信号ne，即离子密度。[0055]滤波电路为lc共振电路，将电感与可调电容并联，并针对电推力器射频电源的工作频率调节电容的容值，使其满足关系ω2＝lc。其中ω为电推力器射频电源加载频率，l为电路电感，c为电路电容。[0056]滤波电路一端与引出放电腔体外的金属圆环探头接头焊接，另一端与传输线焊接，传输线为射频传输线，特征阻抗为50ω，传输线与滤波电路连接后，另一端馈入信号差分放大数据采集系统中[0057]综上，本发明在线测量系统包括两套系统，一套用于为现有的三探针测量系统，用于测量此处离子密度；另外一套由金属圆环探头、滤波电路和数据采集系统组成，当金属圆环中的电流发生变化时，在圆环内会产生感应电势，通过对感应电势的测量、处理，判断圆环内的电流演变(即电流密度)，结合圆环内的电流演变和离子密度测量结果，得到圆环内的离子能量。[0058]本发明提供一种新型电推力器中的离子能量测量方法，将离子能量测量位置从推力器羽流区域拓展到推力器放电腔室内部，并能够进行实时监测，能够推动高功率电推力器能量耦合机理研究，优化推力器设计，推动高功率电推力器的快速发展。[0059]以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。[0060]本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。









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