CN105067293A - 一种离子推力器寿命地面试验设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子推力器寿命地面试验设备。使用本发明能够满足离子推力器寿命试验对试验设备抽气能力强、返回溅射沉积物小、可靠性高、设备集成度高等特殊要求。本发明的离子推力器寿命地面试验设备包括：主舱真空容器、插板阀、副舱真空容器、真空抽气系统、离子束靶、防溅射屏、推力器移动机构、石英晶体微量天平QCM、推力器发散角测量系统、栅极腐蚀在线监测系统、地面试验电源系统、设备控制系统、氙气供气系统、复压系统、冷却水系统、气动元件供气系统、液氮储供系统和摄像照明系统，使用本发明设备进行试验能够取得离子推力器寿命的真实结果，为评价推力器的寿命和可靠性评价提供真实、可靠的试验数据。

Description

一种离子推力器寿命地面试验设备

技术领域

本发明涉及离子推力器技术领域，具体涉及一种离子推力器寿命地面试验设备。

背景技术

离子推力器是目前最为先进的空间推进系统之一，国外航天技术发达国家已广泛应用于航天器飞行任务。其特点是推力小、比冲高、寿命长，2012年10月，我国实践九号卫星发射升空，对多种电推进技术方案的正确性、在轨工作性能、与航天器的相容性以及长期在轨工作能力进行了成功验证，意味着我国全电推进系统已经初步具备在轨应用能力。但其要其在航天器上成熟应用，一般还需要在地面验证其寿命试验，考核其可靠性。美国“深空一号”(DS-1)探测卫星采用的30cm氙推力器在飞行应用之前进行了高达30000余小时的地面寿命验证试验，同样我国也需建造离子推力器寿命验证试验设备，做寿命的地面寿命考核工作。目前国内外的该类试验设备，大流量气体负载单纯靠传统常规真空泵抽气，抽气效率较低，试验设备与离子推力器试验控制系统相对独立，集成度低，试验操作复杂，离子推力器的性能及状态，例如发散角、栅极表面状况(尤其是2台及以上离子推力器试验时)等测试手段简单，设备溅射沉积物大等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种离子推力器寿命地面试验设备，能够满足离子推力器寿命试验对试验设备抽气能力强、返回溅射沉积物小、可靠性高、设备集成度高等特殊要求。

本发明的离子推力器寿命地面试验设备包括：主舱真空容器、插板阀、副舱真空容器、真空抽气系统、离子束靶、防溅射屏、推力器移动机构、石英晶体微量天平QCM、推力器发散角测量系统、栅极腐蚀在线监测系统、地面试验电源系统、设备控制系统、氙气供气系统、复压系统、冷却水系统、气动元件供气系统、液氮储供系统和摄像照明系统；

其中，主舱真空容器一端设有主舱舱门，另一端通过插板阀与副舱真空容器相连，副舱真空容器一端设有副舱舱门，另一端通过插板阀与主舱真空容器相连；主舱真空容器为离子推力器地面寿命试验的工作舱，副舱为离子推力器的放置舱；

真空抽气系统由用于抽空气的普通大口径低温泵和用于抽氙气的氙气大口径低温泵组成，每台低温泵与主舱真空容器之间设有插板阀，用于将地面试验设备抽至要求的真空度；

离子束靶安装在主舱真空容器的主舱舱门内表面上，离子束靶外表面设有高纯石墨靶板；

防溅射屏安装在主舱真空容器直线段的内圆周面上，防溅射屏材料为纯钛Ta1；

栅极腐蚀在线监测系统包括机械臂以及安装机械臂上的照相机，通过照相获得试验过程中离子推力器栅极的腐蚀状况；所述栅极腐蚀在线监测系统安装在主舱真空容器内的检测室中；

推力器发散角测量系统安装在主舱真空容器前段距离离子推力器前方，可上下翻转和水平平移，参与离子推力器束流发散角检测时，推力器发散角测量系统水平平移至离子推力器端面前方，并将推力器发散角测量系统的检测端面翻转为竖直态，使得推力器发散角测量系统的测试面中心与离子推力器中心对齐、且测试面与离子推力器的喷出口端面平行；不参与检测时，将推力器发散角测量系统的测试面翻转为水平态，测试面向下；

QCM安装在推力器移动机构上，位于推力器的前端面前上方，用于监测溅射沉积物污染状况；

主舱真空容器和副舱真空容器上各自设有复压系统，用于试验停止时，向主舱真空容器和副舱真空容器真空室充入洁净气体；

冷却水系统用于向真空抽气系统提供冷却水；

气动元件供气系统向真空抽气系统的气动元件提供压缩气；

液氮储供系统储存并向离子束靶、真空抽气系统中的大孔径低温泵提供冷氮气，用于降低离子束靶和大孔径低温泵的温度；

摄像照明系统安装在主舱真空容器顶部，用于实时监测和记录地面试验过程中主舱真空容器内推力器的实时图像；

推力器移动机构位于副舱真空容器内，用于安装和自动控制移动离子推力器；

地面试验电源系统通过副舱真空容器上的穿舱法兰用导线与离子推力器相连，为推力器提供试验电源；

设备控制系统用于对各设备工作状态进行实时监控和记录，负责推力器电源的控制管理和试验测试数据的分析处理，具有报警系统；

氙气供气系统通过副舱真空容器上的穿舱管接头与离子推力器相连，为推力器提供气源。

进一步地，主舱真空容器和副舱真空容器均由0Cr18Ni9材料制成。

进一步地，主舱真空容器要求极限真空度小于1.0×10^-5Pa，本底真空度小于1.3×10^-4Pa，工作真空度小于5.0×10^-4Pa；副舱真空度要求小于1.0×10^-2Pa。

有益效果：

(1)通过普通大口径低温泵和氙气专抽大口径低温泵的组合及备份考虑，提高了设备的抽气效率，大大提高了试验的设备的可靠性。通过配置在线监测设备(发散角测量装置、栅极腐蚀在线监测系统及QCM)，实时监测离子推力器状态，为离子推力器的设计仿真及研究提供强力支持。设备控制系统集成设备控制管理和试验控制管理功能，方便操作。采用了高纯石墨球面离子束靶、真空主舱真空容器内表面防溅射屏以及主舱真空容器内机构防溅射包覆，有效减少推力器束流溅射返回沉积物对推力器的影响。

(2)使用本试验设备及试验方法能够取得离子推力器寿命的真实结果，为评价推力器的寿命和可靠性评价提供真实、可靠的试验数据。通过试验过程中的大量测试，可以获得离子推力器整个寿命期间推力器的主要性能参数，进而取得推力器性能参数随累计工作时间的变化规律，为离子推力器长寿命工作和应用提供依据，能够为今后更加有效的离子推力器加速试验获得基础数据。该试验方法有效、可靠，极大地降低了寿命试验的经济成本和时间成本。

附图说明

图1为本发明离子推力器地面试验组成原理图。

图2为本发明离子推力器地面试验离子推力器试验状态图。

图3为本发明离子推力器地面试验的3D示意图。

图4为本发明试验方法流程图。

图5为长时间寿命试验流程图。

图6为本发明大口径抽除氙气低温泵的结构示意图。

图7为本发明的障板和吸附阵遮挡关系图。

图8为吸附阵结构示意图。

图9为障板结构示意图。

其中，1-低温制冷机，2-吸附阵，3-热沉，4-防辐射屏，5-泵壳，6-障板，7-障板测温元件，8-吸附阵测温元件，9-一级冷屏，10-翅片。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种离子推力器寿命地面试验设备，可用于1台或2台离子推力器的寿命地面试验。如图1所示，地面试验设备包括主舱真空容器、插板阀、副舱真空容器、真空抽气系统、离子束靶、防溅射屏、推力器移动机构、石英晶体微量天平(QCM)、推力器发散角测量系统、栅极腐蚀在线监测系统、地面试验电源系统、设备控制系统、氙气供气系统、复压系统、冷却水系统、气动元件供气系统、液氮储供系统、舱外平台和摄像照明系统。

离子推力器寿命试验须在工作真空度小于5.0×10^-4Pa的真空容器进行，由于离子推力器寿命试验周期长达数万小时，如果试验期间主舱真空容器发生故障，特别是真空抽气系统故障或主舱真空容器发生泄漏，将会对离子推力器寿命产生严重影响，故设置真空副舱容器，并在真空主舱容器和真空副舱真空容器之间设置插板阀，如果试验期间主舱真空容器发生故障，离子推力器将通过移动机构移回副舱真空容器，关闭插板阀，对离子推力器做停机流程处理。

考虑到本地面试验设备可进行2台离子推力器的寿命地面试验，根据离子推力器发散角特性和溅射的综合分析，确定用于进行离子推力器寿命试验的主舱真空容器尺寸为中心高为2250mm，由0Cr18Ni9材料制成，主舱真空容器一端设有主舱舱门，另一端通过插板阀与副舱真空容器相连，其中，主舱真空容器与插板阀、主舱真空容器与主舱舱门的连接处装有橡胶密封圈。副舱真空容器尺寸为 中心高为2250mm，由0Cr18Ni9材料制成，副舱真空容器一端设有副舱舱门，另一端通过插板阀与主舱真空容器相连，副舱真空容器与插板阀、副舱真空容器与副舱舱门的连接处装有橡胶密封圈。插板阀有效通径为 通过螺栓安装在主舱真空容器和副舱真空容器之间，用来切断或连通主舱真空容器和副舱真空容器。

真空抽气系统为地面试验提供真空环境，由6台大口径低温泵(包括2台普通大口径低温泵和4台氙气大口径低温泵)组成，并在每台低温泵前面装有插板阀，离子推力器在寿命试验时，其大流量氙气负载由1台普通大口径低温泵和3台氙气大口径低温泵来完成，剩余2台待机备份，如果工作的大口径低温泵出现故障，可切换至备份机工作。其中，主舱真空容器要求极限真空度小于1.0×10^-5Pa，本底真空度小于1.3×10^-4Pa，工作真空度小于5.0×10^-4Pa；副舱真空度要求小于1.0×10^-2Pa。

其中，大口径抽除氙气低温泵包括低温制冷机1、吸附阵2、热沉3、防辐射屏4、泵壳5、障板6、障板测温元件7、吸附阵测温元件8和一级冷屏9。其中，所述泵壳5内径Ф1250mm，直段长850mm；低温制冷机1用来给吸附阵和一级冷屏提供冷量，一般选用二级低温制冷机，低温制冷机1通过法兰安装在泵壳5上，并和泵壳5采用橡胶密封圈密封，吸附阵6安装在制冷机的二级冷头上，吸附阵2是由1.5mm厚无氧铜铆接而成，在吸附阵与二级冷头的连接处垫有铟垫片。本发明吸附阵主要用于吸附氙气，氙气在50K时饱和蒸汽压已达5×10-7Pa，所以，只要保持吸附阵温度低于50K即可，普通的低温泵要求吸附阵在10K以内，针对此特点，特别设计低温泵的吸附阵和热防护系统。吸附阵骨架采用长方形壳体结构，长方形壳体的沿泵轴线的上下表面开放，长方形壳体的4个周向侧面增加4组翅片，这样可增大低温冷凝面积，可以大大提高低温泵对氙气的抽速。吸附阵2上安装有测温元件8，以便监测低温泵运行时吸附阵的温度指标。测温元件的测量范围为10K～400K，精度为±1K。一级冷屏9由2mm厚无氧铜加工而成，由螺钉固定在低温制冷机1的一级冷头上，表面发黑处理，用于减少泵壳对热沉的热辐射。热沉3安装在低温泵壳体5上，由304不锈钢管和铜翘片构成，经计算分析，相对于普通低温泵，该泵对热沉的温度要求相对较低，温度低于120K即可，所以，热沉管路内可以通液氮、冷氮气，也可以通机械制冷工质(三级复叠机械制冷机组提供)，可降低使用成本。障板6位于低温泵的泵口位置，在试验过程中，试验束流会对低温泵障板产生溅射作用，造成障板的腐蚀，从而降低低温泵的使用寿命，因此，本发明障板6宽厚1.5mm，采用板状结构，且其垂直的方向对吸附阵实现一次光学屏蔽，在障板表面喷涂石墨涂层，石墨涂层厚0.5mm，以减小试验束流对障板的溅射。具体结构见图4。障板通过螺钉固定在热沉上，障板6上安装有测温元件7，以便监测低温泵运行时障板6的温度指标。测温元件的测量范围为40K～400K，精度为±1K。该低温泵防溅射，且对氙气的抽速可达普通低温泵的1.5倍，可大大节约设备氙气抽除泵购置成本，经济效益显著。

离子束靶安装在主舱真空容器的主舱舱门内表面上，离子束靶外表面粘贴有高纯石墨(含碳量＞99.99％)靶板，用于减少离子溅射和束流反射，吸收离子推力器发射的离子束能量。

防溅射屏安装在主舱真空容器直线段的内圆周面上，其尺寸为 防溅射屏内材料为纯钛(Ta1)，用于减少主舱真空容器内离子溅射对离子推力器的影响。

栅极腐蚀在线监测系统包括机械臂以及安装机械臂上的照相机，用来监测试验过程中离子推力器栅极的腐蚀状况。栅极腐蚀在线监测系统安装在主舱真空容器内的检测室中，栅极腐蚀在线监测系统工作时，打开检测室，照相机由机械臂移动至离子推力器栅极前方，监测栅极的腐蚀状况；非工作时，照相机及机械臂位于密闭的检测室内，避免受到等离子体的损坏。

推力器发散角测量系统安装在主舱真空容器前端距离离子推力器前端面500mm处，可上下翻转和水平平移，可满足2台离子推力器束流发散角检测需求。当需要测量推力器发散角时，将推力器发散角测量系统平移至离子推力器喷出口端面前方，并将推力器发散角测量系统的检测端面翻转为竖直态，使得推力器发散角测量系统的测试面中心与离子推力器的中心对齐、且测试面与离子推力器的喷出口端面平行，测量推力器发散角，测量完毕后，翻转推力器发散角测量系统为水平态，测试面向下，防止推力器发散角测量系统被等离子体损坏。

QCM安装推力器移动机构，位于推力器的前端面前上方，用于监测溅射沉积物污染状况。

主舱真空容器和副舱真空容器上各自设有复压系统，用于试验停止时，向主舱真空容器和副舱真空容器真空室充入洁净气体。

冷却水系统用于向真空抽气系统提供冷却水。

气动元件供气系统向真空抽气系统的气动元件提供压缩气。

液氮储供系统储存并向离子束靶、真空抽气系统中的大孔径低温泵提供冷氮气，用于降低离子束靶和大孔径低温泵的温度。

摄像照明系统安装在主舱真空容器顶部，用于实时监测和记录地面试验过程中主舱真空容器内推力器的实时图像。

推力器移动机构位于副舱真空容器内，用于安装和自动控制移动离子推力器，额定负荷100kg，移动速度5mm/min。

地面试验电源系统通过副舱真空容器上的穿舱法兰用导线与离子推力器相连，为推力器提供试验电源。

设备控制系统能够智能化自主运行，对各设备工作状态进行实时监控和记录，具有报警系统，负责推力器电源的控制管理和试验测试数据的分析处理。

氙气供气系统通过副舱真空容器上的穿舱管接头与离子推力器相连，为推力器提供气源。

舱外平台便于试验的操作和观察。

离子推力器寿命地面试验方法为：

步骤1，试验准备：

将离子推力器安装在推力器移动机构上；关闭主舱真空容器的主舱舱门和副舱真空容器的副舱舱门；打开插板阀，利用推力器移动机构将离子推力器送至主舱真空容器内；启动真空抽气机组，将主舱抽真空至要求真空度；开启摄像照明系统、栅极腐蚀在线监测系统、QCM等；

步骤2，离子推力器预处理：

当主舱真空容器的本地真空度小于1.3×10^-4Pa时，对离子推力器进行预处理，然后开始离子推力器点火；

步骤3，进行离子推力器性能测试：

性能测试包括：

(1)在离子推力器额定工况下进行羽流发散角测量：额定工况下，将推力器发散角测量系统水平平移至离子推力器前方，并将推力器发散角测量系统的测试面翻转为竖直态，使得推力器发散角测量系统的测试面中心与离子推力器中心对齐、且测试面与离子推力器的端面平行，测量推力器发散角，测量完毕后，向下翻转推力器发散角测量系统测试面至测试面向下，防止推力器发散角测量系统被等离子体损坏；

(2)进行离子推力器拉偏性能测试：拉偏工况I测试，额定工况下，将离子推力器阳极流量调为额定值的(1+5％)、主阴极流量调至额定值的(1-5％)、中和器流量为额定值的(1-5％)，供电条件调为额定值的(1+5％)，查看离子推力器性能变化；拉偏工况II测试，额定工况下，将离子推力器阳极流量调为额定值的(1-5％)、主阴极流量调至额定值的(1+5％)、中和器流量为额定值的(1+5％)，供电条件调为额定值的(1-5％)，查看离子推力器性能变化。

(3)主阴极羽状模式安全裕度测试：采用流量微调法进行测试，只开主阴极，将主阴极供气流率由额定工况逐步减小，直到主阴极从点模式转变为羽流模式，触持极电压峰峰变化值超过5V即认为发生羽流模式，主阴极额定工况与羽流临界时的供气流率之差即为主阴极羽状模式安全裕度。

(4)中和器羽状模式安全裕度测试：采用流量微调法进行测试，只开中和器，将中和器供气流率由额定工况逐步减小，直到中和器从点模式转变为羽流模式，触持极电压峰峰变化值超过5V即认为发生羽流模式，中和器额定工况与羽流临界时的供气流率之差即为中和器羽状模式安全裕度。

(5)电子反流极限电压测试：采用加速栅电压微调法进行测试，额定工况下，逐步降低加速栅电压，直至束电流有0.1mA的增量，此时的加速栅电压即为电子反流极限电压。

(6)栅极表面磨损测试：离子推力器停机后，待加速栅冷却后，利用栅极腐蚀在线监测系统对加速栅进行拍照，从而获得加速栅的腐蚀情况。

(7)真空环境绝缘性能测试：离子推力器停机后，使用耐压测试仪对推力器的电缆之间的绝缘度进行测量。

当进行离子推力器长时间寿命地面试验时，在按照步骤1进行试验准备和步骤2进行离子推力器预处理后，

第一步，进行离子推力器500小时累计循环试验，并记录推力器性能与累计工作时间的关系，用以归纳推力器性能变化的基本规律。

步骤1.1，进行离子推力器开关机循环试验：离子推力器工作120min、关机等待30min、再开机推力器工作120min的循环进行。

步骤1.2，按照步骤3的方式进行离子推力器性能测试；

步骤1.3，对离子推力器进行例行检修，如果试验设备及离子推力器未被暴露于大气中，则转入第三步；否则，转入第二步。

第二步，按照步骤2进行离子推力器预处理，然后转入第三步。

第三步，按照第一步进行离子推力器500小时累计循环试验，每工作2000小时进行一次离子推力器寿命与可靠性评价；直至推力器工作失效或者是推力器累积工作时间达到11000h为止。

此外，试验期间，应能随时监测离子推力器工作参数和试验系统工作参数。

在真空抽气系统再生或设备排故障期间，利用推力器移动机构将离子推力器退至副舱真空容器中，关闭插板阀。

试验一直到达到寿命试验工作时间及开关次数或者系统出现提前失效时为止。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种离子推力器寿命地面试验设备，其特征在于，包括：主舱真空容器、插板阀、副舱真空容器、真空抽气系统、离子束靶、防溅射屏、推力器移动机构、石英晶体微量天平QCM、推力器发散角测量系统、栅极腐蚀在线监测系统、地面试验电源系统、设备控制系统、氙气供气系统、复压系统、冷却水系统、气动元件供气系统、液氮储供系统和摄像照明系统；

其中，主舱真空容器一端设有主舱舱门，另一端通过插板阀与副舱真空容器相连，副舱真空容器一端设有副舱舱门，另一端通过插板阀与主舱真空容器相连；主舱真空容器为离子推力器地面寿命试验的工作舱，副舱为离子推力器的放置舱；

真空抽气系统由用于抽空气的普通大口径低温泵和用于抽氙气的氙气大口径低温泵组成，每台低温泵与主舱真空容器之间设有插板阀，用于将地面试验设备抽至要求的真空度；

离子束靶安装在主舱真空容器的主舱舱门内表面上，离子束靶外表面设有高纯石墨靶板；

防溅射屏安装在主舱真空容器直线段的内圆周面上，防溅射屏材料为纯钛Ta1；

栅极腐蚀在线监测系统包括机械臂以及安装机械臂上的照相机，通过照相获得试验过程中离子推力器栅极的腐蚀状况；所述栅极腐蚀在线监测系统安装在主舱真空容器内的检测室中；

推力器发散角测量系统安装在主舱真空容器前段距离离子推力器前方，可上下翻转和水平平移，参与离子推力器束流发散角检测时，推力器发散角测量系统水平平移至离子推力器端面前方，并将推力器发散角测量系统的检测端面翻转为竖直态，使得推力器发散角测量系统的测试面中心与离子推力器中心对齐、且测试面与离子推力器的喷出口端面平行；不参与检测时，将推力器发散角测量系统的测试面翻转为水平态，测试面向下；

QCM安装在推力器移动机构上，位于推力器的前端面前上方，用于监测溅射沉积物污染状况；

主舱真空容器和副舱真空容器上各自设有复压系统，用于试验停止时，向主舱真空容器和副舱真空容器真空室充入洁净气体；

冷却水系统用于向真空抽气系统提供冷却水；

气动元件供气系统向真空抽气系统的气动元件提供压缩气；

液氮储供系统储存并向离子束靶、真空抽气系统中的大孔径低温泵提供冷氮气，用于降低离子束靶和大孔径低温泵的温度；

摄像照明系统安装在主舱真空容器顶部，用于实时监测和记录地面试验过程中主舱真空容器内推力器的实时图像；

推力器移动机构位于副舱真空容器内，用于安装和自动控制移动离子推力器；

地面试验电源系统通过副舱真空容器上的穿舱法兰用导线与离子推力器相连，为推力器提供试验电源；

设备控制系统用于对各设备工作状态进行实时监控和记录，负责推力器电源的控制管理和试验测试数据的分析处理，具有报警系统；

氙气供气系统通过副舱真空容器上的穿舱管接头与离子推力器相连，为推力器提供气源。

2.如权利要求1所述的离子推力器寿命地面试验设备，其特征在于，主舱真空容器和副舱真空容器均由0Cr18Ni9材料制成。

3.如权利要求1所述的离子推力器寿命地面试验设备，其特征在于，主舱真空容器要求极限真空度小于1.0×10^-5Pa，本底真空度小于1.3×10^-4Pa，工作真空度小于5.0×10^-4Pa；副舱真空度要求小于1.0×10^-2Pa。