CN106678007A - 一种智能型阴极移动装置 - Google Patents

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张岩
余水淋
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0006—Details applicable to different types of plasma thrusters

Abstract

本发明公开了一种智能型阴极移动装置，三维转动机构的安装面上安装有空心阴极，用于调节空心阴极相对于霍尔推力器的轴向、径向位置和倾角；移动机构与三维转动机构通过固定连接杆连接，可在其安装平台的二维平面上连续移动；位置探测仪安装在固定连接杆上，可沿固定连接杆上下移动和转动，智能控制器用于自主识别、采集、处理和控制移动装置对空心阴极位置的调节，并且自主完成霍尔推力器性能参数的采集、处理和判定。本发明不仅可实现空心阴极位置的自主识别与精细调节，而且可自主完成多阴极位置系列的霍尔推力器性能参数的测量、采集与处理，实现空心阴极与霍尔推力器耦合试验的智能化、自主化，大大提升试验效率。

Description

一种智能型阴极移动装置
技术领域
本发明属于航天推进系统领域，涉及一种智能型阴极移动装置。
背景技术
近年来，由于具有比冲高、推力功率比大、持续工作时间长等优点，霍尔推力器已经广泛应用于GEO卫星执行位置保持、轨道转移和深空探测主推进等任务。自上世纪六七十年代，第一台霍尔推力器应用于俄罗斯的Meteor I卫星上以来，国际上已经有近五百台霍尔推力器应用于卫星或探测器上。
霍尔推力器一般由空心阴极和霍尔加速器组成，其基本工作原理：霍尔推力器阳极与空心阴极之间施加正偏置电压，空心阴极点火启动后，可产生高效的电子发射，阴极发射的电子一部分进入放电室，在正交电磁场作用下向阳极漂移，并与放电室中的气体推进剂原子(一般为氙气)碰撞，使得氙原子电离产生氙离子和电子，电子被约束在放电通道内作漂移运动，继续与氙原子碰撞电离。离子在轴向电场的作用下其沿轴向高速喷出，从而产生推力。空心阴极发射的另一部分电子，用于中和喷出的离子流，以保持羽流的宏观电中性。
由以上霍尔推力器的工作原理可知，空心阴极作为霍尔推力器的关键部件，一方面为霍尔推力器的启动放电和稳定工作提供源源不断的电子，同时用来中和喷出的离子流，确保羽流的电中性。因此，空心阴极对霍尔推力器的启动、工作性能等具有重要影响。不仅空心阴极的放电性能对霍尔推力器的工作性能和可靠性产生影响，而且空心阴极相对于霍尔推力器的位置、倾角，会对霍尔推力器的推力、比冲和效率等产生影响。空心阴极相对于霍尔推力器不同的位置和倾角，其发射的电子由于受到电场、磁场等多物理场的不同影响，其到达霍尔推力器放电室的路径、方式等会受到影响，影响霍尔推力器放电等离子体特性，进而影响气体推进剂的电离效率以及离子的加速效率和中和效果，最终影响霍尔推力器的启动特性、推力、效率等性能。对于空心阴极对霍尔推力器性能影响机理的研究，一般均需要采用实验手段，对空心阴极不同性能、不同位置和倾角时霍尔推力器性能进行测试分析。
由于霍尔推力器必须在高真空(优于1×10－2Pa)环境中放电工作，因此，空心阴极对霍尔推力器性能影响实验一般在真空环境地面模拟系统中进行。但是地面真空系统每次开启和关闭均需要较长的时间和大量的水、电等资源，更重要的是，地面真空系统的开启和关闭可能会导致实验条件的改变，从而造成霍尔推力器实验的数据不一致，甚至不具备可比性，因此，一般需要采取措施确保在一次真空系统开启情况下，完成一组或多组空心阴极位置和倾角的调节，得到霍尔推力器性能的实验数据，以便于在相同实验条件下，比较分析空心阴极位置对霍尔推力器性能的影响分析。目前采取的措施为：将空心阴极安装在可沿轴向、径向和角向运动的阴极支架上，通过置于外部的阴极支架控制器，手动控制阴极相对于霍尔推力器移动的一组或多组位置，在每一个位置处，需要通过手动操作，完成霍尔推力器的点火启动、稳定工作和关机，并手动记录阴极移动位置、霍尔推力器性能参数等，通过对记录数据的后期处理和分析，才能最终得到实验结果。
上述措施虽然能够解决在一次真空系统开启情况下，完成一组或多组空心阴极位置和倾角的调节，但是在阴极与霍尔推力器耦合实验中，从阴极位置的调节与判定，到霍尔推力器放电工作、数据记录与处理等，均需要手动完成，不仅延长了实验所需时间，而且占用较多的人力、物力成本。
发明内容
为了解决采用现有阴极移动装置或阴极支架开展空心阴极与霍尔推力器耦合实验的效率较低的问题，本发明提供了一种智能型阴极移动装置，不仅可实现空心阴极位置的自主识别与精细调节，而且可自主完成多组阴极位置系列的霍尔推力器性能参数的测量、采集与处理，实现空心阴极与霍尔推力器耦合试验的智能化、自主化，大大提升试验效率。
本发明的技术方案如下：
一种智能型阴极移动装置，包括安装平台、移动机构、固定连接杆、位置探测仪、三维转动机构和智能控制器，三维转动机构的安装面上安装有空心阴极，用于调节空心阴极相对于霍尔推力器的轴向、径向位置和倾角；所述移动机构与三维转动机构通过固定连接杆连接，可在其安装平台的二维平面(XY平面)上连续移动；所述位置探测仪安装在固定连接杆上，可沿固定连接杆上下移动和转动，可实时有效探测霍尔推力器与阴极的相对位置；所述智能控制器用于自主识别、采集、处理和控制移动装置对空心阴极位置的调节，并且自主完成霍尔推力器性能参数的采集、处理和判定。
优选地，所述安装面的形状为方形或圆形。
优选地，所述移动机构的移动速度在100mm/s-1000m/s范围内可调，移动步长最小为0.5mm。
优选地，所述位置探测仪采用激光探测仪或超声波探测仪。
优选地，所述位置探测仪的转动范围为0°～360°。
优选地，所述三维转动机构沿轴向和径向连续移动，最小移动步长为0.1mm；使空心阴极与轴线夹角在0°～180°范围内变化，角度变化步长最小为1°。
优选地，所述智能控制器具备自主故障监测和判断功能，可根据具体的故障模式进行自我修复和激活工作。
本发明智能控制器可自主完成一组和多组实验中所有阴极位置的自主探测、识别和调节，并自主进行霍尔推力器与空心阴极的点火启动、稳定工作和关机；所述智能控制器可自主采集霍尔推力器和空心阴极的位置、点火电压、点火时间、放电电压、放电电流、推力等所有要求的参数数据，可自主完成数据处理，自主判断和反馈调节阴极位置，最终固定在最优的阴极位置和倾角，最优阴极位置和倾角的判据可在一组或多组实验中提前设定和实时检测修改。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1通过采用位置探测仪，可实时探测和反馈空心阴极的位置，修正和消除运动过程中产生的位置误差；
2可自主调节空心阴极的位置，自主进行霍尔推力器与空心阴极的点火启动、稳定工作和关机，自主完成数据采集与处理；
3在智能控制器界面完成参数设定，可自主完成一组或多组空心阴极与霍尔推力器的耦合实验，并给出试验结果，提升实验效率。
附图说明
图1为本发明的一种智能型阴极移动装置的结构组成示意图，可安装1套空心阴极；
图2为本发明的一种智能型阴极移动装置的结构组成示意图，可同时安装2套空心阴极；
图3为本发明的一种智能型阴极移动装置的结构组成示意图，可同时安装3套空心阴极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，为本发明所述一种智能型阴极移动装置的组成示意图，由安装平台1、移动机构2、固定连接杆3、位置探测仪4、三维转动机构5和智能控制器6组成。在空心阴极与霍尔推力器的耦合实验中，安装平台、移动机构、固定连接杆、位置探测仪、三维转动机构放置在真空舱内，智能控制器放置在真空舱外，两者之间通过真空舱上的转接法兰进行电气连接。
安装平台的形状可为方形或圆形，具体根据真空舱内的安装空间设计，通过焊接或螺接方式固定在真空舱内，安装平台平面须保持水平。
移动机构安装在安装平台上，可在安装平台所在的平面XY平面范围内移动，移动速度可在100mm/s-1000m/s范围内调节，移动步长最小为0.5mm。
位置探测仪采用激光探测仪或超声波探测仪，安装在固定连接杆上，可沿固定连接杆连续移动，并可绕固定连接杆连续转动，转动范围0°～360°。通过在固定连接杆上的移动和转动，位置探测仪可实现多点探测，从而精确探测和反馈空心阴极的位置。
空心阴极安装在三维转动机构的安装面上，三维转动机构可沿轴向和径向连续移动，最小移动步长可达0.1mm；使与轴线夹角在0°～180°范围内变化，角度变化步长最小为1°，从而对空心阴极的位置和倾角进行精确调节。
智能控制器放置在真空舱外，具有人机交互界面、显示模块、数据采集与处理模块、控制模块，在进行空心阴极与霍尔推力器耦合实验时，在人际交互界面完成空心阴极位置、判据参数及霍尔推力器启动和工作参数设定，开始实验之后，智能控制器可自主完成空心阴极位置的自主识别调节，完成霍尔推力器与空心阴极的点火启动、稳定工作和关机。在完成一组或多组空心阴极与霍尔推力器耦合实验之后，智能控制器可自主完成实验数据处理，在人机交互界面以图表形式给出实验分析结果。根据判据参数的设定，智能控制器还可给出使霍尔推力器工作性能最优的阴极位置。
实施例2
如图2所示，为本发明所述一种智能型阴极移动装置的组成示意图，由安装平台1、移动机构2、固定连接杆3、位置探测仪4、三维转动机构5和智能控制器6组成。在空心阴极与霍尔推力器的耦合实验中，安装平台、移动机构、固定连接杆、位置探测仪、三维转动机构放置在真空舱内，智能控制器放置在真空舱外，两者之间通过真空舱上的转接法兰进行电气连接。
安装平台的形状可为方形或圆形，具体根据真空舱内的安装空间设计，通过焊接或螺接方式固定在真空舱内，安装平台平面须保持水平。
移动机构安装在安装平台上，可在安装平台所在的平面XY平面范围内移动，移动速度可在100mm/s-1000m/s范围内调节，移动步长最小为0.5mm。
位置探测仪采用激光探测仪或超声波探测仪，安装在固定连接杆上，可沿固定连接杆连续移动，并可绕固定连接杆连续转动，转动范围0°～360°。通过在固定连接杆上的移动和转动，位置探测仪可实现多点探测，从而精确探测和反馈空心阴极的位置。
固定连接杆通过分叉型设计，可安装两套三维转动机构，并且分别布置在霍尔推力器周向沿轴线对称的位置。这种结构设计充分利用了霍尔推力器轴对称和周向对称的特点，同时可在霍尔推力器周向安装两套空心阴极，两套空心阴极的轴向、径向位置和倾角均可独立调节。在空心阴极与霍尔推力器耦合实验中，不仅能够在一次位置调整之后的霍尔推力器运行中，获得两个位置的实验数据，而且可以在不开真空舱的情况下，开展不同种类空心阴极对霍尔推力器性能影响的实验和获得实验数据，在提高实验效率的同时增强阴极移动装置的实验能力。
空心阴极安装在三维转动机构的安装面上，三维转动机构可沿轴向和径向连续移动，最小移动步长可达0.1mm；使与轴线夹角在0°～180°范围内变化，角度变化步长最小为1°，从而对空心阴极的位置和倾角进行精确调节。
智能控制器放置在真空舱外，具有人机交互界面、显示模块、数据采集与处理模块、控制模块，在进行空心阴极与霍尔推力器耦合实验时，在人际交互界面完成空心阴极位置、判据参数及霍尔推力器启动和工作参数设定，开始实验之后，智能控制器可自主完成空心阴极位置的自主识别调节，完成霍尔推力器与空心阴极的点火启动、稳定工作和关机。在完成一组或多组空心阴极与霍尔推力器耦合实验之后，智能控制器可自主完成实验数据处理，在人机交互界面以图表形式给出实验分析结果。根据判据参数的设定，智能控制器还可给出使霍尔推力器工作性能最优的阴极位置。
实施例3
如图3所示，为本发明所述一种智能型阴极移动装置的组成示意图，由安装平台1、移动机构2、固定连接杆3、位置探测仪4、三维转动机构5和智能控制器6组成。在空心阴极与霍尔推力器的耦合实验中，安装平台、移动机构、固定连接杆、位置探测仪、三维转动机构放置在真空舱内，智能控制器放置在真空舱外，两者之间通过真空舱上的转接法兰进行电气连接。
安装平台的形状可为方形或圆形，具体根据真空舱内的安装空间设计，通过焊接或螺接方式固定在真空舱内，安装平台平面须保持水平。
移动机构安装在安装平台上，可在安装平台所在的平面XY平面范围内移动，移动速度可在100mm/s-1000m/s范围内调节，移动步长最小为0.5mm。
位置探测仪采用激光探测仪或超声波探测仪，安装在固定连接杆上，可沿固定连接杆连续移动，并可绕固定连接杆连续转动，转动范围0°～360°。通过在固定连接杆上的移动和转动，位置探测仪可实现多点探测，从而精确探测和反馈空心阴极的位置。
固定连接杆通过分叉型设计，可安装三套三维转动机构，并且分别布置在霍尔推力器周向沿轴线对称的位置。这种结构设计充分利用了霍尔推力器轴对称和周向对称的特点，同时可在霍尔推力器周向安装三套空心阴极，三套空心阴极的轴向、径向位置和倾角均可独立调节。在空心阴极与霍尔推力器耦合实验中，不仅能够在一次位置调整之后的霍尔推力器运行中，获得三个位置的实验数据，而且可以在不开真空舱的情况下，开展不同种类空心阴极对霍尔推力器性能影响的实验和获得实验数据，在提高实验效率的同时增强阴极移动装置的实验能力。
空心阴极安装在三维转动机构的安装面上，三维转动机构可沿轴向和径向连续移动，最小移动步长可达0.1mm；使与轴线夹角在0°～180°范围内变化，角度变化步长最小为1°，从而对空心阴极的位置和倾角进行精确调节。
智能控制器放置在真空舱外，具有人机交互界面、显示模块、数据采集与处理模块、控制模块，在进行空心阴极与霍尔推力器耦合实验时，在人际交互界面完成空心阴极位置、判据参数及霍尔推力器启动和工作参数设定，开始实验之后，智能控制器可自主完成空心阴极位置的自主识别调节，完成霍尔推力器与空心阴极的点火启动、稳定工作和关机。在完成一组或多组空心阴极与霍尔推力器耦合实验之后，智能控制器可自主完成实验数据处理，在人机交互界面以图表形式给出实验分析结果。根据判据参数的设定，智能控制器还可给出使霍尔推力器工作性能最优的阴极位置。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种智能型阴极移动装置，其特征在于，包括安装平台(1)、移动机构(2)、固定连接杆(3)、位置探测仪(4)、三维转动机构(5)和智能控制器(6)，三维转动机构(5)的安装面上安装有空心阴极(7)，用于调节空心阴极相对于霍尔推力器(8)的轴向、径向位置和倾角；所述移动机构(2)与三维转动机构(5)通过固定连接杆(3)连接，可在其安装平台(1)的二维平面上连续移动；所述位置探测仪(4)安装在固定连接杆(3)上，可沿固定连接杆(3)上下移动和转动，所述智能控制器(6)用于自主识别、采集、处理和控制移动装置对空心阴极(7)位置的调节，并且自主完成霍尔推力器(8)性能参数的采集、处理和判定。
2.如权利要求1所述的一种智能型阴极移动装置，其特征在于，所述安装面的形状为方形或圆形。
3.如权利要求1所述的一种智能型阴极移动装置，其特征在于，所述移动机构(2)的移动速度在100mm/s-1000m/s范围内可调，移动步长最小为0.5mm。
4.如权利要求1所述的一种智能型阴极移动装置，其特征在于，所述位置探测仪(4)采用激光探测仪或超声波探测仪。
5.如权利要求1所述的一种智能型阴极移动装置，其特征在于，所述位置探测仪(4)的转动范围为0°～360°。
6.如权利要求1所述的一种智能型阴极移动装置，其特征在于，所述三维转动机构沿轴向和径向连续移动，最小移动步长为0.1mm；使空心阴极与轴线夹角在0°～180°范围内变化，角度变化步长最小为1°。
7.根据权利要求1所述的一种智能型阴极移动装置，其特征在于，所述智能控制器具备自主故障监测和判断功能，可根据具体的故障模式进行自我修复和激活工作。
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