CN106872725A - 一种用于脉冲等离子体推力器测量的飞行探针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于脉冲等离子体推力器羽流诊断的飞行探针，使用接触式测量方法对脉冲等离子体推力器喷出等离子体团进行测量。测量对象为脉冲等离子体推力器，测量脉冲等离子体推力器喷出等离子体团的速度。采用了螺母从钨收集器尾部的螺纹安装在钨收集器上，利用钨收集器与螺母之间产生轴向的拉紧力，轴向固定了整个飞行探针，采用螺钉从侧面压紧的方式径向固定了整个探针。前端准直筒和后端准直筒起到了屏蔽非轴向离子，确保钨收集器和钨收集环收集到的是方向性良好的轴向运动离子。钨收集器和钨收集环加载‑20V偏置电压排斥电子收集离子，通过二者采集到的离子电流波形的时间差和钨收集器和钨收集环之间的距离差计算等离子体的喷射速度。

Description

一种用于脉冲等离子体推力器测量的飞行探针

技术领域

本发明属于电推进等离子体测量领域，涉及一种使用接触式测量方法对脉冲等离子体推力器束流等离子体进行测量的飞行探针。

背景技术

电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。

脉冲等离子体推力器是第一种应用于航天器控制的电推力器，目前已被广泛应用于卫星以及深空探测器的姿轨控系统。

对脉冲等离子体推力器的羽流等离子体进行相关参数的测量对于提高优化发动机设计、提高发动机性能具有重要意义。飞行探针是测量等离子体喷射速度的基本测试手段之一，属于接触式测量方法，拥有测量原理简单，引起误差因素少，可多测点同时进行测量等优点。由于脉冲等离子体推力器属于脉冲式工作，每个工作周期为12μs，采用多次脉冲的推力在太空中实现卫星调姿的任务。所以针对这种工作过程的推力器专门设计了测量离子喷射速度和离子数密度的飞行探针。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种用于脉冲等离子体推力器测量的飞行探针，整体为圆柱形结构，采用了双收集面包括收集环和收集盘，置于脉冲等离子体推力器羽流中采集等离子体，安装于探针架上，与采样电阻和偏置电源数据采集仪形成回路，飞行探针测量脉冲等离子体推力器羽流的离子速度、离子数密度。

本发明的一种用于脉冲等离子体推力器羽流测量的飞行探针，包括：陶瓷挡板、聚四氟外壳、钨收集环、聚四氟绝缘层、不锈钢内壳、螺钉、钨收集器、内陶瓷垫片、外陶瓷垫片和螺母；

所述陶瓷挡板采用粘接的方式与聚四氟外壳相连；所述钨收集环从聚四氟外壳尾部的沉孔放入探针内部，通过不锈钢内壳和聚四氟绝缘层压紧来固定钨收集环；所述不锈钢内壳插入聚四氟外壳的沉孔内，通过聚四氟外壳尾部的通孔和螺钉固定不锈钢内壳，螺钉还起到压线的作用，为不锈钢内壳加载-20V偏置电压，用于环形收集器在负偏置电压作用下排斥羽流中的电子和吸收非轴向的羽流中的离子，从而使得钨表面收集羽流中的离子，形成离子电流；所述聚四氟绝缘层为聚四氟薄圆筒，插入不锈钢外壳内壁，防止内壁收集等离子体；所述的内陶瓷垫片内孔与钨收集器的中轴配合，外轴与不锈钢内壳的沉孔孔配合，固定了钨收集器和不锈钢内壳的相对位置；所述的钨收集器采用钨材料制作，后端螺纹连接螺母，中轴穿过内陶瓷垫片、外陶瓷垫片和不锈钢内壳，加-20V偏置电压，用于钨收集器在负偏置电压作用下排斥羽流中的电子和吸收非轴向的羽流中的离子，从而使得钨收集器收集羽流中的离子，形成离子电流；所述外陶瓷垫片与内陶瓷垫片安装方式一致；所述的螺母从钨收集器尾部的螺纹安装在钨收集器上，拧紧螺母，钨收集器与螺母之间产生轴向的拉紧力，固定了不锈钢内壳、螺钉、钨收集器、内陶瓷垫片、外陶瓷垫片之间的轴向关系；而不锈钢内壳与聚四氟外壳通过螺钉固定，从而固定了整个飞行探针。

本发明的优点在于：

(1)采用了钨收集环和钨收集器同时测量的设计，让同一团等离子体先打在钨收集环上再通过环内孔飞行一段距离打在后方的钨收集器上，实现了在推力器一次工作的过程中测量得到等离子体的喷射速度和密度，比多工况测量更加准确；

(2)通过内外陶瓷垫片与钨收集器和不锈钢内壳的配合，达到了定位收集器和不锈钢内壳相对位置的作用，保证了钨收集器与钨收集环之间距离准确和钨收集器本身的垂直度，并且使钨收集器和钨收集环不导通，达到绝缘的目的；

(3)飞行探针上部设计的螺钉和尾部设计的螺母可以用来压线，使偏置电压导线与飞行探针机械连接，简单可靠；

(4)采用金属钨作为探针收集器和收集环的材料，减小了高能离子轰击探针表面引起的二次电子发射，减小了测量误差。而且不锈钢镀钨，价格昂贵，加工精度和平面度不能得到保证，本发明通过钨收集器和陶瓷的装配配合工艺达到了安装定位准确，成本低，收集面平 面度高，测量精度高的优势；

(5)聚四氟绝缘层的设计为放置于不锈钢内壳内部的绝缘薄筒，保证了钨收集器和不锈钢内壳的绝缘，并且绝缘薄筒起到了屏蔽等离子体的作用，使钨收集器和钨收集环收集得到的电流更一致，确保了测量结果的准确性。

附图说明

图1为用于离子推力器羽流测量的法拉第探针的装配图(主视图)；

图2为用于离子推力器预留测量的法拉第探针的装配图(剖面图，剖面A-A，比例1：1)；

图3为飞行探针三维剖面图；

图4为飞行探针测试电路图。

图5为探针工作流程图。

图中：

1.陶瓷挡板 2.聚四氟外壳 3.钨收集环

4.聚四氟绝缘层 5.不锈钢内壳 6.螺钉

7.钨收集器 8.内陶瓷垫片 9.外陶瓷垫片

10.螺母 201、前端准直筒 202、前端收集环

203、等离子体通道 204、后端收集器 301、飞行探针

302、第一采样电阻 303、第二采样电阻 304、偏置电源

305、数据采集仪

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种用于脉冲等离子体推力器测量的飞行探针，如图1、图2所示，包括陶瓷挡板1、聚四氟外壳2、钨收集环3、聚四氟绝缘层4、不锈钢内壳5、螺钉6、钨收集器7、内陶瓷垫片8、外陶瓷垫片9和螺母10。

陶瓷挡板1上设有通孔，接受等离子体进入，陶瓷挡板1采用粘接的方式与聚四氟外壳2相连；

聚四氟外壳2是内部空心结构，陶瓷挡板1一侧为探针头部，有较大空腔，中部有台阶结构，尾部的空腔与不锈钢内壳5进行装配，尾部有一个M2的螺纹孔

钨收集环3为圆环结构，类似铜钱币，安置在聚四氟外壳的尾部空腔中，紧贴中部的台阶结构。需要说明，钨收集环3位于从聚四氟外壳2尾部的空腔内，紧靠在聚四氟外壳2的中部台阶结构一侧，通过不锈钢内壳5和聚四氟绝缘层4压紧来固定钨收集环3；

不锈钢内壳5为圆柱状结构，中间有一个通孔，尾部位置有两个台阶，不锈钢内壳5插入聚四氟外壳2的沉孔内，通过聚四氟外壳2尾部的通孔和螺钉6固定不锈钢内壳5，螺钉6还起到压线的作用，为不锈钢内壳5加载-20V偏置电压，用于不锈钢内壳5在负偏置电压作用下排斥羽流中的电子和吸收非轴向的羽流中的离子，从而使得钨收集环3和钨收集器7只吸收羽流中的轴向运动离子，形成离子电流；

聚四氟绝缘层4为聚四氟材料的薄壁圆筒，插入不锈钢内壳5内壁，防止内壁收集等离子体，造成钨收集环测量值偏高；

内陶瓷垫片8内孔与钨收集器7的中轴配合，外轴与不锈钢内壳5的沉孔孔配合，固定了钨收集器7和不锈钢内壳5的相对位置；

钨收集器7采用钨材料制作，后端螺纹连接螺母10，中轴穿过内陶瓷垫片8、外陶瓷垫片9和不锈钢内壳5，加-20V偏置电压，用于钨收集器7在负偏置电压作用下排斥羽流中的电子和吸收羽流中的轴向轴向运动离子，从而形成离子电流；

外陶瓷垫片9与内陶瓷垫片8安装方式一致；

螺母10从钨收集器7尾部的螺纹安装在钨收集器7上，拧紧螺母10，钨收集器7与螺母10之间产生轴向的拉紧力，固定了不锈钢内壳5、钨收集器7、内陶瓷垫片8、外陶瓷垫片9之间的轴向关系，而不锈钢内壳5与聚四氟外壳2通过螺钉6固定，从而固定了整个飞行探针。

本发明提供的用于脉冲等离子体推力器羽流测量的飞行探针的三维剖面图，如图3，包括前端准直筒201由陶瓷挡板1和聚四氟外壳2的头部段组成、前端收集环202由钨收集环3和聚四氟外壳2的台阶部分组成、等离子体通道203由聚四氟绝缘层4的内部空腔组成、后端收集器204由钨收集器7的头部段组成。

所述前端准直筒201起到了屏蔽非轴向离子，保证有向性良好的轴向离子被前端收集环202和后端收集器204收集到；

所述前端收集环202起到了收集脉冲等离子体推力器羽流中轴向运动离子的作用；

所述等离子体通道203长50mm，起到了准直等离子体和确定等离子体飞行距离的作用，后期可以用50mm的长度和前端收集环202和后端收集器204的时间差来计算轴向等离子体的运动速度；

所述后端收集器204起到了收集脉冲等离子体推力器羽流中轴向运动离子的作用，收集时间要晚于前端收集环202，根据这个时间差可以计算等离子体的运动速度。

本发明提供的用于脉冲等离子体推力器羽流测量的飞行探针的电路图，如图4，包括飞行探针301、第一采样电阻302、第二采样电阻303、偏置电源304、数据采集仪305。

所述飞行探针301置于脉冲等离子体推力器出口平面收集脉冲等离子体喷出的等离子体团；

所述第一采样电阻302通过螺钉与飞行探针的不锈钢内壳和环形收集器相连；

所述第二采样电阻303通过螺母与钨收集器相连；

所述偏置电源304与第一采样电阻302、第二采样电阻303形成通路，提供-30V的偏置电压，偏置电源负极接地；

所述数据采集仪305连接在采样电阻两端，采集第一采样电阻302和第二采样电阻303两端的电压。

本发明提供的用于脉冲等离子体推力器羽流测量的飞行探针的流程图，如图5，脉冲等离子体推力器在一次脉冲工作下喷射出一团等离子体；前端准直筒屏蔽非轴向离子通过轴向离子；钨收集环加载-20V偏置电压，屏蔽电子，确保钨收集环收集到的全部都是离子，并形成离子电流波形1，被数据采集仪测量采集到；等离子体通过钨收集环后继续通过长50mm的次级准直筒，到达钨收集器；钨加载-20V偏置电压，屏蔽电子，确保钨收集器收集到的全部都是离子，并形成离子电流波形2，被数据采集仪测量采集到；根据离子电流波形1与离子电流波形2的时间差和次级准直筒的长度50mm，根据v＝Δs/Δt，计算得到脉冲等离子体推力器的等离子体喷射速度。

Claims (2)

1.一种用于脉冲等离子体推力器测量的飞行探针，包括陶瓷挡板、聚四氟外壳、钨收集环、聚四氟绝缘层、不锈钢内壳、钨收集器、内陶瓷垫片和外陶瓷垫片；

陶瓷挡板上设有通孔，与聚四氟外壳相连，钨收集环从聚四氟外壳尾部的沉孔放入探针内部，通过不锈钢内壳和聚四氟绝缘层压紧固定，不锈钢内壳插入聚四氟外壳的沉孔内，通过聚四氟外壳尾部的通孔和螺钉固定不锈钢内壳，还通过螺钉进行压线，为不锈钢内壳加载-20V偏置电压，聚四氟绝缘层为聚四氟薄圆筒，插入不锈钢外壳内壁，内陶瓷垫片内孔与钨收集器的中轴配合，外轴与不锈钢内壳的沉孔孔配合，固定了钨收集器和不锈钢内壳的相对位置，钨收集器采用钨材料制作，后端螺纹连接螺母，中轴穿过内陶瓷垫片、外陶瓷垫片和不锈钢内壳，加-20V偏置电压，外陶瓷垫片与内陶瓷垫片安装方式一致，螺母从钨收集器尾部的螺纹安装在钨收集器上，拧紧螺母，钨收集器与螺母之间产生轴向的拉紧力，固定不锈钢内壳、螺钉、钨收集器、内陶瓷垫片、外陶瓷垫片之间的轴向关系，不锈钢内壳与聚四氟外壳通过螺钉固定，从而固定整个飞行探针。

2.根据权利要求1所述的一种用于脉冲等离子体推力器测量的飞行探针，所述的飞行探针的电路包括第一采样电阻、第二采样电阻、偏置电源和数据采集仪；

第一采样电阻与飞行探针的不锈钢内壳和环形收集器相连；第二采样电阻与钨收集器相连；偏置电源与第一采样电阻、第二采样电阻形成通路，提供-30V的偏置电压，偏置电源负极接地；数据采集仪连接在采样电阻两端，采集第一采样电阻和第二采样电阻两端的电压。