CN107741599A - 一种推力器离子束流中心线激光定位装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种推力器离子束流中心线激光定位装置和方法，其将激光头、准直管、水平仪、水平调整螺钉、开关和电池等基本模块集成在夹具上，通过激光头产生的高亮度、单色性好的定向性激光束，利用该定向性激光束与推力器离子光学系统中心线、离子束流中心线重合的特点，对置于离子束流环境中的测量探针进行精确定位，有效克服了法拉第探针、E×B探针在测量推力器束流特性方面定位不准的问题。而且，这种方法简单易行，成本低廉，适用于各种推力器推力矢量偏角测量、束流发散角测量、羽流中双荷离子比测量过程中对法拉第探针和E×B探针的精确定位。

Description

一种推力器离子束流中心线激光定位装置和方法
技术领域
本发明涉及一种推力器离子束流中心线激光定位装置，特别是一种用于各种推力器推力矢量偏角测量、束流发散角测量、羽流中双荷离子比测量过程中对法拉第探针和E×B探针或微小推力测量传感器的精确定位领域。
背景技术
推力器是利用电能加热、离解和加速工质，使其形成高速射流而产生推力的推进系统，推力器技术因其高比冲、便携带、清洁等特点已广泛应用于卫星位置保持、姿态控制、轨道转移，成为提升卫星平台有效载荷、延长卫星工作寿命的最有效手段之一。
推力器在应用型号产品前需要对束流特性进行测量，以期对推力器性能设进行评估，如利用法拉第探针对其束流等离子体发射角、推力矢量偏角进行测量，利用E×B探针对束流中的Xe+/Xe+2比进行测量，这些探针测量的基本前提是要保证探针离子收集盘(孔)的中心位置要在推力器束流中心线上。通常的定位方法是使用目测方法或机械杆对探针位置进行粗略校准，方法繁琐，不易操作。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种推力器离子束流中心线激光定位装置和方法，能够对探针位置进行精确校准，方法简单，重复性强，容易操作，有效克服了法拉第探针、E×B探针在测量推力器束流特性方面定位不准的问题。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种推力器离子束流中心线激光定位装置，包括夹具、准直管、激光头、水平仪、三个调整螺钉、开关和电池；
夹具采用空心圆柱体结构，空心圆柱体一端开口，另一端封闭；开口端套在推力器束流出口处的圆柱形外壳上，封闭端外表面圆的几何中心为O点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，XOY平面法线方向为Z轴；
夹具的O点开孔，连接准直管，准直管中心轴线与Z轴线重合；激光头以紧配合方式镶嵌在准直管内；
调整螺钉位于夹具圆柱面A、B、C位置，用于调整夹具XOY平面与推力器离子出口平面保持平行，同时将夹具固定在推力器圆柱形外壳上；其中，位置A位于Y方向的夹具圆柱上，位置B、位置C分别位于-Y方向两侧对称位置的夹具圆柱面上；水平仪安装在夹具外表面便于观察的位置；
开关安装在准直管旁边，开关连接激光头和电池。
优选地，夹具的空心圆柱体内径与推力器束流出口处的圆柱形外壳直径之间按正公差设计，正公差范围0.1mm～0.5mm。
优选地，以OY轴为0°位置，A、B、C三个位置的调整螺钉分别安装在夹具圆柱面0°、135°、225°位置处；螺钉采用聚四氟乙烯加工，垂直于圆柱面安装。
优选地，水平仪选择“10mm×10mm×29mm”微型商用水泡水平仪，安装在A位置调整螺钉的正前方3mm圆柱面上。
优选地，激光头发射的激光为可见光范围，激光管功耗小于5mW；工作电压为2.5V～5V；激光头采用一字线镜或十字线镜的准直镜，激光头的激光束斑大小根据实际需要进行调节，要求1m远处激光束斑直径不大于2mm。
优选地，开关采用微型按钮开关，直径小于10mm，长度小于10mm；开关安装准直管正下方30mm处，开关的按钮露出在夹具封闭端外表面，接线柱嵌入夹具封闭端内表面以下。
优选地，该装置进一步包括SM公插头和SM母插头；激光头与开关、电池之间采用SM公插头、母插头连接，激光头正极线经开关后接SM公插头正极，激光头负极线接SM公插头负极，电池正极接SM母插头正极，电池负极接SM母插头负极，最后将SM共公插头与SM母插头接在一起，形成完整电路；电池采用纽扣电池，通过电池底座安装在夹具封闭端内表面。
优选地，夹具的封闭为圆锥面，准直管安装在圆锥面顶角处，准直管中心轴线与夹具空心圆柱的中心轴线、空心圆锥体中心轴线重合；空心圆锥底面与空心圆柱体上底重合，锥面底角在0～30°。
优选地，准直管采用变孔径设计，以适应不同外径的激光头。
本发明还提供了一种推力器离子束流中心线激光定位方法，采用上述所述的任意一种推力器离子束流中心线激光定位装置，包括如下步骤：
第一步，将激光头、开关、电池安装在夹具上，并进行连接；
第二步，将夹具空心圆柱体套装在推力器束流出口处的圆柱形外壳上；
第三步，分别将水平仪沿X方向和Z方向放置，在每个放置位置上，调节A、B、C位置上的调整螺钉，使水平仪的水泡处于中间位置，保证X轴和Z轴方向水平；
第四步，按下开关按钮，激光头发射激光线，在推力器束流出口平面前面束流区的检测设备上形成激光束斑；
第五步，移动检测设备，让检测设备的离子收集盘中心对准激光束斑，并记录检测设备坐标值，该坐标值即为检测设备的初始参考坐标，检测设备的后续移动位置根据初始参考坐标确定；
第六步，定位完毕，按下开关按钮，关闭激光头。
有益效果：
(1)本发明将激光头、准直管、水平仪、水平调整螺钉、开关和电池等基本模块集成在夹具上，通过激光头产生的高亮度、单色性好的定向性激光束确定推力器离子束中心线，有效克服了法拉第探针、E×B探针等检测设备在测量推力器束流特性方面定位不准的问题，极大提高定位准确性，保证测量结果的一致性。
(2)本发明采用微型商用激光头、微型商用开关及纽扣电池，并将其集成在圆柱型夹具上，使得整个定位装置具有操作简便、成本低，定位准确的特点。
(3)本发明安装激光头的准直管采用阶梯型变孔径设计，无需加工另外工装，即可以满足不同外径的激光头的安装需求。
(4)本发明采用水平调整螺钉和微小水平仪，能够实现夹具的水平调节。
(5)本发明采用锂电池供电、电池与激光头之间用公母接插件连接，节省空间，同时增强了供电的可靠性。
附图说明
图1为本发明推力器离子束流中心线激光定位装置的结构图。
图2为本发明定位实例示意图。
其中，1-夹具、2-准直管、3-激光头、4-开关、5-电池底座、6-电池、7-母插头、8-公插头、9-调整螺钉、10-水平仪、11-推力器、12-等离子体束流区、13-激光束、14-E×B探针、15-E×B探针离子准直孔。
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。
本发明公开的一种推力器离子束流中心线激光定位方案，该方案将激光头、准直管、水平仪、调整螺钉、开关和电池等基本模块集成在夹具上，通过激光头产生的高亮度、单色性好的定向性激光束，利用该定向性激光束与推力器离子光学系统中心线、离子束流中心线重合的特点，对置于离子束流环境中的测量探针进行精确定位，有效克服了法拉第探针、E×B探针在测量推力器束流特性方面定位不准的问题。而且，这种方法简单易行，成本低廉，适用于各种推力器推力矢量偏角测量、束流发散角测量、羽流中双荷离子比测量过程中对法拉第探针和E×B探针的精确定位。
图1为本发明推力器离子束流中心线激光定位装置的结构图。如图1所示，该装置主要包括夹具1、准直管2、激光头3、水平仪10、三个调整螺钉9、开关4、电池6、公插头8、母插头7、电池底座5。
夹具是连接激光头与推力器的配适器，采用空心圆柱体结构，空心圆柱体一端开口，另一端封闭，开口端套在推力器束流出口处的圆柱形外壳上。夹具的空心圆柱体内径与推力器束流出口处的圆柱形外壳直径之间按正公差设计，正公差范围0.1mm～0.5mm，夹具空心圆柱体部分的内径典型值为100mm、200mm、300mm、400mm。
设夹具封闭端外表面圆的几何中心为O点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，XOY平面法线方向为Z轴。夹具的O点开孔，连接准直管，准直管中心轴线与Z轴线重合，用于固定激光头。
激光头以紧配合方式镶嵌在准直管内，主要作用是准直定位，即激光头发射光线时，其光线即为电推进束流中心线。典型激光波长为635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm，激光管功耗小于5mW，以免对人眼睛造成损伤；工作电压为2.5V～5V，激光头外径为Ф6mm、Ф9mm、Ф12mm，长15mm～30mm。激光头可以采用一字线镜、十字线镜的准直镜，对激光束斑大小可根据实际需要进行调节，但要求1m远处激光束斑直径不大于2mm。
调整螺钉位于夹具圆柱面A、B、C位置，用于调整夹具XOY平面与推力器离子出口平面保持平行，同时将夹具固定在推力器圆柱形外壳上；其中，位置A位于Y方向的夹具圆柱上，位置B、位置C分别位于-Y方向两侧对称位置的夹具圆柱面上；优选地，若以OY轴正方向(向上)为0°位置，顺时针为正方向，则A、B、C三个位置的调整螺钉分别安装在夹具圆柱面0°、135°、225°位置处；螺钉采用聚四氟乙烯加工，垂直于圆柱面安装，以免划伤推力器表面。
水平仪安装在夹具外表面便于观察的位置。优选地，水平仪选择“10mm×10mm×29mm”微型商用水泡水平仪，安装在A位置调整螺钉的正前方3mm圆柱面上；其中，以沿+Z方向为正前方。按实际需要，水平仪仪可以安装1个或2个，主要目的是调节XOZ平面水平。
开关安装在准直管旁边，开关连接激光头和电池。激光头与开关、电池之间采用SM公、母插头连接，要求激光头正极线经开关后接SM公插头正极，激光头负极线接SM公插头负极，电池正极接SM母插头正极，电池负极接SM母插头负极，最后将SM共公插头与SM母插头接在一起，形成完整电路。参见图1，开关、激光头和电池三者具体连接关系为：激光头3的正线与开关4正极连接，开关负极与公插头8正线连接。激光头1的负线与公插头8的负线连接。电池6正极与电池底座5的正极弹簧片连接，电池6负极与电池底座5的负极弹簧片连接。电池底座5正极弹簧片与母插头7的正线连接，电池底座5负极弹簧片与母插头7的负线连接。公插头8与母插头7通过插接的方式连接在一起。
本实施例中，开关采用微型按钮开关，直径小于10mm，长度小于10mm。开关安装准直管正下方30mm处，要求按钮露出在夹具封闭端外表面，接线柱嵌入夹具封闭端内表面以下。电池采用纽扣电池，供电电压为1.5V或3V，电池底座直径小于25mm，高度小于5mm，典型型号为CR2032，3V纽扣电池，电池底座直径22mm。
在另一实施例中，夹具可以设计成空心圆柱体+圆锥面结构，准直管安装在锥面顶角处，准直管中心轴线与夹具空心圆柱筒中心轴线、空心圆锥体中心轴线重合；空心圆锥底面与空心圆柱体上底重合，锥面底角在0～30°。
准直管可以采用变孔径设计，以安装不同外径的激光头，例如，典型孔径尺寸为Ф6mm、Ф9mm、Ф12mm，一种变孔径设计方案为准直管内径采用阶梯型，靠近推力器11的台阶内径小，远离推力器11的台阶内径大。例如靠近推力器11的台阶内径设计为6mm，下一台阶内径设计为9mm，最外边台阶(远离推力器11)的内径设计为12mm。
采用上述装置的定位方法包括如下步骤：
(1)将将激光头3、开关4、电池6及电池底座5、水平仪9按图1所示的方法进行安装；
(2)将夹具1开口端套装在推力器11的圆柱形外壳上；
(3)将水平仪沿X方向放置，固定A位置的调整螺钉，调节B、C位置的调整螺钉，使水泡处于水平仪的中间位置，保证X轴方向水平；
(4)将水平仪沿Z方向放置，固定B、C位置的调整螺钉，调节A位置的调整螺钉，使水平仪的水泡处于中间位置，保证Z轴方向水平；
(5)按下开关按钮，激光头发射激光线，在推力器前面+Z方向的束流诊断设备上形成激光束斑；
(6)移动束流诊断设备，让其有效离子收集部位对准激光束斑；并记录检测设备在三维移动平台上的坐标，该坐标即为检测设备的初始参考坐标，检测设备的后续移动位置根据初始参考坐标确定。
所述步骤(3)～(4)中，如果推力器为吊装状态，水平调节不做要求，但要保证通过调节水平调整螺钉使得夹具与推力器间距均匀一致。
所述步骤(5)和(6)中，束流诊断设备可以是法拉第探针、E×B探针、朗缪尔探针、热流计等。
所述步骤(3)中，有效离子收集部位主要指法拉第探针的离子收集盘或E×B探针的离子准直孔等。
根据测试需要可循环往复。
图2为采用本发明进行定位的一个实例。如图2所示，以E×B探针测量直径300mm离子推力器的双荷离子比例试验中对E×B探针定位为例，选择直径6mm激光头3，将激光头3安装在夹具1的准直管2内，按图1连接装置，并将夹具1安装在离子推力器11上，调节夹具1上A、B、C处的调整螺钉10，使水平仪9中水泡保持水平后，拧紧A处螺钉，再拧紧B、C处螺钉。打开夹具1上的开关4，激光头3发射激光束13，即为离子推力器束流中心线。移动E×B探针14，使其离子准直孔15中心与激光束13的束斑中心对准，记录此时的探针坐标值，即为探针在束流中心线的初始坐标。断开开关4，从推力器上取下夹具1，E×B探针定位完毕。
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 (10)

1.一种推力器离子束流中心线激光定位装置，其特征在于，包括夹具(1)、准直管(2)、激光头(3)、水平仪(10)、三个调整螺钉(9)、开关(4)和电池(6)；
夹具采用空心圆柱体结构，空心圆柱体一端开口，另一端封闭；开口端套在推力器束流出口处的圆柱形外壳上，封闭端外表面圆的几何中心为O点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，XOY平面法线方向为Z轴；
夹具的O点开孔，连接准直管，准直管中心轴线与Z轴线重合；激光头以紧配合方式镶嵌在准直管内；
调整螺钉位于夹具圆柱面A、B、C位置，用于调整夹具XOY平面与推力器离子出口平面保持平行，同时将夹具固定在推力器圆柱形外壳上；其中，位置A位于Y方向的夹具圆柱上，位置B、位置C分别位于-Y方向两侧对称位置的夹具圆柱面上；水平仪安装在夹具外表面便于观察的位置；
开关安装在准直管旁边，开关连接激光头和电池。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，夹具(1)的空心圆柱体内径与推力器束流出口处的圆柱形外壳直径之间按正公差设计，正公差范围0.1mm～0.5mm。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，以OY轴为0°位置，A、B、C三个位置的调整螺钉分别安装在夹具圆柱面0°、135°、225°位置处；螺钉采用聚四氟乙烯加工，垂直于圆柱面安装。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，水平仪选择“10mm×10mm×29mm”微型商用水泡水平仪，安装在A位置调整螺钉的正前方3mm圆柱面上。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，激光头发射的激光为可见光范围，激光管功耗小于5mW；工作电压为2.5V～5V；激光头采用一字线镜或十字线镜的准直镜，激光头的激光束斑大小根据实际需要进行调节，要求1m远处激光束斑直径不大于2mm。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，开关采用微型按钮开关，直径小于10mm，长度小于10mm；开关安装准直管正下方30mm处，开关的按钮露出在夹具封闭端外表面，接线柱嵌入夹具封闭端内表面以下。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括SM公插头(8)和SM母插头(7)；激光头与开关、电池之间采用SM公插头、母插头连接，激光头正极线经开关后接SM公插头正极，激光头负极线接SM公插头负极，电池正极接SM母插头正极，电池负极接SM母插头负极，最后将SM共公插头与SM母插头接在一起，形成完整电路；电池采用纽扣电池，通过电池底座安装在夹具封闭端内表面。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，夹具的封闭为圆锥面，准直管安装在圆锥面顶角处，准直管中心轴线与夹具空心圆柱的中心轴线、空心圆锥体中心轴线重合；空心圆锥底面与空心圆柱体上底重合，锥面底角在0～30°。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，准直管采用变孔径设计，以适应不同外径的激光头。
10.一种推力器离子束流中心线激光定位方法，采用如权利要求1～9任意一项所述的推力器离子束流中心线激光定位装置，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，将激光头、开关、电池安装在夹具上，并进行连接；
第二步，将夹具空心圆柱体套装在推力器束流出口处的圆柱形外壳上；
第三步，分别将水平仪沿X方向和Z方向放置，在每个放置位置上，调节A、B、C位置上的调整螺钉，使水平仪的水泡处于中间位置，保证X轴和Z轴方向水平；
第四步，按下开关按钮，激光头发射激光线，在推力器束流出口平面前面束流区的检测设备上形成激光束斑；
第五步，移动检测设备，让检测设备的离子收集盘中心对准激光束斑，并记录检测设备坐标值，该坐标值即为检测设备的初始参考坐标，检测设备的后续移动位置根据初始参考坐标确定；
第六步，定位完毕，按下开关按钮，关闭激光头。
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