CN107748381B - 一种半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置，将法拉第探针固定在半圆耙上，半圆耙为半圆形不封边的弧形结构，通过转动组件连接驱动组件，在驱动组件的带动下，半圆形框架可绕框架的半圆形中心线转动，从而扫描羽流区；测控组件测试得到离子推力器羽流区不同位置的束流密度，通过计算得到离子推力器束流发散角。该装置能够同时对羽流区多个位置的束流密度进行测量，测点分布多，测试数据可靠度高，非常适合于离子推力器、霍尔推力器等电推进推力器束流发散角的测量。

Description

一种半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置
技术领域
本发明涉及推力器测量技术领域，具体涉及一种半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置。
背景技术
在文献“Effect of discharge voltage on plume divergence of a highspecific impulse Hall thruster.AIAA 2005-4403”中，介绍了一种霍尔推力器束流发散角的测试方法。该方法利用安装在扫描臂上的法拉第探针在羽流区扫描180°的半圆，然后利用所获得的离子电流角空间分布，积分计算束发散角。
这种方法的不足之处在于扫描臂上只安装了单个法拉第探针，扫描时测点少，测试数据可靠度低。因此，需要设计一种操作简单，能够对羽流区不同位置同时测量的离子推力器束流发散角测试装置，提高测试数据可靠度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置，能够对羽流区不同纵向角度位置同时进行测量。该装置能够实现对离子推力器束流发散角的测试，且测试数据可靠度高、满足离子推力器束流发散角的测试。
为了解决上述技术问题，本发明的实现方案如下：
一种半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置，包括半圆形法拉第探针组件、转动组件、驱动组件以及测控组件；
半圆形法拉第探针组件由半圆形框架和多个法拉第探针组成；半圆形框架为半圆形不封边的弧形结构，通过转动组件连接驱动组件，在驱动组件的带动下，半圆形框架可绕自身的半圆形中心线转动；该半圆形中心线垂直于水平面，且推力器出口平面中心与所述半圆形框架的圆心重合；
法拉第探针分布在半圆形框架的内圆上，在半圆形框架转动扫描离子推力器羽流区时，法拉第探针的离子收集面始终面对离子推力器出口平面；
测控组件连接法拉第探针和驱动组件，实现驱动组件的控制和法拉第探针数据采集和束流发散角解算。
优选地，所述测控组件中包括偏置电源，为每个法拉第探针的收集盘和保护套施加偏置电压。
优选地，所述半圆形框架上的法拉第探针，中部密集，两侧稀疏。
优选地，中部密集区，法拉第探针的角度间隔不大于5°。
优选地，法拉第探针组件和转动组件设置在真空室内，驱动组件以及测控组件设置在真空室外。
优选地，驱动组件为步进电机及减速器。
优选地，驱动组件设置在真空室上侧外部，半圆形框架上部通过转轴连接驱动组件；半圆形框架下部通过转轴连接轴承，轴承固定在真空室下侧内部。
有益效果：
(1)本发明将法拉第探针固定在半圆耙上，步进电机驱动半圆耙扫描羽流区，测试得到离子推力器羽流区不同位置的束流密度，采用积分方法计算出测试球面的总离子电流以及占90％的总离子电流对应的法拉第探针位置坐标，结合离子推力器出口直径、半圆耙半径，通过计算得到离子推力器束流发散角。该装置能够同时对羽流区多个位置的束流密度进行测量，测点分布多，测试数据可靠度高，非常适合于离子推力器、霍尔推力器等电推进推力器束流发散角的测量。
(2)根据羽流区的束流密度变化特性，将法拉第探针非均匀分布，中部密集，两侧稀疏，这样可以在不降低测量精度的基础上，减少法拉第探针的数量，降低成本。
附图说明
图1为半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置的示意图，其中，真空室部分的视图方向为剖面图。
图2为另一个角度的束流发散角测试装置的示意图。图中虚线表示法拉第探针阵列组件的不同扫描位置。
其中，1-步进电机及减速器，2-法拉第探针阵列组件中的半圆形框架，3,5,7-电缆，4-工控机，6-测试电路板，8-偏置电源，9-推力器，10-真空室。
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。
本发明提供了一种半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置，其基本原理是，设计一个形似半圆耙形的半圆形法拉第探针组件，该半圆形法拉第探针组件通过转动组件连接驱动组件，驱动组件驱动半圆形法拉第探针组件转动来扫描离子推力器羽流区。测控组件连接法拉第探针和驱动组件，实现驱动组件的控制和法拉第探针数据采集和束流发散角解算。
图1为本发明半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置的实施例框图。如图1所示，其具体包括步进电机及减速器1、法拉第探针阵列组件2、转轴、电缆3,5,7、工控机4、测试电路板6及偏置电源8。其中，步进电机及减速器1为驱动组件，工控机4、测试电路板6及偏置电源8组成测控组件。
步进电机及减速器1用于驱动半圆形法拉第探针组件转动来扫描离子推力器9羽流区。
法拉第探针阵列组件用于测试离子推力器9羽流区不同位置的束流密度。如图1所示，半圆形法拉第探针组件由半圆形框架2和多个法拉第探针组成。其中，半圆形框架2为半圆形不封边的弧形结构，通过转动组件连接步进电机及减速器1。本实施例中，法拉第探针组件沿纵向转轴转动，转动组件比较简单为两个转轴，设置在真空室内，步进电机及减速器1设置在真空室10上侧外部，半圆形框架2上部通过其中一个转轴连接步进电机及减速器1；半圆形框架2下部通过另一转轴连接支撑用的轴承，轴承固定在真空室10下侧内部。
在步进电机及减速器1的驱动下，半圆形框架2可绕框架的半圆形中心线转动；该半圆形中心线垂直于水平面，且推力器9出口平面中心与所述半圆形框架2的圆心重合。
法拉第探针分布在半圆形框架2的内圆上，在半圆形框架2转动扫描离子推力器羽流区时，法拉第探针的离子收集面始终面对离子推力器出口平面，保证了有效地收集离子。法拉第探针扫描的轨迹为半球形。
半圆形框架2上的法拉第探针，中部密集，两侧稀疏，这也符合羽流区的束流密度变化特性。在中部密集区，法拉第探针的角度间隔不大于5°，这样可以保证束流密度的纵向测试精度；通过控制步进电机的步进量，使得每次转动的角度间隔小于0.5°，可以保证束流密度的横向测试精度。
测控组件设置在真空室外部，其连接法拉第探针和步进电机及减速器1，实现驱动组件的控制和法拉第探针数据采集和束流发散角解算。具体来说，
工控机4连接测试电路板6，测试电路板6连接偏置电源8，测试电路板6连接法拉第探针。工控机4用于对步进电机及减速器1、法拉第探针阵列组件的控制和测试数据的采集及处理；测试电路板6用于将法拉第探针电流信号转换为供工控机4采集的电压信号；偏置电源8用于为法拉第探针提供工作电压。这里偏置电源8为每个法拉第探针的收集盘和保护套施加-20V偏置电压，这样既保证了收集盘、保护套附近等离子体鞘层的均匀性，同时排斥了电子，提高了测试有效性。
测试步骤为：
步骤1、先在真空室10中安装离子推力器9，连接电路和气路管路。
步骤2、安装法拉第探针阵列组件，连接电缆3、5、7。
步骤3、对真空室10抽真空，真空度达到测试工况后，离子推力器9点火，在离子推力器引出束流运行稳定后，打开工控机4、偏置电源8，开始测量。
步骤4、利用工控机4上的测控软件对测试数据进行计算处理，得到离子推力器的束流发散角。
本步骤中，测试得到离子推力器羽流区不同位置的束流密度后，工控机4采用积分方法计算出测试球面的总离子电流以及占90％的总离子电流对应的法拉第探针位置坐标，结合离子推力器出口直径、半圆耙半径，通过计算得到离子推力器束流发散角。
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 (5)

1.一种半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置，其特征在于，包括半圆形法拉第探针组件、转动组件、驱动组件(1)以及测控组件；
半圆形法拉第探针组件由半圆形框架(2)和多个法拉第探针组成；半圆形框架(2)为半圆形不封边的弧形结构，通过转动组件连接驱动组件(1)，在驱动组件的带动下，半圆形框架(2)可绕自身的半圆形中心线转动；该半圆形中心线垂直于水平面，且推力器(9)出口平面中心与所述半圆形框架(2)的圆心重合；
法拉第探针分布在半圆形框架(2)的内圆上，在半圆形框架(2)转动扫描离子推力器羽流区时，法拉第探针的离子收集面始终面对离子推力器出口平面；所述半圆形框架(2)上的法拉第探针，中部密集，两侧稀疏，且中部密集区，法拉第探针的角度间隔不大于5°；
测控组件连接法拉第探针和驱动组件(1)，实现驱动组件的控制和法拉第探针数据采集和束流发散角解算。
2.如权利要求1所述的半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置，其特征在于，所述测控组件中包括偏置电源(8)，为每个法拉第探针的收集盘和保护套施加偏置电压。
3.如权利要求1所述的半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置，其特征在于，法拉第探针组件(2)和转动组件设置在真空室(10)内，驱动组件(1)以及测控组件设置在真空室(10)外。
4.如权利要求1所述的半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置，其特征在于，驱动组件(1)为步进电机及减速器。
5.如权利要求1所述的半圆耙形离子推力器束流发散角测试装置，其特征在于，驱动组件(1)设置在真空室(10)上侧外部，半圆形框架(2)上部通过转轴连接驱动组件(1)；半圆形框架(2)下部通过转轴连接轴承，轴承固定在真空室(10)下侧内部。
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