CN109521224A - 一种脉冲推力器离子速度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种脉冲推力器离子速度测量装置，属于空间推进技术领域。该装置通过双栅极探针检测系统收集离子电流，引入单一变压器将多路的电流信号一次性转换成电压信号，并在示波器上进行信号显示。该装置由双栅极探针离子检测系统、变压器系统、示波器、蓄电池组组成，相比于传统的脉冲推力器离子速度测量装置，具有价格成本低、结构简化、测量精度高的特点，并且具有一定的通用性，适用于大多数脉冲推力器离子速度测量。

Description

一种脉冲推力器离子速度测量装置
技术领域
本发明属于空间推进技术领域，具体涉及一种脉冲推力器离子速度测量装置。
背景技术
脉冲等离子体推力器是空间电推进领域一个重要的研究内容，其可作为微纳卫星动力系统的核心部件，帮助卫星完成轨道变换、姿态控制等太空任务，在微纳卫星领域具有广泛的应用的前景。离子速度是推力器的一项重要性能指标，是比冲和元冲量计算的一个关键参数，对推力器适用范围具有决定性的影响。因此，需要构建相应的离子速度测量装置来精确测量脉冲推力器的离子速度。
在目前使用和研制的脉冲推力器离子速度测量装置中，通过推力器在一个放电脉冲时间内，产生密集的等离子体束，使用等离子体传播路径上的一系列探针跟踪等离子体束的传播，当等离子体束穿过每个探针时，产生等离子体密度变化，随后检测每个探针电流的峰值。通过测量相邻探针之间峰值的延迟时间和相邻探针的距离，可以确定平均离子速度。
该测量装置需要采用数个高频电流探头来记录电流的变化，造成装置价格昂贵并使测量电路复杂。此外，羽流在传播过程中有发散现象，造成在电流信号中读取相邻探针之间峰值的延迟时间有较大误差产生，进而计算得到的平均离子速度有相应的误差。
发明内容
本发明针对以上提出的离子速度测量装置价格过高、结构复杂和读取数据精度不足的问题，而研究设计一种脉冲等离子体推力器离子速度测量装置。
本发明采用的技术方案如下：
一种脉冲推力器离子速度测量装置，该装置包括设置于真空仓4内部的双栅极探针离子检测系统7，以及设置于真空仓4外部的变压器8、示波器9和蓄电池组10；
所述的双栅极探针离子检测系统7由多组双栅极探针组成，每个双栅极探针为一对金属栅网，双栅极探针沿等离子体出射方向等间隔排布；每个双栅极探针均通过一对穿仓电极与蓄电池组10进行电连接，蓄电池组10为双栅极探针提供负偏压，吸引离子用于收集离子电流，并排除干扰信号；不同双栅极探针通过蓄电池组10所加持的负偏压不同，靠近脉冲等离子体推力器5的双栅极探针上的负偏压小于远离脉冲等离子体推力器5的双栅极探针上的负偏压；
所有双栅极探针的引出导线在真空仓4外绕在同一变压器8上，共同作为变压器8的初始线圈，变压器8的次级线圈接入示波器9。
进一步的，相邻双栅极探针在变压器8上所对应的变压器线圈的缠绕方向不同，不同探针的电流信号在磁芯中将形成不同的磁通方向，进而产生正负不同的电压信号。
进一步的，不同双栅极探针在变压器8上所对应的变压器线圈的缠绕匝数不同，靠近脉冲等离子体推力器5的双栅极探针对应的线圈匝数大，即变压器升压比小，远离推力器栅极探针对应的线圈匝数较小，即变压器升压比大。
进一步的，所述变压器8需采用射频变压器。
进一步的，所述高频电压探头3接在脉冲等离子体推力器5的功率输入线上，采集脉冲等离子体推力器5的脉冲信号，传到示波器9，作为脉冲推力器离子速度测量装置的触发信号。
本发明的有益效果：与现有技术比较，本发明利用变压器原理，栅极处离子密度变化最快即电流信号中变化率最大处产生电压峰值，将栅极采集到的电流信号转化为电压信号。并根据所述装置，可将探针收集的信号进行放大处理，避免羽流扩散引起的信号减弱，通过测量电压信号之间峰值的间隔时间和相邻探针的距离，计算得到平均离子速度。本装置不需高频电流探针，价格较低，并且结构简单、读取时间数值精确，能广泛用于脉冲推力器离子速度的测量。
附图说明
图1是本发明所述的脉冲推力器离子速度测量装置结构示意图。
图中：1直流可调电源；2功率处理单元；3高频电压探头；4真空仓；5脉冲等离子体推力器；6磁路系统；7双栅极探针离子检测系统；8变压器；9示波器；10蓄电池组。
具体实施方式
以下根据实施例与附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。
实施例
如图1所示，一种脉冲推力器离子速度测量装置，该装置包括、高频电压探头、双栅极探针离子检测系统7、变压器8、示波器9和蓄电池组10，所述的双栅极探针离子检测系统7位于真空仓4内部；其余部件设置于真空仓4外部。
所述的双栅极探针离子检测系统7由三个双栅极探针组成，每个双栅极探针为一对金属栅网，三个双栅极探针沿离子出射方向依次以等距离间隔排布；每个双栅极探针均通过一对穿仓电极与蓄电池组10进行电连接，蓄电池组10为双栅极探针提供负偏压，吸引离子用于收集离子电流，并排除干扰信号；不同双栅极探针上通过蓄电池组10所加持的负偏压不同，靠近脉冲等离子体推力器5的双栅极探针上的负偏压较小，远离脉冲等离子体推力器5的双栅极探针上的负偏压较大。
本实施例所述三个双栅极探针的引出导线绕在同一升压变压器8上，共同作为变压器的初始线圈，次级线圈接入示波器9。本实施方式的变压器需采用射频变压器。相邻双栅极探针在变压器系统8中，所对应的变压器线圈的缠绕方向不同，不同探针的电流信号在磁芯中将形成不同的磁通方向，进而产生正负不同的电压信号。本实施例中变压器线圈分别为L1、L2、L3。示波器9采集电压信号对应的变压器线圈为L4。本实施例不同双栅极探针所对应的变压器8线圈的缠绕匝数不同，靠近脉冲等离子体推力器5的双栅极探针对应的线圈匝数较大(变压器升压比小)，远离脉冲等离子体推力器5的双栅极探针对应的线圈匝数较小(变压器升压比大)。本实施例通过高频电压探头3在推力器功率处理单元2的输出端采集触发信号。
工作时，脉冲等离子体推力器5在脉冲电压的作用下产生密集的等离子体束，等离子体传播路径上的双栅极探针跟踪等离子体束的传播，探针上加持的负偏压吸引离子，在每一双栅极探针上产生电流变化，电流变化在磁芯中产生磁通变化，从而在线圈L4两端产生感应电动势，在示波器9中呈现变化的电压信号。相邻双栅极探针对应的变压器线圈的缠绕方向不同，产生电动势方向相反，避免信号重叠产生数据读取误差；通过在远端双栅极探针上所加负偏压增大和对应变压器线圈缠绕匝数减小的方法增加远端双栅极探针的电动势，从而避免羽流扩散引起的信号减弱。最后测量电压信号之间峰值的间隔时间和相邻探针的距离，计算得到探针之间平均离子速度。

Claims (8)

1.一种脉冲推力器离子速度测量装置，其特征在于，该装置包括设置于真空仓(4)内部的双栅极探针离子检测系统(7)，以及设置于真空仓(4)外部的变压器(8)、示波器(9)和蓄电池组(10)；
所述的双栅极探针离子检测系统(7)由多组双栅极探针组成，每个双栅极探针为一对金属栅网，双栅极探针沿等离子体出射方向等间隔排布；每个双栅极探针均通过一对穿仓电极与蓄电池组(10)进行电连接，蓄电池组(10)为双栅极探针提供负偏压，吸引离子用于收集离子电流，并排除干扰信号；不同双栅极探针通过蓄电池组(10)所加持的负偏压不同，靠近脉冲等离子体推力器(5)的双栅极探针上的负偏压小于远离脉冲等离子体推力器(5)的双栅极探针上的负偏压；
所有双栅极探针的引出导线在真空仓(4)外绕在同一变压器(8)上，共同作为变压器(8)的初始线圈，变压器(8)的次级线圈接入示波器(9)。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲推力器离子速度测量装置，其特征在于，相邻双栅极探针在变压器(8)上所对应的变压器线圈的缠绕方向不同，不同探针的电流信号在磁芯中将形成不同的磁通方向，进而产生正负不同的电压信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种脉冲推力器离子速度测量装置，其特征在于，不同双栅极探针在变压器(8)上所对应的变压器线圈的缠绕匝数不同，靠近脉冲等离子体推力器(5)的双栅极探针对应的线圈匝数大，即变压器升压比小，远离推力器栅极探针对应的线圈匝数较小，即变压器升压比大。
4.根据权利要求1或2所述的一种脉冲推力器离子速度测量装置，其特征在于，所述变压器(8)需采用射频变压器。
5.根据权利要求3所述的一种脉冲推力器离子速度测量装置，其特征在于，所述变压器(8)需采用射频变压器。
6.根据权利1、2或5所述的一种脉冲推力器离子速度测量装置，其特征在于，所述高频电压探头(3)接在脉冲等离子体推力器(5)的功率输入线上，采集脉冲等离子体推力器(5)的脉冲信号，传到示波器(9)，作为脉冲推力器离子速度测量装置的触发信号。
7.根据权利3所述的一种脉冲推力器离子速度测量装置，其特征在于，所述高频电压探头(3)接在脉冲等离子体推力器(5)的功率输入线上，采集脉冲等离子体推力器(5)的脉冲信号，传到示波器(9)，作为脉冲推力器离子速度测量装置的触发信号。
8.根据权利4所述的一种脉冲推力器离子速度测量装置，其特征在于，所述高频电压探头(3)接在脉冲等离子体推力器(5)的功率输入线上，采集脉冲等离子体推力器(5)的脉冲信号，传到示波器(9)，作为脉冲推力器离子速度测量装置的触发信号。
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