CN109795722A - 一种胶体推进器的多物理量表征装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种胶体推进器的多物理量表征装置，包括：配重和推进器对称地放在扭摆两端，使得扭摆处于平衡状态；推进器工作产生推力，使得扭摆发生旋转；自准直仪通过反射镜测量扭摆旋转对应的偏转角的变化；推进器在加速电压作用下将推进剂离化成带电液滴，带电液滴喷射后成发射离子束流状；静电透镜将发射状的离子束流准直聚焦成平行离子束流；两个质量分析器电极对包括的四个电极围成一个空间供离子束流通过；离子检测器接收平行离子束流，并根据离子束流电流大小确定推进器的推力、流量和比冲，根据自准直仪测量的旋转角的变化确定的推力标定电流大小确定的推力、流量和比冲。本发明实现对推进器的多物理量表征。

Description

一种胶体推进器的多物理量表征装置

技术领域

本发明涉及弱力测量和航天器推进器交叉领域，更具体地，涉及一种胶体推进器的多物理量表征装置。

背景技术

微牛量级推进器在微小卫星的应用上占有举足轻重的地位，其中胶体推进器是微牛量级推进器的有效解决方案。近年来国内外发展出很多种推进器推力表征技术，例如天平结构、单摆结构、双摆结构、扭秤结构、Time-of-Flight方法等等。但是这些推进器表征方法各有优缺点，各有自己的适用范围。单一表征方法并不能实现推进器的多物理量综合表征。例如，扭秤结构虽然精度高，推力表征下限低，但是其不能表征推进器比冲，要想表征推进器比冲，还需在扭秤测量系统上另外安装测量推进剂流量装置，这又增加了扭秤方法的难度以及影响测量精度。而质谱法虽然能够表征推力，但此推力是通过测量电流间接得到的，还需要通过其他直接测量推力的方法标定，因此质谱法也不能实现多实现物理量表征。

在中国发明专利说明书CN 103335769 B中提出了利用扭摆装置测量推进器弱推力的方法。其核心思想是将配重和推进器分别固定于扭摆两端，通过角位移测量装置测量扭摆在推力力矩作用下的偏转角度，通过计算的到推力的大小。这种方法能够对推力的大小进行精确测量，但是并不能表征胶体推进器的全部性能参数，例如，推进器流量，比冲和推进器工质化学组分等。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有单一表征方法并不能实现推进器的多物理量综合表征的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种胶体推进器的多物理量表征装置，包括：自准直仪、扭丝、扭摆、配重、反射镜、静电透镜、第一质量分析器电极对、第二质量分析器电极对、离子检测器以及推进器；

所述配重和推进器对称地放在扭摆一侧的两端，使得扭摆处于平衡状态；

所述推进器工作产生推力，使得扭摆发生旋转；

所述反射镜位于扭摆一侧的中间，所述自准直仪与所述扭摆相距一段距离，位置与所述反射镜相对应，用于通过所述反射镜测量扭摆旋转对应的偏转角的变化，所述旋转角的变化用于确定推进器的推力；

所述扭丝位于扭摆另一侧的中间，用于为扭摆提供回复力；

所述推进器在加速电压作用下将推进剂离化成带电液滴，所述带电液滴喷射后成发射离子束流状；所述推进剂装在推进器的内部，所述带电液滴喷射后产生推力；

所述静电透镜位于发射状的离子束流的出射方，用于将发射状的离子束流准直聚焦成平行离子束流；

所述第一质量分析器电极对和第二质量分析器电极对均包括两个平行放置的电极，两个平行的方向垂直，所述第一质量分析器电极对和第二质量分析器电极对包括的四个电极围成一个空间供所述平行离子束流通过；

所述离子检测器用于接收从四个电极围成的空间通过的平行离子束流，并根据所述平行离子束流对应的电流大小确定推进器的推力、流量和比冲，根据所述自准直仪测量的旋转角的变化确定的推力标定所述电流大小确定的推力、流量和比冲。

具体地，第一质量分析器电极对和第二质量分析器电极对确定推进器的推力、流量和比冲的方法可称为四级杆质谱法。

可选地，还包括：真空腔体和观察窗口；

所述扭丝、扭摆、配重、反射镜、静电透镜、第一质量分析器电极对、第二质量分析器电极对、离子检测器以及推进器均位于所述真空腔体内；

所述观察窗口位于所述真空腔体上，为透明形状，所述自准直仪位于真空腔体的外面，所述观察窗口的位置与所述反射镜和所述自准直仪同轴。

可选地，所述第一质量分析器电极对施加电压和第二质量分析器电极对施加电压的极性相反，大小相同；

控制所述第一质量分析器电极对和第二质量分析器电极对的电压大小，使得预定荷质比的离子能够通过四个电极围成的空间到达所述离子检测器。

可选地，第一质量分析器电极对施加电压为：U-Vcosωt，第二质量分析器电极对施加电压为：-(U-Vcosωt)；U、V均表示电压值，可以随时间扫描变化，ω表示交流电压的频率；

若U＝U_i，V＝V_i，则荷质比为m_i/q_i的离子可以通过四个电极围成的空间到达离子检测器，i表示第i次扫描，每次扫描设定的U、V的大小分别对应U_i、V_i；

若荷质比为m_i/q_i的离子对应在离子检测器的中和电流大小为J_i，推进器的推力F、流量和比冲I_S可以分别表示为：

同时获得荷质比分布：m_i/q_i，i＝1,2,3,…；

其中，V_A为推进器的加速电压。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明研究一种针对胶体推进器的多物理量表征方法，其中，精密扭秤技术表征推进器推力，在精密扭秤测量系统的基础上引入四级杆质谱测量方法，表征推进剂离化荷质比、推进剂流量和推进器比冲。整个系统实现对胶体推进器多物理量表征。

(2)应用在推进器表征的传统的质谱表征方法是Time-of-Flight质谱法，但是此法体积庞大，设计复杂，需要的真空度比较高，难以集成到微推进器的表征系统中。而本发明第一次将四级杆质谱法引入到微推进器的表征中，四级杆质谱法，结构简单，体积小，对真空度的要求低，易于集成到微推进器的表征系统中。

(3)本发明提供的多物理量表征装置使得推进器表征系统工作环境更稳定。四级杆和离子收集板都能够吸收、中和、冷凝带电液滴，减少带电液滴对扭秤零部件的溅射损伤，避免引入测量误差。

附图说明

图1是本发明提供的胶体推进器的多物理量表征装置整体示意图；

图2是本发明提供的胶体推进器的多物理量表征装置的内部结构图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：11是真空腔体，12是玻璃观察窗口，13是自准直仪，21是扭丝，22是扭摆，23是配重，24是反射镜，25是静电透镜，26和27是质量分析器电极对，28是离子检测器，29是推进器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明利用精密扭秤技术和质谱法相结合来实现微牛顿量级胶体推进器的多物理量表征。一方面，基于精密扭秤技术，设计微牛顿量级的弱力测量系统，利用其表征胶体推进器的推力。另一方面，在精密扭秤系统中引入四级杆质谱测量方法，该方法能够直接表征推进剂离化荷质比，间接表征推进器推力、推进剂流量和推进器比冲。由此整个测量系统可实现对胶体推进器主要性能参数的全面表征，克服了单一表征手段表征参数有限的缺点。

同时，质谱测量系统可以中和、收集胶体推进器喷射时产生的带电液滴，避免了其对测量系统其他零部件的溅射损伤以及引入测量误差，也防止带电液滴气化对系统真空度造成的影响。精密扭秤和质谱法相结合的测量系统在实现多物理量表征的同时减小测量误差，降低系统设计的复杂性，进一步提高测量精度。本发明研究成果有望为微牛顿量级胶体推进器的研发提供全面的标定结果，是微牛顿量级胶体推进器执行更为精密、复杂太空任务的基础

如图1所示，扭摆和质谱仪组成的测量系统放置在真空腔室11内部。真空腔室在侧面安装有玻璃窗口12，自准直仪13通过玻璃窗口12测量扭摆角度变化。

如果2所示，图2展示的是去掉真空腔室后剩下的测量装置。剩下的测量装置由扭秤测量系统和质谱仪测量系统组成。扭秤测量系统由扭丝21，扭摆22，配重23，反射镜24组成。质谱仪测量系统由静电透镜25，质量分析器电极对26，质量分析器电极对27，离子检测器28组成。

推进器29和配重23对称地放在扭摆的两端，是扭摆处于平衡状态。推进器工作产生推力，扭摆发生旋转，自准直仪测量扭摆偏转角的变化。通过偏转角的扭摆的其他参数推算推进器的推力。

推进器在加速电压V_A的作用下将推进剂离化成带电液滴，带电液滴喷射后成发射离子束流状，通过静电透镜25将发射状的离子束流准直聚焦成细的平行离子束流。平行离子束流经过质量分析器26，27。

质量分析器电极对26施加电压形式为U-Vcosωt，质量分析器电极对27施加电压形式为-(U-Vcosωt)，若U＝U_i，V＝V_i，则质量分析器只允许特定荷质比的离子m_i/q_i通过，其他荷质比的离子全部被质量分析器吸收，荷质比为m_i/q_i的离子通过后由离子检测器28中和，同时测量中和电流的大小。通过扫描设定(U，V)的大小，可以依次允许特定荷质比的离子通过同时得到其中和电流的大小。

如果荷质比为m_i/q_i的离子对应的中和电流大小为J_i，那么推力、流量、和比冲可以分别表示为： i＝1,2,3,…。同时获得荷质比分布：m_i/q_i，i＝1,2,3,…因此四级杆质谱法能够表征推力、流量、比冲以及荷质比分布。但是推力、流量、比冲的表征是通过测量中和电流间接得到的，需用直接表征手段来标定四级杆质谱法。而扭摆系统恰提供一种直接表征手段，可以用扭摆对推力的表征结果标定四级杆质谱法对推力的表征结果。由于推力、流量、比冲这三个量都是相关联的，四级杆质谱法对推力的表征一旦得到标定，流量、比冲这两个量也得到标定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种胶体推进器的多物理量表征装置，其特征在于，包括：自准直仪(13)、扭丝(21)、扭摆(22)、配重(23)、反射镜(24)、静电透镜(25)、第一质量分析器电极对(26)、第二质量分析器电极对(27)、离子检测器(28)以及推进器(29)；

所述配重(23)和推进器(29)对称地放在扭摆(22)一侧的两端，使得扭摆(22)处于平衡状态；

所述推进器(29)工作产生推力，使得扭摆(22)发生旋转；

所述反射镜(24)位于扭摆(22)一侧的中间，所述自准直仪(13)与所述扭摆(22)相距一段距离，位置与所述反射镜(24)相对应，用于通过所述反射镜(24)测量扭摆(22)旋转对应的偏转角的变化，所述旋转角的变化用于确定推进器(29)的推力；

所述扭丝(21)位于扭摆(22)另一侧的中间，用于为扭摆(22)提供回复力；

所述推进器(29)在加速电压作用下将推进剂离化成带电液滴，所述带电液滴喷射后成发射离子束流状；所述推进剂装在推进器(29)的内部，所述带电液滴喷射后产生推力；

所述静电透镜(25)位于发射状的离子束流的出射方，用于将发射状的离子束流准直聚焦成平行离子束流；

所述第一质量分析器电极对(26)和第二质量分析器电极对(27)均包括两个平行放置的电极，两个平行的方向垂直，所述第一质量分析器电极对(26)和第二质量分析器电极对(27)包括的四个电极围成一个空间供所述平行离子束流通过；

所述离子检测器(28)用于接收从四个电极围成的空间通过的平行离子束流，并根据所述平行离子束流对应的电流大小确定推进器(29)的推力、流量和比冲，根据所述自准直仪(13)测量的旋转角的变化确定的推力标定所述电流大小确定的推力、流量和比冲。

2.根据权利要求1所述的多物理量表征装置，其特征在于，还包括：真空腔体(11)和观察窗口(12)；

所述扭丝(21)、扭摆(22)、配重(23)、反射镜(24)、静电透镜(25)、第一质量分析器电极对(26)、第二质量分析器电极对(27)、离子检测器(28)以及推进器(29)均位于所述真空腔体(11)内；

所述观察窗口(12)位于所述真空腔体(11)上，为透明形状，所述自准直仪(13)位于真空腔体(11)的外面，所述观察窗口(12)的位置与所述反射镜(24)和所述自准直仪(13)同轴。

3.根据权利要求1所述的多物理量表征装置，其特征在于，所述第一质量分析器电极对(26)施加电压和第二质量分析器电极对(27)施加电压的极性相反，大小相同；

控制所述第一质量分析器电极对(26)和第二质量分析器电极对(27)的电压大小，使得预定荷质比的离子能够通过四个电极围成的空间到达所述离子检测器(28)。

4.根据权利要求3所述的多物理量表征装置，其特征在于，第一质量分析器电极对(26)施加电压为：U-Vcosωt，第二质量分析器电极对(27)施加电压为：-(U-Vcosωt)；U、V均表示电压值，可以随时间扫描变化，ω表示交流电压的频率；

若U＝U_i，V＝V_i，则荷质比为m_i/q_i的离子可以通过四个电极围成的空间到达离子检测器(28)，i表示第i次扫描，每次扫描设定的U、V的大小分别对应U_i、V_i；

若荷质比为m_i/q_i的离子对应在离子检测器(28)的中和电流大小为J_i，推进器(29)的推力F、流量和比冲I_S可以分别表示为：

同时获得荷质比分布：m_i/q_i；

其中，V_A为推进器在加速电压。