CN110132606B - 推力器羽流参数测量系统、方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种推力器羽流参数测量系统、方法及装置。本申请将两根收集探针相对于待测推力器的中轴线对称设置，并将两根收集探针的粒子收集侧面相向设置且与待测推力器的离子喷射口所在的平面垂直。本申请通过扫描电源使两根收集探针之间形成电场，并通过形成的电场对待测推力器产生的离子体羽流进行粒子收集，以提高粒子收集能力及羽流参数测量准确度。本申请通过采集设备采集两个粒子收集侧面之间的电压及电流，并由计算设备根据采集到的与两根收集探针之间的电场存在关联关系的电压与电流计算得到多种羽流参数，以通过得到的各项羽流参数精准地确定出待测推力器的羽流流场特性，为评估推力器性能和保证航天器安全提供数据支持。

Description

推力器羽流参数测量系统、方法及装置

技术领域

本申请涉及真空羽流参数测量技术领域，具体而言，涉及一种推力器羽流参数测量系统、方法及装置。

背景技术

随着航天技术的不断发展，电推力器(例如，离子推力器、霍尔推力器)因其具有比冲高、质量小及寿命长等特点，被广泛应用于对航天器的姿态调整及轨道调整，因此准确获取电推力器的各项羽流参数对于评估电推力器性能和保证航天器安全是极为重要的。

目前，行业主流通常基于朗缪尔探针的鞘层对电推力器的离子体羽流进行粒子收集，并根据相应的收集结果来计算该电推力器的羽流参数。但这种测量方式存在粒子收集能力弱、参数测量准确度不高，且仅能测量出电子温度及电子数密度两项羽流参数的问题，无法精准地确定出电推力器的羽流流场特性。

发明内容

为了克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供一种推力器羽流参数测量系统、方法及装置，其具有粒子收集能力强、羽流参数测量准确度高以及可测羽流参数种类多的特点，能够针对待测推力器精准地确定出其对应的羽流流场特性，为评估推力器性能和保证航天器安全提供数据支持。

就系统而言，本申请实施例提供一种推力器羽流参数测量系统，所述测量系统包括扫描电源、采集设备、计算设备及两根收集探针，其中两根所述收集探针相对于待测推力器的中轴线对称设置，两根所述收集探针各自的粒子收集侧面相向设置并与所述待测推力器的离子喷射口所在的平面垂直；

所述扫描电源的正负极各自连接一根所述收集探针，用于为所述收集探针提供扫描电压，以通过两根所述收集探针之间形成的电场对所述待测推力器产生的离子体羽流进行粒子收集；

所述采集设备与两根所述收集探针连接，用于采集粒子收集过程中的两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流；

所述计算设备与所述采集设备连接，用于根据采集到的两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流计算得到所述待测推力器所对应的羽流参数，其中所述羽流参数包括电子温度、离子数密度、离子流速及空间电位。

就方法而言，本申请实施例提供一种推力器羽流参数测量方法，所述方法应用于上述推力器羽流参数测量系统中的计算设备，所述方法包括：

实时获取由采集设备采集的两根收集探针在扫描电源的作用下对待测推力器进行粒子收集时的两个粒子收集侧面之间的电压及电流；

根据获取到的两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流确定出所述收集探针在粒子收集过程中的伏安特性曲线；

根据所述伏安特性曲线计算由所述待测推力器产生的离子体羽流所对应的电子温度；

根据所述伏安特性曲线及所述收集探针的粒子收集侧面面积计算所述离子体羽流所对应的离子数密度；

根据所述伏安特性曲线计算所述离子体羽流所对应的空间电位；

根据所述离子数密度、所述空间电位、两根所述收集探针之间的侧面间距以及所述粒子收集侧面面积，计算所述离子体羽流所对应的离子流速。

就装置而言，本申请实施例提供一种推力器羽流参数测量装置，所述装置应用于上述推力器羽流参数测量系统中的计算设备，所述装置包括：

电参数获取模块，用于实时获取由采集设备采集的两根收集探针在扫描电源的作用下对待测推力器进行粒子收集时的两个粒子收集侧面之间的电压及电流；

特性确定模块，用于根据获取到的两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流确定出所述收集探针在粒子收集过程中的伏安特性曲线；

温度计算模块，用于根据所述伏安特性曲线计算由所述待测推力器产生的离子体羽流所对应的电子温度；

密度计算模块，用于根据所述伏安特性曲线及所述收集探针的粒子收集侧面面积计算所述离子体羽流所对应的离子数密度；

电位计算模块，用于根据所述伏安特性曲线计算所述离子体羽流所对应的空间电位；

流速计算模块，用于根据所述离子数密度、所述空间电位、两根所述收集探针之间的侧面间距以及所述粒子收集侧面面积，计算所述离子体羽流所对应的离子流速。

相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：

本申请通过将两根收集探针相对于待测推力器的中轴线对称设置，并将两根所述收集探针各自的粒子收集侧面相向设置且与所述待测推力器的离子喷射口所在的平面垂直的方式，确定两根收集探针与待测推力器之间的相对位置。而后，本申请通过扫描电源在两根所述收集探针上施加扫描电压以在两根所述收集探针之间形成电场，并通过两根所述收集探针之间形成的电场对所述待测推力器产生的离子体羽流进行粒子收集，从而提高粒子收集能力及羽流参数测量准确度。然后，本申请通过采集设备采集两根所述收集探针各自的粒子收集侧面之间的电压及电流，并由计算设备根据采集到的与两根所述收集探针之间的电场存在关联关系的电压与电流计算得到包括电子温度、离子数密度、离子流速及空间电位的羽流参数，从而提高可测羽流参数种类数目，以通过得到的各项羽流参数精准地确定出待测推力器的羽流流场特性，为评估推力器性能和保证航天器安全提供数据支持。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本申请较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请保护范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的推力器羽流参数测量系统的组成示意图；

图2为图1中Ⅰ部的放大示意图；

图3为图1中计算设备的方框示意图；

图4为本申请实施例提供的推力器羽流参数测量方法的流程示意图；

图5为图4中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图；

图6为图4中的步骤S240包括的子步骤的流程示意图；

图7为图4中的步骤S250包括的子步骤的流程示意图；

图8为图4中的步骤S260包括的子步骤的流程示意图；

图9为本申请实施例提供的推力器羽流参数测量装置的方框示意图。

图标：10-推力器羽流参数测量系统；11-收集探针；12-扫描电源；13-采集设备；14-探针固定件；141-第一固定板；142-第二固定板；143-承载板；15-探针护套；20-计算设备；30-待测推力器；21-存储器；22-存储控制器；23-处理器；100-推力器羽流参数测量装置；110-电参数获取模块；120-特性确定模块；130-温度计算模块；140-密度计算模块；150-电位计算模块；160-流速计算模块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参照图1，是本申请实施例提供的推力器羽流参数测量系统10的组成示意图。在本申请实施例中，所述推力器羽流参数测量系统10可用于对电推力器产生的离子体羽流进行收集能力强的粒子收集操作，并对该电推力器对应的多种羽流参数进行准确度高的测量操作，从而精准地确定出该电推力器的羽流流场特性，为评估推力器性能和保证航天器安全提供数据支持。其中，所述推力器羽流参数测量系统10包括扫描电源12、采集设备13、计算设备20及两根收集探针11。

在本实施例中，每根所述收集探针11包括用于收集电子或离子等粒子的粒子收集侧面，其中两根所述收集探针11各自的粒子收集侧面的形状及大小均相同，所述粒子收集侧面的形状可以是圆形，也可以是矩形，还可以是正六边形。

在本实施例中，所述推力器羽流参数测量系统10在对待测推力器30进行羽流参数测量时，所述推力器羽流参数测量系统10中的两根所述收集探针11将被设置在所述待测推力器30的靠近离子喷射口的一侧，并处于该待测推力器30产生的离子体羽流的流场覆盖范围内。

其中，两根所述收集探针11相对于该待测推力器30的中轴线对称设置，两根所述收集探针11各自的粒子收集侧面相向且间隔设置，且每根所述收集探针11的粒子收集侧面均与所述待测推力器30的离子喷射口所在的平面垂直。

在本实施例中，所述扫描电源12用于为两根所述收集探针11提供扫描电压。所述扫描电源12的正负极各自连接一根所述收集探针11，用于为所述收集探针11提供扫描电压，以通过施加在两根所述收集探针11上的扫描电压在两根所述收集探针11之间形成电场，并通过形成的电场对所述待测推力器30产生的离子体羽流进行粒子收集，从而确保所述推力器羽流参数测量系统10相较于现有技术中的测量系统具有更强的粒子收集能力及羽流参数测量准确度。

其中，所述扫描电压的数值可根据需求进行调整，两根所述收集探针11在产生的电场的作用下会从所述离子体羽流中接受具有一定能量的电子或离子进入到两根所述收集探针11的鞘层，从而在两个所述粒子收集侧面之间形成电流。

在本实施例中，所述采集设备13与两根所述收集探针11连接，用于采集粒子收集过程中的两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流，其中两个所述粒子收集侧面之间的电压为两根所述收集探针11之间的电压差。

在本实施例中，所述计算设备20与所述采集设备13连接，用于根据采集到的两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流计算得到所述待测推力器30所对应的包括电子温度、离子数密度、离子流速及空间电位的羽流参数，以确保所述推力器羽流参数测量系统10相较于现有技术中的测量系统具有更多的可测羽流参数种类数目，从而通过得到的各项羽流参数精准地确定出该待测推力器30的羽流流场特性，为评估推力器性能和保证航天器安全提供数据支持。

请结合参照图2及图1，其中图2是图1中Ⅰ部的放大示意图。在本申请实施例中，所述推力器羽流参数测量系统10还可以包括探针固定件14，所述探针固定件14用于固定两根所述收集探针11。

其中，所述探针固定件14设置在所述待测推力器30的靠近离子喷射口的一侧，并与两根所述收集探针11固定连接，以将两根所述收集探针11设置在所述离子体羽流的流场覆盖范围内，并将两根所述收集探针11间隔设置。

在本实施例中，所述探针固定件14为U型结构。所述探针固定件14包括第一固定板141、第二固定板142及承载板143。所述承载板143的一端与所述第一固定板141固定连接，所述承载板143的另一端与所述第二固定板142固定连接，其中所述第一固定板141与所述第二固定板142各自与所述承载板143垂直，所述第一固定板141与所述第二固定板142各自连接一根所述收集探针11。

在本申请实施例中，所述推力器羽流参数测量系统10还可以包括两个探针护套15。每一探针护套15套设在对应的所述收集探针11上，用于对该收集探针11进行保护，并防止该收集探针11的除所述粒子收集侧面之外的侧面收集粒子。其中，所述探针护套15可采用热变形量较小的陶瓷材料制造得到，所述陶瓷材料可以是钨-陶瓷材料。

请参照图3，图3是图1中计算设备20的方框示意图。在本申请实施例中，所述计算设备20包括存储器21、存储控制器22、处理器23及推力器羽流参数测量装置100。所述存储器21、所述存储控制器22及所述处理器23各个元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，所述存储器21、所述存储控制器22及所述处理器23这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。

在本实施例中，所述存储器21可以是，但不限于，随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(ProgrammableRead-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM)等。其中，存储器21用于存储程序，所述处理器23在接收到执行指令后，执行所述程序。所述处理器23以及其他可能的组件对存储器21的访问可在所述存储控制器22的控制下进行。

在本实施例中，所述处理器23可以是一种具有信号的处理能力的集成电路芯片。所述处理器23可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)及网络处理器(Network Processor，NP)等。还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。其中，通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。

在本实施例中，所述推力器羽流参数测量装置100包括至少一个能够以软件或固件的形式存储于所述存储器21中或固化在所述计算设备20的操作系统中的软件功能模块。所述处理器23可用于执行所述存储器21存储的可执行模块，例如所述推力器羽流参数测量装置100所包括软件功能模块及计算机程序等。

可以理解的是，图3所示的方框示意图仅为计算设备20的一种结构组成示意图，所述计算设备20还可包括比图3中所示更多或者更少的组件，或者具有与图3所示不同的配置。图3中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

请参照图4，是本申请实施例提供的推力器羽流参数测量方法的流程示意图。在本申请实施例中，所述推力器羽流参数测量方法应用于上述的计算设备20，下面对图4所示的推力器羽流参数测量方法的具体流程和步骤进行详细阐述。

步骤S210，实时获取由采集设备13采集的两根收集探针11在扫描电源12的作用下对待测推力器30进行粒子收集时的两个粒子收集侧面之间的电压及电流。

在本实施例中，所述计算设备20可通过与采集设备13之间的连接，实施获取该采集设备13采集到的两根所述收集探针11的粒子收集侧面之间的电压及电流，其中两根所述收集探针11的粒子收集侧面之间的电压及电流是由两根所述收集探针11在扫描电源12的作用下形成的电场通过对所述待测推力器30产生的离子体羽流进行粒子收集得到。

步骤S220，根据获取到的两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流确定出所述收集探针11在粒子收集过程中的伏安特性曲线。

在本实施例中，所述计算设备20通过对获取到的两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流进行数据分析，得到两根所述收集探针11之间的电场在粒子收集过程中对应的伏安特性曲线。

步骤S230，根据所述伏安特性曲线计算由所述待测推力器30产生的离子体羽流所对应的电子温度。

可选地，请参照图5，图5是图4中的步骤S230包括的子步骤的流程示意图。在本实施例中，所述步骤S230可以包括子步骤S231及子步骤S232。

子步骤S231，确定出所述伏安特性曲线中的离子电流处于饱和状态的曲线段，并根据该曲线段确定出离子饱和电流。

在本实施例中，所述扫描电源12所施加的扫描电压需确保两个所述粒子收集侧面之间的电流能够覆盖离子饱和电流及电子饱和电流。所述计算设备20通过提取出所述伏安特性曲线中的离子电流处于饱和状态的曲线段，并对该曲线段进行线条延长直至与变量为电流数值的坐标轴相交，而后以交点所对应的电流数值作为与该曲线段对应的离子饱和电流。

子步骤S232，根据电子温度与离子饱和电流以及两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流的对应关系计算得到所述电子温度。

在本实施例中，所述计算设备20中的存储器21可存储有所述电子温度与离子饱和电流以及两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流的对应关系。所述计算设备20在得到所述离子饱和电流后，将基于与电子温度相关的对应关系计算出所述电子温度的具体数值。

其中，所述电子温度与离子饱和电流以及两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流的对应关系可采用如下式子进行表示：

其中，T_e表示对应离子体羽流的电子温度，I_i表示两根所述收集探针11之间的离子饱和电流，I_p表示两个所述粒子收集侧面之间的电流，V_B表示两个所述粒子收集侧面之间的电压。

步骤S240，根据所述伏安特性曲线及所述收集探针11的粒子收集侧面面积计算所述离子体羽流所对应的离子数密度。

可选地，请参照图6，图6是图4中的步骤S240包括的子步骤的流程示意图。在本实施例中，所述步骤S240包括子步骤S241及子步骤S242。

子步骤S241，根据所述伏安特性曲线确定出两个所述粒子收集侧面之间的电压为零时的第一曲线斜率。

在本实施例中，所述计算设备20可根据确定出的所述伏安特性曲线，得到该伏安特性曲线在两个所述粒子收集侧面之间的电压数值为零时的曲线斜率，并以该曲线斜率作为所述第一曲线斜率。

子步骤S242，根据离子数密度与粒子收集侧面面积、离子饱和电流及第一曲线斜率之间的对应关系，计算得到所述离子数密度。

在本实施例中，所述计算设备20中的存储器21可存储有所述离子数密度与粒子收集侧面面积、离子饱和电流及第一曲线斜率之间的对应关系。所述计算设备20在得到所述第一曲线斜率及所述离子饱和电流后，将基于与离子数密度相关的对应关系计算出所述离子数密度的具体数值。

其中，所述离子数密度与粒子收集侧面面积、离子饱和电流及第一曲线斜率之间的对应关系可采用如下式子表示：

其中，n_i表示对应离子体羽流的离子数密度，e表示电子电荷量，A_p表示任意一根所述收集探针11的粒子收集侧面面积，k₀表示所述伏安特性曲线在两个所述粒子收集侧面之间的电压为零时的第一曲线斜率，I_i表示离子饱和电流，m_i表示离子质量。

步骤S250，根据所述伏安特性曲线计算所述离子体羽流所对应的空间电位。

可选地，请参照图7，图7是图4中的步骤S250包括的子步骤的流程示意图。在本实施例中，所述步骤S250包括子步骤S251及子步骤S252。

子步骤S251，根据所述伏安特性曲线在离子电流处于饱和状态时的曲线段，确定出该曲线段的第二曲线斜率。

在本实施例中，当所述计算设备20提取出所述伏安特性曲线中的离子电流处于饱和状态的曲线段后，会针对该曲线段确定出其对应的曲线斜率，并以该曲线斜率作为所述第二曲线斜率。

子步骤S252，根据空间电位与离子饱和电流及第二曲线斜率之间的对应关系，计算得到所述空间电位。

在本实施例中，所述计算设备20中的存储器21可存储有所述空间电位与离子饱和电流及第二曲线斜率之间的对应关系。所述计算设备20在得到所述第二曲线斜率及所述离子饱和电流后，将基于与空间电位的对应关系计算出所述空间电位的具体数值。

其中，所述空间电位与离子饱和电流及第二曲线斜率之间的对应关系可采用如下式子表示：

其中，V_p表示对应离子体羽流的空间电位，I_i表示离子饱和电流，k₁表示所述伏安特性曲线在离子电流处于饱和状态时的曲线段所对应的第二曲线斜率。

步骤S260，根据所述离子数密度、所述空间电位、两根所述收集探针11之间的侧面间距以及所述粒子收集侧面面积，计算所述离子体羽流所对应的离子流速。

可选地，请参照图8，图8是图4中的步骤S260包括的子步骤的流程示意图。在本实施例中，所述步骤S260包括子步骤S261及子步骤S262。

子步骤S261，根据所述粒子收集侧面面积确定出所述收集探针11对应的粒子收集半径。

在本实施例中，所述计算设备20可针对收集探针11的粒子收集侧面面积进行圆形转换，求得圆形面积等于该粒子收集侧面面积时的圆形半径，并以该圆形半径作为所述收集探针11对应的粒子收集半径。

子步骤S262，根据计算出的所述离子数密度、所述空间电位、所述粒子收集半径，以及离子流速与离子数密度、空间电位、粒子收集半径及侧面间距之间的对应关系，计算得到所述离子流速。

在本实施例中，所述计算设备20中的存储器21可存储有所述离子流速与离子数密度、空间电位、粒子收集半径及侧面间距之间的对应关系。所述计算设备20在得到所述离子数密度、所述空间电位及所述粒子收集半径后，将基于与离子流速对应的对应关系计算出所述离子流速的具体数值。

其中，所述离子流速与离子数密度、空间电位、粒子收集半径及侧面间距之间的对应关系可采用如下式子表示：

其中，v表示对应离子体羽流的离子流速，n_i表示计算出的离子数密度，e表示电子电荷量，m_i表示离子质量，I_i表示确定出的离子饱和电流，H表示两个所述粒子收集侧面之间的间距，N_A表示阿伏伽德罗常数(6.02×10²³mol^-1)，V_p表示计算出的空间电位，R表示粒子收集半径，l表示被积分的收集半径数值，其数值范围为0～R。

在本申请实施例中，所述计算设备20中的存储器21还可存储电子数密度与电子饱和电流、电子温度及粒子收集侧面面积之间的对应关系，所述计算设备20基于与电子数密度相关的对应关系计算所述离子体羽流对应的电子数密度。

其中，所述计算设备20通过提取出所述伏安特性曲线中的电子电流处于饱和状态的曲线段，并对该曲线段进行线条延长直至与变量为电流数值的坐标轴相交，而后以交点所对应的电流数值作为所述电子饱和电流。所述电子数密度与电子饱和电流、电子温度及粒子收集侧面面积之间的对应关系可采用如下式子进行表示：

其中，n_e表示对应离子体羽流的电子数密度，T_e表示对应离子体羽流的电子温度，I_e表示两根所述收集探针11之间的电子饱和电流，A_p表示任意一根所述收集探针11的粒子收集侧面面积，m_e表示电子质量。

可选地，请参照图9，图9是本申请实施例提供的推力器羽流参数测量装置100的方框示意图。在本申请实施例中，所述推力器羽流参数测量装置100包括电参数获取模块110、特性确定模块120、温度计算模块130、密度计算模块140、电位计算模块150及流速计算模块160。

所述电参数获取模块110，用于实时获取由采集设备13采集的两根收集探针11在扫描电源12的作用下对待测推力器30进行粒子收集时的两个粒子收集侧面之间的电压及电流。

在本实施例中，所述电参数获取模块110可以执行图4中的步骤S210，具体的执行过程可参照上文中对步骤S210的详细描述。

所述特性确定模块120，用于根据获取到的两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流确定出所述收集探针11在粒子收集过程中的伏安特性曲线。

所述温度计算模块130，用于根据所述伏安特性曲线计算由所述待测推力器30产生的离子体羽流所对应的电子温度。

在本实施例中，所述温度计算模块130可以执行图5中的子步骤S231及子步骤S232，具体的执行过程可参照上文中对子步骤S231及子步骤S232的详细描述。

所述密度计算模块140，用于根据所述伏安特性曲线及所述收集探针11的粒子收集侧面面积计算所述离子体羽流所对应的离子数密度。

在本实施例中，所述密度计算模块140可以执行图6中的子步骤S241及子步骤S242，具体的执行过程可参照上文中对子步骤S241及子步骤S242的详细描述。

所述电位计算模块150，用于根据所述伏安特性曲线计算所述离子体羽流所对应的空间电位。

在本实施例中，所述电位计算模块150可以执行图7中的子步骤S251及子步骤S252，具体的执行过程可参照上文中对子步骤S251及子步骤S252的详细描述。

所述流速计算模块160，用于根据所述离子数密度、所述空间电位、两根所述收集探针11之间的侧面间距以及所述粒子收集侧面面积，计算所述离子体羽流所对应的离子流速。

在本实施例中，所述流速计算模块160可以执行图8中的子步骤S261及子步骤S262，具体的执行过程可参照上文中对子步骤S261及子步骤S262的详细描述。

在本实施例中，所述密度计算模块140，还用于根据所述伏安特性曲线，以及电子数密度与电子饱和电流、电子温度及粒子收集侧面面积之间的对应关系，计算所述离子体羽流对应的电子数密度。

综上所述，在本申请提供的推力器羽流参数测量系统、方法及装置中，本申请通过将两根收集探针相对于待测推力器的中轴线对称设置，并将两根所述收集探针各自的粒子收集侧面相向设置且与所述待测推力器的离子喷射口所在的平面垂直的方式，确定两根收集探针与待测推力器之间的相对位置。而后，本申请通过扫描电源在两根所述收集探针上施加扫描电压以在两根所述收集探针之间形成电场，并通过两根所述收集探针之间形成的电场对所述待测推力器产生的离子体羽流进行粒子收集，从而提高粒子收集能力及羽流参数测量准确度。然后，本申请通过采集设备采集两根所述收集探针各自的粒子收集侧面之间的电压及电流，并由计算设备根据采集到的与两根所述收集探针之间的电场存在关联关系的电压与电流计算得到包括电子温度、离子数密度、离子流速及空间电位的羽流参数，从而提高可测羽流参数种类数目，以通过得到的各项羽流参数精准地确定出待测推力器的羽流流场特性，为评估推力器性能和保证航天器安全提供数据支持。

以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，所作的可轻易想到的修改变化或等同替换，均应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种推力器羽流参数测量系统，其特征在于，所述系统包括扫描电源、采集设备、计算设备及两根收集探针，其中两根所述收集探针相对于待测推力器的中轴线对称设置，两根所述收集探针各自的粒子收集侧面相向设置并与所述待测推力器的离子喷射口所在的平面垂直；

所述扫描电源的正负极各自连接一根所述收集探针，用于为所述收集探针提供扫描电压，以通过两根所述收集探针之间形成的电场对所述待测推力器产生的离子体羽流进行粒子收集；

所述采集设备与两根所述收集探针连接，用于采集粒子收集过程中的两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流；

所述计算设备与所述采集设备连接，用于根据采集到的两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流计算得到所述待测推力器所对应的羽流参数，其中所述羽流参数包括电子温度、离子数密度、离子流速及空间电位；

其中，所述计算设备基于离子流速与离子数密度、空间电位、粒子收集半径及侧面间距之间的对应关系计算所述待测推力器的离子流速，所述离子流速与离子数密度、空间电位、粒子收集半径及侧面间距之间的对应关系采用如下式子表示：

其中，v表示离子流速，n_i表示离子数密度，e表示电子电荷量，m_i表示离子质量，I_i表示离子饱和电流，H表示两个所述粒子收集侧面之间的侧面间距，N_A表示阿伏伽德罗常数，V_p表示空间电位，R表示所述粒子收集侧面的粒子收集半径，l表示被积分的收集半径数值，其数值范围为0～R。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括探针固定件；

所述探针固定件设置在所述待测推力器的靠近离子喷射口的一侧，并与两根所述收集探针固定连接，以使两根所述收集探针处于所述离子体羽流的流场覆盖范围内，其中所述探针固定件将两根所述收集探针间隔设置。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述探针固定件为U型结构，所述探针固定件包括第一固定板、第二固定板及承载板，其中所述第一固定板与所述第二固定板各自连接一根所述收集探针；

所述承载板的一端与所述第一固定板固定连接，所述承载板的另一端与所述第二固定板固定连接，其中所述第一固定板与所述第二固定板各自与所述承载板垂直。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括两个探针护套；

每一探针护套套设在对应的所述收集探针上，用于对该收集探针进行保护，并防止该收集探针的除所述粒子收集侧面之外的侧面收集粒子。

5.一种推力器羽流参数测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-4中任意一项所述的推力器羽流参数测量系统中的计算设备，所述方法包括：

实时获取由采集设备采集的两根收集探针在扫描电源的作用下对待测推力器进行粒子收集时的两个粒子收集侧面之间的电压及电流；

根据获取到的两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流确定出所述收集探针在粒子收集过程中的伏安特性曲线；

根据所述伏安特性曲线计算由所述待测推力器产生的离子体羽流所对应的电子温度；

根据所述伏安特性曲线及所述收集探针的粒子收集侧面面积计算所述离子体羽流所对应的离子数密度；

根据所述伏安特性曲线计算所述离子体羽流所对应的空间电位；

根据所述离子数密度、所述空间电位、两根所述收集探针之间的侧面间距以及所述粒子收集侧面面积，计算所述离子体羽流所对应的离子流速。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述伏安特性曲线计算由所述待测推力器产生的离子体羽流所对应的电子温度，包括：

确定出所述伏安特性曲线中的离子电流处于饱和状态的曲线段，并根据该曲线段确定出离子饱和电流；

根据电子温度与离子饱和电流以及两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流的对应关系计算得到所述电子温度；

其中，所述电子温度与离子饱和电流以及两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流的对应关系采用如下式子表示：

其中，T_e表示电子温度，I_i表示离子饱和电流，I_p表示两个所述粒子收集侧面之间的电流，V_B表示两个所述粒子收集侧面之间的电压。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述伏安特性曲线及所述收集探针的粒子收集侧面面积计算所述离子体羽流所对应的离子数密度，包括：

根据所述伏安特性曲线确定出两个所述粒子收集侧面之间的电压为零时的第一曲线斜率；

根据离子数密度与粒子收集侧面面积、离子饱和电流及第一曲线斜率之间的对应关系，计算得到所述离子数密度；

其中，所述离子数密度与粒子收集侧面面积、离子饱和电流及第一曲线斜率之间的对应关系采用如下式子表示：

其中，n_i表示离子数密度，e表示电子电荷量，A_p表示粒子收集侧面面积，k₀表示所述伏安特性曲线在两个所述粒子收集侧面之间的电压为零时的第一曲线斜率，I_i表示离子饱和电流，m_i表示离子质量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述伏安特性曲线计算所述离子体羽流所对应的空间电位，包括：

根据所述伏安特性曲线在离子电流处于饱和状态时的曲线段，确定出该曲线段的第二曲线斜率；

根据空间电位与离子饱和电流及第二曲线斜率之间的对应关系，计算得到所述空间电位；

其中，所述空间电位与离子饱和电流及第二曲线斜率之间的对应关系采用如下式子表示：

其中，V_p表示空间电位，I_i表示离子饱和电流，k₁表示所述伏安特性曲线在离子电流处于饱和状态时的曲线段所对应的第二曲线斜率。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述离子数密度、所述空间电位、两根所述收集探针之间的侧面间距以及所述粒子收集侧面面积，计算所述离子体羽流所对应的离子流速，包括：

根据所述粒子收集侧面面积确定出所述收集探针对应的粒子收集半径；

根据计算出的所述离子数密度、所述空间电位、所述粒子收集半径，以及离子流速与离子数密度、空间电位、粒子收集半径及侧面间距之间的对应关系，计算得到所述离子流速。

10.一种推力器羽流参数测量装置，其特征在于，应用于权利要求1-4中任意一项所述的推力器羽流参数测量系统中的计算设备，所述装置包括：

电参数获取模块，用于实时获取由采集设备采集的两根收集探针在扫描电源的作用下对待测推力器进行粒子收集时的两个粒子收集侧面之间的电压及电流；

特性确定模块，用于根据获取到的两个所述粒子收集侧面之间的电压及电流确定出所述收集探针在粒子收集过程中的伏安特性曲线；

温度计算模块，用于根据所述伏安特性曲线计算由所述待测推力器产生的离子体羽流所对应的电子温度；

密度计算模块，用于根据所述伏安特性曲线及所述收集探针的粒子收集侧面面积计算所述离子体羽流所对应的离子数密度；

电位计算模块，用于根据所述伏安特性曲线计算所述离子体羽流所对应的空间电位；

流速计算模块，用于根据所述离子数密度、所述空间电位、两根所述收集探针之间的侧面间距以及所述粒子收集侧面面积，计算所述离子体羽流所对应的离子流速。

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