CN110333019A - 一种用于测量电推力器动压特性的压力探针及测量系统 - Google Patents

一种用于测量电推力器动压特性的压力探针及测量系统 Download PDF

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汤海滨
潘若剑
章喆
王一白
任军学
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Abstract

本发明公开了一种用于测量电推力器动压特性的压力探针及测量系统，压力探针中支撑杆的一端固定，另一端固定一目标靶，在支撑杆中间位置固定两个平面镜，利用两个激光位移传感器测量目标靶受力前后两个平面镜产生的线性位移，根据胡克定律将位移参数转换为受力参数，可以得到压力探针受到电推力器动压产生的力的大小，从而可以得到电推力器的推力参数、羽流分布情况和溅射情况，目标靶是直接接触束流的测量部分，通过冲量产生的效应把动压特性转化成受力特性，受力特性的测量相比于动量测量更简单、精确，上述压力探针通过接触式测量方法对电推力器的束流动压特性进行测量，具有原理简单、误差小、测量精度和灵敏度高等特点。

Description

一种用于测量电推力器动压特性的压力探针及测量系统
技术领域
本发明涉及电推进等离子体测量技术领域，尤其涉及一种用于测量电推力器动压特性的压力探针及测量系统。
背景技术
电推进与传统的化学推进不同，是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式。与传统的化学推力器相比，电推力器具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、卫星的轨道保持、多航天器的编队飞行、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。
电推力器在真空中工作时，高速喷出的等离子体会产生持续的动量，并产生动压特性。研究电推力器的动压特性可以得到电推力器的推力参数、羽流分布情况和溅射情况，这对于电推力器的性能研究具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于测量电推力器动压特性的压力探针及测量系统，用以测量电推力器的束流动压特性。
因此，本发明提供了一种用于测量电推力器动压特性的压力探针，包括：用于固定所述压力探针位置的第一固定部、一端与所述第一固定部固定连接的支撑杆、与所述支撑杆的另一端固定连接的目标靶、与所述支撑杆固定连接的反射镜；其中，所述反射镜包括互不平行的两个平面镜；
还包括：与两个所述平面镜对应设置的两个激光位移传感器以及用于固定所述两个激光位移传感器的第二固定部；其中，每个所述激光位移传感器的光轴垂直于对应的平面镜；
所述目标靶，用于接收所述电推力器的束流；
每个所述激光位移传感器，用于测量在所述目标靶接收所述电推力器的束流前后，该激光位移传感器对应的平面镜产生的线性位移。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述压力探针中，所述支撑杆为陶瓷杆。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述压力探针中，两个所述平面镜之间的夹角为直角。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述压力探针中，两个所述平面镜固定连接；
所述反射镜，还包括：与两个所述平面镜固定连接的支撑板；
两个所述平面镜与所述支撑板构成三棱柱。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述压力探针中，还包括：保护罩；
所述保护罩用于将所述目标靶的侧面包裹在内，所述目标靶的正面暴露在外；
所述保护罩用于将所述目标靶与所述反射镜之间的支撑杆包裹在内。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述压力探针中，还包括：与所述支撑杆连接所述目标靶的一端固定连接的阻尼器。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述压力探针中，所述保护罩还用于将所述阻尼器包裹在内。
本发明还提供了一种用于测量电推力器动压特性的测量系统，包括：真空仓以及位于所述真空仓内的电推力器和本发明提供的上述压力探针；其中，
所述电推力器的束流溅射在所述压力探针的目标靶上。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述测量系统中，还包括：位于所述真空仓内的旋转测试台；
所述压力探针中的第一固定部与所述旋转测试台固定连接。
本发明提供的上述用于测量电推力器动压特性的压力探针及测量系统，压力探针中支撑杆的一端固定在第一固定部上，另一端固定一目标靶，在支撑杆上第一固定部与目标靶之间固定两个平面镜，利用两个激光位移传感器对目标靶受力前后两个平面镜产生的微小线性位移进行测量，根据胡克定律将位移参数转换为受力参数，可以得到压力探针受到电推力器动压产生的力的大小，从而可以得到电推力器的推力参数、羽流分布情况和溅射情况，目标靶是直接接触束流的测量部分，通过冲量产生的效应把动压特性转化成受力特性，受力特性的测量相比于动量测量更简单、精确，上述压力探针通过接触式测量方法对电推力器的束流动压特性进行测量，测量对象可以为电推进领域的各种推力器，可以测量动压受力特性、溅射大小、推力大小等参数，具有原理简单、误差小、测量精度高以及测量灵敏度高等特点；测量系统中的真空仓可以为地面设备提供真空环境，为电推力器的动压特性提供良好的背压环境，排除地面气压对于电推力器动压特性的影响，电推力器为测量系统提供等离子体束流，旋转测试台可以为压力探针提供测试的平台，通过旋转可以改变束流方向与目标靶法向方向的夹角以及合力与目标靶法向方向的夹角，通过改变来流方向和目标靶的法向方向，可以获得不同角度的合力值，可用于重复性实验和合力的回归误差分析，可以对力在目标靶面内和法向上受力的分布规律进行分析，通过分析目标靶的受力情况，可以分析得到压力探针的测量误差以及合力在目标靶面内和法向上的分布规律。
附图说明
图1为本发明实施例提供的用于测量电推力器动压特性的压力探针的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的用于测量电推力器动压特性的压力探针的测量原理图；
图3为本发明实施例提供的用于测量电推力器动压特性的测量系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。
本发明实施例提供的一种用于测量电推力器动压特性的压力探针，如图1所示，包括：用于固定压力探针位置的第一固定部1、一端与第一固定部1固定连接的支撑杆2、与支撑杆2的另一端固定连接的目标靶3、与支撑杆2固定连接的反射镜4；其中，反射镜4包括互不平行的两个平面镜5；
还包括：与两个平面镜5对应设置的两个激光位移传感器6以及用于固定两个激光位移传感器6的第二固定部7；其中，每个激光位移传感器6的光轴垂直于对应的平面镜5；
目标靶3，用于接收电推力器的束流；
每个激光位移传感器6，用于测量在目标靶3接收电推力器的束流前后，该激光位移传感器6对应的平面镜5产生的线性位移。
本发明实施例提供的上述压力探针，支撑杆的一端固定在第一固定部上，另一端固定一目标靶，在支撑杆上第一固定部与目标靶之间固定两个平面镜，利用两个激光位移传感器对目标靶受力前后两个平面镜产生的微小线性位移进行测量，根据胡克定律将位移参数转换为受力参数，可以得到压力探针受到电推力器动压产生的力的大小，从而可以得到电推力器的推力参数、羽流分布情况和溅射情况；目标靶是直接接触束流的测量部分，通过冲量产生的效应把动压特性转化成受力特性，受力特性的测量相比于动量测量更简单、精确；激光位移传感器可以准确测量不同的位移分量，测量精度和测量灵敏度高，测量误差小，可以起到测量微小受力带来的微小位移的作用；上述压力探针通过接触式测量方法对电推力器的束流动压特性进行测量，测量对象可以为电推进领域的各种推力器，可以测量动压受力特性、溅射大小、推力大小等参数，具有原理简单、误差小、测量精度高以及测量灵敏度高等特点。
下面对本发明实施例提供的上述压力探针的测量原理进行详细说明。如图2所示(为了便于标识，图2省去部分结构)，电推力器的束流溅射在压力探针中目标靶的正面，对目标靶产生推力，使得目标靶产生与该推力对应的线性位移，目标靶所受的推力与目标靶产生的线性位移之间满足胡克定律目标靶移动会通过支撑杆带动反射镜的两个平面镜发生移动，利用两个激光位移传感器可以测量对应的平面镜的线性位移和利用两个平面镜的线性位移可以计算得到目标靶所受的推力，具体有两种计算方法，一种计算方法是先通过三角计算求出反射镜处的合位移再根据胡克定律求出反射镜处的合力最后根据相似三角形求出目标靶所受的推力，另一种计算方法是先根据胡克定律求出两个平面镜的受力参数再通过三角计算求出反射镜处的合力最后根据相似三角形求出目标靶所受的推力。
需要说明的是，在本发明实施例提供的上述压力探针中，第一固定部可以为能够固定支撑杆且可以自由调整位置实现安装的任何结构，第二固定部可以为能够固定激光位移传感器且可以自由调整位置实现安装的任何结构，在此不做限定。
较佳地，在本发明实施例提供的上述压力探针中，支撑杆可以为陶瓷杆，因为陶瓷杆具有刚度大的特点，其产生的挠度小，利用陶瓷杆作为弹性构建，在目标靶受到来自于电推力器的束流的推力之后，相对于线性位移，可以忽略旋转效应，排除扭转位移对线性位移的影响，这样，可以使压力探针的测量精度和测量灵敏度更高。
当然，在本发明实施例提供的上述压力探针中，支撑杆的材质并非局限于陶瓷一种，还可以为其他刚性大的材质，只需满足刚性大的条件即可，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压力探针中，两个平面镜互不平行，即两个平面镜之间的夹角可以为直角，或者，两个平面镜之间的夹角也可以为锐角，或者，两个平面镜之间的夹角还可以为钝角，只需保证两个平面镜之间的夹角不是平角(180°)即可。较佳地，两个平面镜之间的夹角为直角，即两个平面镜正交垂直，这样，在利用三角计算求合位移或合力时，可以通过简单的勾股定理得到合位移或合力，而两个平面镜之间的夹角为锐角或钝角的情况，则需要进行复杂的三角计算来求得合位移或合力。
较佳地，在本发明实施例提供的上述压力探针中，如图1所示，两个平面镜5彼此固定连接，反射镜4还可以包括与两个平面镜5固定连接的支撑板8，两个平面镜5与支撑板8构成三棱柱的形状，这样，可以使反射镜4的结构更加稳固，在压力探针受到来自于电推力器的束流的推力作用时，可以避免产生对线性位移具有影响的其他位移而影响压力探针的测量精度。
进一步地，在本发明实施例提供的上述压力探针中，如图1所示，还可以包括：保护罩9；保护罩9可以将目标靶3的侧面包裹在内，只需将目标靶3的正面暴露在外即可，以接收来自于电推力器的束流；保护罩9还可以将目标靶3与反射镜4之间的支撑杆2包裹在内，这样，通过在目标靶3的侧面和支撑杆2接近等离子体束流的部分设置保护罩9，可以在压力探针进行束流测量的过程中对非接触部分(即目标靶3的侧面和支撑杆2接近等离子体束流的部分)进行良好的保护，排除干扰，防止电推力器产生的等离子体束流的溅射效应损伤压力探针，对压力探针带来腐蚀和损坏等不良影响，不仅可以提高压力探针的稳定性和精确度，还可以延长压力探针的使用寿命。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压力探针中，由于支撑杆的长度较长，在受力作用下，支撑杆会产生持续的受力变形和恢复力变形，从而会产生振荡的情况，影响压力探针的测量精度。较佳地，在本发明实施例提供的上述压力探针中，如图1所示，还可以包括：与支撑杆2连接目标靶3的一端固定连接的阻尼器10，通过将阻尼器10安装在支撑杆2上，可以起到增加压力探针的阻尼的作用，可以显著减小系统震动带来的测量误差，保证压力探针束流测量过程中的稳定性和准确性，提高压力探针的测量精度。
进一步地，在本发明实施例提供的上述压力探针中，如图1所示，保护罩9还用于将阻尼器10包裹在内(为了便于示出阻尼器，图1在保护罩的侧面开一切口，实际结构中保护罩能够将阻尼器完全包裹在内)，这样，可以在压力探针进行束流测量的过程中对阻尼器10进行良好的保护，排除干扰，防止电推力器产生的等离子体束流的溅射效应损伤阻尼器10，对阻尼器10带来腐蚀和损坏等不良影响，不仅可以提高压力探针的稳定性和精确度，还可以延长压力探针的使用寿命。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种用于测量电推力器动压特性的测量系统，如图3所示，包括：真空仓11以及位于真空仓11内的电推力器12和本发明实施例提供的上述压力探针13；其中，
电推力器12的束流溅射在压力探针13的目标靶上。
本发明实施例提供的上述测量系统，真空仓可以为地面设备提供真空环境，为电推力器的动压特性提供良好的背压环境，排除地面气压对于电推力器动压特性的影响；电推力器为测量系统提供等离子体束流，是实验中的测量对象，电推力器产生的束流具有多种动压特性，如溅射大小、推力大小、羽流分布特点等；压力探针通过接触式测量方法对电推力器的束流动压特性进行测量，测量对象可以为电推进领域的各种推力器，可以测量动压受力特性、溅射大小、推力大小等参数，具有原理简单、误差小、测量精度高以及测量灵敏度高等特点。
较佳地，在本发明实施例提供的上述测量系统中，如图3所示，还可以包括：位于真空仓11内的旋转测试台14；压力探针13中的第一固定部与旋转测试台14固定连接。将压力探针13安装在旋转测试台14上，旋转测试台14可以为压力探针13提供测试的平台，旋转测试台14通过旋转可以改变束流方向与目标靶法向方向的夹角α以及合力与目标靶法向方向的夹角β(如图2所示)，通过改变来流方向和目标靶的法向方向，可以获得不同角度的合力值，可用于重复性实验和合力的回归误差分析，可以对力在目标靶面内和法向上受力的分布规律进行分析，通过分析目标靶的受力情况，可以分析得到压力探针的测量误差以及合力在目标靶面内和法向上的分布规律。
本发明实施例提供的上述用于测量电推力器动压特性的压力探针及测量系统，压力探针中支撑杆的一端固定在第一固定部上，另一端固定一目标靶，在支撑杆上第一固定部与目标靶之间固定两个平面镜，利用两个激光位移传感器对目标靶受力前后两个平面镜产生的微小线性位移进行测量，根据胡克定律将位移参数转换为受力参数，可以得到压力探针受到电推力器动压产生的力的大小，从而可以得到电推力器的推力参数、羽流分布情况和溅射情况，目标靶是直接接触束流的测量部分，通过冲量产生的效应把动压特性转化成受力特性，受力特性的测量相比于动量测量更简单、精确，上述压力探针通过接触式测量方法对电推力器的束流动压特性进行测量，测量对象可以为电推进领域的各种推力器，可以测量动压受力特性、溅射大小、推力大小等参数，具有原理简单、误差小、测量精度高以及测量灵敏度高等特点；测量系统中的真空仓可以为地面设备提供真空环境，为电推力器的动压特性提供良好的背压环境，排除地面气压对于电推力器动压特性的影响，电推力器为测量系统提供等离子体束流，旋转测试台可以为压力探针提供测试的平台，通过旋转可以改变束流方向与目标靶法向方向的夹角以及合力与目标靶法向方向的夹角，通过改变来流方向和目标靶的法向方向，可以获得不同角度的合力值，可用于重复性实验和合力的回归误差分析，可以对力在目标靶面内和法向上受力的分布规律进行分析，通过分析目标靶的受力情况，可以分析得到压力探针的测量误差以及合力在目标靶面内和法向上的分布规律。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种用于测量电推力器动压特性的压力探针，其特征在于，包括：用于固定所述压力探针位置的第一固定部、一端与所述第一固定部固定连接的支撑杆、与所述支撑杆的另一端固定连接的目标靶、与所述支撑杆固定连接的反射镜；其中，所述反射镜包括互不平行的两个平面镜；
还包括：与两个所述平面镜对应设置的两个激光位移传感器以及用于固定所述两个激光位移传感器的第二固定部；其中，每个所述激光位移传感器的光轴垂直于对应的平面镜；
所述目标靶，用于接收所述电推力器的束流；
每个所述激光位移传感器，用于测量在所述目标靶接收所述电推力器的束流前后，该激光位移传感器对应的平面镜产生的线性位移。
2.如权利要求1所述的压力探针，其特征在于，所述支撑杆为陶瓷杆。
3.如权利要求1所述的压力探针，其特征在于，两个所述平面镜之间的夹角为直角。
4.如权利要求1所述的压力探针，其特征在于，两个所述平面镜固定连接；
所述反射镜，还包括：与两个所述平面镜固定连接的支撑板；
两个所述平面镜与所述支撑板构成三棱柱。
5.如权利要求1-4任一项所述的压力探针，其特征在于，还包括：保护罩；
所述保护罩用于将所述目标靶的侧面包裹在内，所述目标靶的正面暴露在外；
所述保护罩用于将所述目标靶与所述反射镜之间的支撑杆包裹在内。
6.如权利要求1-4任一项所述的压力探针，其特征在于，还包括：与所述支撑杆连接所述目标靶的一端固定连接的阻尼器。
7.如权利要求6所述的压力探针，其特征在于，所述保护罩还用于将所述阻尼器包裹在内。
8.一种用于测量电推力器动压特性的测量系统，其特征在于，包括：真空仓以及位于所述真空仓内的电推力器和如权利要求1-7任一项所述的压力探针；其中，
所述电推力器的束流溅射在所述压力探针的目标靶上。
9.如权利要求8所述的测量系统，其特征在于，还包括：位于所述真空仓内的旋转测试台；
所述压力探针中的第一固定部与所述旋转测试台固定连接。
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CN113466920A (zh) * 2021-07-02 2021-10-01 兰州空间技术物理研究所 一种电推进束流特性参数诊断设备

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