CN111308895A - 一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法，先获得聚焦状态方程；根据卫星控制系统给出的目标推力T^tar，获得推力控制方程。联立求解两个方程得到同时满足推力控制目标和最佳聚焦状态的离子密度n_i ^*，以此为离子密度调节目标，以供气流量和电离功率为控制量，以光学探头监测的离子密度n_i′为反馈量，对离子密度进行闭环控制。同时，将光学探头监测到的实时离子密度n_i′代入最佳聚焦状态方程可求得对应的引出电压U_t ^*，调节引出电压为U_t ^*实现聚焦状态的实时调节。本发明能够根据推力器的实际工作状态确定推力器聚焦状态调节的方案，保证在推力调节的过程中，栅极系统能够时刻处于最佳引出聚焦状态。

Description

一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化 的方法

技术领域

本发明涉及一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法，属于航天等离子体推进领域。

背景技术

离子推力器和霍尔推力器作为主流的等离子体推进装置在空间推进领域得到了广泛的应用。随着国家加大在空间科学研究领域的投入、商业航天的蓬勃发展以及新一代卫星平台开发的飞速推进，对等离子体推进系统提出了可变推力可变比冲的多模式需求，引力波探测、地球重力场测量等空间科学任务更是对推进系统提出了推力大范围连续可调的需求，给推力器在变工况条件下的性能提出了挑战。

对于一个几何参数确定的离子推力器栅极系统而言，只有当等离子体密度和引出电压满足一定的关系时，栅极系统的引出聚焦效果才能得到保障；否则会导致栅极系统工作在欠聚焦或过聚焦状态，引出离子被栅极系统大量截获，严重影响栅极系统寿命和推力器效率。在给空间推进任务带来隐患的同时，削弱电推进系统相对于其他系统所具有的高比冲带来的优势。当前航天等离子体推进领域对推力器变工况时栅极系统聚焦状态的控制尚属空白。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法，以解决栅极系统工作在欠聚焦或过聚焦状态，引出离子被栅极系统大量截获，严重影响栅极系统寿命和推力器效率的问题；以及在给空间推进任务带来隐患的同时，削弱电推进系统相对于其他系统所具有的高比冲带来的优势的问题。本发明该方法能够根据推力器的实际工作状态确定推力器聚焦状态调节的方案，保证在推力调节的过程中，栅极系统能够时刻处于最佳引出聚焦状态。

一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、利用光学实时在线监测方法，通过在栅极离子推力器放电腔内靠近栅极的加速引出区布置光学探头，实时监测栅极离子推力器引出加速区的离子密度n_i；

步骤二、推力调节指标分配方案，通过联立求解离子密度n_i与引出电压U_t的控制方程组，获得能够同时满足推力指标和栅极聚焦状态最优化的离子密度n_i ^*和引出电压U_t ^*；

其中，离子密度与引出电压的控制方程组由聚焦状态控制方程和推力调节控制方程组成，

推力调节控制方程为：

T^tar＝1.2566×10^-19·n_i·U_t·d_s ²，(N)

其中，K^opt为最佳引出状态对应的归一化导流系数，L_g表示栅极间距，d_s表示屏栅孔径；T^tar表示推力调节目标，由卫星控制系统给出；

步骤三、将n_i ^*作为离子密度目标参数，以供气流量m_g和电离功率P作为控制量，并以光学监测获得的离子密度n_i′作为反馈量，实现对离子密度n_i的闭环控制；

步骤四、利用实时获取的加速引出区离子密度n_i′，结合最佳聚焦状态对应的归一化导流系数K^opt确定引出电压调节量，给出引出电压调控指令实现对聚焦状态的实时优化控制。

进一步的，所述栅极离子推力器为以氙气作为工质的电子回旋共振推力器或射频离子推力器。

进一步的，在步骤一中，光学实时在线监测方法获得离子密度的具体方法为：

利用所布置的两个光学探头分别监测波长为828.011nm和788.739nm的氙原子谱线的谱线强度I₁，I₂，

计算谱线比R：

计算离子密度n_i：

进一步的，光学探头为配有窄带滤光片的光学二极管，实现对特定波长谱线光强的采集。

进一步的，两个光学探头的视线方向正对推力器轴线，光学探头安装的轴向位置靠近栅极。

进一步的，在步骤二中，确定最佳聚焦状态对应的归一化导流系数K^opt的方法包括：对于给定设计的栅极离子推力器，开展地面试验，测得加速引出区离子密度n_i′和加速栅截获电流C^int，改变引出电压U_t得到C^int随着归一化导流系数K变化的关系，截获电流变化趋势由随K减小到随K增大的拐点对应的归一化导流系数值即为K^opt。

进一步的，在步骤三中，具体包括以下步骤：

步骤三一、首先开展实验测定给定设计的离子推力器在不同供气流量m_g时对应的饱和功率P^max和最大离子密度n_i ^max，测定方案为：对每一个供气流量m_g，由小到大逐渐增大电离功率P，同时使用栅极附近的光探头监测离子密度n_i，可获得气流为m_g时，离子密度随电离功率变化的函数关系：

n_i＝f(P)

由于这类装置的特性，当供气流量为m_g时，存在一饱和功率P^max使得离子密度n_i不再随着功率P的增大而增大，此时离子密度取值为饱和离子密度n_i ^max；改变供气流量重新测量，获得饱和密度随供气流量变化的函数关系：

n_i ^max＝g(m_g)

步骤三二、在实际的控制工作中，将目标离子密度n_i ^*代入上式，得到以目标离子密度为饱和密度时对应的供气流量m_g ^*，并将其设定为推力器供气流量；

步骤三三、以电离功率P为控制量，以光探头监测获得的加速引出区离子密度n_i′为反馈量，利用函数f求得功率调节量，实现对离子密度n_i的闭环控制，这种控制策略能够提高推力器的工质利用率，提高推力器总冲。

本发明的主要优点是：本发明提出了一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法，以解决栅极系统工作在欠聚焦或过聚焦状态，引出离子被栅极系统大量截获，严重影响栅极系统寿命和推力器效率的问题；以及在给空间推进任务带来隐患的同时，削弱电推进系统相对于其他系统所具有的高比冲带来的优势的问题。本发明该方法能够根据推力器的实际工作状态确定推力器聚焦状态调节的方案，保证在推力调节的过程中，栅极系统能够时刻处于最佳引出聚焦状态。

附图说明

图1是本发明的一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法的流程图；

图2是本发明通过实验测定栅极截获电流随归一化导流系数变化关系的流程图；

图3是本发明通过实验测定不同供气流量，离子密度与电离功率关系的流程图；

图4是本发明通过调节供气流量和电离功率控制离子密度的流程图；

图5是本发明一个实施例的装有光学监测装置的离子推力器的三维示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法的一实施例，所述方法包括以下步骤：

步骤一、利用光学实时在线监测方法，通过在栅极离子推力器放电腔内靠近栅极的加速引出区布置光学探头，实时监测栅极离子推力器引出加速区的离子密度n_i；

步骤二、推力调节指标分配方案，通过联立求解离子密度n_i与引出电压U_t的控制方程组，获得能够同时满足推力指标和栅极聚焦状态最优化的离子密度n_i ^*和引出电压U_t ^*，

其中，离子密度与引出电压的控制方程组由聚焦状态控制方程和推力调节控制方程组成，

推力调节控制方程为：

T^tar＝1.2566×10^-19·n_i·U_t·d_s ²，(N)

其中，K^opt为最佳引出状态对应的归一化导流系数，L_g表示栅极间距，d_s表示屏栅孔径；T^tar表示推力调节目标，由卫星控制系统给出；

步骤三、将n_i ^*作为离子密度目标参数，以供气流量m_g和电离功率P作为控制量，并以光学监测获得的离子密度n_i′作为反馈量，实现对离子密度n_i的闭环控制；

步骤四、利用实时获取的加速引出区离子密度n_i′，结合最佳聚焦状态对应的归一化导流系数K^opt确定引出电压调节量，给出引出电压调控指令实现对聚焦状态的实时优化控制。

在本部分优选实施例中，所述栅极离子推力器为以氙气作为工质的电子回旋共振推力器或射频离子推力器。

在本部分优选实施例中，在步骤一中，光学实时在线监测方法获得离子密度的具体方法为：

利用所布置的两个光学探头分别监测波长为828.011nm和788.739nm的氙原子谱线的谱线强度I₁，I₂，

计算谱线比R：

计算离子密度n_i：

在本部分优选实施例中，光学探头为配有窄带滤光片的光学二极管，实现对特定波长谱线光强的采集。

在本部分优选实施例中，两个光学探头的视线方向正对推力器轴线，光学探头安装的轴向位置靠近栅极。

在本部分优选实施例中，在步骤二中，确定最佳聚焦状态对应的归一化导流系数K^opt的方法包括：对于给定设计的栅极离子推力器，开展地面试验，测得加速引出区离子密度n_i′和加速栅截获电流C^int，改变引出电压U_t得到C^int随着归一化导流系数K变化的关系，截获电流变化趋势由随K减小到随K增大的拐点对应的归一化导流系数值即为K^opt。

在本部分优选实施例中，在步骤三中，具体包括以下步骤：

步骤三一、首先开展实验测定给定设计的离子推力器在不同供气流量m_g时对应的饱和功率P^max和最大离子密度n_i ^max，测定方案为：对每一个供气流量m_g，由小到大逐渐增大电离功率P，同时使用栅极附近的光探头监测离子密度n_i，可获得气流为m_g时，离子密度随电离功率变化的函数关系：

n_i＝f(P)

由于这类装置的特性，当供气流量为m_g时，存在一饱和功率P^max使得离子密度n_i不再随着功率P的增大而增大，此时离子密度取值为饱和离子密度n_i ^max；改变供气流量重新测量，获得饱和密度随供气流量变化的函数关系：

n_i ^max＝g(m_g)

步骤三二、在实际的控制工作中，将目标离子密度n_i ^*代入上式，得到以目标离子密度为饱和密度时对应的供气流量m_g ^*，并将其设定为推力器供气流量；

步骤三三、以电离功率P为控制量，以光探头监测获得的加速引出区离子密度n_i′为反馈量，利用函数f求得功率调节量，实现对离子密度n_i的闭环控制，这种控制策略能够提高推力器的工质利用率，提高推力器总冲。

下面给出一个具体实施例：

结合图1～5说明本实施方式。图1～4为本发明的聚焦状态控制方法各个模块的实施流程，图5为本发明一个实施例的装有光学监测装置的离子推力器的三维示意图。首先论述利用安装在离子推力器放电腔3靠近栅极2处安装光学探头1获得推力器引出加速区离子密度n_i的方法。利用两个光学探头能够分别实时监测氙原子波长为828.011nm和788.739nm的谱线强度I₁，I₂。

将谱线强度I₁，I₂代入式(1)可计算得到谱线比R：

将谱线比R代入式(2)可计算得到离子密度n_i：

接下来论述对于一个给定设计的栅极离子推力器，确定聚焦状态控制参数的方法，通过地面实验获得，具体实验步骤如下：

推力器点火后，保持供气流量不变，从零开始由小到大调节引出电压U_t。每次引出电压调节后，待推力器工作稳定，利用前述光学探头监测谱线强度的方法测量推力器引出加速区离子密度n_i，同时测量推力器加速栅3截获电流C^int。由式(3)可得到不同引出电压对应的归一化导流系数K：

式中e为元电荷数，m_i表示离子质量，L_e为等效栅极间距，可由推力器几何尺寸计算得到，即利用栅极间距L_g和屏栅孔直径d_s由式(4)计算：

至此可获得截获电流C^int随归一化导流系数K变化的规律，得到截获电流C^int随着K增大而先减小后增大的曲线。曲线上，截获电流C^int变化趋势的拐点(或最小值)对应的归一化导流系数值即为该推力器的最佳聚焦归一化导流系数K^opt。

之后论述得到推力控制指令后，分配推力控制策略的方法，通过联立求解式(4)推力控制方程和式(5)聚焦状态控制方程实现：

聚焦状态控制方程为：

推力控制方程为：

T^tar＝1.2566×10^-19·n_i·U_t·d_s ²，(N)， (5)

式中K^opt为最佳引出状态对应的归一化导流系数，L_g表示栅极间距，d_s表示屏栅孔径；T^tar表示推力调节目标，由卫星控制系统给出。(4)、(5)两式中仅有n_i和U_t为未知量，联立可解得同时满足推力调节要求和聚焦优化条件的离子密度n_i ^*和引出电压U_t ^*。

最后介绍推力器聚焦状态的控制调节方法：

推力器工作时，利用装在推力器上的两个光学探头能够实时获取推力器引出加速区的离子密度n_i。以推力器供气流量m_g和电离功率P作为控制量，以加速引出区的离子密度n_i作为被控量，n_i ^*作为离子密度的调节目标，以光探头监测得到的离子密度作为反馈量，实现对离子密度n_i的闭环控制。

在调控离子密度的过程中，将光探头监测得到的离子密度和K^opt代入式(3)，可求出最佳聚焦状态对应的引出电压U_t，调节栅极引出电压为U_t即可保持推力器栅极引出聚焦效果处于较好的状态。

Claims (7)

1.一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、利用光学实时在线监测方法，通过在栅极离子推力器放电腔内靠近栅极的加速引出区布置光学探头，实时监测栅极离子推力器引出加速区的离子密度n_i；

步骤二、推力调节指标分配方案，通过联立求解离子密度n_i与引出电压U_t的控制方程组，获得能够同时满足推力指标和栅极聚焦状态最优化的离子密度n_i ^*和引出电压U_t ^*，

其中，离子密度与引出电压的控制方程组由聚焦状态控制方程和推力调节控制方程组成，

推力调节控制方程为：

T^tar＝1.2566×10^-19·n_i·U_t·d_s ²，(N)

其中，K^opt为最佳引出状态对应的归一化导流系数，L_g表示栅极间距，d_s表示屏栅孔径；T^tar表示推力调节目标，由卫星控制系统给出；

步骤三、将n_i ^*作为离子密度目标参数，以供气流量m_g和电离功率P作为控制量，并以光学监测获得的离子密度n_i′作为反馈量，实现对离子密度n_i的闭环控制；

步骤四、利用实时获取的加速引出区离子密度n_i′，结合最佳聚焦状态对应的归一化导流系数K^opt确定引出电压调节量，给出引出电压调控指令实现对聚焦状态的实时优化控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法，其特征在于，所述栅极离子推力器为以氙气作为工质的电子回旋共振推力器或射频离子推力器。

3.根据权利要求1所述的一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法，其特征在于，在步骤一中，光学实时在线监测方法获得离子密度的具体方法为：

利用所布置的两个光学探头分别监测波长为828.011nm和788.739nm的氙原子谱线的谱线强度I₁，I₂，

计算谱线比R：

计算离子密度n_i：

4.根据权利要求3所述的一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实施优化的方法，其特征在于，光学探头为配有窄带滤光片的光学二极管，实现对特定波长谱线光强的采集。

5.根据权利要求3所述的一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实施优化的方法，其特征在于，两个光学探头的视线方向正对推力器轴线，光学探头安装的轴向位置靠近栅极。

6.根据权利要求1所述的一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实施优化的方法，其特征在于，在步骤二中，确定最佳聚焦状态对应的归一化导流系数K^opt的方法包括：对于给定设计的栅极离子推力器，开展地面试验，测得加速引出区离子密度n_i′和加速栅截获电流C^int，改变引出电压U_t得到C^int随着归一化导流系数K变化的关系，截获电流变化趋势由随K减小到随K增大的拐点对应的归一化导流系数值即为K^opt。

7.根据权利要求1所述的一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实施优化的方法，其特征在于，在步骤三中，具体包括以下步骤：

步骤三一、首先开展实验测定给定设计的离子推力器在不同供气流量m_g时对应的饱和功率P^max和最大离子密度n_i ^max，测定方案为：对每一个供气流量m_g，由小到大逐渐增大电离功率P，同时使用栅极附近的光探头监测离子密度n_i，可获得气流为m_g时，离子密度随电离功率变化的函数关系：

n_i＝f(P)

由于这类装置的特性，当供气流量为m_g时，存在一饱和功率P^max使得离子密度n_i不再随着功率P的增大而增大，此时离子密度取值为饱和离子密度n_i ^max；改变供气流量重新测量，获得饱和密度随供气流量变化的函数关系：

n_i ^max＝g(m_g)

步骤三二、在实际的控制工作中，将目标离子密度n_i ^*代入上式，得到以目标离子密度为饱和密度时对应的供气流量m_g ^*，并将其设定为推力器供气流量；

步骤三三、以电离功率P为控制量，以光探头监测获得的加速引出区离子密度n_i′为反馈量，利用函数f求得功率调节量，实现对离子密度n_i的闭环控制，这种控制策略能够提高推力器的工质利用率，提高推力器总冲。

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