CN112326253B - 一种推力矢量偏心诊断装置 - Google Patents

Abstract

一种推力矢量偏心诊断装置，属于电推进技术领域。本发明解决了现有技术中缺少电推力器推力矢量偏心诊断装置的问题。安装基座与真空罐内平台之间固接，电推力器固装在安装基座的中部侧壁，轴向滑台沿电推力器轴向水平滑动设置在安装基座顶部，摆臂水平布置且一端通过旋转平台转动安装在轴向滑台上，悬臂竖直布置且水平滑动安装在摆臂的一端，法拉第探针阵列支架固装在悬臂上且其上法拉第探针阵列的中心与电推力器的中轴线位于同一水平线上。本申请填补了电推力器推力矢量偏心测量装置缺失的空白，利用法拉第探针阵列来诊断羽流空间分布，避免了直接测量推力以及径向分力对测量精度提出的巨大挑战。

Description

一种推力矢量偏心诊断装置

技术领域

本发明涉及一种推力矢量偏心诊断装置，属于电推进技术领域。

背景技术

随着航天技术的发展，人类探索太空的航天任务日益频繁，各种探测任务对推进装置提出了更高的比冲要求，传统的化学推进已经不能满足现阶段航天器的需求。尤其近年来随着全电推进卫星平台的成功应用，使得电推进相比于传统化学推进具有的高比冲、高效率、长寿命等优势逐渐凸显出来，因而成为国内外动力推进领域研究热点方向之一。霍尔推力器、离子推力器、电弧推力器是目前国际上应用较为成熟的电推力器，在我国以及美俄等航天大国都已经有成功应用的先例。在空间任务应用中推进装置的安装要求是所产生的推力矢量与卫星平台的质心在同一直线上，如果安装偏心，会对卫星本体产生干扰力矩，不利于整星的姿态控制。因此，电推力器的推力矢量偏心情况备受关注。

目前电推力器推力测量手段主要是三丝扭摆推力架，该推力架只能测量一维分布的力，即忽略推力矢量偏心的影响。个别研究单位开发出二维推力架可直接对推力矢量进行测量。考虑到一般KW级电推力器推力的数量级在mN级别，个别小功率电推力器推力水平甚至在uN级别，均属于微推力的范畴，本身其推力测量就有难度，其次推力矢量偏心的角度只有几度的的量级，可见推力矢量偏心在径向上产生的正弦分量更小，因此直接测量径向的分力对测量精度提出了更高的要求，难度极大，二维推力架能够达到的精度有限。推力矢量偏心测量的另外一个思路是直接对推力器产生的等离子体射流信息进行诊断，利用羽流中等离子体密度分布得到推力偏心情况，需要通过法拉第探针阵列来诊断羽流区不同位置的离子密度信息，对探针位置精度要求较高，目前并没有形成专门的诊断平台。因此需要设计特定的装置利用该思路诊断电推力器推力矢量偏心情况。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中缺少电推力器推力矢量偏心诊断装置的问题，进而提供了一种推力矢量偏心诊断装置。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种推力矢量偏心诊断装置，它包括安装基座、轴向滑台、旋转平台、摆臂、悬臂、电推力器及法拉第探针阵列支架，其中所述安装基座与真空罐内平台之间固接，所述电推力器固装在安装基座的中部侧壁，所述轴向滑台沿电推力器轴向水平滑动设置在安装基座顶部，所述摆臂水平布置且一端通过旋转平台转动安装在轴向滑台上，所述悬臂竖直布置且水平滑动安装在摆臂的一端，所述法拉第探针阵列支架固装在悬臂上且其上法拉第探针阵列的中心与电推力器的中轴线位于同一水平线上。

进一步地，所述法拉第探针阵列支架呈竖向布置的弧形杆状结构，若干法拉第探针沿法拉第探针阵列支架长度方向均布。

进一步地，所述安装基座的顶部固装有两个支座，且两个所述支座关于电推力器的中轴线所在竖直平面对称布置，所述轴向滑台的底部加工有导轨，所述导轨配合滑动设置在两个支座之间。

进一步地，每个支座上均加工有一个第一长孔，轴向滑台上加工有两个第二长孔，且两个第二长孔对应位于两个第一长孔的正上方，轴向滑台与两个支座之间通过螺栓及长孔实现水平滑动。

进一步地，所述导轨为两个沿水平方向布置的限位凸台，且两个限位凸台一一对应滑动贴设在两个支座的一侧。

进一步地，每个支座均包括竖直安装板和垂直固装在竖直安装板一侧的水平安装板，其中所述第一长孔开设在水平安装板上。

进一步地，旋转平台中心、轴向滑台中心及摆臂的旋转中心位置重合设置。

进一步地，悬臂的上部一体固装有安装管，所述安装管水平套装在摆臂上且通过螺栓顶紧。

进一步地，推力矢量偏心诊断装置的尺寸满足如下条件：

R＝L₁ (公式五)

其中：

D——真空罐直径；

H——摆臂顶面至轴向滑台顶面的高度；

h₁——电推力器中轴线至安装基座底面的高度；

h₂——安装基座底面至真空缸底部内壁的高度；

h₃——轴向滑台顶面至安装基座底面的高度；

L₁——摆臂长度；

L₂——悬臂高度；

L₃——法拉第探针阵列支架高度；

R——法拉第探针阵列支架圆弧所在圆半径。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请填补了电推力器推力矢量偏心测量装置缺失的空白，利用法拉第探针阵列来诊断羽流空间分布，避免了直接测量推力以及径向分力对测量精度提出的巨大挑战。适用于不同类型、不同功率等级的电推力器羽流诊断，形成了普适性的电推力器羽流诊断平台结构。

本申请针对一类羽流分布可近似认为呈点源分布的电推力器，例如霍尔推力器、会切场推力器、磁等离子体推力器等。

附图说明

图1为本申请的主视结构示意图；

图2为本申请在真空罐内的位置示意图(摆臂相对于图1旋转了90°)；

图3为轴向滑台部分的放大示意图；

图4为摆臂与悬臂的连接示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～4说明本实施方式，一种推力矢量偏心诊断装置，它包括安装基座1、轴向滑台2、旋转平台3、摆臂4、悬臂5、电推力器7及法拉第探针阵列支架6，其中所述安装基座1与真空罐8内平台之间固接，所述电推力器7固装在安装基座1的中部侧壁，所述轴向滑台2沿电推力器7轴向水平滑动设置在安装基座1顶部，所述摆臂4水平布置且一端通过旋转平台3转动安装在轴向滑台2上，所述悬臂5竖直布置且水平滑动安装在摆臂4的一端，所述法拉第探针阵列支架6固装在悬臂5上且其上法拉第探针阵列的中心与电推力器7的中轴线位于同一水平线上。安装基座1的顶部为轴向滑台2提供安装平台，其侧壁为电推力器7提供安装平台。

安装基座1与真空罐8内平台之间通过螺栓固定连接为一体。

轴向滑台2优选为矩形板结构。

旋转平台3与轴向滑台2之间通过螺栓连接固定为一体，并且二者中心重合。

所述旋转平台3采用现有技术，如KMI中空旋转平台，产品编号HRG-60。

电推力器7与安装基座1之间优选为通过螺栓固接。

电推力器7中轴线与安装基座1底座距离h₁的设计应根据该装置应用真空罐8结构直径D确定，确保安装后电推力器7中心在真空罐8中心位置，保证羽流与真空罐8壁面作用的轴对称性，如果真空罐8内平台距罐壁距离为h₂，则应保证D＝2(h₁+h₂)。

本申请填补了电推力器7推力矢量偏心测量装置缺失的空白，利用法拉第探针阵列来诊断羽流空间分布，避免了直接测量推力以及径向分力对测量精度提出的巨大挑战。适用于不同类型、不同功率等级的电推力器7羽流诊断，形成了普适性的电推力器7羽流诊断平台结构。

本申请针对一类羽流分布可近似认为呈点源分布的电推力器7，例如霍尔推力器、会切场推力器、磁等离子体推力器等。

所述法拉第探针阵列支架6呈竖向布置的弧形杆状结构，若干法拉第探针沿法拉第探针阵列支架6长度方向均布。

所述安装基座1的顶部固装有两个支座9，且两个所述支座9关于电推力器7的中轴线所在竖直平面对称布置，所述轴向滑台2的底部加工有导轨，所述导轨配合滑动设置在两个支座9之间。两个支座9之间形成导向槽，轴向滑台2通过导轨与导向槽之间的配合，实现其沿电推力器7轴向的水平滑动，保证轴向滑台2的中轴线与电推力器7的中轴线始终在同一竖直平面上。所述导轨可以为一个整体结构，也可以为两个沿水平方向相互平行布置的限位凸台10，只要能够保证其两侧面与两个支座9的相对的一侧面相互配合即可。

每个支座9上均加工有一个第一长孔，轴向滑台2上加工有两个第二长孔，且两个第二长孔对应位于两个第一长孔的正上方，轴向滑台2与两个支座9之间通过螺栓及长孔实现水平滑动。如此设计，便于调节轴向滑台2的位置。

所述导轨为两个沿水平方向布置的限位凸台10，且两个限位凸台10一一对应滑动贴设在两个支座9的一侧。

每个支座9均包括竖直安装板91和垂直固装在竖直安装板91一侧的水平安装板92，其中所述第一长孔开设在水平安装板92上。有效减轻安装基座1的整体重量，便于加工及安装。

旋转平台中心、轴向滑台中心及摆臂的旋转中心位置重合设置。通过移动轴向滑台2使得摆臂4的旋转中心与电推力器7的出口平面重合。

悬臂5的上部一体固装有安装管11，所述安装管11水平套装在摆臂4上且通过螺栓顶紧。摆臂4的断面优选为矩形结构，安装管11的内壁与摆臂4随形设置。通过安装管11实现悬臂5在摆臂4上的水平移动。

推力矢量偏心诊断装置的尺寸满足如下条件：

R＝L₁ (公式五)

其中：

D——真空罐8直径；

H——摆臂4顶面至轴向滑台2顶面的高度；

h₁——电推力器7中轴线至安装基座1底面的高度；

h₂——安装基座1底面至真空缸底部内壁的高度；

h₃——轴向滑台2顶面至安装基座1底面的高度；

L₁——摆臂4长度；

L₂——悬臂5高度；

L₃——法拉第探针阵列支架6高度；

R——法拉第探针阵列支架6圆弧所在圆半径。

保证法拉第探针阵列支架6及悬臂5在旋转过程中不会与真空罐8内壁产生干涉(所需要满足条件见公式一和公式二)，法拉第探针阵列支架6高度L₃的选择要配合摆臂4与法拉第探针阵列支架6中心的高度差，保证法拉第探针阵列支架6安装时不会与摆臂4、真空罐8内装置安装平台产生干涉(所需要满足条件见公式三和公式四)，法拉第探针阵列支架6圆弧所在圆半径R与L₁大小基本相等，使得法拉第探针阵列支架6圆弧中心与电推力器7出口平面中心重合或略靠近其电离区位置(出口附近靠里)，所需要满足条件见公式五。

Claims (8)

1.一种推力矢量偏心诊断装置，其特征在于：它包括安装基座(1)、轴向滑台(2)、旋转平台(3)、摆臂(4)、悬臂(5)、电推力器(7)及法拉第探针阵列支架(6)，其中所述安装基座(1)与真空罐(8)内平台之间固接，所述电推力器(7)固装在安装基座(1)的中部侧壁，所述轴向滑台(2)沿电推力器(7)轴向水平滑动设置在安装基座(1)顶部，所述摆臂(4)水平布置且一端通过旋转平台(3)转动安装在轴向滑台(2)上，所述悬臂(5)竖直布置且水平滑动安装在摆臂(4)的一端，所述法拉第探针阵列支架(6)固装在悬臂(5)上且其上法拉第探针阵列的中心与电推力器(7)的中轴线位于同一水平线上；

所述法拉第探针阵列支架(6)呈竖向布置的弧形杆状结构，若干法拉第探针沿法拉第探针阵列支架(6)长度方向均布。

2.根据权利要求1所述的一种推力矢量偏心诊断装置，其特征在于：所述安装基座(1)的顶部固装有两个支座(9)，且两个所述支座(9)关于电推力器(7)的中轴线所在竖直平面对称布置，所述轴向滑台(2)的底部加工有导轨，所述导轨配合滑动设置在两个支座(9)之间。

3.根据权利要求2所述的一种推力矢量偏心诊断装置，其特征在于：每个支座(9)上均加工有一个第一长孔，轴向滑台(2)上加工有两个第二长孔，且两个第二长孔对应位于两个第一长孔的正上方，轴向滑台(2)与两个支座(9)之间通过螺栓及长孔实现水平滑动。

4.根据权利要求3所述的一种推力矢量偏心诊断装置，其特征在于：所述导轨为两个沿水平方向布置的限位凸台(10)，且两个限位凸台(10)一一对应滑动贴设在两个支座(9)的一侧。

5.根据权利要求3或4所述的一种推力矢量偏心诊断装置，其特征在于：每个支座(9)均包括竖直安装板(91)和垂直固装在竖直安装板(91)一侧的水平安装板(92)，其中所述第一长孔开设在水平安装板(92)上。

6.根据权利要求1、3或4所述的一种推力矢量偏心诊断装置，其特征在于：旋转平台中心、轴向滑台中心及摆臂的旋转中心位置重合设置。

7.根据权利要求1、3或4所述的一种推力矢量偏心诊断装置，其特征在于：悬臂(5)的上部一体固装有安装管(11)，所述安装管(11)水平套装在摆臂(4)上且通过螺栓顶紧。

8.根据权利要求1所述的一种推力矢量偏心诊断装置，其特征在于：推力矢量偏心诊断装置的尺寸满足如下条件：

R＝L₁ (公式五)

其中：

D——真空罐(8)直径；

H——摆臂(4)顶面至轴向滑台(2)顶面的高度；

h₁——电推力器(7)中轴线至安装基座(1)底面的高度；

h₂——安装基座(1)底面至真空缸底部内壁的高度；

h₃——轴向滑台(2)顶面至安装基座(1)底面的高度；

L₁——摆臂(4)长度；

L₂——悬臂(5)高度；

L₃——法拉第探针阵列支架(6)高度；

R——法拉第探针阵列支架(6)圆弧所在圆半径。

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