CN113466282A - 大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天器推进技术领域，具体公开了一种大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置、系统及方法，装置包括横向设置的梭形工装，以及位于梭形工装内的栅极组件、氧化锆引针、前置热源和后置热源；其中：前置热源位于梭形工装的前端；后置热源位于梭形工装的后端；栅极组件竖直安装于梭形工装的最大纵截面上，且栅极组件的外周吊装于梭形工装的内壁上；氧化锆引针安装在栅极组件的中心位置；梭形工装距离栅极组件最近的外壁位置开设有观测窗。本发明的大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置、系统及方法，相比原有大气环境下开放空间的电阻丝盘绕栅面加热方式，能够最大程度的降低热量损耗，提升模拟测量精度。

Description

大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及航天器推进技术领域，尤其涉及一种大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置、系统及方法。

背景技术

栅极组件是离子推力器的核心部件，在离子推力器的工作过程中，栅极组件会随热传导、热辐射以及粒子能量沉积效应影响，其温度会逐渐提高，并且由于温度升高造成的栅极热形变位移，会直接造成推力器栅极间的打火短路现象以及束流的聚焦性能变化，对于离子推力器和PPU的寿命及可靠性均会造成严重影响。甚至可以认为，栅极组件的热结构稳定性直接决定了离子推力器的工作性能和寿命。

目前的栅极组件在热态下的结构变化测量方法一种是在真空设备内进行，采用相机拍摄固定于栅极表面的引针位置变化来得到栅极的热变形。但真空设备内部进行的单次测试需进行设备抽气，推力器安装、点火以及试验结束后的设备破空，均会耗费大量成本。针对栅极处于结构设计改进阶段时的多次、短时的测量需求，如此频繁且繁琐的试验准备，无疑是巨大的人力、物力耗费，并且在真空等离子体环境内，光学测量仪器容易发生故障损坏，导致试验终止。

国内目前存在的另外一种在开放空间且大气环境下采用电阻加热方式进行温度测量的方式，会出现边缘温度高中间温度低的分布，且温度分布极为不均，与真实情况不符合，并且由于属于开放空间，大量热量以辐射方式向空间耗散，使得栅极实际接受热量无法模拟真空仓内的点火过程热量累积。

综上所述，需开发一种简单的，能够在大气环境下较为精确测量，真空环境内推力器工作时的栅极热形变位移的方案。

发明内容

为解决目前在真空设备内部进行的栅极热形变位移测试带来的频繁且繁琐的试验准备和巨大的人力、物力耗费，以及解决目前在开放空间且大气环境下采用电阻加热方式进行的栅极热形变位移测试带来的无法精确模拟，测量误差极大的问题，本发明的解决方案是提供一种大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置、系统及方法。

一种大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置，包括横向设置的梭形工装，以及位于梭形工装内的栅极组件、氧化锆引针、前置热源和后置热源；其中：

前置热源位于梭形工装的前端；后置热源位于梭形工装的后端；

栅极组件竖直安装于梭形工装的最大纵截面上，且栅极组件的外周吊装于梭形工装的内壁上；栅极组件包括屏栅、加速栅、屏栅传感器以及加速栅传感器；屏栅和加速栅平行设置；屏栅传感器贴装于屏栅上；加速栅传感器贴装于加速栅上；

氧化锆引针安装在栅极组件的中心位置，且氧化锆引针的底座与加速栅固定连接，针头从加速栅及屏栅的小孔中伸出；

梭形工装距离栅极组件最近的外壁位置开设有观测窗。

进一步的，梭形工装包括底面相同的前置圆锥筒和后置圆锥筒，前置圆锥筒和后置圆锥筒的底面边缘可拆卸连接；前置圆锥筒和后置圆锥筒的内壁上涂覆CCAL镀膜。

进一步的，前置圆锥筒的圆锥角度为60°，后置圆锥筒的圆锥角度为45°。

进一步的，前置圆锥筒和后置圆锥筒的长度比为4∶6。

进一步的，还包括支撑梭形工装的第一支撑架和第二支撑架，以及覆盖在梭形工装外表面的若干层隔热纱网；

第一支撑架位于前置圆锥筒的下方，第二支撑架位于后置圆锥筒的下方。

进一步的，前置热源和后置热源分别为前置氙灯和后置氙灯，前置氙灯和后置氙灯的灯光射出表面与梭形工装的纵截面相平行；

还包括用于调节前置氙灯和后置氙灯的工作电流的电流调节器，电流调节器与前置氙灯和后置氙灯电连接。

进一步的，氧化锆引针的底座上开设有若干个均匀分布的安装孔，氧化锆引针的底座通过安装孔与加速栅固定连接。

本发明还提供一种大气环境下的栅极组件热形变位移测量系统，包括上述的栅极组件热形变位移测量装置，还包括图像采集器和计算机，图像采集器与计算机电连接；图像采集器通过观测窗定时对栅极组件进行拍摄，并将采集到的图片发送至计算机，计算机对图片进行分析，计算出栅极组件的热形变位移。

进一步的，图像采集器的拍摄视线垂直进入观测窗，且图像采集器的拍摄视线与梭形工装的纵截面相平行。

本发明还提供一种大气环境下的栅极组件热形变位移测量方法，包括：

S1：将梭形工装、栅极组件、氧化锆引针、前置热源和后置热源进行组装；

S2：将图像采集器与计算机进行电连接，并将图像采集器安装于梭形工装的观测窗处；

S3：调节前置热源、后置热源的供电电流，使前置热源、后置热源向栅极组件提供预设的热流密度；

S4：图像采集器通过观测窗定时对栅极组件进行拍摄，并将采集到的图片发送给计算机；

S5：计算机对图片进行分析，计算出栅极组件的热形变位移。

本发明的一种大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置、系统及方法，相比原有大气环境下开放空间的电阻丝盘绕栅面加热方式，能够最大程度的降低热量损耗，提升模拟测量精度；选用的氧化锆引针强度更高，热膨胀系数更低，降低了测量误差以及提升使用寿命；图像采集器通过观测窗定时对栅极组件进行拍摄，并将采集到的图片发送至计算机，计算机对图片进行分析，计算出栅极组件的热形变位移，相比原有真空设备内采用铝箔包覆相机以保护等离子体环境下相机正常工作的方式，本申请方式简单、可靠，避免铝箔脱落或是铝箔存在缝隙导致等离子体灌入的风险。

附图说明

图1为本发明实施例的大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置中氧化锆引针的结构示意图；

图3为本发明实施例的大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置的部分结构示意图；

图4为本发明实施例的大气环境下的栅极组件热形变位移测量系统的结构示意图；

图5为本发明实施例的大气环境下的栅极组件热形变位移测量方法的步骤流程图；

其中：1-梭形工装、11-前置圆锥筒、12-后置圆锥筒、2-栅极组件、21-屏栅、22-加速栅、221-栅孔、23-屏栅传感器、24-加速栅传感器、3-氧化锆引针、31-底座、311-安装孔、32-针头、4-前置热源、5-后置热源、6-观测窗、7-第一支撑架、8-第二支撑架、9-图像采集器、10-计算机。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

本发明实施例为一种大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置，如图1至图3所示，包括横向设置的梭形工装1，以及位于梭形工装内的栅极组件2、氧化锆引针3、前置热源4和后置热源5；其中：前置热源4位于梭形工装1的前端；后置热源5位于梭形工装1的后端；栅极组件2竖直安装于梭形工装1的最大纵截面上，且栅极组件2的外周吊装于梭形工装1的内壁上；栅极组件2包括屏栅21、加速栅21、屏栅传感器23以及加速栅传感器24；屏栅21和加速栅22平行设置；屏栅传感器23贴装于屏栅21上；加速栅传感器24贴装于加速栅22上；氧化锆引针3安装在栅极组件2的中心位置，且氧化锆引针3的底座31与加速栅22固定连接，针头32从加速栅22及屏栅21的小孔中伸出；梭形工装1距离栅极组件2最近的外壁位置开设有观测窗6。

梭形工装1的形状为梭形，即两头细、中间粗的形状，两头细的位置分别安装前置热源4和后置热源5，中间粗的位置安装栅极组件2。前置热源4和后置热源5均朝栅极组件2施加热流。如图1所示，本实施例的梭形工装1的两端截去了尖端部分，既能够满足方案实施的要求，还便于生产制造，也不会因尖端对人造成伤害。屏栅传感器23和加速栅传感器24可选用E型热电偶，采取贴装的方式分别贴装于屏栅21的底面以及加速栅22的外表面。栅极组件2的外周吊装于梭形工装1的内壁上，故在梭形工装1最大纵截面所在的内壁一周设计挂孔，在栅极组件2的边缘设计对应的挂装孔，通过挂钩与挂装孔将栅极组件2吊装于梭形工装1内部，以避免与梭形工装1发生接触性热传导。

本实施例不具体限定屏栅21、加速栅21以及氧化锆引针3的具体尺寸，本领域技术人员选用现有产品即可。而对于屏栅21、加速栅21与梭形工装1的安装方式，也可选用现有方案实施，本实施例不做具体的限定。

观测窗6设置在距离栅极组件2最近的梭形工装1的外壁上，也可以说是在与梭形工装1最大纵截面相交的梭形工装1的外壁上，能够观测到栅极组件2的中心区域。观测窗6的形状本实施例不做限定，如图1所示，将观测窗6的形状设计为圆形，也可设计为长方形、正方形等。

具体的，梭形工装1包括底面相同的前置圆锥筒11和后置圆锥筒12，前置圆锥筒11和后置圆锥筒12的底面边缘可拆卸连接，例如通过螺钉固定连接。栅极组件2竖直安装于前置圆锥筒11和后置圆锥筒12连接的交界处，梭形工装1的最大纵截面上即为前置圆锥筒11和后置圆锥筒12的底面。观测窗6同样位于前置圆锥筒11和后置圆锥筒12连接的交界处。本实施例没有限定前置圆锥筒11和后置圆锥筒12的尺寸以及材质，作为一种优选方式是，前置圆锥筒11和后置圆锥筒12选用厚度为5mm的2A12铝制材料制成，将前置圆锥筒11的圆锥角度设置为60°，后置圆锥筒12的圆锥角度设置为45°，前置圆锥筒11和后置圆锥筒12的长度比为4∶6，具体尺寸根据实际被测量的栅极组件2的尺寸决定，例如前置圆锥筒11的长度为0.4m，后置圆锥筒12的长度为0.6m，前置圆锥筒11和后置圆锥筒12的底面尺寸根据以上参数进行估算即可。

为了达到准确的热流施加效果，本发明在前置圆锥筒11和后置圆锥筒12内壁上涂覆CCAL镀膜，使内壁的吸收率低于0.15，通过镀膜形成对光线的镜面反射条件，同时，在梭形工装1外表面覆盖聚酰亚胺、铝箔和聚四氟乙烯构成的若干层纱网进行隔热处理。

具体的，本发明实施例还包括支撑梭形工装1的第一支撑架7和第二支撑架8，第一支撑架7位于前置圆锥筒11的下方，第二支撑架8位于后置圆锥筒12的下方。前置圆锥筒11和第一支撑架7之间固定连接，后置圆锥筒12和第二支撑架8之间固定连接。第一支撑架7和第二支撑架8起到对梭形工装1的支撑以及固定作用。本实施例不限定第一支撑架7和第二支撑架8的具体结构与形状，只要能够实现本方案的目的，则均属于本方案的保护范围。本实施例的第一支撑架7和第二支撑架8可选用与梭形工装1相同的材质制成，如2A12铝材。

具体的，前置热源4和后置热源5分别为前置氙灯和后置氙灯，前置氙灯和后置氙灯的灯光射出表面与梭形工装1的纵截面相平行，还包括用于调节前置氙灯和后置氙灯的工作电流的电流调节器，电流调节器与前置氙灯和后置氙灯电连接。前置氙灯和后置氙灯的灯光射出表面与梭形工装1的纵截面相平行，能够最大程度的提供均匀光源，相比原有电阻丝加热模拟方式，热量更为均匀，测量精度更高。前置氙灯和后置氙灯可通过螺钉紧固在梭形工装1的前端和后端，前置氙灯和后置氙灯均选用可聚焦氙灯，可通过电流调节器对前置氙灯和后置氙灯的工作电流大小进行调节，实现对氙灯光强的调节，优选的，由热辐射计进行测量，能够提供500～3000W/m^-2热流密度的氙灯为佳。

具体的，如图2所示，本实施例中氧化锆引针3的底座31上开设有若干个均匀分布的安装孔311，氧化锆引针3的底座31通过安装孔311与加速栅22固定连接。结合图2与图3，在底座31上开设有三个安装孔311，三个安装孔311之间构成等边三角形，任意两个安装孔311与针头32底部形成的角度为120°，相对应的，在加速栅22上开设栅孔221，可通过铜丝将安装孔311和栅孔221绑定，实现底座31和加速栅22的固定。本实施例中氧化锆引针3的尺寸由本领域技术人员根据实际情况制造选用，作为一种实施方式，可将氧化锆引针3设计为直径8mm、高度2mm的底座31，以及针头32直径为0.8mm、高度为5至6mm，安装孔311的直径为1mm。本实施例的氧化锆引针3的设计相比原有真空环境下的机械安装氧化铝引针方式，一方面氧化锆引针强度更高，热膨胀系数更低，降低了测量误差以及提升使用寿命，另一方面，大幅降低了工艺难度，原有机械安装方式需加工高精度螺纹和安装底座，同时避免了另一种陶瓷胶安装方式带来的栅极表面污染。

本发明还提供的实施例是一种大气环境下的栅极组件热形变位移测量系统，包括上述实施例的栅极组件热形变位移测量装置，还包括图像采集器8和计算机10，如图4所示，图像采集器9与计算机10电连接；图像采集器9通过观测窗6定时对栅极组件2进行拍摄，并将采集到的图片发送至计算机10，计算机10对图片进行分析，计算出栅极组件2的热形变位移。

本实施例中的图像采集器9选用高分辨率的相机实现，图像采集器9与计算机10之间通过数据线进行连接。优选的，图像采集器9的拍摄视线垂直进入观测窗6，且图像采集器9的拍摄视线与梭形工装1的纵截面相平行。相机的镜头与观测窗6相平齐，相机的拍摄角度与屏栅21或加速栅22的端面相平行。图像采集器9优选用三脚架进行固定，禁止移动或取下，能够消除原有吊装于真空设备内因设备抽气机组振动带来的测量误差；同时，在图像采集的过程中不再改变放大倍率和焦距，以避免拍摄角度不同带来的误差。计算机10所接收到的图片中，栅极组件2由于热态环境热变形，所以通过与非热态环境下图片的对比，能够准确获知栅极组件2的形变量，进而得知热形变位移。本实施例相比原有真空设备内采用铝箔包覆相机以保护等离子体环境下相机正常工作的方式，本方案方式简单、可靠，避免铝箔脱落或是铝箔存在缝隙导致等离子体灌入的风险。

本发明还提供的实施例是一种大气环境下的栅极组件热形变位移测量方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1：将梭形工装、栅极组件、氧化锆引针、前置热源和后置热源进行组装。

具体的安装以本发明第一个实施例提出的栅极组件热形变位移测量装置为参照，即将栅极组件竖直安装在梭形工装的最大纵截面上，且其外周吊装于梭形工装的内壁上；将前置热源安装于梭形工装内部的前端，将后置热源安装于梭形工装内部的后端；将氧化锆引针安装在栅极组件的中心位置，且氧化锆引针的底座与加速栅固定连接，针头从加速栅及屏栅的小孔中伸出，梭形工装距离栅极组件最近的外壁位置开设有观测窗。

S2：将图像采集器与计算机进行电连接，并将图像采集器安装于梭形工装的观测窗处。

图像采集器的拍摄视线垂直进入观测窗，且图像采集器的拍摄视线与梭形工装的纵截面相平行。图像采集器优选用三脚架进行固定，禁止移动或取下，能够消除原有吊装于真空设备内因设备抽气机组振动带来的测量误差。

S3：调节前置热源、后置热源的供电电流，使前置热源、后置热源向栅极组件提供预设的热流密度。

S4：图像采集器通过观测窗定时对栅极组件进行拍摄，并将采集到的图片发送给计算机。

图像采集器在图像采集的过程中不再改变放大倍率和焦距，以避免拍摄角度不同带来的误差。

S5：计算机对图片进行分析，计算出栅极组件的热形变位移。

计算机所接收到的图片中，栅极组件由于热态环境热变形，所以通过与非热态环境下图片的对比，能够准确获知栅极组件的形变量，进而得知热形变位移。

本发明实施例大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置、系统及方法，相比原有大气环境下开放空间的电阻丝盘绕栅面加热方式，能够最大程度的降低热量损耗，提升模拟测量精度；选用的氧化锆引针强度更高，热膨胀系数更低，降低了测量误差以及提升使用寿命；图像采集器通过观测窗定时对栅极组件进行拍摄，并将采集到的图片发送至计算机，计算机对图片进行分析，计算出栅极组件的热形变位移，相比原有真空设备内采用铝箔包覆相机以保护等离子体环境下相机正常工作的方式，本申请方式简单、可靠，避免铝箔脱落或是铝箔存在缝隙导致等离子体灌入的风险。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置，其特征在于，包括横向设置的梭形工装，以及位于所述梭形工装内的栅极组件、氧化锆引针、前置热源和后置热源；其中：

所述前置热源位于所述梭形工装的前端；所述后置热源位于所述梭形工装的后端；

所述栅极组件竖直安装于所述梭形工装的最大纵截面上，且所述栅极组件的外周吊装于所述梭形工装的内壁上；所述栅极组件包括屏栅、加速栅、屏栅传感器以及加速栅传感器；所述屏栅和所述加速栅平行设置；所述屏栅传感器贴装于所述屏栅上；所述加速栅传感器贴装于所述加速栅上；

所述氧化锆引针安装在所述栅极组件的中心位置，且所述氧化锆引针的底座与所述加速栅固定连接，针头从所述加速栅及所述屏栅的小孔中伸出；

所述梭形工装距离所述栅极组件最近的外壁位置开设有观测窗。

2.如权利要求1所述的大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置，其特征在于，所述梭形工装包括底面相同的前置圆锥筒和后置圆锥筒，所述前置圆锥筒和所述后置圆锥筒的底面边缘可拆卸连接；所述前置圆锥筒和所述后置圆锥筒的内壁上涂覆CCAL镀膜。

3.如权利要求2所述的大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置，其特征在于，所述前置圆锥筒的圆锥角度为60°，所述后置圆锥筒的圆锥角度为45°。

4.如权利要求2所述的大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置，其特征在于，所述前置圆锥筒和所述后置圆锥筒的长度比为4∶6。

5.如权利要求2所述的大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置，其特征在于，还包括支撑所述梭形工装的第一支撑架和第二支撑架，以及覆盖在所述梭形工装外表面的若干层隔热纱网；

所述第一支撑架位于所述前置圆锥筒的下方，所述第二支撑架位于所述后置圆锥筒的下方。

6.如权利要求1所述的大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置，其特征在于，所述前置热源和所述后置热源分别为前置氙灯和后置氙灯，所述前置氙灯和所述后置氙灯的灯光射出表面与所述梭形工装的纵截面相平行；

还包括用于调节所述前置氙灯和所述后置氙灯的工作电流的电流调节器，所述电流调节器与所述前置氙灯和所述后置氙灯电连接。

7.如权利要求1所述的大气环境下的栅极组件热形变位移测量装置，其特征在于，所述氧化锆引针的底座上开设有若干个均匀分布的安装孔，所述氧化锆引针的底座通过所述安装孔与所述加速栅固定连接。

8.一种大气环境下的栅极组件热形变位移测量系统，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的栅极组件热形变位移测量装置，还包括图像采集器和计算机，所述图像采集器与所述计算机电连接；所述图像采集器通过所述观测窗定时对所述栅极组件进行拍摄，并将采集到的图片发送至所述计算机，所述计算机对所述图片进行分析，计算出所述栅极组件的热形变位移。

9.如权利要求1所述的大气环境下的栅极组件热形变位移测量系统，其特征在于，所述图像采集器的拍摄视线垂直进入所述观测窗，且所述图像采集器的拍摄视线与所述梭形工装的纵截面相平行。

10.一种大气环境下的栅极组件热形变位移测量方法，其特征在于，包括：

S1：将梭形工装、栅极组件、氧化锆引针、前置热源和后置热源进行组装；

S2：将图像采集器与计算机进行电连接，并将图像采集器安装于所述梭形工装的观测窗处；

S3：调节所述前置热源、后置热源的供电电流，使所述前置热源、后置热源向所述栅极组件提供预设的热流密度；

S4：所述图像采集器通过所述观测窗定时对所述栅极组件进行拍摄，并将采集到的图片发送给计算机；

S5：所述计算机对所述图片进行分析，计算出所述栅极组件的热形变位移。

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