CN114323658A - 一种等离子体推进羽流诊断探针 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等离子体推进羽流诊断探针，包括：探针金属骨架、探针绝缘骨架、同心圆环接收极和探针安装定位架；本发明采用代数累加的方式进行数据处理，大幅降低了传统法拉第探针多重积分积累的误差，且其接收面积远大于传统法拉第探针，微弱信号测量误差更小，可用于微型电推进尤其是微型离子推力器微弱羽流的分布测量和推力估算。而且该探针还可以进一步演化，用于测量羽流对称性。
Description
技术领域
本发明涉及航天等离子体推进技术领域，特别是涉及一种等离子体推进羽流诊断探针。
背景技术
传统的法拉第探针，其接收极直径大约5-10mm，其测量时一般需要微安表获取信号或者采用10kΩ级别的大电阻将微弱电流信号转换为电压信号进行测量。对电推进的羽流进行诊断时，一般有旋转和直线两种形式，均需要多重积分计算束流的空间分布得到羽流发散角，结合离子阻滞栅探针(RPA)测量的离子能量分布，或者如离子推力器那样直接采用加速电压，估算电推进的推力。当法拉第采用旋转式结构时，一般适用于可近似处理为点离子源的电推进器，否则这种测量方式会导致严重的发散角误差，进而导致严重的推力估算误差。直线型非常适合那种非点离子源的电推进器，直线式结构测量羽流分布时，法拉第探针中心位于推力器中心所在的水平面，沿着垂直于推力器轴线的方向移动，计算过程与旋转式类似。
因此，如何设计一种能够提高微型离子推力器羽流诊断精确性的等离子体推进羽流诊断探针，成为本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子体推进羽流诊断探针，通过本发明能够提高微型离子推力器羽流诊断的精确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种等离子体推进羽流诊断探针，包括：探针金属骨架、探针绝缘骨架、同心圆环接收极和探针安装定位架；
所述探针金属骨架包括长柄和探针绝缘骨架固定件；
所述长柄，固定于所述探针绝缘骨架固定件的侧壁上，用于将所述探针金属骨架固定于所述探针安装定位架上；
所述探针绝缘骨架固定件，用于固定所述探针绝缘骨架；
所述探针绝缘骨架包括圆形面板和若干个同心圆环肋片；
若干个所述同心圆环肋片，与所述圆形面板一体加工，且每两个所述同心圆环肋片之间留有空隙，形成若干个同心圆环空腔，通过若干个所述同心圆环空腔固定所述同心圆环接收极；
所述探针绝缘骨架，固定于所述探针绝缘骨架固定件内；
所述同心圆环接收极包括圆形接收电极和若干个同心圆环电极；
所述圆形接收电极，采用间隙配合固定于所述探针绝缘骨架最内层的圆环空腔；
若干个所述同心圆环电极，采用间隙配合分别固定于所述探针绝缘骨架上相应的同心圆环空腔；
所述探针安装定位架设有与所述长柄配合的固定槽；
所述固定槽，用于固定所述长柄。
可选的，在所述长柄上均匀设置有若干个用于调节高度的高度调节孔。
可选的，在所述圆形面板上均匀设置有若干个用于拆装所述同心圆环接收极和流出中性气体的拆装孔。
可选的，若干个所述同心圆环空腔的宽度一致；若干个所述同心圆环电极的宽度一致。
可选的，在所述圆形接收电极和若干个所述同心圆环电极上分别设置有与所述拆装孔的位置相对应的接线柱。
本发明还提供了另一种等离子体推进羽流诊断探针，包括：探针金属骨架、探针绝缘骨架、同心圆环接收极和探针安装定位架；
所述探针金属骨架包括长柄和探针绝缘骨架固定件；
所述长柄，固定于所述探针绝缘骨架固定件的侧壁上，用于将所述探针金属骨架固定于所述探针安装定位架上；
所述探针绝缘骨架固定件，用于固定所述探针绝缘骨架；
所述探针绝缘骨架包括圆形面板、十字肋片和若干个四分之一同心圆弧肋片，三者一体加工成型；
所述十字肋片，将所述圆形面板平均分成四份，形成四个象限；
同一象限的四分之一同心圆弧肋片之间留有空隙，形成若干个四分之一同心圆弧空腔，通过若干个所述四分之一同心圆弧空腔固定所述同心圆环接收极；
所述探针绝缘骨架，固定于所述探针绝缘骨架固定件内；
所述同心圆环接收极包括若干个四分之一同心圆弧电极；
若干个所述四分之一同心圆弧电极，采用间隙配合分别固定于所述探针绝缘骨架上相应的四分之一同心圆弧空腔；
所述探针安装定位架设有与所述长柄配合的固定槽；
所述固定槽，用于固定所述长柄。
可选的，在所述长柄上均匀设置有若干个用于调节高度的高度调节孔。
可选的，在所述圆形面板上均匀设置有若干个用于拆装所述同心圆环接收极和流出中性气体的拆装孔。
可选的，若干个所述四分之一同心圆弧空腔的宽度一致；若干个所述四分之一同心圆弧电极的宽度一致。
可选的，在若干个所述四分之一同心圆弧电极上分别设置有与所述拆装孔的位置相对应的接线柱。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种等离子体推进羽流诊断探针，通过探针金属骨架、探针绝缘骨架、同心圆环接收极、探针安装定位架能够提高微型离子推力器羽流诊断的精确性。而且通过本发明提供的探针还可以测量羽流对称性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种等离子体推进羽流诊断探针的结构示意图；
图2为另一角度的探针结构示意图；
图3为探针金属骨架的结构示意图；
图4为探针绝缘骨架的结构示意图；
图5为同心圆环接收极的结构示意图；
图6为探针安装定位架的结构示意图；
图7为本发明实施例2提供的一种等离子体推进羽流诊断探针的结构示意图；
图8为本发明与推力器束流的位置关系以及某圆环对应的发散半角示意图。
符号说明：
1、长柄；2、探针绝缘骨架固定件；3、圆形面板；4、接线柱；5、接线柱螺母；6、高度调节孔；7、探针安装定位架；8、探针架固定螺栓；9、探针架固定螺母；10、拆装孔；11、圆形接收电极；12、同心圆环肋片；13、同心圆环电极；14、固定槽；15、四分之一同心圆弧肋片；16、十字肋片；17、四分之一同心圆弧电极。
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。
本发明的目的是提供一种等离子体推进羽流诊断探针，通过本发明能够提高微型离子推力器羽流诊断的精确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
如图1至图6所示，本发明提供了一种等离子体推进羽流诊断探针，包括：探针金属骨架、探针绝缘骨架、同心圆环接收极和探针安装定位架7；
所述探针金属骨架包括长柄1和探针绝缘骨架固定件2；
所述长柄1，固定于所述探针绝缘骨架固定件2的侧壁上，用于将所述探针金属骨架固定于所述探针安装定位架7上；
所述探针绝缘骨架固定件2，用于固定所述探针绝缘骨架；
所述探针绝缘骨架包括圆形面板3和若干个同心圆环肋片12；其中，所述圆形面板3的厚度为1.5-2mm，所述同心圆环肋片12的厚度为0.75-1mm，所述同心圆环肋片12的高度为4-6mm，也就是说，所述探针绝缘骨架的总体厚度约为5.5-8mm。
若干个所述同心圆环肋片12，与所述圆形面板3一体加工，且每两个所述同心圆环肋片12之间留有空隙，形成若干个同心圆环空腔，通过若干个所述同心圆环空腔固定所述同心圆环接收极；其中，同心圆环空腔的宽度由测量的精细度决定。一般而言，其最小应该大于同心圆环肋片肋片厚度的4倍以上，最大尺寸可根据探针中心与推力器出口中心的距离L确定，即当该距离一定时，每增加一个圆环，在圆环中心所在的圆的半径即环的中径R1减去推力器出口的半径R0，该差值与L相比求反正切可得到圆环对应的发散半角θ。θ会随着圆环半径的增加而增大，每次增加的角度最小值不小于0.5度，不大于3度。
所述探针绝缘骨架，固定于所述探针绝缘骨架固定件2内；
所述同心圆环接收极包括圆形接收电极11和若干个同心圆环电极13；
所述圆形接收电极11，采用间隙配合固定于所述探针绝缘骨架最内层的圆环空腔；
若干个所述同心圆环电极13，采用间隙配合分别固定于所述探针绝缘骨架上相应的同心圆环空腔；
所述探针安装定位架7包括与所述长柄1配合的固定槽14；
所述固定槽14，用于固定所述长柄1。
在本实施例中，所述探针绝缘骨架固定件2为一个底部具有边缘的凹腔结构，具体如图3所示，所述凹腔结构的内径与所述探针绝缘骨架的外径一致，采用过渡配合，依靠凹腔结构包裹托举所述探针绝缘骨架。所述凹腔结构的深度比所述探针绝缘骨架的总体厚度小2-3mm，如此可以将探针绝缘骨架嵌入探针绝金属骨架。另外，如图3所示，将所述凹腔结构的底部边缘分成若干瓣，每两瓣之间具有一定间隔，所述圆形面板3上的拆装孔10进行分组时，会使一部分拆装孔10正好落入间隔中，具体如图1所示。这样可以防止所述探针金属骨架与所述同心圆环接收极的接线柱4短接。需要说明的是，本实施例给出了一种嵌入式的形式来固定探针绝缘骨架，当然采用其他的方式用于固定探针绝缘骨架也是可以的，比如在所述探针绝缘骨架固定件2的侧壁上进行打孔，将所述探针绝缘骨架放入所述探针绝缘骨架固定件2后，通过螺丝进行固定。在此不做限制。
如图3所示，在所述长柄1上均匀设置有若干个用于调节高度的高度调节孔6。其中，所述长柄1的厚度与探针金属骨架的主体壁厚一致，2mm左右，材料采用铝合金，表面喷涂绝缘层；所述高度调节孔6的孔径为3-5mm。
如图4所示，在所述圆形面板上均匀设置有若干个用于拆装所述同心圆环接收极和流出中性气体的拆装孔10，所述拆装孔10的孔径为3mm，拆装孔的圆心位于同心圆环肋片12之间所组成的环形凹腔的中心圆上，拆装孔环形均布，分成6-16组，如图4所示，一条直径对应2组，图示只画了6组。若干个拆装孔的设计不仅可以方便拆装同心圆环接收极，也可以使部分中性气体流出，降低探针对推力器的影响。考虑到束流的能量极高，因此探针绝缘骨架采用耐高温的99氧化铝。
在本实施例中，若干个所述同心圆环空腔的宽度一致；若干个所述同心圆环电极13的宽度一致。
如图5所示，在所述圆形接收电极11和若干个所述同心圆环电极13上分别设置有与所述拆装孔的位置相对应的接线柱4。所述接线柱4为直径为3mm的螺纹接线柱，通过接线柱4可以将探针绝缘骨架与同心圆环接收极固定，也可以导出电信号。另外，如图5所示，每个电极上分布有0.5mm的细孔，细孔分布规律与圆形面板3上的孔一致，用于排除部分气体。由于同心圆环接收极面临高能离子的溅射，溅射产物会影响推力器的正常状态，需要采用耐溅射的材料，如钼或者石墨。本实施例采用石墨进行设计。
同心圆环接收极根据推力器出口直径，分为内层接收极和外层接收极。当圆环外径小于推力器出口直径时为内层，其余为外层。内层默认为离子垂直到达接收极。内层接收极由于面临绝大部分高能离子的轰击，溅射产物会更多，为了降低这些溅射产物对相邻接收极的影响，其接收端面与探针绝缘骨架的端面距离保持在3-4mm左右。外环接收极的端面与探针绝缘骨架的端面距离保持在1mm左右，减小绝缘层对羽流的遮挡效应。也就是说，同心圆环接收极的厚度是不一样的，同心圆环接收极各个接收极的最小厚度在2-3mm左右。
如图6所示，所述探针安装定位架7包括与所述长柄1配合的固定槽14；固定槽14有U型通孔，U型槽通孔是连续的，探针架固定螺栓8从探针金属骨架的长柄1穿过时，只要没有拧紧探针架固定螺母9就可以上下移动，移动到合适的位置然后拧紧即可。可以实现不同高度的定位。也就是说，除了通过高度调节孔6调节高度以外，还可以通过探针架固定螺栓8、探针架固定螺母9和固定槽14的配合和调节高度。
需要说明的是，探针安装定位架7的作用除了安装探针，还具有定位探针的作用。通过专门设计的机械结构，与推力器组合在一起，可以实现精确到0.1mm级别的机械定位，实现高精度的测量。探针安装定位架7采用铝合金，表面喷涂绝缘层。
通过本发明能够提高微型离子推力器羽流诊断的精确性。
实施例2：
如图7所示，本发明提供了一种等离子体推进羽流诊断探针，包括：探针金属骨架、探针绝缘骨架、同心圆环接收极和探针安装定位架7；
所述探针金属骨架包括长柄1和探针绝缘骨架固定件2；
所述长柄1，固定于所述探针绝缘骨架固定件2的侧壁上，用于将所述探针金属骨架固定于所述探针安装定位架7上；
所述探针绝缘骨架固定件2，用于固定所述探针绝缘骨架；
所述探针绝缘骨架包括圆形面板3、十字肋片16和若干个四分之一同心圆弧肋片15，三者一体加工成型；
所述十字肋片16，将所述圆形面板3平均分成四份，形成四个象限；
同一象限的所述四分之一同心圆弧肋片15之间留有空隙，形成若干个四分之一同心圆弧空腔，通过若干个所述四分之一同心圆弧空腔固定所述同心圆环接收极；其中，四分之一同心圆弧空腔的宽度由测量的精细度决定。
所述探针绝缘骨架，固定于所述探针绝缘骨架固定件2内；
所述同心圆环接收极包括若干个四分之一同心圆弧电极17；
若干个所述四分之一同心圆弧电极17，采用间隙配合分别固定于所述探针绝缘骨架上相应的四分之一同心圆弧空腔；
所述探针安装定位架7包括与所述长柄1配合的固定槽14；
所述固定槽14，用于固定所述长柄1。
具体的，在所述长柄1上均匀设置有若干个用于调节高度的高度调节孔6。
具体的，在所述圆形面板3上均匀设置有若干个用于拆装所述同心圆环接收极和流出中性气体的拆装孔10。
具体的，若干个所述四分之一同心圆弧空腔的宽度一致；若干个所述四分之一同心圆弧电极17的宽度一致。
在若干个所述四分之一同心圆弧电极17上分别设置有与所述拆装孔10的位置相对应的接线柱4。
该实施例与实施例1相比，探针的探针绝缘骨架增加了十字肋片16，将之前的同心圆环空腔分割成了四分之一同心圆弧空腔，同心圆环接收极转变为独立的四分之一同心圆弧电极17。通过该实施例的探针可以测量羽流对称性。需要说明的是，其他未提及的特征与实施例1相同，在此不再赘述。
当采用该探针测量羽流发散角时，取总电流的95％对应的角度为羽流发散半角。由于同心圆环接收极上用于通过气体的孔径仅为0.5mm，计算时可忽略空隙的影响。羽流发散角图如图8所示。
探针根据推力器的出口尺寸，将同心圆环接收极分为内层和外层，内层环最大直径与推力器出口尺寸一致。
不论是内层还是外层收集极，均连接在负偏置电压源上，偏置电压根据羽流区的电势分布决定，一般电压-30V左右。
假设推力器的出口半径为R，单位为mm，下同。d为同心圆环探针外层收集极的宽度，l为外环之间的中心距，i为第i个环，n为总的环数，x为内环的个数，L为探针与推力器出口平面的垂直距离，Ii为第i个环收集到的电流，单位为A。可根据下面的公式计算得到第i个环为羽流发散角对应的接收极，此时的发散半角为θ。
假设RPA测量得到某角度处的离子能量为Ui。对于内层收集极，推力计算不用考虑角度修正，可按如下公式计算：
Fi_in表示第i个环的内层推力，单位为N，Ii_in表示第i个环的内层电流，单位为A，Ui_in表示第i个环的内层电压，单位为V，mion表示第i个环的离子能量，e表示元电荷数。
对于外层收集极，则需要考虑发散半角θi的角度修正。
Fi_out表示第i个环的外层推力，单位为N，Ii_out表示第i个环的外层电流，单位为A，Ui_out表示第i个环的外层电压，单位为V，mion表示第i个环的离子能量，e表示元电荷数，
最终的推力之和为：
F∑Fi_in+∑Fi_out
本发明采用代数累加的方式进行数据处理，大幅降低了传统法拉第探针多重积分积累的误差，且其接收面积远大于传统法拉第探针，微弱信号测量误差更小，可用于微型电推进尤其是微型离子推力器微弱羽流的分布测量和推力估算。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种等离子体推进羽流诊断探针，其特征在于，包括：探针金属骨架、探针绝缘骨架、同心圆环接收极和探针安装定位架；
所述探针金属骨架包括长柄和探针绝缘骨架固定件；
所述长柄，固定于所述探针绝缘骨架固定件的侧壁上，用于将所述探针金属骨架固定于所述探针安装定位架上；
所述探针绝缘骨架固定件，用于固定所述探针绝缘骨架；
所述探针绝缘骨架包括圆形面板和若干个同心圆环肋片；
若干个所述同心圆环肋片，与所述圆形面板一体加工，且每两个所述同心圆环肋片之间留有空隙，形成若干个同心圆环空腔，通过若干个所述同心圆环空腔固定所述同心圆环接收极；
所述探针绝缘骨架，固定于所述探针绝缘骨架固定件内；
所述同心圆环接收极包括圆形接收电极和若干个同心圆环电极；
所述圆形接收电极，采用间隙配合固定于所述探针绝缘骨架最内层的圆环空腔；
若干个所述同心圆环电极，采用间隙配合分别固定于所述探针绝缘骨架上相应的同心圆环空腔；
所述探针安装定位架设有与所述长柄配合的固定槽；
所述固定槽，用于固定所述长柄。
2.根据权利要求1所述的等离子体推进羽流诊断探针，其特征在于，在所述长柄上均匀设置有若干个用于调节高度的高度调节孔。
3.根据权利要求1所述的等离子体推进羽流诊断探针，其特征在于，在所述圆形面板上均匀设置有若干个用于拆装所述同心圆环接收极和流出中性气体的拆装孔。
4.根据权利要求1所述的等离子体推进羽流诊断探针，其特征在于，若干个所述同心圆环空腔的宽度一致；若干个所述同心圆环电极的宽度一致。
5.根据权利要求3所述的等离子体推进羽流诊断探针，其特征在于，在所述圆形接收电极和若干个所述同心圆环电极上分别设置有与所述拆装孔的位置相对应的接线柱。
6.一种等离子体推进羽流诊断探针，其特征在于，包括：探针金属骨架、探针绝缘骨架、同心圆环接收极和探针安装定位架；
所述探针金属骨架包括长柄和探针绝缘骨架固定件；
所述长柄，固定于所述探针绝缘骨架固定件的侧壁上，用于将所述探针金属骨架固定于所述探针安装定位架上；
所述探针绝缘骨架固定件，用于固定所述探针绝缘骨架；
所述探针绝缘骨架包括圆形面板、十字肋片和若干个四分之一同心圆弧肋片，三者一体加工成型；
所述十字肋片，将所述圆形面板平均分成四份，形成四个象限；
同一象限的四分之一同心圆弧肋片之间留有空隙，形成若干个四分之一同心圆弧空腔，通过若干个所述四分之一同心圆弧空腔固定所述同心圆环接收极；
所述探针绝缘骨架，固定于所述探针绝缘骨架固定件内；
所述同心圆环接收极包括若干个四分之一同心圆弧电极；
若干个所述四分之一同心圆弧电极，采用间隙配合分别固定于所述探针绝缘骨架上相应的四分之一同心圆弧空腔；
所述探针安装定位架设有与所述长柄配合的固定槽；
所述固定槽，用于固定所述长柄。
7.根据权利要求6所述的等离子体推进羽流诊断探针，其特征在于，在所述长柄上均匀设置有若干个用于调节高度的高度调节孔。
8.根据权利要求6所述的等离子体推进羽流诊断探针，其特征在于，在所述圆形面板上均匀设置有若干个用于拆装所述同心圆环接收极和流出中性气体的拆装孔。
9.根据权利要求6所述的等离子体推进羽流诊断探针，其特征在于，若干个所述四分之一同心圆弧空腔的宽度一致；若干个所述四分之一同心圆弧电极的宽度一致。
10.根据权利要求8所述的等离子体推进羽流诊断探针，其特征在于，在若干个所述四分之一同心圆弧电极上分别设置有与所述拆装孔的位置相对应的接线柱。
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| CN202210003930.7A Pending CN114323658A (zh) | 2022-01-05 | 2022-01-05 | 一种等离子体推进羽流诊断探针 |
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| Country | Link |
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| CN (1) | CN114323658A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117425259A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-19 | 哈尔滨工业大学 | 一种推进器羽流离子能谱空间分布的测量装置和方法 |
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-
2022
- 2022-01-05 CN CN202210003930.7A patent/CN114323658A/zh active Pending
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