CN114428264B - 一种离子电推力器束流闪烁时空演化监测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种离子电推力器束流闪烁时空演化监测装置。该装置包括真空舱、将推力器固定在真空舱上的第一支撑结构、离子推力器、推力器的外壳、屏栅电极、加速栅电极、减速栅电极、连接电极的导线、安装于真空舱壁用来传输诊断信息的信号线及法兰、用于回路伏安特性测量的监测装置、用于束流闪烁时空特性监测的高速相机阵列、用于相机位置固定和安装的第二支撑结构。本申请解决了在密闭、高真空环境下离子电推力器束流闪烁空间位置精准定位和时间演化特性追踪的难题，克服了传统单一的仅靠监测回路伏安特性难以确定束流闪烁发生位置、闪烁类型辨识的难题。其次，该装置能对束流闪烁的空间特性、时间演化特性进行全面的监测。

Description

一种离子电推力器束流闪烁时空演化监测装置

技术领域

本申请涉及航天空间电推进技术领域、工业用低温等离子体镀膜领域，具体而言，涉及一种离子电推力器束流闪烁时空演化监测装置。

背景技术

空间用离子推力器是利用电能将推进剂电离产生等离子体，并通过高电压栅极系统将离子提取、加速和排出产生推力。由于在离子推力器工作过程中，存在等离子体、中性气体与高压电极的相互作用，因此，在离子推力器工作过程中，不可避免的存在异常的束流闪烁(非预期放电)问题，严重时会影响离子推力器的性能和寿命可靠性。但是由于束流闪烁属于毫秒级瞬态过程、束流闪烁发生的位置也不确定，通常仅能通过电极回路的伏安特性来倒推闪烁的可能位置及闪烁的类型，监测的精度和准确度均难以有效支撑产品的优化设计，限制了离子推力器在空间的全面应用，不利于空间航天器平台性能的大幅提升。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种离子电推力器束流闪烁时空演化监测装置，以解决现有离子电推力器束流闪烁定位不准、时间演化特性不明、束流闪烁类型判读不易的问题。

实现上述目的，本申请实施例提供了一种离子电推力器束流闪烁时空演化监测装置，包括真空舱、离子推力器、高速相机阵列、信号线以及法兰，其中：所述离子推力器和所述高速相机阵列均设置在所述真空舱的内部；所述离子推力器通过第一支撑结构固定在所述真空舱的内壁；所述高速相机阵列设置在所述离子推力器的一侧，通过第二支撑结构固定在所述真空舱的内壁；所述信号线和所述法兰设置在所述离子推力器侧面，固定在所述真空舱的舱壁上。

进一步的，所述离子推力器包括外壳、屏栅电极、加速栅电极以及减速栅电极，其中：所述减速栅电极、所述加速栅电极以及所述屏栅电极依次排列在所述外壳的外侧，并且位于所述高速相机阵列的一侧。

进一步的，还包括导线和监测装置，其中：所述导线分别与所述外壳，所述屏栅电极、加速栅电极以及减速栅电极连接，每根所述导线上均设置有所述监测装置。

进一步的，所述信号线与所述监测装置连接，用于采集所述导线的伏安特性信息。

进一步的，所述第二支撑结构的顶端为圆周结构，所述高速相机阵列沿其周向均匀设置。

进一步的，所述高速相机阵列相机的安装角为120°，所述高速相机阵列的光角覆盖所述离子推力器。

进一步的，所述高速相机阵列与所述离子推力器之间的距离≥2m，每个相机的帧数≥150万/s。

进一步的，所述监测装置的外部设置有金属网磁屏蔽层。

进一步的，所述导线为外加屏蔽层的双层耐高温线。

在本申请实施例提供的离子电推力器束流闪烁时空演化监测装置，通过高速相机实现了离子推力器束流闪烁在不同电极的可视化监测，具备了束流闪烁的精准定位、类型辨识能力，同时还能追踪束流闪烁的时空演化特性，为束流闪烁的问题研究和解决提供了可行的技术手段。该装置克服了束流闪烁传统伏安特性监测单一方式可能漏判或误判的问题，能实时对不同强度的束流闪烁、闪烁类型以及闪烁时空特性进行判读和记录，提升了束流闪烁监测的可信度。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的一种离子电推力器束流闪烁时空演化的监测装置的结构示意图；

1-真空舱，2-第一支撑结构，3-离子推力器，4-外壳，5-屏栅电极，6-加速栅电极，7-减速栅电极，8-导线，9-法兰，91-信号线，10-监测装置，11-高速相机阵列，12-第二支撑结构。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“设置”、“连接”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1，本发明实施例的一种离子电推力器束流闪烁时空演化的监测装置，包括用于提供试验环境的真空舱1、将离子推力器3固定在真空舱上的第一支撑结构2、离子推力器3、外壳4、屏栅电极5、加速栅电极6、减速栅电极7、连接电极的导线8、安装于真空舱壁用来传输诊断信息的信号线91以及用于过线和固定信号线91的法兰9、用于回路伏安特性测量的监测装置10、用于束流闪烁时空特性监测的高速相机阵列11、用于相机位置固定和安装的第二支撑结构12。其中：离子推力器3和高速相机阵列11均设置在真空舱1的内部；离子推力器3通过第一支撑结构2固定在真空舱1的内壁；高速相机阵列11设置在离子推力器3的一侧，通过第二支撑结构12固定在真空舱1的内壁；所述信号线91和法兰9设置在所述离子推力器侧面，固定在真空舱1的舱壁上，信号线91通过法兰9的密封转接口转接到真空舱1外面，法兰9同时保持真空舱1的密封性能，第一支撑结构2固定连接在所述真空舱1内壁，所述离子推力器3固定安装在第一支撑结构2上，构成一个整体；所述外壳4、屏栅电极5、加速栅电极6、减速栅电极7均是安装于离子推力器3的重要组件，构成一个整体；所述连接电极的导线8分别与外壳4、屏栅电极5、加速栅电极6、减速栅电极7连接，且所述用于回路伏安特性测量的监测装置10分别固定安装在连接电极的导线8上，构成一个整体；所述用于高速相机阵列11安装在第二支撑结构12圆周上，高速相机阵列11沿周向均匀分布，第二支撑结构12固定在真空舱1内壁上，也构成一个整体。

本申请围绕离子推力器束流闪烁监测的应用亟需，提出了一种离子电推力器束流闪烁时空演化监测装置，通过高速相机实现了离子推力器束流闪烁在不同电极的可视化监测，具备了束流闪烁的精准定位、类型辨识能力，同时还能追踪束流闪烁的时空演化特性，为束流闪烁的问题研究和解决提供了可行的技术手段。该装置克服了束流闪烁传统伏安特性监测单一方式可能漏判或误判的问题，能实时对不同强度的束流闪烁、闪烁类型以及闪烁时空特性进行判读和记录，提升了束流闪烁监测的可信度，提供了一种可行的问题解决方案。

进一步的，减速栅电极7、加速栅电极6以及所述屏栅电极5依次排列在所述外壳4的外侧，并且位于所述高速相机阵列11的一侧。

进一步的，导线8分别与外壳4，所述屏栅电极5、加速栅电极6以及减速栅电极7连接，每根所述导线8上均设置有所述监测装置10。

进一步的，所述信号线91与所述监测装置10连接，用于采集所述导线8的伏安特性信息。

进一步的，所述第二支撑结构12的顶端为圆周结构，所述高速相机阵列11沿其周向均匀设置。

进一步的，所述高速相机阵列11相机的安装角彼此成120°，所述高速相机阵列11的光角覆盖所述离子推力器3，光角覆盖包括离子推力器3的后端、侧面和前端，能捕捉离子推力器3所有的束流闪烁信息，是为了保证监测的全面性，确保在实际应用中无死角。

进一步的，高速相机阵列11与回路伏安特性测量的监测装置10配合使用，同时获取束流闪烁的电特性、空间特性、时间特性，是为了判读的准确性和可靠性，提供综合判读的可信度。

进一步的，高速相机阵列11是非接触式监测装置，放置在离子推力器3出口2m以外的空间位置，是为了防止离子推力器3喷出的羽流离子沉积在高速相机镜头表面形成镀膜导致相机失效。

进一步的，高速相机阵列11中的相机视角及相机的安装位置是可调节的，能对重点区域进行多维度和多角度的实时监测，是为了满足离子推力器3不同的监测应用需求，提高该装置的通用性。

进一步的，结合离子推力器3束流闪烁的参数指标范围，相机帧频数选取按照1.5倍安全余量考虑，高速相机阵列11与所述离子推力器3之间的距离≥2m，相机不少于150万帧数每秒；回路伏安特性测量的监测装置10也按照1.5倍安全余量考虑；目的是为了提高监测的可靠性，确保时间更短的束流闪烁可以被捕获，避免该装置在高电压或大电流振荡时失效。

进一步的，回路伏安特性测量监测装置10外部设置有金属网磁屏蔽层，避免了非相干因素的干扰，极大降低了监测的误差。

进一步的，连接电极的导线8全部采用外加屏蔽层的双层耐高温线，提高高温环境下监测信号的准确性。

离子推力器3在真空舱1内放电稳态运行时，外壳4、屏栅电极5、加速栅电极6、减速栅电极7分别具有不同的电压和电流值，监测装置10通过实时监测连接电极的导线可以获知各电极的伏安特性，同时高速相机阵列11也记录了此刻推力器的工作状态。当离子推力器3任何时间、任何位置发生束流闪烁时，高速相机阵列11通过感知闪光点快速记录闪烁发生的位置及闪烁在随时间演化的不同形态，实现束流闪烁空间精准定位、闪烁形貌空间结构辨识以及空间上的时空演化特征；监测装置10记录不同电极上的伏安特性随时间的变化，作为束流闪烁辅助判读和分析的依据。高速相机阵列11和监测装置10配合使用，确保了闪烁判读的准确度，提供了更丰富的研究信息。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种离子电推力器束流闪烁时空演化监测装置，其特征在于，包括真空舱、离子推力器、高速相机阵列、信号线以及法兰，其中：

所述离子推力器和所述高速相机阵列均设置在所述真空舱的内部；

所述离子推力器通过第一支撑结构固定在所述真空舱的内壁；

所述高速相机阵列设置在所述离子推力器的一侧，通过第二支撑结构固定在所述真空舱的内壁；

所述信号线和所述法兰设置在所述离子推力器侧面，固定在所述真空舱的舱壁上；

所述离子推力器包括外壳、屏栅电极、加速栅电极以及减速栅电极，其中：所述减速栅电极、所述加速栅电极以及所述屏栅电极依次排列在所述外壳的外侧，并且位于所述高速相机阵列的一侧；

还包括导线和监测装置，其中：所述导线分别与所述外壳，所述屏栅电极、加速栅电极以及减速栅电极连接，每根所述导线上均设置有所述监测装置；所述信号线与所述监测装置连接，用于采集所述导线的伏安特性信息；

所述第二支撑结构的顶端为圆周结构，所述高速相机阵列沿其周向均匀设置；

所述高速相机阵列相机的安装角为120°，所述高速相机阵列的光角覆盖所述离子推力器的前端和侧面。

2.根据权利要求1所述的离子电推力器束流闪烁时空演化监测装置，其特征在于，所述高速相机阵列与所述离子推力器之间的距离≥2m，每个相机的帧数≥150万/s。

3.根据权利要求1所述的离子电推力器束流闪烁时空演化监测装置，其特征在于，所述监测装置的外部设置有金属网磁屏蔽层。

4.根据权利要求1所述的离子电推力器束流闪烁时空演化监测装置，其特征在于，所述导线为外加屏蔽层的双层耐高温线。

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