CN115808315B - 一种基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置及方法 - Google Patents

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本申请涉及航天测量技术领域，具体而言，涉及一种基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置及方法，所述装置包括依次设置在霍尔推力器前方束流区域的多个探针，每个探针均包括电流组件、绝缘陶瓷管以及供电线缆，其中：霍尔推力器设置在真空设备内部；电流组件设置在束流区域内部，并与绝缘陶瓷管的一端连接；绝缘陶瓷管的另一端与供电线缆连接；供电线缆穿过真空设备的探针供电法兰，与真空设备外部的探针电源以及电参数采集系统连接。本申请具有结构简单，易于安装、价格低廉的特点，同时探针组件能够快速进行安装与更换，能够实现霍尔推力器推力的快速评估。

Description

一种基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置及方法
技术领域
本申请涉及航天测量技术领域，具体而言，涉及一种基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置及方法。
背景技术
传统的化学推进是采用推进剂本身化学能做功产生推力，受化学能和壁面温度限制，推进剂喷射速度受到制约，进一步提升比冲非常困难。电推进相对与化学推进，具有高比冲、长寿命等优点，已经大量应用于通信、导航、遥感等卫星执行轨道维持、轨道提升等任务。
作为当今主流应用的电推力器之一-霍尔推力器，具有结构简单、推力小、比冲高、推功比大等优点。由于霍尔推力器推力小(一般为mN量级)，真空下测量推力十分困难，同时易受到真空线缆、管路、真空设备振动的影响，对微小推力的测量带来的极大的挑战，即使推力测量装置研制成功，其造价也十分昂贵。
发明内容
本申请提供了一种基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置及方法，能够快速、高效的获得霍尔推力器不同工况下的微小推力。
为了实现上述目的，本申请提供了一种基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置，包括依次设置在霍尔推力器前方束流区域的多个探针，每个探针均包括电流组件、绝缘陶瓷管以及供电线缆，其中：霍尔推力器设置在真空设备内部；电流组件设置在束流区域内部，并与绝缘陶瓷管的一端连接；绝缘陶瓷管的另一端与供电线缆连接；供电线缆穿过真空设备的探针供电法兰，与真空设备外部的探针电源以及电参数采集系统连接。
进一步的，霍尔推力器通过推力器支架固定在真空设备内部。
进一步的，霍尔推力器的供气管路穿过真空设备的供气法兰，与真空设备外部的供气系统连通。
进一步的，霍尔推力器的供电管路穿过真空设备的供电法兰，与真空设备外部的供电系统连接。
进一步的，供电系统还与电参数采集系统连接。
进一步的，电流组件为低溅射高发射材料电流组件。
此外，本申请还提供了一种应用基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置的方法，包括如下步骤：步骤1：将霍尔推力器固定安装在真空设备内的推力器支架上，并通过供气管路和供气法兰与供气系统连接，通过供电管路和供电法兰与供电系统连接；步骤2：将多个探针按照一定间隔的距离依次设置在霍尔推力器前方的束流区域内部，多个探针均设置在同一水平面上；步骤3：将多个探针通过供电线缆和探针供电法兰与探针电源以及电参数采集系统连接，使探针电源通过供电线缆和绝缘陶瓷管，将电压加载到电流组件上；步骤4：对真空设备进行抽真空，检查多个探针的供电系统和采集系统是否正常，正常后对霍尔推力器进行供气和供电，使其满足工作条件后，对霍尔推力器进行点火工作；步骤5：霍尔推力器持续工作达到稳定状态，利用霍尔推力器低频振荡的特性，通过电参数采集系统采集霍尔推力器放电电流和多个探针探测到的电流；步骤6：根据霍尔推力器与各个探针之间的距离，以及采集到的霍尔推力器放电电流与各个探针探测到的峰值电流的时间差，通过计算获得霍尔推力器不同位置的速度值；步骤7：根据霍尔推力器不同位置的速度值计算得到该工作条件下霍尔推力器的平均速度，根据平均速度计算得到该工作条件下霍尔推力器的推力值；步骤8：改变霍尔推力器的工作参数条件，循环步骤5-7，获得霍尔推力器在不同工况下的推力值，实现霍尔推力器性能的评估。
本发明提供的一种基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置及方法，具有以下有益效果：
本申请通过在霍尔推力器束流区域放置多个探针组件，基于霍尔推力器低频振荡放电特性，通过采集推力器放电电流和多个探针收集的电流峰值之间差与探针位置关系，获得束流等离速度，并且结合离子质量，反演推力器不同工况下的微小推力，相比与造价昂贵的微推力测量装置，具有结构简单，易于安装、价格低廉的特点，同时探针组件能够快速进行安装与更换，能够实现霍尔推力器推力的快速评估。
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提供的基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置的结构示意图；
图2是根据本申请实施例提供的电参数采集系统采集霍尔推力器放电电流和3个探针探测到电流的信号图；
图中：1-供气系统、01-供气管路、2-供气法兰、3-供电系统、02-供电管路、4-供电法兰、5-支架、6-霍尔推力器、7-电参数采集系统、8-探针电源、9-电阻、10-探针供电法兰4、11-第一探针、03-第一供电线缆、12-第二探针、04-第二供电线缆、13-第三探针、05-第三供电线缆、14-束流区域、15-真空设备、06-绝缘陶瓷管、07-电流组件。
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”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
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。
本申请提供了一种基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置，包括依次设置在霍尔推力器6前方束流区域14的多个探针，每个探针均包括电流组件07、绝缘陶瓷管06以及供电线缆，其中：霍尔推力器6设置在真空设备15内部；电流组件07设置在束流区域14内部，并与绝缘陶瓷管06的一端连接；绝缘陶瓷管06的另一端与供电线缆连接；供电线缆穿过真空设备15的探针供电法兰10，与真空设备15外部的探针电源8以及电参数采集系统7连接。
具体的，本申请实施例提供的基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置通过在霍尔推力器6束流区域14放置多个探针组件，基于霍尔推力器6低频振荡放电特性，通过采集推力器放电电流和多个探针收集的电流峰值之间差与探针相应位置关系，获得束流等离速度，并且结合离子质量，反演推力器不同工况下的微小推力(mN)，从而实现霍尔推力器6性能的快速评估。其中，多个探针在霍尔推力器6前方的束流区域14依次排列，每个探针除了与霍尔推力器6的距离不同以外，其他安装条件完全相同，多个探针主要用于收集霍尔推力器6不同位置处的放电束流中的离子流，利用霍尔推力器6低频振荡的特性，通过电参数采集系统7收集的多个探针接收的离子流与霍尔推力器6放电电流的时间与位置差，从而获取不同工况下霍尔推力器6推力的大小，达到快速评估推力的目的。
进一步的，霍尔推力器6通过推力器支架5固定在真空设备15内部。霍尔推力器6固定安装在支架5上，评估过程中，处于真空环境。
进一步的，霍尔推力器6的供气管路01穿过真空设备15的供气法兰2，与真空设备15外部的供气系统1连通。供气系统1通过供气管路01穿过供气法兰2，向真空设备15内部的霍尔推力器6进行供气。
进一步的，霍尔推力器6的供电管路02穿过真空设备15的供电法兰4，与真空设备15外部的供电系统3连接。供电系统3通过供电管路02穿过供电法兰4，向真空设备15内部的霍尔推力器6进行供电，使霍尔推力器6内部的气体发生电离，从而产生束流。
进一步的，供电系统3还与电参数采集系统7连接。电参数采集系统7与供电系统3连接，用于在评估过程中采集霍尔推力器6的放电电流。
进一步的，电流组件07为低溅射高发射材料电流组件07。探针的电流组件07主要用于收集束流区域14中的离子流，采用低溅射高发射的材料，优选采用钨丝。
具体的，如图1所示，以设置3个探针为例，对本申请实施例提供的应用基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置的方法进行进一步的说明，具体包括如下步骤：
步骤1：将霍尔推力器6固定安装在真空设备15内的推力器支架5上，并通过供气管路01和供气法兰2与供气系统1连接，通过供电管路02和供电法兰4与供电系统3连接。
步骤2：将3个探针按照一定间隔的距离依次设置在霍尔推力器6前方的束流区域14内部，3个探针均设置在同一水平面上，其中，第一探针11与霍尔推力器6之间的距离为ΔL，第二探针12与第一探针11之间的距离为ΔL1，第三探针13与第二探针12之间的距离为ΔL2。
步骤3：将3个探针通过3条供电线缆(第一供电线缆03、第二供电线缆04以及第三供电线缆05)和探针供电法兰10与3个探针电源8以及电参数采集系统7连接，其中，3个探针电源8与电参数采集系统7之间均并联有电阻9，并联电阻9的设置能够实现分流的作用，从而提高整个测量的可靠性，使每个探针电源8通过每条供电线缆和每个绝缘陶瓷管06，将电压加载到每个探针的电流组件07上，即每个探针需要对应的探针电源8单独供电，便于探针故障的排查。
步骤4：对真空设备15进行抽真空，检查3个探针的供电系统3和采集系统是否正常，正常后对霍尔推力器6进行供气和供电，使其满足工作条件后，对霍尔推力器6进行点火工作。
步骤5：霍尔推力器6持续工作达到稳定状态，利用霍尔推力器6低频振荡的特性，通过电参数采集系统7采集霍尔推力器6放电电流和3个探针探测到的电流，如图2所示。
步骤6：根据霍尔推力器6与各个探针之间的距离，即第一探针11与霍尔推力器6之间的距离为ΔL，第二探针12与第一探针11之间的距离为ΔL1，第三探针13与第二探针12之间的距离为ΔL2，以及采集到的霍尔推力器6放电电流与各个探针探测到的峰值电流的时间差，其中，霍尔推力器6放电电流相对于方面电流为基点，与第一探针11、第二探针12和第三探针13峰值电流的时间差分别为Δt、Δt1和Δt2，通过下面的公式，可以计算获得霍尔推力器6不同位置的速度值：
步骤7：根据霍尔推力器6不同位置的速度值计算得到该工作条件下霍尔推力器6的平均速度，根据平均速度计算得到该工作条件下霍尔推力器6的推力值：
其中，霍尔推力器6的平均速度V由如下公式获得：
V＝(v0+v1+v2)/3；
该工作条件下霍尔推力器6的推力值F由如下公式获得：
F＝miV
其中，mi为霍尔推力器6推进剂的离子质量。
步骤8：改变霍尔推力器6的工作参数条件，循环步骤5-7，获得霍尔推力器6在不同工况下的推力值，将不同工况下获得的多个推力值进行比较分析，就可以实现对霍尔推力器6整体性能的评估。
以上所述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 (7)

1.一种基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置，其特征在于，包括依次设置在霍尔推力器前方束流区域的多个探针，每个探针均包括电流组件、绝缘陶瓷管以及供电线缆，其中：
所述霍尔推力器设置在真空设备内部；
所述电流组件设置在束流区域内部，并与所述绝缘陶瓷管的一端连接；
所述绝缘陶瓷管的另一端与所述供电线缆连接；
所述供电线缆穿过所述真空设备的探针供电法兰，与所述真空设备外部的探针电源以及电参数采集系统连接。
2.根据权利要求1所述的基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置，其特征在于，所述霍尔推力器通过推力器支架固定在所述真空设备内部。
3.根据权利要求2所述的基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置，其特征在于，所述霍尔推力器的供气管路穿过所述真空设备的供气法兰，与所述真空设备外部的供气系统连通。
4.根据权利要求3所述的基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置，其特征在于，所述霍尔推力器的供电管路穿过所述真空设备的供电法兰，与所述真空设备外部的供电系统连接。
5.根据权利要求4所述的基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置，其特征在于，所述供电系统还与所述电参数采集系统连接。
6.根据权利要求1所述的基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置，其特征在于，所述电流组件为低溅射高发射材料电流组件。
7.一种应用权利要求1-6任一项所述的基于霍尔推力器低频振荡性能评估的装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将霍尔推力器固定安装在真空设备内的推力器支架上，并通过供气管路和供气法兰与供气系统连接，通过供电管路和供电法兰与供电系统连接；
步骤2：将多个探针按照一定间隔的距离依次设置在霍尔推力器前方的束流区域内部，多个探针均设置在同一水平面上；
步骤3：将多个探针通过供电线缆和探针供电法兰与探针电源以及电参数采集系统连接，使探针电源通过供电线缆和绝缘陶瓷管，将电压加载到电流组件上；
步骤4：对真空设备进行抽真空，检查多个探针的供电系统和采集系统是否正常，正常后对霍尔推力器进行供气和供电，使其满足工作条件后，对霍尔推力器进行点火工作；
步骤5：霍尔推力器持续工作达到稳定状态，利用霍尔推力器低频振荡的特性，通过电参数采集系统采集霍尔推力器放电电流和多个探针探测到的电流；
步骤6：根据霍尔推力器与各个探针之间的距离，以及采集到的霍尔推力器放电电流与各个探针探测到的峰值电流的时间差，通过计算获得霍尔推力器不同位置的速度值；
步骤7：根据霍尔推力器不同位置的速度值计算得到该工作条件下霍尔推力器的平均速度，根据平均速度计算得到该工作条件下霍尔推力器的推力值；
步骤8：改变霍尔推力器的工作参数条件，循环步骤5-7，获得霍尔推力器在不同工况下的推力值，实现霍尔推力器性能的评估。
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