[發明專利]一種檢測空間等離子體推力器推力矢量的測量裝置和方法

無效

• 申請號: 200910089133.X
• 申請日: 2009-07-30
• 公開（公告）號: CN101614606A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發明（設計）人: 潘文霞;孟顯;吳承康
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G01L5/12
• 分類號: G01L5/12;G01B7/30
• 代理公司: 北京中創陽光知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 尹振啟

技術領域

本發明涉及一種檢測空間等離子體推力器推力矢量的測量裝置和方法。

背景技術

隨著時代的發展，太空制約能力對一個國家的安全起著越來越重要的作用。化學火箭攜帶的化學燃料重量占運載器總重量的90％以上，有效載荷僅占1％左右，而受推進劑化學能的限制，其比沖很難提高。因此化學推進劑適用于短時間、大推力的推進任務。相對來說，電火箭推進技術能夠獲得較高的運載效率，適用于長時間、中小推力、高比沖的推進任務。目前，對于各種用途的衛星，為減少重量和尺寸、提高定位精度、延長運行壽命，使用空間電推進技術已成為一種有效的途徑。無論是近期的空間技術應用，還是未來對深空的科學研究，都需要發展高效率的空間電推進技術。這是因為與傳統的姿控/軌控化學火箭相比，電推進方式具有高比沖的突出優點。空間電推進技術大致可以分為：1)電熱型，包括電阻加熱射流方式和電弧加熱等離子體射流方式；2)靜電加速型，如離子發動機；3)等離子體推進型，包括霍爾發動機、脈沖等離子體發動機、磁等離子體動力學發動機和可變比沖磁等離子體發動機。迄今為止，世界上已有數百顆衛星使用了電推進系統，積累了大量的有用數據。但是，我國還沒有任何種類的電推進發動機達到或接近實際應用的綜合性能指標。

任何種類的火箭發動機，在真正能夠上天運行之前，都必須在地面進行大量的性能研究和可靠性模擬實驗。其中，推力的測量是必不可少的，例如，對于總推力僅為幾百毫牛的千瓦級電弧等離子體推力器，除測力系統本身的阻力以外，連接于推力器的供氣管和供電電纜設置嚴重地影響推力的精確測量及測量結果的可靠性。因此，人們提出了各種不同原理的測力器，例如有倒鐘擺式、雙擺式、扭擺式、多臂式等測量方法；也有直接將推力器坐在天平上的測力方法，或者是在將推力器坐在天平上的基礎上再做些重心平衡的處理或補償；也有用激光干涉原理的測量方法。但以上方法都是對推力的大小進行測量，或者說是對沿推力器軸線方向的推力分量進行測量，但推力器產生的推力方向是否絕對平行于發動機軸線，即推力矢量是否偏轉，也是一個需要精確測量的重要參數，目前還查不到相關的公開報道。

發明內容

本發明的目的在于：提出一種檢測空間等離子體推力器推力矢量的裝置，以及應用該裝置進行推力矢量測量，探討實際推力矢量與設計目標偏轉情況的方法。

本發明的目的是這樣實現的：

本發明提供的一種檢測空間等離子體推力器實際推力矢量與設計目標偏轉情況的方法，具體為：利用推力矢量測量裝置采集空間等離子體推力器噴流場中的電信號，通過對采集到的電信號最高點相對空間等離子體推力器軸線的偏移進行比較，得到實際推力矢量與設計目標的偏轉。

進一步，包括以下步驟：1)調節靜電探針，在其軸線與等離子體推力器軸線重合時，靜電探針可接觸的位置設置定位件，當靜電探針接觸定位件的瞬間，施加在定位件上的信號會發生突變；2)沿水平方向勻速運動所述靜電探針，靜電探針實時采集噴流在當地位置的電子，數據采集處理系統同時采集定位件和靜電探針的電信號；3)比較靜電探針的電信號最高點所對應的時刻和定位件電信號突變時刻的差別，根據靜電探針移動速度和靜電探針距推力器出口的距離，得出在水平方向推力矢量相對設計目標的偏轉；4)改變靜電探針移動方向，使其沿豎直方向勻速移動，實時采集噴流在當地位置的電子，重復步驟3)；5)綜合測到在水平、豎直方向的偏轉角度，其合矢量方向即為實際的推力矢量偏轉角度。

進一步，所述可移動平臺的運動速度需根據等離子體噴流的穩定變化周期來確定，保證在單個穩定周期內靜電探針可掃過整個噴流徑向截面。

一種檢測空間等離子體推力器推力矢量的裝置，包括靜電探針、靜電探針調節機構、定位件和數據采集處理系統，所述的靜電探針實時收集空間等離子體推力器噴流中的電子；所述靜電探針調節機構用于控制靜電探針在水平或豎直方向運動，以及調節靜電探針軸線和推力器軸線間的平行度；所述數據采集處理系統用于對靜電探針施加正偏壓，同時采集靜電探針測得的噴流中各點的電信號及定位件輸出的電信號，通過分析比較兩電信號得出推力器實際的推力矢量偏轉角度。

進一步，所述檢測空間等離子體推力器推力矢量的裝置，其適用于推力器產生的噴流中存在電子、并且電特性相對于噴流軸線對稱的情況。

進一步，所述靜電探針調節機構包括探針支撐座、減震件、可移動平臺和旋轉臺，旋轉平臺上固定可移動平臺，可移動平臺上固定減震件，減震件上架設探針支撐座，所述靜電探針固定于探針支撐座中，并與之絕緣，并且一端與所述數據采集處理系統相連；所述可移動平臺用于控制靜電探針在水平或豎直方向運動，所述旋轉平臺用于調節靜電探針軸線和推力器軸線間的平行度。