[發明專利]一種離子推力器工作性能參數最優化設計方法

在審

• 申請號: 201710780403.6
• 申請日: 2017-09-01
• 公開（公告）號: CN107729602A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 孫明明;張天平;郭寧;賈艷輝;龍建飛
• 申請（專利權）人: 蘭州空間技術物理研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京理工大學專利中心11120
• 代理人: 溫子云,仇蕾安

技術領域

本發明涉及一種離子推力器工作性能參數最優化設計方法，屬于技術發明領域。

背景技術

離子推力器作為一種先進的航天器在軌推進裝置在各國已得到了廣泛應用。離子推力器的工作輸入性能參數主要包括供氣流率、束電壓及輸入功率等，而工作輸出性能參數主要是推力和效率，并且輸入參數和輸出參數之間存在復雜耦合關系。輸入/輸出工作性能參數作為離子推力器設計成敗的重要考核依據，在軌應用前需在地面經過大量的性能試驗驗證，以確定其最優輸入/輸出工作參數并固化為額定工作點。

而以往的離子推力器參數設計方法是預設并固定某些輸入參數，通過變化其余輸入參數，來給出大致的輸出參數設計值范圍并通過大量性能測試試驗以確定最終輸入性能參數并固化，誤差范圍較大，設計性能參數與實際工作性能參數符合性較差。而且，大量重復性的試驗以及試驗參數調節的寬范圍性，導致試驗成本以及人力成本的大幅提升。

因此需建立起一種離子推力器工作性能參數最優化設計方法，通過理論結合試驗的手段，且能夠較為精確的對推力器設計初期的工作性能參數進行預估，并對后期性能試驗的參數調節給定試驗范圍。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種離子推力器工作性能參數最優化設計方法，解決現有離子推力器設計過程中存在的設計輸出性能參數與實際輸出工作性能參數之間符合性較差且試驗成本較高的問題。

為了解決上述技術問題，本發明是這樣實現的：

一種離子推力器工作性能參數最優化設計方法，包括：

步驟一、建立離子推力器的輸入/輸出參數控制模型，P＝F(Q)；

其中，F表示輸入參數與輸出參數的映射關系模型，Q為輸入參數的集合，P為輸出工作性能參數的集合，P中至少包含推力T；

步驟二、將設定的離子推力器的輸入參數初始值Q₀確定為本輪優化的當前輸入參數集合Q；

步驟三、將當前輸入參數集合Q代入所述輸入/輸出參數控制模型，計算得到輸出參數，記為P；

步驟四、利用二價Xe離子產生推力修正因子α以及束流發散角修正因子F_t，對P中的推力T進行修正，獲得第一次修正后的推力T'＝T·α·F_t；

步驟五、判斷當前進行優化的離子推力器是否有前期性能試驗數據支持；其中，是否有前期性能試驗數據支持是指：設定當前進行優化的離子推力器為推力器A，判斷在此之前是否有同批次、同型號離子推力器，在相同輸入參數Q的情況下，獲得了輸出數據；

對于具有前期性能試驗數據支持的情況，利用推力對應的試驗數據與計算數據的均方差σ_corr，對T'進行修正，獲得第二次修正后的推力T”＝T'+σ_corrt；對于沒有前期性能試驗數據支持的情況令T”＝T'；

步驟六、開展離子推力器具體性能試驗比對：

對進行參數優化的當前離子推力器進行實際性能測試，輸入參數為當前輸入參數集合Q，得到實際輸出推力T₁，并計算實際輸出推力平均值T₁'；比較性能試驗得到的實際輸出推力平均值T₁'與T”之間的誤差Δ：

如果誤差Δ大于設定閾值，則執行步驟七和步驟八；否則，執行步驟九；

步驟七、引入反饋系數f_b＝|1+Δ|，對T”進行修正，得到修正推力T”'＝T”·f_b；將T”'代入輸入/輸出參數控制模型計算輸出參數集合，記為P'；

步驟八、根據P'結合輸入/輸出參數控制模型反推出輸入參數Q'；將Q'賦值給當前輸入參數集合Q，返回步驟三；

步驟九、當前輸入參數集合Q作為離子推力器的最優工作參數。

優選地，所述輸入/輸出參數控制模型為：

其中，束流I_b、束電壓V_b、放電電壓V_d、放電電流I_d、輸入功率P_in、推進劑質量流量組成輸入參數集合；將推力T、工質利用率η_m、推力器效率η_T和比沖I_sp組成輸出工作性能參數的集合。

優選地，二價Xe離子產生推力修正因子α的確定方式為：