[發明專利]一種電推進羽流試驗評估方法

有效

• 申請號: 201711384983.3
• 申請日: 2017-12-20
• 公開（公告）號: CN108387260B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 溫正;王敏;林驍雄;王玨;李烽;魏鑫;仲小清;彭維峰
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 范曉毅

本發明公開了一種電推進羽流試驗評估方法，包括：對主束流羽流區域和返流羽流區域的離子束流密度、電子濃度和空間等離子電勢進行測量，得到羽流對衛星太陽翼的力效應和熱輻射效應評估結果；對太陽電池陣表面不同材料在羽流等離子體環境中的充電電壓和泄露電流，以及太陽電池陣在羽流等離子體環境中的表面電位進行測量，得到羽流對衛星太陽翼及星本體表面的充放電效應評估結果；對衛星太陽翼及星本體表面敏感設備測試樣品的等離子羽流污染量進行測量，得到羽流對衛星太陽翼及星本體表面敏感設備的沉積污染效應評估結果。通過本發明實現了羽流對衛星表面的污染、離子濺射腐蝕、羽流對衛星表面電位的影響的測試分析和研究。

技術領域

本發明屬于電推進系統技術領域，尤其涉及一種電推進羽流試驗評估方法。

背景技術

電推進羽流是指電推力器工作時，其噴流向外部真空環境膨脹形成的羽毛狀流場。離子推力器羽流的成份是推進劑電離產生的離子、電子、未電離中性粒子、電荷交換離子及濺射污染物等，離開推力器后在真空環境下運動膨脹且運動速度較高，電磁場強烈耦合。可以將電推力器產生的等離子體分為兩部分，一部分是從推力器直接噴射出來的束流等離子體，束流離子能量高，由于受電磁場影響很小，運動軌跡幾乎為直線。束流離子主要分布在半角為15°～60°的圓錐面內。另一部分就是由交換電荷離子和電子組成的，會返回至衛星表面的交換電荷等離子體。交換電荷離子的能量較低(通常低于20eV)，在衛星周圍電場的作用下，逆向運動，形成返流離子，對衛星表面造成污染。

束流高能離子碰撞于航天器太陽翼表面會產生干擾力或力矩，影響航天器的姿態運動和控制，嚴重情況下會造成航天器失控，無法正常工作。另外，束流等離子體沿軸向非對稱擴展膨脹、不穩定以及束流等離子體與地磁場相互作用都會造成推力大小和方向的變化，從而產生干擾力或力矩。離子推力器羽流熱效應主要是指束流高能離子與航天器表面碰撞產生的熱量交換，從而導致航天器表面的相關特性發生改變。

高能束流離子和電荷交換離子碰撞于航天器表面，只要離子能量大于被碰撞材料的濺射閾值，就會產生濺射腐蝕效應。對有些執行南北位保任務的電推進衛星，束流高能離子可能直接掃過太陽電池陣，產生比較嚴重的濺射腐蝕，造成電池陣性能下降或失效。電荷交換離子對航天器表面的濺射腐蝕相對較弱，但如果與局部強電場分布相耦合，其時間積累效應也不容忽視。離子推力器產生的沉積污染來自兩個方面：一是推力器的放電室、柵極等材料受到離子濺射腐蝕，流出推力器的濺射剝離物以離子、原子等形式沉積在航天器表面形成污染；二是受到離子濺射腐蝕的航天器表面剝離物產生的一次或多次污染。航天器表面污染影響涉及范圍包括太陽電池陣、熱控表面、光學傳感器等，表面污染還加劇航天器表面不等量帶電。離子推力器產生的沉積污染速率雖然很小，但由于工作時間較長，長時間的積累效果也會對熱控材料的光熱特性、太陽電池玻璃蓋片的太陽光學特性產生較大影響。另外，電推進工作期間的羽流對星敏感器視場的干擾影響主要是會導致敏感器測試精度下降，信噪比增大，對星數識別能力下降。

可見，電推進應用羽流問題可以歸結為以下幾個方面：

(1)羽流與太陽翼等的相互作用對航天器的力學及熱影響；

(2)羽流在航天器表面的電荷沉積會改變航天器的靜電環境，可能會產生充電和放電效應；

(3)羽流對衛星敏感部件的光干擾影響；

(4)羽流對推力器結構件及航天器其它部件的濺射腐蝕；

(5)羽流濺射產生的粒子再沉積后對航天器敏感表面的污染；

(6)推力器的電流波動會引起各種高頻等離子體振蕩，對航天器無線電通訊造成干擾。

發明內容

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種電推進羽流試驗評估方法，實現了羽流對衛星表面的污染、離子濺射腐蝕、羽流對衛星表面電位的影響的測試分析和研究，以評估電推進應用于衛星平臺的合理性。