一种检测空间等离子体推力器推力矢量的测量装置和方法[发明专利]

[12]发明专利申请公布说明书

[21]申请号200910089133.X

[51]Int.CI.

G01L 5/12 (2006.01)G01B 7/30 (2006.01)

[43]公开日2009年12月30日[22]申请日2009.07.30[21]申请号200910089133.X

[71]申请人中国科学院力学研究所

地址100190北京市海淀区北四环西路15号[72]发明人潘文霞 孟显 吴承康

[11]公开号CN 101614606A

[74]专利代理机构北京中创阳光知识产权代理有限责

任公司

代理人尹振启

权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页

[54]发明名称

一种检测空间等离子体推力器推力矢量的测量装置和方法[57]摘要

本发明涉及一种检测空间等离子体推力器推力矢量的测量装置和方法。该推力矢量检测装置主要包括静电探针、静电探针调节机构、定位件及数据采集处理系统几部分。本发明的方法是：先将静电探针固定于可移动平台，同时调节静电探针位置，在其轴线与等离子体推力器轴线重合时探针可接触的位置设置定位件，当可移动平台沿垂直于推力器轴线的方向匀速移动时，施加正偏置电压的静电探针将实时收集推力器喷流在当地位置的电子，从而在探针电路流过电流，数据采集处理系统实时采集采样电阻两端的电压信号。通过比较采样电阻两端电压信号的最高点所对应的时刻和定位件两端电压信号突变时刻的差别，再根据平移台移动速度和静电探针距推力器出口的距离，可导出实际推力矢量相对设计目标的偏转。

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权 利 要 求 书

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1.一种检测空间等离子体推力器实际推力矢量与设计目标偏转情况的方法，具体为：利用推力矢量测量装置采集空间等离子体推力器喷流场中各点的电信号，通过对采集到的电信号最高点相对空间等离子体推力器轴线的偏移进行分析，得到实际推力矢量与设计目标的偏转。 2.如权利要求1所述的检测空间等离子体推力器实际推力矢量与设计目标偏转情况的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)调节静电探针，在其轴线与等离子体推力器轴线重合时，静电探针可接触的位置设置定位件，当静电探针接触定位件的瞬间，施加在定位件上的信号会发生突变；2)沿水平方向匀速运动所述静电探针，静电探针实时采集喷流在当地位置的电子，数据采集处理系统同时采集定位件和静电探针的电信号；3)比较静电探针的电信号最高点所对应的时刻和定位件电信号突变时刻的差别，根据静电探针移动速度和静电探针距推力器出口的距离，得出在水平方向推力矢量相对设计目标的偏转；4)改变静电探针移动方向，使其沿竖直方向匀速移动，实时采集喷流在当地位置的电子，重复步骤3)；5)综合测到在水平、竖直方向的偏转角度，其合矢量方向即为实际的推力矢量偏转角度。

3.如权利要求1所述的检测空间等离子体推力器实际推力矢量与设计目标偏转情况的方法，其特征在于，所述静电探针运动速度需根据等离子体喷流的稳定变化周期来确定，保证在单个稳定周期内静电探针可扫过整个喷流径向截面。

4.一种检测空间等离子体推力器推力矢量的装置，其特征在于，包括静电探针、静电探针调节机构、定位件及数据采集处理系统，所述的静电探针实时收集空间等离子体推力器喷流中的电子；所述静电探针调节机构用于控制静电探针在水平或竖直方向运动，调节静电探针轴线和推力器轴线平行；所述定位件设置在静电探针轴线与等离子体推力器轴线重合时，静电探针可接触的位置；静电探针移动到等离子体推力器轴线的瞬间，静电探针触碰所述定位件产生突变电信号；所述数据采集处理系统用于对探针施加正偏压，同时实时采集静电探针及定位件输出的电信号，并分析比较两电压信号得出推力器实际的推力矢

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量偏转角度。

5.如权利要求4所述的检测空间等离子体推力器推力矢量的装置，其特征在于，所述静电探针调节机构包括探针支撑座、减震件、可移动平台和旋转台，旋转平台上固定可移动平台，可移动平台上固定减震件，减震件上架设探针支撑座，所述静电探针固定于探针支撑座中，并与之绝缘，并且一端与所述数据采集处理系统相连；所述可移动平台用于控制静电探针在水平或竖直方向运动，所述旋转平台用于调节静电探针轴线和等离子体推力器轴线相平行。

6.如权利要求4所述的检测空间等离子体推力器推力矢量的装置，其特征在于，所述数据采集处理系统包括采样电阻、偏压电源、参考电极和数据采集装置，所述静电探针、采样电阻、偏压电源和参考电极构成电回路，数据采集装置用于采集采样电阻两端及定位件的电信号。 7.如权利要求4所述的检测空间等离子体推力器推力矢量的装置，其特征在于，所述的静电探针丝径根据喷流扩散的径向范围以及测量精度确定，所述推力器的喷流扩散的径向范围与探针丝直径的比值大于30。

8.如权利要求4所述的检测空间等离子体推力器推力矢量的装置，其特征在于，所述推力矢量测量装置需屏蔽、接地。

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说 明 书

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一种检测空间等离子体推力器推力矢量的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种检测空间等离子体推力器推力矢量的测量装置和方法。背景技术

随着时代的发展，太空制约能力对一个国家的安全起着越来越重要的作用。化学火箭携带的化学燃料重量占运载器总重量的90％以上，有效载荷仅占1％左右，而受推进剂化学能的限制，其比冲很难提高。因此化学推进剂适用于短时间、大推力的推进任务。相对来说，电火箭推进技术能够获得较高的运载效率，适用于长时间、中小推力、高比冲的推进任务。目前，对于各种用途的卫星，为减少重量和尺寸、提高定位精度、延长运行寿命，使用空间电推进技术已成为一种有效的途径。无论是近期的空间技术应用，还是未来对深空的科学研究，都需要发展高效率的空间电推进技术。这是因为与传统的姿控/轨控化学火箭相比，电推进方式具有高比冲的突出优点。空间电推进技术大致可以分为：1)电热型，包括电阻加热射流方式和电弧加热等离子体射流方式；2)静电加速型，如离子发动机；3)等离子体推进型，包括霍尔发动机、脉冲等离子体发动机、磁等离子体动力学发动机和可变比冲磁等离子体发动机。迄今为止，世界上已有数百颗卫星使用了电推进系统，积累了大量的有用数据。但是，我国还没有任何种类的电推进发动机达到或接近实际应用的综合性能指标。

任何种类的火箭发动机，在真正能够上天运行之前，都必须在地面进行大量的性能研究和可靠性模拟实验。其中，推力的测量是必不可少的，例如，对于总推力仅为几百毫牛的千瓦级电弧等离子体推力器，除测力系统本身的阻力以外，连接于推力器的供气管和供电电缆设置严重地影响推力的精确测量及测量结果的可靠性。因此，人们提出了各种不同原理的测力器，例如有倒钟摆式、双摆式、扭摆式、多

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臂式等测量方法；也有直接将推力器坐在天平上的测力方法，或者是在将推力器坐在天平上的基础上再做些重心平衡的处理或补偿；也有用激光干涉原理的测量方法。但以上方法都是对推力的大小进行测量，或者说是对沿推力器轴线方向的推力分量进行测量，但推力器产生的推力方向是否绝对平行于发动机轴线，即推力矢量是否偏转，也是一个需要精确测量的重要参数，目前还查不到相关的公开报道。发明内容

本发明的目的在于：提出一种检测空间等离子体推力器推力矢量的装置，以及应用该装置进行推力矢量测量，探讨实际推力矢量与设计目标偏转情况的方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种检测空间等离子体推力器实际推力矢量与设计目标偏转情况的方法，具体为：利用推力矢量测量装置采集空间等离子体推力器喷流场中的电信号，通过对采集到的电信号最高点相对空间等离子体推力器轴线的偏移进行比较，得到实际推力矢量与设计目标的偏转。

进一步，包括以下步骤：1)调节静电探针，在其轴线与等离子体推力器轴线重合时，静电探针可接触的位置设置定位件，当静电探针接触定位件的瞬间，施加在定位件上的信号会发生突变；2)沿水平方向匀速运动所述静电探针，静电探针实时采集喷流在当地位置的电子，数据采集处理系统同时采集定位件和静电探针的电信号；3)比较静电探针的电信号最高点所对应的时刻和定位件电信号突变时刻的差别，根据静电探针移动速度和静电探针距推力器出口的距离，得出在水平方向推力矢量相对设计目标的偏转；4)改变静电探针移动方向，使其沿竖直方向匀速移动，实时采集喷流在当地位置的电子，重复步骤3)；5)综合测到在水平、竖直方向的偏转角度，其合矢量方向即为实际的推力矢量偏转角度。

进一步，所述可移动平台的运动速度需根据等离子体喷流的稳定变化周期来确定，保证在单个稳定周期内静电探针可扫过整个喷流径向截面。

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一种检测空间等离子体推力器推力矢量的装置，包括静电探针、静电探针调节机构、定位件和数据采集处理系统，所述的静电探针实时收集空间等离子体推力器喷流中的电子；所述静电探针调节机构用于控制静电探针在水平或竖直方向运动，以及调节静电探针轴线和推力器轴线间的平行度；所述数据采集处理系统用于对静电探针施加正偏压，同时采集静电探针测得的喷流中各点的电信号及定位件输出的电信号，通过分析比较两电信号得出推力器实际的推力矢量偏转角度。 进一步，所述检测空间等离子体推力器推力矢量的装置，其适用于推力器产生的喷流中存在电子、并且电特性相对于喷流轴线对称的情况。

进一步，所述静电探针调节机构包括探针支撑座、减震件、可移动平台和旋转台，旋转平台上固定可移动平台，可移动平台上固定减震件，减震件上架设探针支撑座，所述静电探针固定于探针支撑座中，并与之绝缘，并且一端与所述数据采集处理系统相连；所述可移动平台用于控制静电探针在水平或竖直方向运动，所述旋转平台用于调节静电探针轴线和推力器轴线间的平行度。

进一步，所述数据采集处理系统包括采样电阻、偏压电源和参考电极和数据采集装置，所述静电探针、采样电阻、偏压电源和参考电极构成电回路；偏压电源用于向所述静电探针两端施加偏置电压，控制所述静电探针采集所述推力器喷流场中的电子，从而在所构成的电回路中流过电流；数据采集装置用于采集采样电阻两端的电压信号。 进一步，所述的静电探针丝径根据喷流扩散的径向范围以及测量精度确定，所述推力器的喷流扩散的径向范围与探针丝直径的比值大于30。

进一步，所述的静电探针通过减震件固定于可移动平台，保证静电探针测量到实时的真实信号，减震件通过调整其长度来调整所述静电探针的高度。

进一步，所述的可移动平台由步进电机驱动控制。 进一步，需仔细考虑所述的推力矢量测量装置连接回路的屏蔽、接地问题，以得到真实有效的信号。 本发明的特点在于：

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1)通过测量静电探针回路中采样电阻两端的电压信号以及定位件两端电压信号，根据采样电阻两端的电压信号最大值所对应的时刻及定位件两端电压突变时刻的差别，参考平移台移动速度和静电探针距推力器出口的距离，得到等离子体推力器推力矢量相对设计目标的偏转。本测量方法新颖，测量设备简单，具有良好的可操作性。 2)可移动平台具有稳定、低振动、高定位精度以及匀速移动的特点。旋转台具有稳定、低振动、高定位精度的特点。数据采集装置具有高的采样频率和精度，使得检测到的电压信号不失真，提高检测精度。附图说明

图1为本发明推力矢量测量装置示意图； 图2为本发明推力矢量偏转测量示意图；

图3为本发明静电探针回路电流信号(电阻两端的电压信号除以电阻值得到)的测量结果图。 具体实施方式

参照图1，制作等离子体推力器推力矢量测量装置，该装置包括：1.静电探针、2.绝缘套管、3.探针支撑座、4.采样电阻、5.偏压电源、6.数据采集装置、7.参考电极、8、定位件、9.减震件、10.可移动平台、11.旋转台。

本实施例中静电探针1采用直径为0.3mm的钨丝制成，并伸出绝缘套管2mm，绝缘套管2外径为1mm，长度为35mm，以尽可能减少对喷流的扰动，细的钨丝直径又使得测量结果具有较高的空间分辨率；探针支撑座3采用耐高温陶瓷材料制成；偏压电源5设置为10V，采样电阻4的阻值为1欧姆，数据采集装置6为采样频率可达100MHz的数字示波器；参考电极7可使探针回路有一稳定的电位参考点；减震件9可上下调整静电探针1的高度，并具有减震功能。可移动平台10选用光学测量中用到的高精度电控平移台，其具有稳定、低振动、匀速移动的特点，旋转台11选用光学测量中用到的高精度电控旋转台，其具有稳定、低振动的特点，确保实验具有良好的精度和可重复性。

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定位件8选用限位开关，通常为长开开关，当探针移动到推力器轴线处，接触到限位开关的瞬间，限位开关的输出电压由0突变到1.5V。 如图2所示，应用上述测量装置测量等离子体推力器推力矢量时，1)先将静电探针1通过减震件9固定于可移动平台10，将可移动平台10固定于旋转台11，旋转台11固定于稳定平台12；2)将整个装置置于等离子体推力器喷流13场中；3)通过旋转台11调节静电探针1位置，使静电探针1轴线和推力器14的轴线平行，通过可移动平台10调节静电探针与空间等离子体推力器轴线在同一高度，同时保证静电探针1轴线和可移动平台10的水平运动方向垂直；4)在静电探针1运动到推力器轴线时可接触的位置设置一限位开关8，当探针1接触到该限位开关8的瞬间，施加在该限位开关8上的电压会突变；5)通过可移动平台10将静电探针移到远离推力器轴线的位置；开启偏压电压，给静电探针1施加正偏置电压；6)等离子体推力器产生喷流13；7)沿垂直于推力器14轴线的方向水平匀速移动可移动平台10，静电探针将随之匀速移动；8)同时施加正偏置电压的静电探针将实时收集等离子体推力器喷流在当地位置的电子，从而在探针电路流过电流，数据采集装置实时采集采样电阻两端的电压信号(采样电阻两端的电压信号除以电阻值可得到回路流过的电流值，它直接反映喷流的电特性)；9)改变探针移动方向，使其沿竖直方向匀速移动，重复步骤8)；10)综合测到的在水平、竖直方向的偏转角度，其合矢量方向即为最终得到的推力矢量偏转角度。

图3所示为采用上述测量装置所得到的测量结果图，图中实线为静电探针回路电流测量结果，虚线代表喷流中心位置。通过分析中心线两侧的电流数据对称性，从而得到推力矢量的偏转程度。该实施方案说明采用测量伸入等离子体推力器喷流中的静电探针回路电流的方法，探讨推力矢量的偏转是一种简单、可行、有效的方法。 需要指出的是根据本发明的具体实施方式所做出的任何形式的变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求的保护范围。

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图1

图2

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图3

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