根据地面实验参数修正在轨飞行霍尔推力器推力参数的方法
【专利摘要】一种根据地面实验参数修正在轨飞行霍尔推力器推力参数的方法，涉及等离子体推进领域。本发明为了解决现有地面真空系统内存在背景气体的返流造成霍尔推力器在轨运行时偏离设计的技术指标。本发明在实验室中的霍尔推力器进行实验，计算霍尔推力器在不同背景压力下背景气体的返流质量流量，并根据背景气体返流离子对推力的贡献估计折算系数，对实验室中霍尔推力器的推力进行修正，将修正后的推力作为在轨运行时的推力。本发明适用于在轨飞行霍尔推力器性能参数的修正。
【专利说明】根据地面实验参数修正在轨飞行霍尔推力器推力参数的方 法
【技术领域】
[0001] 本方法涉及等离子体推进领域
【背景技术】
[0002] 霍尔推力器以其高效率、高比冲、小推力等特点逐步成为卫星、探测器等航天飞行 器的重要动力装置。随着各国航天事业的不断发展，对霍尔推力器的研究更加深入。由于现 在霍尔推力器的研究都是在地面实验设备模拟的真空环境下进行的，地面模拟的真空环境 很难达到实际太空的真空条件。通常，实际太空的真空压强在1〇~ (-7) Pa量级，而霍尔推力 器在地面真空系统中点火运行时，由于设备及实验费用的限制，背景气压一般高于1〇~ (-4) Pa，即至少要高于太空环境压强一个数量级。此外，真空背压也会受实验中背景气体、真空 泵抽速的影响在一定范围内波动。
[0003] 当霍尔推力器在地面真空罐这种真空背压相对较高的情况下运行时，背景气体会 通过扩散作用进入放电通道，与通道内高能粒子发生碰撞电离，电离后产生的离子经电场 加速重新返回真空罐内。而在太空理想的真空环境下，通道内气体压强与背景气压形成的 压强梯度很小，因此，通过扩散作用返回到放电通道内的背景气体极少，可以忽略不计。
[0004] 在现有地面真空系统内不可避免的存在背景气体的返流，进入通道内的背景气体 会同工质气体一样参与通道内气体的电离加速过程，这势必会影响到推力器的推力，效率， 放电电流和比冲等宏观性能参数，造成霍尔推力器在轨运行时偏离设计的技术指标。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决现有地面真空系统内存在背景气体的返流造成霍尔推力器在轨 运行时偏离设计的技术指标。进而提出了一种根据地面实验参数修正在轨飞行霍尔推力器 推力参数的方法。
[0006] 根据地面实验参数修正在轨飞行霍尔推力器推力参数的方法的过程为：
[0007] 步骤一：计算霍尔推力器在不同背景压力下背景气体的返流质量流量的具体 操作步骤为：
[0008] 在实验室中进行霍尔推力器实验，假使霍尔推力器通道内原子服从麦克斯韦分 布，则单位时间单位面积上的原子数如公式（1)，即碰撞数为：
[0009]
【权利要求】
1. 一种根据地面实验参数修正在轨飞行霍尔推力器推力参数的方法，其特征在于它包 括下述步骤： 步骤一：计算霍尔推力器在不同背景压力下背景气体的返流质量流量的具体操作 步骤为： 假使霍尔推力器通道内原子服从麦克斯韦分布，则单位时间单位面积上的原子数如公 式（1)，即碰撞数为：
(1) 其中：V表示原子速度标量，
表示原子速度矢量，k = 1. 38 X ΚΓ23表示玻尔 兹曼常数，m为背景气体原子质量，t表示时间，T表示实验室工作时的热力学温度，A霍尔 推力器通道出口截面积，N表示粒子数密度，f(v)为麦克斯韦速度分布函数，e自然对数的 底数； 根据理想气体状态方程，
，由于R = k ·ΝΑ，得到粒子数密度 为
(2) 其中，Ρ为真空罐内气体压力，为气体体积，η为气体物质的量，R为理想气体常数， ΝΑ为阿伏伽德罗常数； 将公式（2)代入公式（1)可得：
C3) 背景气体返流质量流量4^如式（4)所示
(4) 近似认为霍尔推力器工作时加速区压力为真空前提下，将公式（3)代入公式（4)得到 背景气体返流质量流量与背景压力的关系为： (5) 其中，为背景气体返流质量流量，A为霍尔推力器通道出口截面积，P为真空罐内 气体压力； 在实验室中改变真空罐内气体压力P进行实验，根据公式（5)得到相应背压下背景气 体返流质量流量； 步骤二：根据背景气体返流离子对推力的贡献估计折算系数δ的具体操作步骤为： 利用多栅探针，调节接收级制止电压，得到多栅探针伏安特性曲线，对伏安特性曲线进 行一阶数值微分，并采用小波变换方法进行滤波消噪处理，得到离子能量分布函数；两个离 子峰对应的分别是返流离子峰和主流离子峰，较低峰为低能离子表示返流离子的能量低， 较高峰为高能离子表示主流离子的能量高，离子能量由电压供给，利用主流离子的加速电 压和返流离子的加速电压定义返流粒子对推力的贡献折算系数如公式（6):
(6) 其中表示返流离子在放电通道内所获得的加速电压，表示主流离子在放电 通道内所获得的加速电压； 步骤三：霍尔推力器工作时，通过流量计给定确定的工质气体质量流量，即主流质量流 量<流，根据返流质量流量七5?、主流质量流量4--和折算系数S对实验室中霍尔推力器 的推力T实验进行修正，如公式（7)所示
(7) 根据修正公式（7)计算的修正推力，作为霍尔推力器在轨运行时推力。
2. 根据权利要求1所述的一种根据地面实验参数修正在轨飞行霍尔推力器推力参数 的方法，其特征在于，步骤一公式（5)中的霍尔推力器通道出口截面积A如公式（8)所示
(8) 其中，Rw表示推力器通道外径，Rn表示推力器通道内径。
3. 根据权利要求2所述的一种根据地面实验参数修正在轨飞行霍尔推力器推力参数 的方法，其特征在于，步骤二中"得到离子能量分布函数"是通过差分、线性差值方法得到 的。
4. 根据权利要求3所述的一种根据地面实验参数修正在轨飞行霍尔推力器推力参数 的方法，其特征在于，利用霍尔推力器进行实验时，霍尔推力器采用三个励磁线圈串联连接 方式励磁或者采用三个励磁线圈单独励磁。
【文档编号】F03H1/00GK104061137SQ201410330878
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】魏立秋, 杨子怡, 韩亮, 丁永杰, 于达仁 申请人:哈尔滨工业大学