一种用于等离子体参数诊断的探针装置的制作方法

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种可用于超高速飞行器表面等离子体参数诊断的探针装置。

背景技术

静电探针是朗缪尔等人1923年发明，由于它制作简单，可以较为准确的获取探针所在区域的等离子体参数信息。因此，被研究者广泛用于诊断等离子体密度，电子温度和空间电位等信息。

众所周知，再入飞行器高速进入大气层后，由于激波加热空气和化学防护材料的烧蚀等原因会在飞行器表面形成一个致密的等离子体鞘套，从而使得通讯信号的中断，这种现象即为黑障现象。为了克服黑障现象，我们需要伸入了解等离子鞘套中的电子密度等信息

然而，等离子体鞘套内属于高温等离子体环境，若探针伸出飞行器外表面，那么探针极易被烧蚀并影响飞行器的安全和稳定；与此同时，若探针的电子饱和流较大，还会对等离子体鞘套内的等离子环境产生干扰，影响测量结果的稳定性。

因此，如何提供一种在高温等离子体中仍然能够准确诊断等离子体参数的探针装置是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于等离子体参数诊断的探针装置，以便能够在高温等离子体中仍然能够准确诊断等离子体参数。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于等离子体参数诊断的探针装置，安装于探针载体上，包括壳体和设置在所述壳体内的两个静电探针，并且在安装于所述探针载体上之后，所述静电探针的探测端与所述探针载体的外表面平齐。

优选地，两个所述静电探针的结构相同，且均包括电极杆以及电极端帽，所述电极杆的一端与所述电极端帽电性连接，另一端用于与测量电路相连，其中，所述电极端帽构成所述静电探针的探测端。

优选地，所述电极端帽采用钨、铜、钼或钨钼合金制成。

优选地，所述电极端帽用于与所述电极杆相连的端面上开设有螺纹孔，所述电极杆与所述电极端面相连的一端设置有与所述螺纹孔适配的外螺纹。

优选地，还包括填充于所述壳体内的绝缘套，所述绝缘套上设置有间隔设置并且供两个所述静电探针安装的探针槽，在所述静电探针嵌入所述探针槽后，其探测端与所述绝缘套平齐。

优选地，所述绝缘套由陶瓷或聚四氟乙烯制成。

优选地，还包括连接在所述壳体的内端，并用于与所述探针载体内部的支撑件相连的转接头。

优选地，所述转接头包括套筒部和与所述套筒部固连的转接部，所述套筒部套设在所述壳体的内端外部，并与所述壳体螺纹连接。

优选地，所述转接头采用不锈钢制成。

优选地，所述探针载体为再入式飞行器。

本发明中所公开的探针装置中包括两个静电探针，并且在安装于探针载体上之后，静电探针的探测端与探针载体的外表面平齐，这就构成了双平装探针装置。

双平装探针装置将平装探针和静电双探针的优势充分结合起来，首先静电探针并未裸露于探针载体之外，而是将探针探测端与探针载体表面相齐平。这一特殊设计很好解决了高温等离子体中外露的静电探针由于热沉积而导致的探针表面绝缘，以至于无法准确的诊断等离子体参数信息的问题，应用于再入飞行器时，还可以解决再入飞行器表面由于激波加热和化学防护材料的烧蚀等原因致使传统的静电探针无法正常的工作的难题；而双电极结构也充分利用了静电双探针的优势，使得该探针装置可以在无辅助电极的特殊区域内使用，并且流进静电探针的电子流很小，对等离子体环境几乎无干扰，提高了等离子体参数探测的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中所公开的探针装置的侧面剖视结构示意图；

图2为图1的左视示意图；

图3为本发明实施例中所公开的外壳的侧面剖视结构示意图；

图4为图3的左视示意图；

图5为本发明实施例中所公开的绝缘套的侧面剖视结构示意图；

图6为图5的左视示意图；

图7为本发明实施例中所公开的电极杆的结构示意图；

图8为本发明实施例中所公开的电极端帽的侧面剖视结构示意图；

图9为本发明实施例中所公开的转接头的侧面剖视结构示意图。

附图中标记如下：

1为壳体，2为电极杆，3为电极端帽，4为绝缘套，5为探针槽，6为转接头，61为套筒部，62为转接部。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种用于等离子体参数诊断的探针装置，以便能够在高温等离子体中仍然能够准确诊断等离子体参数。

实际上，传统的探针装置完成安装后静电探针是伸出探针载体之外的，这种探针装置在一些特殊的等离子体环境中并不适用，例如在高温等离子体中，热的沉积物容易附着在静电探针表面，造成探针表面的绝缘，从而造成诊断误差的增大，甚至无法正常的工作，另外，传统的单探针结构必须在具有参考电极的前提下才能使用，而且单探针结构的电子饱和流很大，会对等离子体环境产生干扰。

本发明中所公开的探针装置完全解决了上述技术问题，即使在高温等离子体环境中，依然可以准确的诊断等离子体参数。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，本发明中所公开的探针装置，用于等离子体参数的诊断，该探针装置安装于探针载体上，探针载体可以为在等离子体环境中运行的各种物体，例如再入飞行器，探针装置包括壳体1和设置在壳体1内的两个静电探针，并且在安装于探针载体上之后，静电探针的探测端与探针载体的外表面平齐。

上述实施例中所公开的探针装置，一方面设置了两个探针，另一方面使得静电探针的探测端与探针载体的外表面平齐，这实质上构成了双平装探针装置，所谓平装就是完成安装后，静电探针与探针载体的外表面平齐。

双平装探针装置将平装探针和静电双探针的优势充分结合起来，首先静电探针并未裸露于探针载体之外，而是将探针探测端与探针载体表面相齐平。这一特殊设计很好解决了高温等离子体中外露的静电探针由于热沉积而导致的探针表面绝缘，以至于无法准确的诊断等离子体参数信息的问题，应用于再入飞行器时，还可以解决再入飞行器表面由于激波加热和化学防护材料的烧蚀等原因致使传统的静电探针无法正常的工作的难题；而双电极结构也充分利用了静电双探针的优势，使得该探针装置可以在无辅助电极的特殊区域内使用，并且流进静电探针的电子流很小，对等离子体环境几乎无干扰，提高了等离子体参数探测的准确性。

壳体1优选采用金属制成，其主要限定整个探针装置的外部轮廓，因此其硬度和刚度应满足要求，在高温环境下，其耐高温性能也应当满足要求。

为了本发明中所公开的探针装置可以准确的在特殊环境中诊断等离子体参数，发明人在实验室环境下还对该探针装置进行了校准实验，在同一等离子体环境中，若固定放电电流不变，只改变放电电压的话，本案中所公开的探针装置诊断出的电子密度的结果与朗缪尔单探针和双探针的结果相对比，误差在21％范围之内；若固定放电电压不变，只改变放电电流的话，本案中所公开的探针装置诊断出的电子密度的结果与朗缪尔单探针和双探针的结果相对比，误差小于17％；若固定放电电流不变，只改变放电电压，或者是固定放电电压不变，只改变放电电流的话，本案中所公开的探针装置诊断出的电子温度的结果与朗缪尔单探针和双探针的结果相对比，误差小于15％。

根据试验结果，本发明所公开的探针装置通过探针伏安特性曲线理论模拟得出的等离子参数信息与传统的朗缪尔探针采集到的数据信息几乎一致，两种探测装置的误差在21％以内，这表明本发明中所公开的探针装置可以作为一个准确的诊断工具来用于特殊的等离子体环境中。

请同时参考图1、图7和图8，本发明中所公开的探针装置中，两个静电探针的结构相同，并且任意一个静电探针均包括电极杆2以及电极端帽3，电极杆2的一端与电极端帽3电性连接，另一端用于与测量电路(诊断电路)相连，并且电极端帽3构成了上述实施例中静电探针的探测端。优选的，电极端帽3采用与探针载体共形的圆柱结构(根据探针载体外形曲率半径的不同更改电极端帽3端面的形状)，电极端帽3用于收集等离子体中的电子和离子，因此其可以采用铜材料制成，考虑到耐高温因素，可以选用钨、钼或者钨钼合金制造电极端帽3，电极杆2也应当同时具备优良的导电性和耐高温特性，因此电极杆2也可采用上述材料制造。

电极端帽3与电极杆2电性连接的方式也包括多种，例如卡接、铆接或者焊接等，在本实施例中，电极端帽3与电极杆2之间为螺纹连接，具体的，电极端帽3用于与电极杆2相连的端面上开设有螺纹孔，电极杆2与电极端面相连的一端设置有与螺纹孔适配的外螺纹，如图7和图8中所示，电极杆2的另一端也开设有外螺纹，以便通过平垫以及螺母将诊断电路的导线连接在电极杆2上。

为了保证两个静电探针之间以及静电探针与外壳之间的绝缘，本实施例中还包括填充于壳体1内的绝缘套4，如图5和图6中所示，绝缘套4上设置有间隔分布并且供两个静电探针安装的探针槽5，在静电探针嵌入探针槽5内之后，静电探针的探测端与绝缘套4平齐。绝缘套4一方面需保证可靠的绝缘性能，另一方面还应当具有较大的硬度，为此本实施例中的绝缘套4优选的采用高温陶瓷或聚四氟乙烯制成。

为了保证安装的稳定性，嵌装于探针载体中的探针装置需要与探针载体内部的支撑件相连，为此本实施例中还设置了转接头6，如图9中所示，转接头6一侧连接探针装置的壳体1的内端，另一端用于与探针本体内部的支撑件相连。具体的，转接头6包括套筒部61和与套筒部61固连的转接部62，套筒部61套设在壳体1的内端外部，并与壳体1螺纹连接，转接部62用于与支撑件相连，由于转接头6需要保证较大的硬度和刚度，因此可选用不锈钢材料制造，在高温环境下，应保证转接头6的耐高温性能满足要求。

需要进行说明的是，上述实施例中的壳体1的内端具体是指探针装置壳体1嵌入探针载体内的一端。

可以理解的是，探针载体的类型并不局限于一种，其可能为航天器、再入飞行器以及飞机等多种可能与等离子体环境接触的载体。

在该探针装置与诊断电路连接之后，诊断电路向探针装置施加扫描偏置电压，此时静电探针就会收集等离子体中相应的电子或离子，通过采集电流信号以及电压信号，就可以得出伏安特性曲线，根据伏安特性曲线的特征就可以得出等离子体区域内的相关参数信息。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。