一种基于法拉第探针阵列的离子推力器束流测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及离子推力器束流测试技术领域，尤其涉及一种基于法拉第探针阵列的 离子推力器束流测试方法，可用于离子推力器束流分布、束发散角、推力矢量偏角的测试。
【背景技术】
[0002] 离子推力器是离子推进系统产生推力的核心单机，在离子推力器研制和测试工作 中，需要对其束流分布进行测试和分析，通过对束流分布测试数据处理可获得束发散角、推 力器矢量偏角等性能参数。
[0003] 束发散角，是反映离子推力器的离子光学系统的参数，是航天器设计中所需的推 力器重要参数，用于推力器在航天器上布局设计。
[0004] 推力矢量偏角，主要由推力器固有的制造和装配误差引起，这对离子推力器在航 天器上的安装和定位带来一定的困难，安装要求是推力矢量经过航天器质心，如果安装关 系不正确，会对航天器产生干扰力矩。因此需要对离子推力器的推力矢量偏角进行测试，测 试结果直接应用于确定推力器在卫星上安装的方向以及整星装配时推力器的安装和调整。
[0005] 对于束发散角测试，目前主要有单法拉第探针测试，其主要问题是数据信息量少， 仅能测试截面上一条直线的数据。对于推力器矢量偏角，由于离子推力器的推力为微小推 力（如20cm离子推力器的额定推力为40mN)，对推力大小的测量本身存在很大的难度，要通 过直接测试推力的径向分量的方法测试推力矢量偏角，技术和工程难度极大。
[0006]目前，国内没有同时用于离子推力器束发散角和推力矢量偏角的测试方案。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明提供了一种基于法拉第探针阵列的离子推力器束流测试方法， 能够同时实现离子推力器束流分布、束发散角、推力矢量偏角测试的测试。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
[0009] -种基于法拉第探针阵列的离子推力器束流测试方法，包括：
[0010] 步骤一、构建测试装置：
[0011] 令被测的离子推力器喷口与法拉第探针阵列测试面相对，且平行；法拉第探针阵 列测试面上安装的法拉第探针呈放射状布置，且形成一系列同心圆；同一半径上的法拉第 探针为一组；设共有M组、N圈法拉第探针；所述一系列同心圆的圆心在离子推力器中心轴 线的延长线上；
[0012] 步骤二、获得每个法拉第探针探测的电流密度J1];J u表示第i组第j圈法拉第探 针探测的电流密度；
[0013] 步骤三、根据束流覆盖面积计算束发散角α，根据束流中心计算推力矢量偏角 入；
[0014] 其中，利用第Al步~第Α5步计算束发散角α :
[0015] 第Al步：对各法拉第探针探测的电流密度Ju求均值I，将均值乘以设定百分比 作为筛选门限，将小于筛选门限的法拉第探针的电流密度J1,置为O ;
[0016] 第A2步：将第i组第j圈法拉第探针的电流密度J1,乘以该法拉第探针所在测试 区域的面积，得到法拉第探针所在测试区域的束流值；所述测试区域的划分方式为：呈环 形布置的法拉第探针将圆形的法拉第探针阵列测试面均分为多个圆环段，每个圆环段内具 有一个法拉第探针，且法拉第探针位于圆环段的中心；法拉第探针所属圆环段即为法拉第 探针的测试区域，中心法拉第探针的测试区域为圆形；
[0017] 第A3步：将所有法拉第探针的测试区域的束流值累加求和，获得整个法拉第探针 阵列测试面的总束流值I ;
[0018] 第A4步：计算90 %总束流值对应的半径值：
[0019] 计算每圈法拉第探针对应的圈束流值I,，从内圈开始进行累加，每一次累加得到 第1圈~第j圈的累加束流值ΙΣ j，找到与90%总束流值最接近的两个累加束流值ΙΣ j，获 得这两个累加束流值ΙΣ ]对应圈数的半径，然后用线性插值法计算出90%总束流值对应的 半径，记为r90%;
[0020] 第A5步：利用下式计算束流发散角α :
[0022] 上式中，D为离子推力器喷口直径，L为离子推力器喷口与法拉第探针阵列测试面 的距离；
[0023] 其中，利用第Bl步~第Β2步计算推力矢量偏角λ :
[0024] 第Bl步：以法拉第探针阵列测试面为xy平面，用（Xl，y])表示第i组、第j圈法拉 第探针位置处的坐标、表示法拉第探针阵列测试面处束流中心，则采用下式（2)和 (3)计算束流中心位置：
[0027] 第B2步：计算测试面处的束流中心到离子推力器中心轴线的距离d :
[0031] 第M步：计算推力矢量偏角λ : CN 105116435 A 说明书 3/6 页
[0033] 优选地，所述法拉第探针阵列由法拉第探针和导电金属制成的圆盘型金属支架组 成，该圆盘型金属支架由中心圆盘、外圆环、以及连接在中心圆盘和外圆环之间的、以中心 圆盘圆心为对称中心放射型对称安装的多个金属条组成；法拉第探针通过绝缘方式安装在 中心圆盘和金属条上，且形成一系列同心圆。
[0034] 优选地，法拉第探针采用裸露型法拉第探针，每个法拉第探针的离子流收集盘外 侧具有一个屏蔽外套，法拉第探针与屏蔽外套之间绝缘，离子流收集盘通过屏蔽外套的开 口暴露在外；屏蔽外套与圆盘型金属支架接触，圆盘型金属支架仅通过一根导线连接偏置 电压的供给电路。
[0035] 有益效果：
[0036] (1)本发明采用法拉第探针阵列，能够同时实现对离子推力器束流分布、束发散 角、推力矢量偏角的测试。全部探针测试信号实现同步采集、数据信息量大，通常仅需几分 钟即可完成一次完整的测试和数据处理。
[0037] (2)每个法拉第探针的离子流收集盘的外侧有一个屏蔽外套，用于屏蔽飞向离子 流收集盘侧面的杂散离子，确保只有正面收集离子。
[0038] (3)屏蔽外套直接与圆盘型金属支架通过金属接触实现电连接，那么就可以仅使 用一根导线向圆盘型金属支架供给偏置电压，这种方式最大的优点是大大减少了探针引线 的数量，简化结构、提高可靠性。
[0039] ⑷圆盘型金属支架由中心圆盘、外圆环，多个金属条；这种结构形式将束流可轰 击部分的支架面积最小化，这样尽可能减少束流离子对支架的溅射以及由此造成的污染； 此外，尽量小的支架面积可减少测试装置对离子推力器束流的影响。
[0040] (5)在计算束发散角时，将测试电流值小于平均值的5%以下的离子束电流密度 流值为零，从而减少测量误差，提高可实施性。
[0041] (6)本发明将测点位于小测试区域的中心，视该测点测得的束流密度即为该小区 域的束流平均值，从而在保证计算准确性的基础上，简化了计算。
【附图说明】
[0042] 图1为测试装置整体示意图；
[0043] 图2为法拉第探针阵列示意图，即图1的A向视图；
[0044] 图3为法拉第探针屏蔽外套的示意图；
[0045] 图4为法拉第探针阵列上小测试区域的示意图；
[0046] 图5为离子推力器束流测试装置推力矢量偏角测试计算示意图；
[0047] 其中，1-法拉第探针阵列，2-推力器支架，3-底板，4-推力器，5-偏置电源， 6_测试电路板，7-测试计算机，8-圆盘型金属支架，9-法拉第探针，10-屏蔽外套， 01，02, 03, 04, 05-测试用电缆。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0049] 步骤一、构建测试装置。
[0050] 如图1所示，将法拉第探针阵列1及离子推力器4放置于真空室，配套的偏 置电源5、测试电路板6、测试计算机7放置于真空室外部，它们共同组成测试系统。 01，02, 03, 04, 05为测试用电缆。
[0051] 法拉第探针阵列1由多个法拉第探针排布而成。排布方式为：法拉第探针呈放射 状布置，且形成一系列同心圆；同处于一条半径线上的法拉第探针为一组；设共有M组、N圈 法拉第探针。
[0052] 如图2所示，该法拉第探针阵列1由法拉第探针9和导电金属制成的圆盘型金属 支架8组成，该圆盘型金属支架8由中心圆盘、外圆环，以及连接在中心圆盘和外圆环之间 的、以中心圆盘圆心为对称中心放射型对称安装的多个金属条组成，三者可以加工为一体 结构。法拉第探针9安装在中心圆盘和金属条上，且形成一系列同心圆。这种结构形式将 束流可轰击部分的支架面积最小化，这样尽可能减少束流离子对支架的溅射以及由此造成 的污染；此外，尽量小的支架面积可减少测试装置对离子推力器束流的影响。
[0053] 如图3所示，法拉第探针阵列1使用的法拉第探针9为裸露型法拉第探针，每个法 拉第探针的离子流收集盘的外侧有一个屏蔽外套，离子流收集盘通过屏蔽外套10的开口 暴露在外，屏蔽外套用于屏蔽飞向离子流收集盘侧面的杂散离子，确保只有正面收集离子 (正面为离子电流收集面）。在测试时，屏蔽外套需供给偏置电压，该偏置电压与离子流收 集盘偏置电压相同（通常为-20V)。本发明中，每个法拉第探针的屏蔽外套10直接与圆盘 型金属支架8通过金属接触实现电连接，那么就可以仅使用一根导线向圆盘型金属支架8 供给偏置电压，该偏置电压通过金属传导传递到所有屏蔽外套10,实现通过一根导线给所 有探针的屏蔽外套供给偏置电压，这种方式最大的优点是大大减少了探针引线的数量，简 化结构、提高可靠性。需要说明的是，法拉第探针9与圆盘型金属支架8和屏蔽外套10之 间都应该是绝缘安装，可以通过绝缘体实现绝缘安装，图3中并没有具体示出。
[0054] 被测的离子推力器4喷口与法拉第探针阵列1测试面相对，且平行。一系列同心 圆的圆心在离子推力