本发明涉及一种离子推力器工作性能参数最优化设计方法，属于技术发明领域。
背景技术：
离子推力器作为一种先进的航天器在轨推进装置在各国已得到了广泛应用。离子推力器的工作输入性能参数主要包括供气流率、束电压及输入功率等，而工作输出性能参数主要是推力和效率，并且输入参数和输出参数之间存在复杂耦合关系。输入/输出工作性能参数作为离子推力器设计成败的重要考核依据，在轨应用前需在地面经过大量的性能试验验证，以确定其最优输入/输出工作参数并固化为额定工作点。
而以往的离子推力器参数设计方法是预设并固定某些输入参数，通过变化其余输入参数，来给出大致的输出参数设计值范围并通过大量性能测试试验以确定最终输入性能参数并固化，误差范围较大，设计性能参数与实际工作性能参数符合性较差。而且，大量重复性的试验以及试验参数调节的宽范围性，导致试验成本以及人力成本的大幅提升。
因此需建立起一种离子推力器工作性能参数最优化设计方法，通过理论结合试验的手段，且能够较为精确的对推力器设计初期的工作性能参数进行预估，并对后期性能试验的参数调节给定试验范围。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种离子推力器工作性能参数最优化设计方法，解决现有离子推力器设计过程中存在的设计输出性能参数与实际输出工作性能参数之间符合性较差且试验成本较高的问题。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种离子推力器工作性能参数最优化设计方法，包括：
步骤一、建立离子推力器的输入/输出参数控制模型，p＝f(q)；
其中，f表示输入参数与输出参数的映射关系模型，q为输入参数的集合，p为输出工作性能参数的集合，p中至少包含推力t；
步骤二、将设定的离子推力器的输入参数初始值q0确定为本轮优化的当前输入参数集合q；
步骤三、将当前输入参数集合q代入所述输入/输出参数控制模型，计算得到输出参数，记为p；
步骤四、利用二价xe离子产生推力修正因子α以及束流发散角修正因子ft，对p中的推力t进行修正，获得第一次修正后的推力t'＝t·α·ft；
步骤五、判断当前进行优化的离子推力器是否有前期性能试验数据支持；其中，是否有前期性能试验数据支持是指：设定当前进行优化的离子推力器为推力器a，判断在此之前是否有同批次、同型号离子推力器，在相同输入参数q的情况下，获得了输出数据；
对于具有前期性能试验数据支持的情况，利用推力对应的试验数据与计算数据的均方差σcorr，对t'进行修正，获得第二次修正后的推力t”＝t'+σcorrt；对于没有前期性能试验数据支持的情况令t”＝t'；
步骤六、开展离子推力器具体性能试验比对：
对进行参数优化的当前离子推力器进行实际性能测试，输入参数为当前输入参数集合q，得到实际输出推力t1，并计算实际输出推力平均值t1'；比较性能试验得到的实际输出推力平均值t1'与t”之间的误差δ：
如果误差δ大于设定阈值，则执行步骤七和步骤八；否则，执行步骤九；
步骤七、引入反馈系数fb＝|1+δ|，对t”进行修正，得到修正推力t”'＝t”·fb；将t”'代入输入/输出参数控制模型计算输出参数集合，记为p'；
步骤八、根据p'结合输入/输出参数控制模型反推出输入参数q'；将q'赋值给当前输入参数集合q，返回步骤三；
步骤九、当前输入参数集合q作为离子推力器的最优工作参数。
优选地，所述输入/输出参数控制模型为：
其中，束流ib、束电压vb、放电电压vd、放电电流id、输入功率pin、推进剂质量流量
优选地，二价xe离子产生推力修正因子α的确定方式为：
其中，i+为一价xe离子电流密度，i++为二价xe离子电流密度，这两个参数通过实验测得。
优选地，束流发散角修正因子ft的确定方式为：
其中，r为束流密度区域的径向距离，j(r)为与r相关的离子电流密度，θ(r)为与r相关的束流发散区域的平均半角。
优选地，均方差σcorr的确定方式为：
其中，yi为具有试验数据的离子推力器第i个试验点的实际输出参数，xi为根据输入/输出参数控制模型计算出的与第i个试验点具有相同条件的推力值，n为试验点总数。
有益效果：
(1)本发明的离子推力器工作性能参数最优化设计方法，能够根据理论模型预设输入参数以得到与技术要求符合度较高的离子推力器最优工作参数。
(2)避免采用传统的大量重复性的试验以及试验参数调节的试验验证方法所导致的试验成本以及人力成本的大幅提升。
(3)离子推力器工作性能参数最优化设计方法可根据前期实际性能测试试验数据进行参数修正，且精度较高。
(4)采用离子推力器工作性能参数最优化设计方法能够简单且快速得到最优工作参数的预估值。
(5)整个优化过程进行了二～四次修正，包括二价xe离子产生推力修正、束流发散角修正、性能试验数据修正、误差修正，保证最终优化结果与技术要求符合度最高。
附图说明
图1是离子推力器工作性能参数最优化设计方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明公开了一种离子推力器工作性能参数最优化设计方法，主要用于在地面真空试验环境下，通过研究离子推力器输入/输出工作性能参数间的传递关系，建立起离子推力器工作性能参数控制模型，并在优化过程中进行多次的修正，以确定推力器的最优工作参数并固化为额定工作点。本发明避免了采用传统的离子推力器参数设计方法引起的设计参数误差的宽范围性以及大量重复性性能测试试验带来的试验成本以及人力成本的大幅提升。
如图1所示，该方法的具体实现步骤包括：
步骤一、建立离子推力器的输入/输出参数控制模型，p＝f(q)。其中，f表示输入参数与输出参数的映射关系模型，q为输入参数的集合，p为输出工作性能参数的集合。
本实施例中，根据离子推力器工作过程宏观描述1，依托matlab/simulink平台建立起离子推力器输入/输出参数控制模型。本实施例中，离子推力器工作的输入参数包括束流ib、束电压vb、放电电压vd、放电电流id、输入功率pin、推进剂质量流量
在实际中，具体映射关系可以与模型(1)不同，但仍可以采用本发明方法实现输入参数的优化。
步骤二、将设定的离子推力器的输入参数初始值q0确定为本轮优化的当前输入参数集合q。该q为待优化的量，初值可以采用工程经验结合给定的输入参数范围确定。
步骤三、将当前输入参数集合q代入所述输入/输出参数控制模型，计算得到输出参数，记为p。
步骤四、利用二价xe离子产生推力修正因子α以及束流发散角修正因子ft，对p中的推力t进行修正，获得第一次修正后的推力t'＝t·α·ft。
其中，二价xe离子产生的推力修正因子α为：
其中，i+为一价xe离子电流密度，i++为二价xe离子电流密度，这两个参数通过实验测得。
束流发散角修正因子ft的确定方式为：
其中，r为束流密度区域的径向距离，j(r)为与r相关的离子电流密度，θ(r)为与r相关的束流发散区域的平均半角。
步骤五、根据离子推力器是否有前期性能试验数据支持情况，确定是否引入试验数据修正项。其中，是否前期有性能试验数据支持是指：设定当前进行优化的离子推力器为推力器a，判断在此之前是否有同批次、同型号离子推力器，在相同输入参数q的情况下，获得了输出数据；本步骤是利用同批次离子推力器的输出数据进行第二次推力修正。
对于具有前期性能试验数据支持的情况，则利用推力对应的试验数据与计算数据的均方差σcorr，对t'进行修正，获得第二次修正后的推力t”＝t'+σcorrt；对于没有前期性能试验数据支持的情况，则仅考虑推力的二价xe离子修正和发散角修正，令t”＝t'。其中，均方差σcorr的确定方式为：
其中，yi为具有试验数据的离子推力器第i个试验点的实际输出参数，xi为根据输入/输出参数控制模型计算出的与第i个试验点具有相同条件的推力值，n为试验点总数。
步骤六、开展离子推力器具体性能试验比对：
对正在进行参数优化的当前推力器a进行实际性能测试，输入参数为当前输入参数集合q，得到实际输出推力t1；由于实际测量为在固定时长内的多次测量，因此根据测量次数n计算得到实际输出推力平均值t1'，比较性能试验得到的实际输出平均推力t1'与t”的误差δ：
如果误差δ大于设定阈值5％，则执行步骤七和步骤八；否则，执行步骤九。
步骤七、对于误差δ大于设定阈值的情况，引入反馈系数fb，对t”进行修正，得到修正推力t”'＝t”·fb；将t”'代入输入/输出参数控制模型计算输出参数集合，记为p'＝{t”'，isp”',ηt”',ηm”'}。
其中，反馈系数fb为模型计算输出参数和试验测试参数间的关系系数：
fb＝|1+δ|
步骤八、根据p'结合输入/输出参数控制模型反推出输入参数q'；将q'赋值给当前输入参数集合q，返回步骤三，如此不断循环，直到在步骤六中判定误差δ小于或等于设定阈值时跳出至步骤九。一般来说循环一次即可得到优化值。
步骤九、对于误差δ小于或等于设定阈值的情况，当前输入参数集合q作为离子推力器的最优工作参数。
至此，本流程结束。
本设计方法经过评估和验证后，认为该方法能够有效的模拟和评估离子推力器工作性能参数，且与试验结果比对后，计算精度较高，对离子推力器设计初期的性能验证，以及对推力器后期参数优化试验参数调节的方向和设计范围具有重要指引性意义。该设计方法适用于离子推力器早期设计和后期试验指导，并且计算精度较高。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。