专利名称：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
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，其比沖很难提高。 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沖的突出优点。空间电推进^f支术大 致可以分为l)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、脉沖等离子体发动机、磁等离子体动力学发动机和可 变比沖磁等离子体发动机。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，通过对釆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l)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。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，所迷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^: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。
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。
具体实施例方式
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 l.静电探针、2.绝缘套管、3.揮」针支撑座、4.采样电阻、5.偏压电源、 6.数据釆集装置、7.参考电极、8、定位件、9.减震件、IO.可移动平 台、ll.旋转台。
本实施例中静电探针1采用直径为0. 3 mm的鴒丝制成，并伸出绝 缘套管2 mm，绝缘套管2外径为lmm,长度为35mm,以尽可能减少对 喷流的扰动，细的鴒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IOV，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100 MHz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ll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。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ll调节静电探针l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IO将静电探针移到远离推力器轴线的位置；开启偏压电压， 给静电揮:针l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4果针将 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
集装置实时釆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。
权利要求
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l)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釆集定位件和静电揮: 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；所述凄t 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，所迷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，并且一端与所述彰: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^f及 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。
全文摘要
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。
文档编号G01L5/12GK101614606SQ20091008913
公开日2009年12月30日 申请日期2009年7月30日 优先权日2009年7月30日
发明者吴承康, 显 孟, 潘文霞 申请人:中国科学院力学研究所