空心阴极电荷交换方法及装置与流程

本发明涉及综合电子技术领域，尤其涉及一种空心阴极电荷交换方法及装置。

背景技术：

随着人类在太空中科学试验、深空探测、商业服务及太空军事应用方面等活动日益频繁，空间环境的垃圾也越来越多。而现有的推进系统需要推进剂、系统质量重且产生的推力小，不利于使用。为了保证安全的空间活动，有必要研制一套用于航天器被动离轨的推进系统。

采用基于空心阴极电荷交换技术的电动力绳被动离轨系统相比于其他推进系统，具有无需推进剂、产生推力大、系统质量轻的优点，应作为优先发展方向作为研究。其中，空心阴极是整个被动离轨系统工作的关键部件，主要负责向太空中发射电子，是整个电动力绳系统能否产生电流闭合回路的关键。如果能够研发出基于空心阴极电荷交换技术的电动力绳被动离轨系统，将对保证空间活动的安全具有十分重要意义。

综上，现有的亟待解决的技术问题之一为：如何提供一种空心阴极电荷交换方法，以应用于航天器在轨道的被动离轨，降低系统工作功率，并提高系统工作效率。

技术实现要素：

针对现有推进系统由于需要推进剂、系统质量重且产生的推力小，因此不利于使用的缺陷，本发明一方面提出一种空心阴极电荷交换方法，包括：

构建空心阴极的仿真模型，并计算空心阴极的C-V特性曲线和主要参数；

根据预设空间任务确定空心阴极的多种地面试验设备；

根据所述地面试验设备的参数指标进行空心阴极的地面试验；

在所述地面试验过程中，根据采集的所述空心阴极的各项工作参数调整指标要求，直至完成空心阴极工作试验。

可选地，所述空心阴极的仿真模型的发射电子的出口为虚拟球心，且所述电子的运动方向为全方向运动。

可选地，所述方法还包括：

在所述发射电子的出口处加载轴向电场，在空心阴极工作环境下加载磁场。

可选地，所述方法还包括：

分析所述工作试验中获得的数据，并将所述数据与理论计算结果进行对比。

可选地，所述多种地面试验设备包括空心阴极原理样机、真空系统、气路系统和电源系统。

可选地，所述电源系统包括相互电连接的点火电源和维持电源。

可选地，所述在所述地面试验过程中，根据采集的所述空心阴极的各项工作参数调整指标要求，直至完成空心阴极工作试验，包括：

通过改变所述空心阴极的工作环境，获取不同工作环境下空心阴极的各项工作参数值，直至完成所有指标下的空心阴极工作试验。

可选地，所述工作环境包括气路系统的不同氙气流量和真空舱的真空度。

可选地，所述工作参数值包括空心阴极偏置电压与发射电流的数据、触持级电压与发射电流的数据。

另一方面，本发明还提供了一种空心阴极电荷交换装置，采用上述任一种所述的方法进行空心阴极电荷交换。

本发明提供的空心阴极电荷交换方法及装置，可实现在固定功耗条件下减小工质流量提高发射电流，提高空心阴极工作效率，可以在相同的工质流量和发射电流工作条件下，降低偏置电压和工作功率，将空心阴极的工作指标提高到国际先进水平，并可以有效提高空心阴极的发射电流、触持级电压等重要参数，满足航天器被动离轨的要求。

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为本发明一个实施例的空心阴极电荷交换方法的流程示意图；

图2为本发明另一个实施例的空心阴极电荷交换方法的流程示意图；

图3为本发明一个实施例的航天器采用空心阴极电荷交换方法在被动离轨降轨过程中的电位分布示意图；

图4为本发明一个实施例的地面试验空心阴极电路连接图；

图5为本发明一个实施例的空心阴极发射电子分布的示意图；

图6为本发明一个实施例的加载轴向电场后空心阴极发射电子分布的示意图；

图7a、图7b分别为本发明一个实施例的通过加载磁场控制空心阴极触持级电压示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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。

申请人经过对比分析认为，采用基于空心阴极电荷交换技术的电动力绳被动离轨系统相比于其他推进系统，具有无需推进剂、产生推力大、系统质量轻的优点，应作为优先发展方向作为研究。如前所述，空心阴极是整个被动离轨系统工作的关键部件，主要负责向太空中发射电子，是整个电动力绳系统能否产生电流闭合回路的关键。空心阴极的性能决定后续航天器被动离轨的设计方案。

总体来说，本发明的被动离轨系统的空心阴极设计方案中，空心阴极通过轰击高速氙气流，对气体电离进行分解并向空间发射电子。通过在空心阴极出口加载轴向电场约束电子运动，在固定功耗条件下可以减小工质流量提高发射电流，并通过加载磁场控制空心阴极发射电子的大小和方向，从而降低工作功率。同时设计空心阴极真空舱地面试验方案，在模拟环境下实现空心阴极电荷交换，并与理论计算结果进行对比。本发明中的空心阴极电荷交换技术可以在相同的工质流量和发射电流工作条件下，降低偏置电压和工作功率，将空心阴极的工作指标提高到国际先进水平。

图1为本发明一个实施例的空心阴极电荷交换方法的流程示意图；如图1所示，该方法，包括：

S1：构建空心阴极的仿真模型，并计算空心阴极的C-V特性曲线和主要参数；

S2：根据预设空间任务确定空心阴极的多种地面试验设备；

S3：根据所述地面试验设备的参数指标进行空心阴极的地面试验；

S4：在所述地面试验过程中，根据采集的所述空心阴极的各项工作参数调整指标要求，直至完成空心阴极工作试验。

本实施例提供的空心阴极电荷交换方法，可实现在固定功耗条件下减小工质流量提高发射电流，提高空心阴极工作效率，可以在相同的工质流量和发射电流工作条件下，降低偏置电压和工作功率，将空心阴极的工作指标提高到国际先进水平，并可以有效提高空心阴极的发射电流、触持级电压等重要参数，满足航天器被动离轨的要求。

进一步地，作为本实施例的优选，所述空心阴极的仿真模型的发射电子的出口为虚拟球心，且所述电子的运动方向为全方向运动。

进一步地，作为本实施例的优选，所述方法还包括：

在所述发射电子的出口处加载轴向电场，在空心阴极工作环境下加载磁场。

进一步地，作为本实施例的优选，所述方法还包括：

分析所述工作试验中获得的数据，并将所述数据与理论计算结果进行对比。

进一步地，作为本实施例的优选，所述多种地面试验设备包括空心阴极原理样机、真空系统、气路系统和电源系统。

进一步地，作为本实施例的优选，所述电源系统包括相互电连接的点火电源和维持电源。

进一步地，作为本实施例的优选，所述在所述地面试验过程中，根据采集的所述空心阴极的各项工作参数调整指标要求，直至完成空心阴极工作试验，包括：

通过改变所述空心阴极的工作环境，获取不同工作环境下空心阴极的各项工作参数值，直至完成所有指标下的空心阴极工作试验。

进一步地，作为本实施例的优选，所述工作环境包括气路系统的不同氙气流量和真空舱的真空度。

进一步地，作为本实施例的优选，所述工作参数值包括空心阴极偏置电压与发射电流的数据、触持级电压与发射电流的数据。

下面以一具体的实施例来说明本发明，但不限定本发明的保护范围。本发明的一种应用于航天器被动离轨的空心阴极电荷交换方法包括如下步骤：

1)设计空心阴极工作的仿真模型：

通过设计改进型PK仿真计算模型，计算空心阴极的C-V特性曲线。改进型的仿真计算模型将整个空心阴极出口认为是一个虚拟球心，并假定等离子体运动方向是向立体全方向的；

2)设计空心阴极的各种地面试验设备：

本实施例的地面试验设备根据特定空间任务确定，包括空心阴极原理样机(真空舱)、真空系统、气路系统和电源系统；

3)根据地面试验设备的参数指标，设计多组空心阴极地面试验方案的参数指标；

4)将空心阴极设置于地面试验设备中，并在空心阴极出口处加载轴向电场约束电子运动，在空心阴极工作环境中加载磁场并控制磁场的方向和大小变化；其中，磁场、轴向电场的大小和方向根据需要进行随时调整。

需要说明的是，在空心阴极发射出口处加载轴向电场约束电子运动，从而减小工质流量，提高空心阴极工作时的发射电流。

在空心阴极发射电子的环境中加载磁场并控制其方向和大小变化，使其在相同的工质流量和发射电流工作条件下，能够降低空心阴极的触持级电压，提高空心阴极C-V特性。

5)进入地面试验，空心阴极在真空系统中向外界发射电子，通过改变空心阴极的工作环境，获取不同工作环境下空心阴极的各项工作参数值，试验完成后返回步骤4)，修改指标要求，再次进行试验，直至完成所有指标下的空心阴极工作试验后，进入步骤6)；

6)分析试验获得数据，同时与理论计算结果进行对比，并参考国内外先进空心阴极技术指标进行分析。

作为本实施例的优选，结合使用空心阴极被动离轨的相关技术要求，确定相关地面设备参数：

确定真空舱的长度、直径和抽真空程度。

确定空心阴极工作时氙气的纯度，建立流量控制系统，确定空心阴极与气体系统管路连接方式。

确定空心阴极电源系统设计方案，满足空心阴极预热、点火和维持所需的能量。

作为本实施例的优选，采用电源在空心阴极工作时为其提供能源，将触持极电源换成了分别用来点火和维持的两个电源，并让其通过简易制作的电路板连接。

作为本实施例的优选，工作环境包括气路系统的不同氙气流量和真空舱的真空度，工作参数值包括空心阴极偏置电压与发射电流的数据、触持级电压与发射电流的数据。

空心阴极正常启动后，在特定氙气流量下，记录空心阴极试验工作中真空舱真空度，并记录随发射电流变化的偏置电压和触持极维持电压的相关数值。

通过电源将电流设置到所需要的值上，再读取相应的电压值并记录数据，从而获得相应的电流—偏置电压曲线和电流—触持级电压曲线。

作为本实施例的优选，在固定功耗和固定氙气流量条件下，将得到的最大发射电流数据与国际先进水平比较，证明本发明实施例的有效性。在固定功耗和固定发射电流条件下，将得到的触持级电压数值与国际先进水平比较，证明本发明实施例的有效性。将地面试验证明的空心阴极工作钳位电压范围与理论计算的钳位电压范围精确度进行对比，证明本发明实施例的可靠性。

图2为本发明另一个实施例的空心阴极电荷交换方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括以下步骤：

1)建立空心阴极仿真工作模型，建立一种中等负偏置电压下的C-V特征一维分析模型，通过联立泊松方程(电场求解方程)建立PK模型，求解空心阴极的放电特性。仿真模型将空心阴极发射电子的出口设定为一个虚拟球心，并假定电子运动方向是全方向的。PK仿真模型中的关键公式如下所示。

离子电流和工质流量的关系式如下：

式中，σ为平均碰撞电离截面，q为单位电子电荷量数值，l平均通道长度，A为空间平均截面面积，v_n为中性原子运动速度，I为阴极处产生的电子电流，I_n0为工质流量，I_i为离子流量。

在稳态膨胀状态下，任一半径电势球面下的离子密度计算公式如下：

式中，M为离子质量，V₀为离子初始速度，φ₀为初始边界电势，φ为已知电子所在位置的电势，r为已知的电势球半径，N(r)为电势球面下离子密度，其他符号表示与公式(1)相同。

发射电流和饱和发射电流之间的关系式如下：

式中，I_s是空心阴极饱和发射电流，I_e是空心阴极发射电流，θ为电子温度，其他符号表示与公式(1)、(2)相同。

电子发射密度计算公式如下：

式中，n为电子发射密度，r₀为等离子体羽流与空间等离子体的接触边界，m为电子质量，G₊是函数的简写，H是函数的简写，其他符号表示与公式(1)、(2)、(3)相同。

同时仿真模型假设在每个虚拟球面上都是准中性的，即离子密度等于电子密度，同时忽略环境对其的影响，从而计算空心阴极的C-V特性曲线。空心阴极C-V特性曲线计算公式如下：

式中，I_K为触持级发射电流，其他符号表示与公式(1)、(2)、(3)、(4)相同。

2)航天器需要完成降轨任务，就必须在其本身和电动力绳系系统上产生与其运动方向相反的洛伦兹力。绳系系统的整根系绳分为非导体部分、外部裸露导体部分和外部绝缘导体部分，如图3所示，整个系统的配置方案为：航天器—控制部署结构—系绳非导体部分—系绳导体外部裸露部分—系绳导体外部绝缘部分—空心阴极。系绳非导体部分隔离系绳导体部分和航天器及控制部署机构，主要是使航天器在被动离轨过程中保持正常的电位；系绳导体外部绝缘部分目的是隔离空心阴极以保证空心阴极能够正常工作。

当绳系系统运动时，绳导体部分切割地磁场产生感应电动势，绳裸露部分不断从环境中吸收净电子另一端的空心阴极不断向周围环境发射电子，从而在绳上形成电流回路，系统产生与运动方向相反的洛伦兹力，使得速度减小，继而完成被动离轨任务。

3)设计空心阴极电荷交换技术地面试验方案，空心阴极电荷交换技术地面试验方案不使用环境等离子体模拟源，试验包括空心阴极原理样机、真空系统、气路系统和电源系统，试验线路连接如图4所示，真空舱表面接地；偏置电源的正极接地，负极接阴极；加热器电源的正极接加热丝，负极接阴极；触持极电源的正极接触持极，负极接阴极。

4)在空心阴极出口处加载轴向电场，在空心阴极工作环境下加载磁场，用于提升空心阴极工作效率。

4.1)在空心阴极出口处加载轴向电场。由于空心阴极在实际工作时，电子从触持级小孔运动出来并向周围膨胀，空心阴极小孔中心轴线上存在一个电子主流区域，在这个区域里电子速度主要沿轴线方向。少部分电子在小孔中心轴线上呈现不对称扩散，如图5所示。在空心阴极出口方向加载轴向电场，可以使空心阴极发射的电子在规定范围内集中到电子主流区域，如图6所示。这种方法在相同工质流量条件下可以提高空心阴极的发射电流。

4.2)空心阴极触持级工作过程中加载磁场，通过控制磁场方向和大小变化，控制空心阴极的触持级电压，如图7a、图7b所示，两组磁极运动方向可以看出，左侧一对磁极向外运动时，传导触持级电流的导线向内切割磁感应线产生向下电流，从而可增大触持级电压；右侧一对磁极向内运动，将左右磁极种类调整，这样传导触持级电流的导线向外切割磁感应线，同样产生向下电流。从而增大触持级电压。空心阴极还可以在磁极运动过程中将磁极的距离缩短，增大磁感应强度，从而增大触持级电压。

如果想要减小触持级电压，只需将左侧一对磁极运动方向改为向内运动或者将右侧一对磁极运动方向改为向外运动即可有效降低触持级电压。同时。空心阴极还可以在磁极运动过程中将磁极的距离增大，减小磁感应强度，从而减小触持级电压。

综上所述，通过控制磁场方向和大小变化可以控制空心阴极触持级电压的变化。

5)进行空心阴极地面试验，记录空心阴极启动的极限时间和最小功耗。试验过程中记录不同氙气流量下的真空气压值。在固定氙气流量条件下记录空心阴极偏置电压与发射电流的相关数据，以及触持级电压与发射电流的相关数据；然后改变氙气流量，继续记录空心阴极偏置电压与发射电流的相关数据，以及触持级电压与发射电流的相关数据。最后通过记录数据绘制相关试验曲线，并计算空心阴极工作功耗。

6)分析试验数据，并与理论计算数值进行对比。

本发明实施例的设计特点是在空心阴极工作的环境中加载轴向电场和磁场，提高空心阴极发射电流的能力、控制空心阴极触持级电压变化来降低其工作功耗，从而提高空心阴极工作效率。

本发明实施例首次在空心阴极的电荷交换地面真空试验中提出在空心阴极出口加载轴向电场约束电子运动的设计方法。针对空心阴极发射出来电子在前进过程中的不对称扩散，在空心阴极发射口加载轴向电场。在工质流量相等、工作功率不变的条件下可以有效提高空心阴极发射电流。试验证明，固定功耗条件下，当氙气工质流量为2sccm时空心阴极最大发射电流可以从2A提高到5A，效率提升150％；当氙气工质流量为5sccm时空心阴极最大发射电流可以从3.5A提高到6A，效率提升71％，相关技术指标可以达到国际先进水平。

本发明实施例首次在空心阴极的电荷交换地面真空试验中采用磁场控制触持级电压变化；在空心阴极触持级电压工作环境附近加载磁场，通过改变磁感应强度的大小以及触持级电流切割磁感应线的方向，实现对空心阴极触持级电压变化的控制；地面试验证明，在相同的工质流量和发射电流工作条件下，偏置电压可以从45V下降到32V，消耗功率下降40％，可使空心阴极工作消耗功率指标达到国内领先、国际先进水平。

本发明实施例设计的空心阴极地面试验记录得到的数据与理论模型计算得到的数据进行对比分析。地面试验得到的数据与理论计算数据在走势上完全一致，空心阴极工作的钳位电压与理论计算的钳位电压高度符合。分析结果证明本发明实施例提出的地面试验具有非常高的可靠性。

需要说明的是，上述方法及装置可以针对空间飞行器被动离轨工作，通过空心阴极向外界发射电子，同时裸系绳收集外界电子从而形成闭环回路，通过裸系绳切割太空中磁感应线产生洛伦兹力。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。