本發(fā)明屬于航天推進(jìn)系統(tǒng)領(lǐng)域,涉及一種智能型陰極移動(dòng)裝置。
背景技術(shù):
近年來(lái),由于具有比沖高、推力功率比大、持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),霍爾推力器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于GEO衛(wèi)星執(zhí)行位置保持、軌道轉(zhuǎn)移和深空探測(cè)主推進(jìn)等任務(wù)。自上世紀(jì)六七十年代,第一臺(tái)霍爾推力器應(yīng)用于俄羅斯的Meteor I衛(wèi)星上以來(lái),國(guó)際上已經(jīng)有近五百臺(tái)霍爾推力器應(yīng)用于衛(wèi)星或探測(cè)器上。
霍爾推力器一般由空心陰極和霍爾加速器組成,其基本工作原理:霍爾推力器陽(yáng)極與空心陰極之間施加正偏置電壓,空心陰極點(diǎn)火啟動(dòng)后,可產(chǎn)生高效的電子發(fā)射,陰極發(fā)射的電子一部分進(jìn)入放電室,在正交電磁場(chǎng)作用下向陽(yáng)極漂移,并與放電室中的氣體推進(jìn)劑原子(一般為氙氣)碰撞,使得氙原子電離產(chǎn)生氙離子和電子,電子被約束在放電通道內(nèi)作漂移運(yùn)動(dòng),繼續(xù)與氙原子碰撞電離。離子在軸向電場(chǎng)的作用下其沿軸向高速?lài)姵觯瑥亩a(chǎn)生推力??招年帢O發(fā)射的另一部分電子,用于中和噴出的離子流,以保持羽流的宏觀電中性。
由以上霍爾推力器的工作原理可知,空心陰極作為霍爾推力器的關(guān)鍵部件,一方面為霍爾推力器的啟動(dòng)放電和穩(wěn)定工作提供源源不斷的電子,同時(shí)用來(lái)中和噴出的離子流,確保羽流的電中性。因此,空心陰極對(duì)霍爾推力器的啟動(dòng)、工作性能等具有重要影響。不僅空心陰極的放電性能對(duì)霍爾推力器的工作性能和可靠性產(chǎn)生影響,而且空心陰極相對(duì)于霍爾推力器的位置、傾角,會(huì)對(duì)霍爾推力器的推力、比沖和效率等產(chǎn)生影響??招年帢O相對(duì)于霍爾推力器不同的位置和傾角,其發(fā)射的電子由于受到電場(chǎng)、磁場(chǎng)等多物理場(chǎng)的不同影響,其到達(dá)霍爾推力器放電室的路徑、方式等會(huì)受到影響,影響霍爾推力器放電等離子體特性,進(jìn)而影響氣體推進(jìn)劑的電離效率以及離子的加速效率和中和效果,最終影響霍爾推力器的啟動(dòng)特性、推力、效率等性能。對(duì)于空心陰極對(duì)霍爾推力器性能影響機(jī)理的研究,一般均需要采用實(shí)驗(yàn)手段,對(duì)空心陰極不同性能、不同位置和傾角時(shí)霍爾推力器性能進(jìn)行測(cè)試分析。
由于霍爾推力器必須在高真空(優(yōu)于1×10-2Pa)環(huán)境中放電工作,因此,空心陰極對(duì)霍爾推力器性能影響實(shí)驗(yàn)一般在真空環(huán)境地面模擬系統(tǒng)中進(jìn)行。但是地面真空系統(tǒng)每次開(kāi)啟和關(guān)閉均需要較長(zhǎng)的時(shí)間和大量的水、電等資源,更重要的是,地面真空系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)閉可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)條件的改變,從而造成霍爾推力器實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)不一致,甚至不具備可比性,因此,一般需要采取措施確保在一次真空系統(tǒng)開(kāi)啟情況下,完成一組或多組空心陰極位置和傾角的調(diào)節(jié),得到霍爾推力器性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以便于在相同實(shí)驗(yàn)條件下,比較分析空心陰極位置對(duì)霍爾推力器性能的影響分析。目前采取的措施為:將空心陰極安裝在可沿軸向、徑向和角向運(yùn)動(dòng)的陰極支架上,通過(guò)置于外部的陰極支架控制器,手動(dòng)控制陰極相對(duì)于霍爾推力器移動(dòng)的一組或多組位置,在每一個(gè)位置處,需要通過(guò)手動(dòng)操作,完成霍爾推力器的點(diǎn)火啟動(dòng)、穩(wěn)定工作和關(guān)機(jī),并手動(dòng)記錄陰極移動(dòng)位置、霍爾推力器性能參數(shù)等,通過(guò)對(duì)記錄數(shù)據(jù)的后期處理和分析,才能最終得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
上述措施雖然能夠解決在一次真空系統(tǒng)開(kāi)啟情況下,完成一組或多組空心陰極位置和傾角的調(diào)節(jié),但是在陰極與霍爾推力器耦合實(shí)驗(yàn)中,從陰極位置的調(diào)節(jié)與判定,到霍爾推力器放電工作、數(shù)據(jù)記錄與處理等,均需要手動(dòng)完成,不僅延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間,而且占用較多的人力、物力成本。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決采用現(xiàn)有陰極移動(dòng)裝置或陰極支架開(kāi)展空心陰極與霍爾推力器耦合實(shí)驗(yàn)的效率較低的問(wèn)題,本發(fā)明提供了一種智能型陰極移動(dòng)裝置,不僅可實(shí)現(xiàn)空心陰極位置的自主識(shí)別與精細(xì)調(diào)節(jié),而且可自主完成多組陰極位置系列的霍爾推力器性能參數(shù)的測(cè)量、采集與處理,實(shí)現(xiàn)空心陰極與霍爾推力器耦合試驗(yàn)的智能化、自主化,大大提升試驗(yàn)效率。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種智能型陰極移動(dòng)裝置,包括安裝平臺(tái)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、固定連接桿、位置探測(cè)儀、三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和智能控制器,三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝面上安裝有空心陰極,用于調(diào)節(jié)空心陰極相對(duì)于霍爾推力器的軸向、徑向位置和傾角;所述移動(dòng)機(jī)構(gòu)與三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)固定連接桿連接,可在其安裝平臺(tái)的二維平面(XY平面)上連續(xù)移動(dòng);所述位置探測(cè)儀安裝在固定連接桿上,可沿固定連接桿上下移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),可實(shí)時(shí)有效探測(cè)霍爾推力器與陰極的相對(duì)位置;所述智能控制器用于自主識(shí)別、采集、處理和控制移動(dòng)裝置對(duì)空心陰極位置的調(diào)節(jié),并且自主完成霍爾推力器性能參數(shù)的采集、處理和判定。
優(yōu)選地,所述安裝面的形狀為方形或圓形。
優(yōu)選地,所述移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度在100mm/s-1000m/s范圍內(nèi)可調(diào),移動(dòng)步長(zhǎng)最小為0.5mm。
優(yōu)選地,所述位置探測(cè)儀采用激光探測(cè)儀或超聲波探測(cè)儀。
優(yōu)選地,所述位置探測(cè)儀的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0°~360°。
優(yōu)選地,所述三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)沿軸向和徑向連續(xù)移動(dòng),最小移動(dòng)步長(zhǎng)為0.1mm;使空心陰極與軸線夾角在0°~180°范圍內(nèi)變化,角度變化步長(zhǎng)最小為1°。
優(yōu)選地,所述智能控制器具備自主故障監(jiān)測(cè)和判斷功能,可根據(jù)具體的故障模式進(jìn)行自我修復(fù)和激活工作。
本發(fā)明智能控制器可自主完成一組和多組實(shí)驗(yàn)中所有陰極位置的自主探測(cè)、識(shí)別和調(diào)節(jié),并自主進(jìn)行霍爾推力器與空心陰極的點(diǎn)火啟動(dòng)、穩(wěn)定工作和關(guān)機(jī);所述智能控制器可自主采集霍爾推力器和空心陰極的位置、點(diǎn)火電壓、點(diǎn)火時(shí)間、放電電壓、放電電流、推力等所有要求的參數(shù)數(shù)據(jù),可自主完成數(shù)據(jù)處理,自主判斷和反饋調(diào)節(jié)陰極位置,最終固定在最優(yōu)的陰極位置和傾角,最優(yōu)陰極位置和傾角的判據(jù)可在一組或多組實(shí)驗(yàn)中提前設(shè)定和實(shí)時(shí)檢測(cè)修改。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下有益效果:
1通過(guò)采用位置探測(cè)儀,可實(shí)時(shí)探測(cè)和反饋空心陰極的位置,修正和消除運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的位置誤差;
2可自主調(diào)節(jié)空心陰極的位置,自主進(jìn)行霍爾推力器與空心陰極的點(diǎn)火啟動(dòng)、穩(wěn)定工作和關(guān)機(jī),自主完成數(shù)據(jù)采集與處理;
3在智能控制器界面完成參數(shù)設(shè)定,可自主完成一組或多組空心陰極與霍爾推力器的耦合實(shí)驗(yàn),并給出試驗(yàn)結(jié)果,提升實(shí)驗(yàn)效率。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明的一種智能型陰極移動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)組成示意圖,可安裝1套空心陰極;
圖2為本發(fā)明的一種智能型陰極移動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)組成示意圖,可同時(shí)安裝2套空心陰極;
圖3為本發(fā)明的一種智能型陰極移動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)組成示意圖,可同時(shí)安裝3套空心陰極。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明,但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是,對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下,還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1
如圖1所示,為本發(fā)明所述一種智能型陰極移動(dòng)裝置的組成示意圖,由安裝平臺(tái)1、移動(dòng)機(jī)構(gòu)2、固定連接桿3、位置探測(cè)儀4、三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)5和智能控制器6組成。在空心陰極與霍爾推力器的耦合實(shí)驗(yàn)中,安裝平臺(tái)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、固定連接桿、位置探測(cè)儀、三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)放置在真空艙內(nèi),智能控制器放置在真空艙外,兩者之間通過(guò)真空艙上的轉(zhuǎn)接法蘭進(jìn)行電氣連接。
安裝平臺(tái)的形狀可為方形或圓形,具體根據(jù)真空艙內(nèi)的安裝空間設(shè)計(jì),通過(guò)焊接或螺接方式固定在真空艙內(nèi),安裝平臺(tái)平面須保持水平。
移動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在安裝平臺(tái)上,可在安裝平臺(tái)所在的平面XY平面范圍內(nèi)移動(dòng),移動(dòng)速度可在100mm/s-1000m/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié),移動(dòng)步長(zhǎng)最小為0.5mm。
位置探測(cè)儀采用激光探測(cè)儀或超聲波探測(cè)儀,安裝在固定連接桿上,可沿固定連接桿連續(xù)移動(dòng),并可繞固定連接桿連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)范圍0°~360°。通過(guò)在固定連接桿上的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),位置探測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)探測(cè),從而精確探測(cè)和反饋空心陰極的位置。
空心陰極安裝在三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝面上,三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可沿軸向和徑向連續(xù)移動(dòng),最小移動(dòng)步長(zhǎng)可達(dá)0.1mm;使與軸線夾角在0°~180°范圍內(nèi)變化,角度變化步長(zhǎng)最小為1°,從而對(duì)空心陰極的位置和傾角進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。
智能控制器放置在真空艙外,具有人機(jī)交互界面、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、控制模塊,在進(jìn)行空心陰極與霍爾推力器耦合實(shí)驗(yàn)時(shí),在人際交互界面完成空心陰極位置、判據(jù)參數(shù)及霍爾推力器啟動(dòng)和工作參數(shù)設(shè)定,開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之后,智能控制器可自主完成空心陰極位置的自主識(shí)別調(diào)節(jié),完成霍爾推力器與空心陰極的點(diǎn)火啟動(dòng)、穩(wěn)定工作和關(guān)機(jī)。在完成一組或多組空心陰極與霍爾推力器耦合實(shí)驗(yàn)之后,智能控制器可自主完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,在人機(jī)交互界面以圖表形式給出實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果。根據(jù)判據(jù)參數(shù)的設(shè)定,智能控制器還可給出使霍爾推力器工作性能最優(yōu)的陰極位置。
實(shí)施例2
如圖2所示,為本發(fā)明所述一種智能型陰極移動(dòng)裝置的組成示意圖,由安裝平臺(tái)1、移動(dòng)機(jī)構(gòu)2、固定連接桿3、位置探測(cè)儀4、三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)5和智能控制器6組成。在空心陰極與霍爾推力器的耦合實(shí)驗(yàn)中,安裝平臺(tái)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、固定連接桿、位置探測(cè)儀、三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)放置在真空艙內(nèi),智能控制器放置在真空艙外,兩者之間通過(guò)真空艙上的轉(zhuǎn)接法蘭進(jìn)行電氣連接。
安裝平臺(tái)的形狀可為方形或圓形,具體根據(jù)真空艙內(nèi)的安裝空間設(shè)計(jì),通過(guò)焊接或螺接方式固定在真空艙內(nèi),安裝平臺(tái)平面須保持水平。
移動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在安裝平臺(tái)上,可在安裝平臺(tái)所在的平面XY平面范圍內(nèi)移動(dòng),移動(dòng)速度可在100mm/s-1000m/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié),移動(dòng)步長(zhǎng)最小為0.5mm。
位置探測(cè)儀采用激光探測(cè)儀或超聲波探測(cè)儀,安裝在固定連接桿上,可沿固定連接桿連續(xù)移動(dòng),并可繞固定連接桿連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)范圍0°~360°。通過(guò)在固定連接桿上的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),位置探測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)探測(cè),從而精確探測(cè)和反饋空心陰極的位置。
固定連接桿通過(guò)分叉型設(shè)計(jì),可安裝兩套三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu),并且分別布置在霍爾推力器周向沿軸線對(duì)稱(chēng)的位置。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分利用了霍爾推力器軸對(duì)稱(chēng)和周向?qū)ΨQ(chēng)的特點(diǎn),同時(shí)可在霍爾推力器周向安裝兩套空心陰極,兩套空心陰極的軸向、徑向位置和傾角均可獨(dú)立調(diào)節(jié)。在空心陰極與霍爾推力器耦合實(shí)驗(yàn)中,不僅能夠在一次位置調(diào)整之后的霍爾推力器運(yùn)行中,獲得兩個(gè)位置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),而且可以在不開(kāi)真空艙的情況下,開(kāi)展不同種類(lèi)空心陰極對(duì)霍爾推力器性能影響的實(shí)驗(yàn)和獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在提高實(shí)驗(yàn)效率的同時(shí)增強(qiáng)陰極移動(dòng)裝置的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>
空心陰極安裝在三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝面上,三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可沿軸向和徑向連續(xù)移動(dòng),最小移動(dòng)步長(zhǎng)可達(dá)0.1mm;使與軸線夾角在0°~180°范圍內(nèi)變化,角度變化步長(zhǎng)最小為1°,從而對(duì)空心陰極的位置和傾角進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。
智能控制器放置在真空艙外,具有人機(jī)交互界面、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、控制模塊,在進(jìn)行空心陰極與霍爾推力器耦合實(shí)驗(yàn)時(shí),在人際交互界面完成空心陰極位置、判據(jù)參數(shù)及霍爾推力器啟動(dòng)和工作參數(shù)設(shè)定,開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之后,智能控制器可自主完成空心陰極位置的自主識(shí)別調(diào)節(jié),完成霍爾推力器與空心陰極的點(diǎn)火啟動(dòng)、穩(wěn)定工作和關(guān)機(jī)。在完成一組或多組空心陰極與霍爾推力器耦合實(shí)驗(yàn)之后,智能控制器可自主完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,在人機(jī)交互界面以圖表形式給出實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果。根據(jù)判據(jù)參數(shù)的設(shè)定,智能控制器還可給出使霍爾推力器工作性能最優(yōu)的陰極位置。
實(shí)施例3
如圖3所示,為本發(fā)明所述一種智能型陰極移動(dòng)裝置的組成示意圖,由安裝平臺(tái)1、移動(dòng)機(jī)構(gòu)2、固定連接桿3、位置探測(cè)儀4、三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)5和智能控制器6組成。在空心陰極與霍爾推力器的耦合實(shí)驗(yàn)中,安裝平臺(tái)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、固定連接桿、位置探測(cè)儀、三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)放置在真空艙內(nèi),智能控制器放置在真空艙外,兩者之間通過(guò)真空艙上的轉(zhuǎn)接法蘭進(jìn)行電氣連接。
安裝平臺(tái)的形狀可為方形或圓形,具體根據(jù)真空艙內(nèi)的安裝空間設(shè)計(jì),通過(guò)焊接或螺接方式固定在真空艙內(nèi),安裝平臺(tái)平面須保持水平。
移動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在安裝平臺(tái)上,可在安裝平臺(tái)所在的平面XY平面范圍內(nèi)移動(dòng),移動(dòng)速度可在100mm/s-1000m/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié),移動(dòng)步長(zhǎng)最小為0.5mm。
位置探測(cè)儀采用激光探測(cè)儀或超聲波探測(cè)儀,安裝在固定連接桿上,可沿固定連接桿連續(xù)移動(dòng),并可繞固定連接桿連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)范圍0°~360°。通過(guò)在固定連接桿上的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),位置探測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)探測(cè),從而精確探測(cè)和反饋空心陰極的位置。
固定連接桿通過(guò)分叉型設(shè)計(jì),可安裝三套三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu),并且分別布置在霍爾推力器周向沿軸線對(duì)稱(chēng)的位置。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分利用了霍爾推力器軸對(duì)稱(chēng)和周向?qū)ΨQ(chēng)的特點(diǎn),同時(shí)可在霍爾推力器周向安裝三套空心陰極,三套空心陰極的軸向、徑向位置和傾角均可獨(dú)立調(diào)節(jié)。在空心陰極與霍爾推力器耦合實(shí)驗(yàn)中,不僅能夠在一次位置調(diào)整之后的霍爾推力器運(yùn)行中,獲得三個(gè)位置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),而且可以在不開(kāi)真空艙的情況下,開(kāi)展不同種類(lèi)空心陰極對(duì)霍爾推力器性能影響的實(shí)驗(yàn)和獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在提高實(shí)驗(yàn)效率的同時(shí)增強(qiáng)陰極移動(dòng)裝置的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>
空心陰極安裝在三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝面上,三維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可沿軸向和徑向連續(xù)移動(dòng),最小移動(dòng)步長(zhǎng)可達(dá)0.1mm;使與軸線夾角在0°~180°范圍內(nèi)變化,角度變化步長(zhǎng)最小為1°,從而對(duì)空心陰極的位置和傾角進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。
智能控制器放置在真空艙外,具有人機(jī)交互界面、顯示模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、控制模塊,在進(jìn)行空心陰極與霍爾推力器耦合實(shí)驗(yàn)時(shí),在人際交互界面完成空心陰極位置、判據(jù)參數(shù)及霍爾推力器啟動(dòng)和工作參數(shù)設(shè)定,開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之后,智能控制器可自主完成空心陰極位置的自主識(shí)別調(diào)節(jié),完成霍爾推力器與空心陰極的點(diǎn)火啟動(dòng)、穩(wěn)定工作和關(guān)機(jī)。在完成一組或多組空心陰極與霍爾推力器耦合實(shí)驗(yàn)之后,智能控制器可自主完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理,在人機(jī)交互界面以圖表形式給出實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果。根據(jù)判據(jù)參數(shù)的設(shè)定,智能控制器還可給出使霍爾推力器工作性能最優(yōu)的陰極位置。
以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是,本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改,這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。