本發(fā)明涉及一種電推進(jìn)航天器系統(tǒng)級(jí)(整星)點(diǎn)火試驗(yàn)中降低羽流濺射污染的裝置，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的濺射靶結(jié)構(gòu)將濺射污染控制在較低水平。

背景技術(shù)：

與化學(xué)推進(jìn)相比，電推進(jìn)可大幅降低發(fā)射質(zhì)量，提高有效載荷和衛(wèi)星在軌壽命。但在地面進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，由于在有限容積的真空試驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行，電推力器的等離子體羽流打到容器壁面會(huì)產(chǎn)生濺射污染，濺射的粒子如果打到試件上，造成表面腐蝕、污染沉積或更嚴(yán)重的損傷。

濺射表面離推力器越遠(yuǎn)濺射污染越少，因此電推力器本身的單機(jī)試驗(yàn)一般在較大的真空容器內(nèi)進(jìn)行，無(wú)需對(duì)濺射出的粒子采取專門的屏蔽措施，濺射靶一般設(shè)置在容器大門上，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。

但對(duì)于整星試驗(yàn)(如圖1所示意)，航天器1設(shè)置在試驗(yàn)容器4內(nèi)，航天器1的底部安裝電推力器2，濺射靶3正對(duì)電推力器2布置在其下部，接收電推力器噴射出的粒子，來(lái)降低推力器羽流對(duì)航天器和試驗(yàn)容器的濺射污染。一方面推力器只是個(gè)小部件，濺射靶設(shè)計(jì)空間有限；另一方面需要對(duì)推力器以外其它部件進(jìn)行防護(hù)，對(duì)濺射污染的控制要求更高，必需對(duì)濺射出的粒子采取專門的屏蔽措施。因此需要一種不同于電推力器單機(jī)試驗(yàn)的濺射靶結(jié)構(gòu)，來(lái)更有效地控制濺射污染。

目前，電推進(jìn)航天器系統(tǒng)級(jí)的點(diǎn)火試驗(yàn)較少，試驗(yàn)時(shí)電推力器點(diǎn)火的持續(xù)時(shí)間也較短，對(duì)于長(zhǎng)達(dá)3小時(shí)以上的持續(xù)點(diǎn)火，還未見(jiàn)有針對(duì)性的濺射靶設(shè)計(jì)方案公開(kāi)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為電推進(jìn)航天器系統(tǒng)級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)提供一種能在有限的空間內(nèi)有效降低電推力器濺射污染的試驗(yàn)裝置。為減少濺射污染，濺射靶需實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是接收羽流粒子且保證濺射量最低；二是對(duì)濺射出來(lái)的粒子進(jìn)行導(dǎo)流并捕獲，使其盡量少地污染試驗(yàn)容器內(nèi)的敏感表面。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

電推進(jìn)航天器系統(tǒng)級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)濺射靶裝置，包括主靶和屏蔽罩兩部分，屏蔽罩頂部設(shè)置有開(kāi)口用于接收羽流粒子，與開(kāi)口相對(duì)的屏蔽罩底部上設(shè)置有主靶，主靶由低濺射率材料制成，屏蔽罩具有多層導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，濺射粒子穿過(guò)它時(shí)發(fā)生多次碰撞，增大其在壁面的吸附概率，未被吸附的粒子被導(dǎo)流結(jié)構(gòu)導(dǎo)向容器內(nèi)非敏感表面。

其中，低濺射率材料為石墨，特別是高純石墨。

其中，主靶的靶面設(shè)計(jì)成弧面，保證推力器噴出的羽流粒子垂直或近似于垂直入射到靶面上。

進(jìn)一步地，靶面中心與屏蔽罩開(kāi)口中心的距離要保證靶面中心距推力器噴口中心的距離為2000mm以上。

進(jìn)一步地，弧狀靶面半徑依據(jù)下式確定：rtarget＝d+r/tanθ90，其中r為推力器噴口半徑，d為靶面中心距推力器噴口中心的距離，θ90為包含90％束流的羽流半張角。

其中，靶面厚度要根據(jù)電推力器的羽流粒子流量和粒子能量來(lái)確定，通常在1mm以上。

其中，屏蔽罩由多級(jí)環(huán)片在軸向上疊加而成，各片之間構(gòu)成徑向的粒子導(dǎo)流通道。環(huán)片截面為三段折線，中間水平，兩端傾斜，因此構(gòu)成的導(dǎo)流通道會(huì)有兩次折轉(zhuǎn)，利于捕獲粒子，屏蔽罩也因此可分為內(nèi)帷錐面、中間環(huán)片、外帷錐面三部分，其截面分別構(gòu)成內(nèi)斜面、中間平臺(tái)、外斜面，相互間形成一定夾角，使濺射粒子發(fā)生多次碰撞折轉(zhuǎn)。

環(huán)片由不銹鋼制成，但表面貼石墨膜，一方面保證羽流粒子直接轟擊時(shí)較低的濺射率，另一方面對(duì)濺射出的石墨粒子有較好的親合力，利于濺射粒子的捕獲。

除了最上和最下一層環(huán)片，各級(jí)環(huán)片的結(jié)構(gòu)尺寸都是一樣的，但環(huán)片之間的間距可調(diào)。屏蔽罩的最下層外緣和最上層內(nèi)緣可適當(dāng)延伸，來(lái)保證更好的屏蔽效果。所有環(huán)片被周向上均布的四根不銹鋼支桿穿焊在一起，不銹鋼桿固定于底座支架上。

屏蔽罩下半部分(可接收到半張角θ99以內(nèi)的羽流粒子)內(nèi)帷導(dǎo)流葉片會(huì)受到較多的羽流粒子轟擊，因此其角度設(shè)計(jì)成與粒子入射大致垂直保證濺射率最低。

屏蔽罩上半部分(半張角θ99以外)受羽流直接轟擊較少，但受較多的濺射產(chǎn)物粒子直接撞擊，因此設(shè)計(jì)成與濺射產(chǎn)物粒子大致垂直，以利于產(chǎn)物粒子在其上沉積，從面將其捕獲。

屏蔽罩上半部分與下半部分分界的位置為束流半張角θ99與屏蔽罩內(nèi)緣的交界處。

導(dǎo)流片間距越小、導(dǎo)流通道越長(zhǎng)，濺射粒子的捕獲概率就越大，但屏蔽罩要兼顧罩內(nèi)真空度不受太大影響。因此導(dǎo)流通道截面不能太小，通道長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)。

依據(jù)真空度仿真分析，在容器真空度1e^-3pa的條件下，導(dǎo)流片間距可設(shè)在100-150mm之間，導(dǎo)流通道徑向長(zhǎng)度250mm，可滿足整星點(diǎn)火試驗(yàn)的真空度要求。屏蔽罩下半部分因氣流折轉(zhuǎn)角大，粒子被捕獲概率高，所以間距可稍大。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明可在航天器系統(tǒng)級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)中大幅降低電推進(jìn)羽流對(duì)航天器和試驗(yàn)容器的濺射污染。

附圖說(shuō)明

圖1是電推進(jìn)航天器系統(tǒng)級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)示意圖。其中，1為航天器；2為電推力器；3為濺射靶；4為試驗(yàn)容器。

圖2是本發(fā)明的電推進(jìn)航天器系統(tǒng)級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)濺射靶裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，21為電推力器；22為主靶，直接遭受羽流粒子轟擊；23為屏蔽罩，對(duì)濺射出的粒子進(jìn)行導(dǎo)流與捕獲。

圖3是濺射產(chǎn)物通量分析示意圖。r為推力器半徑，d為靶面中心距推力器噴口中心的距離，r為接收濺射粒子的微元面與靶面中心的距離。θ為濺射出的粒子與靶面法向的交角，α是推力器噴口對(duì)靶面中心的張角。

圖4是推力器接收到的濺射產(chǎn)物通量比例q隨靶面-推力器距離的變化。比例q定義為推力器接收到的濺射產(chǎn)物占總濺射產(chǎn)物的百分比。

圖5是如何確定靶面大小的示意圖。θ90為包含90％束流的羽流半張角，o點(diǎn)為θ90發(fā)散界限與軸線的交點(diǎn)。

圖6是主靶冷卻管路示意圖。其中，61為冷卻盤(pán)管，材料為銅，可通液氮或冷卻水；62為盤(pán)管的進(jìn)口；63為出口；64為不銹鋼托盤(pán)，正面托住石墨主靶，背面焊接冷卻盤(pán)管。

圖7是屏蔽罩，(a)為整體示意圖，(b)為縱截面示意圖。從軸向上看，屏蔽罩由多級(jí)環(huán)片疊加而成，各片之間構(gòu)成粒子導(dǎo)流通道；從徑向看，屏蔽罩分為內(nèi)帷錐面、中間環(huán)片、外帷錐面三部分，其截面則分別構(gòu)成內(nèi)斜面、中間平臺(tái)、外斜面，相互間形成一定夾角，使濺射粒子發(fā)生多次碰撞折轉(zhuǎn)。r1為屏蔽罩外緣半徑，r2為外錐面與中間環(huán)片交界圓半徑，r3為內(nèi)錐面與中間環(huán)片交界圓半徑，r4為屏蔽罩內(nèi)緣半徑。d1為屏蔽罩最下層中間環(huán)片與主靶底面平面間距，d2為最下層中間環(huán)片與其上一層環(huán)片間距，類似地還有d3、d4、d5……

圖8是單片屏蔽罩截面尺寸圖。dr為截面總寬度，即屏蔽罩徑向厚度；l1為外斜面長(zhǎng)度，即外帷錐面母線長(zhǎng)度；α1為外斜面與水平夾角；l2為中間環(huán)片的寬度；l3為內(nèi)斜面長(zhǎng)度，即內(nèi)帷錐面母線長(zhǎng)度，α3為其水平夾角，下標(biāo)“下”代表屏蔽罩下半部分，“上”代表上半部分。

圖9是安裝濺射靶所用的支架。其中，91為支桿，用于安裝屏蔽罩，固定各級(jí)環(huán)片；92為底座，用于固定支桿，其中底座上的環(huán)形框架93用于放置主靶。

具體實(shí)施方式

以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的具體實(shí)施方式，下面通過(guò)具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的所述內(nèi)容作進(jìn)一步的闡明。當(dāng)然，描述下列具體實(shí)施方式只為示例本發(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。

參照?qǐng)D2，本發(fā)明裝置正對(duì)電推力器21噴口，與推力器同軸。為達(dá)到降低濺射污染的效果，靶面越大、離推力器越遠(yuǎn)越好，但整星試驗(yàn)時(shí)留給推力器濺射靶的空間有限，首先要定出一個(gè)合適的距離。設(shè)主靶中心距推力器噴口中心距離為d，在粒子垂直入射情況下，濺射產(chǎn)物隨出射角度大致呈余弦分布。其中，圖2是本發(fā)明的電推進(jìn)航天器系統(tǒng)級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)濺射靶裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，電推進(jìn)航天器系統(tǒng)級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)濺射靶裝置，包括主靶22和屏蔽罩23兩部分，屏蔽罩23頂部設(shè)置有開(kāi)口用于接收羽流粒子，與開(kāi)口相對(duì)的屏蔽罩23底部上設(shè)置有主靶22，主靶22由石墨材料制成，屏蔽罩23具有多層導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，濺射粒子穿過(guò)它時(shí)發(fā)生多次碰撞，增大其在壁面的吸附概率，未被吸附的粒子被導(dǎo)流結(jié)構(gòu)導(dǎo)向容器內(nèi)非敏感表面。

取正對(duì)推力器的靶面微元進(jìn)行分析，如圖3所示，令θ表示濺射出的粒子與靶面法向的交角，則距靶面r處的微元面接收到的背濺射通量可表示為：

式中a為常數(shù)。濺射產(chǎn)物總通量即為靶面法向上的半球面積分：

推力器接收到的是角度小于α的出射粒子，其通量為

兩者比值為

q代表推力器接收到的濺射產(chǎn)物占總濺射產(chǎn)物的比值,式中r為推力器半徑，d為靶面中心距推力器噴口中心的距離。取推力器半徑r＝100mm，從圖4可以看出q隨靶面-推力器距離增加下降很快，d增加到2000mm以上時(shí)變化已經(jīng)不大，所以結(jié)合試驗(yàn)容器有效空間，將靶面與推力器的距離定為d＝2000mm。

主靶靶面尺寸的確定參照?qǐng)D5，圖中θ90為包含90％羽流粒子的半張角。設(shè)推力器羽流半張角θ90＝18°，將o點(diǎn)作為假想的羽流發(fā)射中心，設(shè)推力器噴口半徑r＝100mm,則為使羽流粒子垂直入射靶面，靶面應(yīng)為一球面，其球面半徑為rtarget＝d+r/tanθ90＝2+0.1/tan18°＝2308mm。羽流半張角θ90將這個(gè)球面截為一個(gè)球冠，球冠高度為h＝rtarget-rtarget*cosθ90＝2.308*(1–cos18°)＝113mm。

依據(jù)現(xiàn)有電推力器的流量和粒子能量指標(biāo)，靶面厚度需在1mm以上。因羽流粒子能量很高，濺射后粒子能量約有75％轉(zhuǎn)化為熱，靶面溫度會(huì)迅速升高，造成濺射率上升以及材料放氣等不利因素，因此主靶還需冷卻措施。流體管路形式如圖6所示，其中，61為冷卻盤(pán)管，材料為銅，可通液氮或冷卻水；62為盤(pán)管的進(jìn)口；63為出口；64為不銹鋼托盤(pán)，正面托住石墨主靶，背面焊接冷卻盤(pán)管。此管路還可通熱水對(duì)靶面進(jìn)行加熱，來(lái)保證石墨充分放氣，去除有機(jī)雜質(zhì)。

主靶材料采用5mm厚高純石墨，制做不銹鋼托盤(pán)作為其支撐。不銹鋼托盤(pán)背面焊接純銅盤(pán)管，如圖6所示，可通冷卻液，試驗(yàn)之前先通熱水，將石墨吸附的雜質(zhì)烘烤排出。不銹鋼托盤(pán)與石墨靶之間需要確保傳熱良好，可填充導(dǎo)熱脂或金屬箔。

如圖7所示制做屏蔽罩。屏蔽罩由多級(jí)環(huán)片在軸向上疊加而成，環(huán)片截面為三段折線，中間水平，兩端傾斜，如圖8所示，因此構(gòu)成的導(dǎo)流通道會(huì)有兩次折轉(zhuǎn)，整體屏蔽罩從徑向上也因此可分為內(nèi)帷錐面、中間環(huán)片、外帷錐面三部分。如圖7所示，令內(nèi)錐面與中間環(huán)片交界圓半徑r3等于主靶球冠的底面半徑：r3＝rtarget*sinθ90＝2.308*sin18°＝713mm。設(shè)推力器設(shè)包含99％束流的羽流半張角θ99＝30°，為使粒子盡量垂直入射到內(nèi)錐面，取角度α3下＝α3上＝(θ90+θ90)/2＝24°。取外錐面母線夾角α1＝45°。

設(shè)置導(dǎo)流通道徑向投影距離(屏蔽罩徑向厚度)dr＝250mm，且在內(nèi)錐面通道、中間環(huán)片通道和外錐面通道間平均分配，則圖8中的外錐母線長(zhǎng)度l1＝dr/3/cosα1＝118mm,中間球片寬度l2＝dr/3＝83mm,內(nèi)錐母線長(zhǎng)度l1＝dr/3/cosα3＝91mm。屏蔽罩外緣半徑r1＝r3+dr*2/3＝713+250*2/3＝880mm，內(nèi)緣半徑r4＝r3-dr/3＝713-250*/3＝630mm。

設(shè)置屏蔽罩最下層中間環(huán)片與主靶底面平面間距d1＝200mm。其余間距從下往上依次設(shè)為d2＝150mm，d3＝140mm，d4＝130mm，d5＝120mm，d6＝110mm，余下間距均設(shè)為100mm。屏蔽罩總共16層。為保證對(duì)濺射粒子的屏蔽效果，屏蔽罩的最下層外緣和最上層內(nèi)緣均可適當(dāng)延伸，其余環(huán)片的結(jié)構(gòu)尺寸是一樣的。

使用時(shí)主靶、屏蔽罩需用支架固定，支架如圖9所示。其中，91為支桿，用于安裝屏蔽罩，將各級(jí)環(huán)片穿焊在一起；92為底座，用于固定支桿，其中底座上的環(huán)形框架93用于放置主靶。

盡管上文對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式給予了詳細(xì)描述和說(shuō)明，但是應(yīng)該指明的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以依據(jù)本發(fā)明的精神對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用在未超出說(shuō)明書(shū)及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。