一種基于法拉第探針陣列的離子推力器束流測試方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及離子推力器束流測試技術領域，尤其涉及一種基于法拉第探針陣列的 離子推力器束流測試方法，可用于離子推力器束流分布、束發(fā)散角、推力矢量偏角的測試。
【背景技術】
[0002] 離子推力器是離子推進系統(tǒng)產(chǎn)生推力的核心單機，在離子推力器研制和測試工作 中，需要對其束流分布進行測試和分析，通過對束流分布測試數(shù)據(jù)處理可獲得束發(fā)散角、推 力器矢量偏角等性能參數(shù)。
[0003] 束發(fā)散角，是反映離子推力器的離子光學系統(tǒng)的參數(shù)，是航天器設計中所需的推 力器重要參數(shù)，用于推力器在航天器上布局設計。
[0004] 推力矢量偏角，主要由推力器固有的制造和裝配誤差引起，這對離子推力器在航 天器上的安裝和定位帶來一定的困難，安裝要求是推力矢量經(jīng)過航天器質心，如果安裝關 系不正確，會對航天器產(chǎn)生干擾力矩。因此需要對離子推力器的推力矢量偏角進行測試，測 試結果直接應用于確定推力器在衛(wèi)星上安裝的方向以及整星裝配時推力器的安裝和調整。
[0005] 對于束發(fā)散角測試，目前主要有單法拉第探針測試，其主要問題是數(shù)據(jù)信息量少， 僅能測試截面上一條直線的數(shù)據(jù)。對于推力器矢量偏角，由于離子推力器的推力為微小推 力（如20cm離子推力器的額定推力為40mN)，對推力大小的測量本身存在很大的難度，要通 過直接測試推力的徑向分量的方法測試推力矢量偏角，技術和工程難度極大。
[0006]目前，國內沒有同時用于離子推力器束發(fā)散角和推力矢量偏角的測試方案。

【發(fā)明內容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于法拉第探針陣列的離子推力器束流測試方法， 能夠同時實現(xiàn)離子推力器束流分布、束發(fā)散角、推力矢量偏角測試的測試。
[0008] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：
[0009] -種基于法拉第探針陣列的離子推力器束流測試方法，包括：
[0010] 步驟一、構建測試裝置：
[0011] 令被測的離子推力器噴口與法拉第探針陣列測試面相對，且平行；法拉第探針陣 列測試面上安裝的法拉第探針呈放射狀布置，且形成一系列同心圓；同一半徑上的法拉第 探針為一組；設共有M組、N圈法拉第探針；所述一系列同心圓的圓心在離子推力器中心軸 線的延長線上；
[0012] 步驟二、獲得每個法拉第探針探測的電流密度J1];J u表示第i組第j圈法拉第探 針探測的電流密度；
[0013] 步驟三、根據(jù)束流覆蓋面積計算束發(fā)散角α，根據(jù)束流中心計算推力矢量偏角 入；
[0014] 其中，利用第Al步~第Α5步計算束發(fā)散角α :
[0015] 第Al步：對各法拉第探針探測的電流密度Ju求均值I，將均值乘以設定百分比 作為篩選門限，將小于篩選門限的法拉第探針的電流密度J1,置為O ;
[0016] 第A2步：將第i組第j圈法拉第探針的電流密度J1,乘以該法拉第探針所在測試 區(qū)域的面積，得到法拉第探針所在測試區(qū)域的束流值；所述測試區(qū)域的劃分方式為：呈環(huán) 形布置的法拉第探針將圓形的法拉第探針陣列測試面均分為多個圓環(huán)段，每個圓環(huán)段內具 有一個法拉第探針，且法拉第探針位于圓環(huán)段的中心；法拉第探針所屬圓環(huán)段即為法拉第 探針的測試區(qū)域，中心法拉第探針的測試區(qū)域為圓形；
[0017] 第A3步：將所有法拉第探針的測試區(qū)域的束流值累加求和，獲得整個法拉第探針 陣列測試面的總束流值I ;
[0018] 第A4步：計算90 %總束流值對應的半徑值：
[0019] 計算每圈法拉第探針對應的圈束流值I,，從內圈開始進行累加，每一次累加得到 第1圈~第j圈的累加束流值ΙΣ j，找到與90%總束流值最接近的兩個累加束流值ΙΣ j，獲 得這兩個累加束流值ΙΣ ]對應圈數(shù)的半徑，然后用線性插值法計算出90%總束流值對應的 半徑，記為r90%;
[0020] 第A5步：利用下式計算束流發(fā)散角α :
[0022] 上式中，D為離子推力器噴口直徑，L為離子推力器噴口與法拉第探針陣列測試面 的距離；
[0023] 其中，利用第Bl步~第Β2步計算推力矢量偏角λ :
[0024] 第Bl步：以法拉第探針陣列測試面為xy平面，用（Xl，y])表示第i組、第j圈法拉 第探針位置處的坐標、表示法拉第探針陣列測試面處束流中心，則采用下式（2)和 (3)計算束流中心位置：
[0027] 第B2步：計算測試面處的束流中心到離子推力器中心軸線的距離d :
[0031] 第M步：計算推力矢量偏角λ : CN 105116435 A 說明書 3/6 頁
[0033] 優(yōu)選地，所述法拉第探針陣列由法拉第探針和導電金屬制成的圓盤型金屬支架組 成，該圓盤型金屬支架由中心圓盤、外圓環(huán)、以及連接在中心圓盤和外圓環(huán)之間的、以中心 圓盤圓心為對稱中心放射型對稱安裝的多個金屬條組成；法拉第探針通過絕緣方式安裝在 中心圓盤和金屬條上，且形成一系列同心圓。
[0034] 優(yōu)選地，法拉第探針采用裸露型法拉第探針，每個法拉第探針的離子流收集盤外 側具有一個屏蔽外套，法拉第探針與屏蔽外套之間絕緣，離子流收集盤通過屏蔽外套的開 口暴露在外；屏蔽外套與圓盤型金屬支架接觸，圓盤型金屬支架僅通過一根導線連接偏置 電壓的供給電路。
[0035] 有益效果：
[0036] (1)本發(fā)明采用法拉第探針陣列，能夠同時實現(xiàn)對離子推力器束流分布、束發(fā)散 角、推力矢量偏角的測試。全部探針測試信號實現(xiàn)同步采集、數(shù)據(jù)信息量大，通常僅需幾分 鐘即可完成一次完整的測試和數(shù)據(jù)處理。
[0037] (2)每個法拉第探針的離子流收集盤的外側有一個屏蔽外套，用于屏蔽飛向離子 流收集盤側面的雜散離子，確保只有正面收集離子。
[0038] (3)屏蔽外套直接與圓盤型金屬支架通過金屬接觸實現(xiàn)電連接，那么就可以僅使 用一根導線向圓盤型金屬支架供給偏置電壓，這種方式最大的優(yōu)點是大大減少了探針引線 的數(shù)量，簡化結構、提高可靠性。
[0039] ⑷圓盤型金屬支架由中心圓盤、外圓環(huán)，多個金屬條；這種結構形式將束流可轟 擊部分的支架面積最小化，這樣盡可能減少束流離子對支架的濺射以及由此造成的污染； 此外，盡量小的支架面積可減少測試裝置對離子推力器束流的影響。
[0040] (5)在計算束發(fā)散角時，將測試電流值小于平均值的5%以下的離子束電流密度 流值為零，從而減少測量誤差，提高可實施性。
[0041] (6)本發(fā)明將測點位于小測試區(qū)域的中心，視該測點測得的束流密度即為該小區(qū) 域的束流平均值，從而在保證計算準確性的基礎上，簡化了計算。
【附圖說明】
[0042] 圖1為測試裝置整體示意圖；
[0043] 圖2為法拉第探針陣列示意圖，即圖1的A向視圖；
[0044] 圖3為法拉第探針屏蔽外套的示意圖；
[0045] 圖4為法拉第探針陣列上小測試區(qū)域的示意圖；
[0046] 圖5為離子推力器束流測試裝置推力矢量偏角測試計算示意圖；
[0047] 其中，1-法拉第探針陣列，2-推力器支架，3-底板，4-推力器，5-偏置電源， 6_測試電路板，7-測試計算機，8-圓盤型金屬支架，9-法拉第探針，10-屏蔽外套， 01，02, 03, 04, 05-測試用電纜。
【具體實施方式】
[0048] 下面結合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0049] 步驟一、構建測試裝置。
[0050] 如圖1所示，將法拉第探針陣列1及離子推力器4放置于真空室，配套的偏 置電源5、測試電路板6、測試計算機7放置于真空室外部，它們共同組成測試系統(tǒng)。 01，02, 03, 04, 05為測試用電纜。
[0051] 法拉第探針陣列1由多個法拉第探針排布而成。排布方式為：法拉第探針呈放射 狀布置，且形成一系列同心圓；同處于一條半徑線上的法拉第探針為一組；設共有M組、N圈 法拉第探針。
[0052] 如圖2所示，該法拉第探針陣列1由法拉第探針9和導電金屬制成的圓盤型金屬 支架8組成，該圓盤型金屬支架8由中心圓盤、外圓環(huán)，以及連接在中心圓盤和外圓環(huán)之間 的、以中心圓盤圓心為對稱中心放射型對稱安裝的多個金屬條組成，三者可以加工為一體 結構。法拉第探針9安裝在中心圓盤和金屬條上，且形成一系列同心圓。這種結構形式將 束流可轟擊部分的支架面積最小化，這樣盡可能減少束流離子對支架的濺射以及由此造成 的污染；此外，盡量小的支架面積可減少測試裝置對離子推力器束流的影響。
[0053] 如圖3所示，法拉第探針陣列1使用的法拉第探針9為裸露型法拉第探針，每個法 拉第探針的離子流收集盤的外側有一個屏蔽外套，離子流收集盤通過屏蔽外套10的開口 暴露在外，屏蔽外套用于屏蔽飛向離子流收集盤側面的雜散離子，確保只有正面收集離子 (正面為離子電流收集面）。在測試時，屏蔽外套需供給偏置電壓，該偏置電壓與離子流收 集盤偏置電壓相同（通常為-20V)。本發(fā)明中，每個法拉第探針的屏蔽外套10直接與圓盤 型金屬支架8通過金屬接觸實現(xiàn)電連接，那么就可以僅使用一根導線向圓盤型金屬支架8 供給偏置電壓，該偏置電壓通過金屬傳導傳遞到所有屏蔽外套10,實現(xiàn)通過一根導線給所 有探針的屏蔽外套供給偏置電壓，這種方式最大的優(yōu)點是大大減少了探針引線的數(shù)量，簡 化結構、提高可靠性。需要說明的是，法拉第探針9與圓盤型金屬支架8和屏蔽外套10之 間都應該是絕緣安裝，可以通過絕緣體實現(xiàn)絕緣安裝，圖3中并沒有具體示出。
[0054] 被測的離子推力器4噴口與法拉第探針陣列1測試面相對，且平行。一系列同心 圓的圓心在離子推力