霍尔推力器低频振荡时间尺度内羽流发散角测量方法

摘要

霍尔推力器低频振荡时间尺度内羽流发散角测量方法，涉及等离子体推进领域。它是为了获取霍尔推力器低频振荡时间尺度内羽流发散角的动态特性。它通过探针测量每个测量点的低频振荡电流波形图和离子电流波形，选取一个时刻的低频振荡电流值并从离子电流曲线上找到与之对应的点，将采集的点进行拟合后得到沿径向的离子分布曲线，并计算得到该时刻的羽流发散角，以此类推，可以得到羽流发散角随时间的变化曲线。本发明实现了测量羽流发散角的动态特性，获得羽流发散角在低频振荡时间尺度内的变化曲线，为研究霍尔推力器羽流发散角变化提供有效技术途径。本发明适用于霍尔推力器低频振荡时间尺度内羽流发散角测量。

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体推进领域。

背景技术

近年来，霍尔电推进系统因其效率高、比冲适中和长寿命等特点，在卫星位置保 持和轨道提升中获得成功应用，已成为航天推进领域的重要研究方向。霍尔推力器羽 流为高速稀薄等离子体且较发散，对航天器表面、太阳能电池和通信设备等存在污染， 因此对霍尔推力器羽流发散角的评估测量是霍尔推力器研究的重要内容之一。霍尔推 力器的羽流发散角是指其喷出等离子体在羽流空间的束流扩张角度，因此通常用它来 反映等离子体束的集中程度和聚焦特性，也是用来评价推力器对飞行器表面相互作用 的一个重要参数。

霍尔推力器的低频振荡特性会使等离子体的发散角增大，增大羽流污染，而目前 的测量方法只能测量推力器在稳态条件下的羽流发散角，在低频振荡时间尺度内(通 常为十几个μs)，很难获得羽流发散角的动态特性。

发明内容

本发明是为了解决现有的测量方法无法获得几十μs量级羽流发散角随时间动态变 化的问题，从而提供一种霍尔推力器低频振荡时间尺度内羽流发散角测量方法。

霍尔推力器低频振荡时间尺度内羽流发散角测量方法，它由以下步骤实现：

在霍尔推力器的出口处设置N个测量点；N为大于2的整数；

该N个测量点位于一点直线上，且该直线沿霍尔推力器径向分布；

N个测量点等间隔设置；设r的初始值为1；

步骤一、将探针安装在第r个测量点处，采用所述探针探测第r个测量点处霍尔推 力器的低频振荡电流和离子电流；获得第r个测量点处霍尔推力器的低频振荡电流随 时间变化的曲线，以及离子电流随时间变化的曲线；

步骤二、将r的值加1，并判断r的值是否大于N，如果判断结果为是，则执行步 骤三；如果判断结果为否，则返回执行步骤一；完成步骤二后，获得霍尔推力器径向 方向所有测量点的低频振荡电流和离子电流，共获得N条低频振荡电流随时间变化的 曲线，以及N条离子电流随时间变化的曲线；

步骤三、设每个时间点处N条低频振荡电流的波形相同，在步骤二获得的霍尔推力 器的低频振荡电流随时间变化的曲线上选取第t时间点对应的低频振荡电流值，并在 N条离子电流随时间变化的曲线上读取在该时间点对应的离子电流值，将读取的N个 离子电流值进行拟合，获得该时间点的离子电流沿径向的分布曲线，进而获得该时间 的羽流发散角；t的初始值为1；

步骤四、将t加Mμs作为下一时刻，M为正数，并判断下一时刻的时间值是否大 于预设周期的时间值，如果判断结果为是，则执行步骤五；如果判断结果为否，则返 回执行步骤三；

步骤五、将获得的所有时刻的羽流发散角进行拟合，从而完成霍尔推力器低频振荡 时间尺度内羽流发散角的测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有的测量方法无法获得几 十μs量级羽流发散角随时间动态变化的问题，本发明通过霍尔推力器低频振荡的调制 作用，实现了低频振荡时间尺度内羽流发散角的测量，避免了短时间尺度内羽流发散 角测量所需的高速移动设备，为研究放电振荡与羽流发散角的关系提供了有效的技术 途径。

附图说明

图1是为每个测量位置点的低频振荡电流曲线和离子电流曲线仿真示意图；

图2是沿径向的离子分布曲线仿真示意图；

图3是羽流发散角测量原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、霍尔推力器低频振荡时间尺度内羽流发散角测量方法，它由以 下步骤实现：

在霍尔推力器的出口处设置N个测量点；N为大于2的整数；

该N个测量点位于一点直线上，且该直线沿霍尔推力器径向分布；

N个测量点等间隔设置；设r的初始值为1；

步骤一、将探针安装在第r个测量点处，采用所述探针探测第r个测量点处霍尔推 力器的低频振荡电流和离子电流；获得第r个测量点处霍尔推力器的低频振荡电流随 时间变化的曲线，以及离子电流随时间变化的曲线；

步骤二、将r的值加1，并判断r的值是否大于N，如果判断结果为是，则执行步 骤三；如果判断结果为否，则返回执行步骤一；完成步骤二后，获得霍尔推力器径向 方向所有测量点的低频振荡电流和离子电流，共获得N条低频振荡电流随时间变化的 曲线，以及N条离子电流随时间变化的曲线；

步骤三、设每个时间点处N条低频振荡电流的波形相同，在步骤二获得的霍尔推力 器的低频振荡电流随时间变化的曲线上选取第t时间点对应的低频振荡电流值，并在N 条离子电流随时间变化的曲线上读取在该时间点对应的离子电流值，将读取的N个离 子电流值进行拟合，获得该时间点的离子电流沿径向的分布曲线，进而获得该时间的 羽流发散角；t的初始值为1；

步骤四、将t加Mμs作为下一时刻，M为正数，并判断下一时刻的时间值是否大 于预设周期的时间值，如果判断结果为是，则执行步骤五；如果判断结果为否，则返 回执行步骤三；

步骤五、将获得的所有时刻的羽流发散角进行拟合，从而完成霍尔推力器低频振荡 时间尺度内羽流发散角的测量。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的霍尔推力器低频振荡时 间尺度内羽流发散角测量方法的在于，相邻两个测量点的距离为0.2cm。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的霍尔推力器低频振荡时 间尺度内羽流发散角测量方法的在于，M＝0.12。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的霍尔推力器低频振荡时 间尺度内羽流发散角测量方法的在于，探针端面距离霍尔推力器出口平面为3cm，探 针轴线距离霍尔推力器中轴线10cm。

实验过程中可参考如下的公式：

$j_d=\frac{1}{S_P}(J_{\mathrm{ck}+d}-J_{\mathrm{ck}})$

式中：S_P表示探针的面积，J_ck+d表示定向电流和附加的杂乱电流，J_ck表示杂乱电 流。

测得电流密度后j_d，电流为：

$I=\underset{0}{\overset{\infty }{\int }}{j}_d\mathrm{ds}=\underset{0}{\overset{\infty }{\int }}{j}_d\mathrm{d\pi }{r}^2=2\pi \underset{0}{\overset{\infty }{\int }}{j}_d\mathrm{rdr}$

式中：r表示推力器径向积分面积的半径；

根据电流密度的测量结果，通过差值计算每隔0.5cm位置的电流j′_i(插值)，然后 由：

$I_i=\underset{0}{\overset{i}{\Sigma }}{j}_i^{\prime }{S}_i$

式中：

$S_i=\pi ({r_i}^2-r_{i-1}^2)$

当：j′i→0，即可停止计算，找到I_i/I≥95％的位置，I为总的离子电流，记此位置 的半径为R，如图3所示，因此羽流发散角为：

$\theta ={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{R-r^{\prime }}{L}\right)$

式中：L为探针端面距推力器出口平面的轴向距离，r′为推力器陶瓷通道外半径。