本發(fā)明屬于電推進(jìn)等離子體測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種使用接觸式測(cè)量方法對(duì)脈沖等離子體推力器束流等離子體進(jìn)行測(cè)量的飛行探針。

背景技術(shù)：

電推進(jìn)是一類利用電能直接加熱推進(jìn)劑或利用電磁作用電離加速推進(jìn)劑以獲得推進(jìn)動(dòng)力的先進(jìn)推進(jìn)方式，具有較高的比沖、推力和效率，在大型航天器的軌道控制、深空探測(cè)和星際航行等空間任務(wù)中有廣闊的應(yīng)用前景。

脈沖等離子體推力器是第一種應(yīng)用于航天器控制的電推力器，目前已被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星以及深空探測(cè)器的姿軌控系統(tǒng)。

對(duì)脈沖等離子體推力器的羽流等離子體進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量對(duì)于提高優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有重要意義。飛行探針是測(cè)量等離子體噴射速度的基本測(cè)試手段之一，屬于接觸式測(cè)量方法，擁有測(cè)量原理簡(jiǎn)單，引起誤差因素少，可多測(cè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。由于脈沖等離子體推力器屬于脈沖式工作，每個(gè)工作周期為12μs，采用多次脈沖的推力在太空中實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星調(diào)姿的任務(wù)。所以針對(duì)這種工作過(guò)程的推力器專門(mén)設(shè)計(jì)了測(cè)量離子噴射速度和離子數(shù)密度的飛行探針。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述問(wèn)題，提出一種用于脈沖等離子體推力器測(cè)量的飛行探針，整體為圓柱形結(jié)構(gòu)，采用了雙收集面包括收集環(huán)和收集盤(pán)，置于脈沖等離子體推力器羽流中采集等離子體，安裝于探針架上，與采樣電阻和偏置電源數(shù)據(jù)采集儀形成回路，飛行探針測(cè)量脈沖等離子體推力器羽流的離子速度、離子數(shù)密度。

本發(fā)明的一種用于脈沖等離子體推力器羽流測(cè)量的飛行探針，包括：陶瓷擋板、聚四氟外殼、鎢收集環(huán)、聚四氟絕緣層、不銹鋼內(nèi)殼、螺釘、鎢收集器、內(nèi)陶瓷墊片、外陶瓷墊片 和螺母；

所述陶瓷擋板采用粘接的方式與聚四氟外殼相連；所述鎢收集環(huán)從聚四氟外殼尾部的沉孔放入探針內(nèi)部，通過(guò)不銹鋼內(nèi)殼和聚四氟絕緣層壓緊來(lái)固定鎢收集環(huán)；所述不銹鋼內(nèi)殼插入聚四氟外殼的沉孔內(nèi)，通過(guò)聚四氟外殼尾部的通孔和螺釘固定不銹鋼內(nèi)殼，螺釘還起到壓線的作用，為不銹鋼內(nèi)殼加載-20V偏置電壓，用于環(huán)形收集器在負(fù)偏置電壓作用下排斥羽流中的電子和吸收非軸向的羽流中的離子，從而使得鎢表面收集羽流中的離子，形成離子電流；所述聚四氟絕緣層為聚四氟薄圓筒，插入不銹鋼外殼內(nèi)壁，防止內(nèi)壁收集等離子體；所述的內(nèi)陶瓷墊片內(nèi)孔與鎢收集器的中軸配合，外軸與不銹鋼內(nèi)殼的沉孔孔配合，固定了鎢收集器和不銹鋼內(nèi)殼的相對(duì)位置；所述的鎢收集器采用鎢材料制作，后端螺紋連接螺母，中軸穿過(guò)內(nèi)陶瓷墊片、外陶瓷墊片和不銹鋼內(nèi)殼，加-20V偏置電壓，用于鎢收集器在負(fù)偏置電壓作用下排斥羽流中的電子和吸收非軸向的羽流中的離子，從而使得鎢收集器收集羽流中的離子，形成離子電流；所述外陶瓷墊片與內(nèi)陶瓷墊片安裝方式一致；所述的螺母從鎢收集器尾部的螺紋安裝在鎢收集器上，擰緊螺母，鎢收集器與螺母之間產(chǎn)生軸向的拉緊力，固定了不銹鋼內(nèi)殼、螺釘、鎢收集器、內(nèi)陶瓷墊片、外陶瓷墊片之間的軸向關(guān)系；而不銹鋼內(nèi)殼與聚四氟外殼通過(guò)螺釘固定，從而固定了整個(gè)飛行探針。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)采用了鎢收集環(huán)和鎢收集器同時(shí)測(cè)量的設(shè)計(jì)，讓同一團(tuán)等離子體先打在鎢收集環(huán)上再通過(guò)環(huán)內(nèi)孔飛行一段距離打在后方的鎢收集器上，實(shí)現(xiàn)了在推力器一次工作的過(guò)程中測(cè)量得到等離子體的噴射速度和密度，比多工況測(cè)量更加準(zhǔn)確；

(2)通過(guò)內(nèi)外陶瓷墊片與鎢收集器和不銹鋼內(nèi)殼的配合，達(dá)到了定位收集器和不銹鋼內(nèi)殼相對(duì)位置的作用，保證了鎢收集器與鎢收集環(huán)之間距離準(zhǔn)確和鎢收集器本身的垂直度，并且使鎢收集器和鎢收集環(huán)不導(dǎo)通，達(dá)到絕緣的目的；

(3)飛行探針上部設(shè)計(jì)的螺釘和尾部設(shè)計(jì)的螺母可以用來(lái)壓線，使偏置電壓導(dǎo)線與飛行探針機(jī)械連接，簡(jiǎn)單可靠；

(4)采用金屬鎢作為探針收集器和收集環(huán)的材料，減小了高能離子轟擊探針表面引起的二次電子發(fā)射，減小了測(cè)量誤差。而且不銹鋼鍍鎢，價(jià)格昂貴，加工精度和平面度不能得到保證，本發(fā)明通過(guò)鎢收集器和陶瓷的裝配配合工藝達(dá)到了安裝定位準(zhǔn)確，成本低，收集面平 面度高，測(cè)量精度高的優(yōu)勢(shì)；

(5)聚四氟絕緣層的設(shè)計(jì)為放置于不銹鋼內(nèi)殼內(nèi)部的絕緣薄筒，保證了鎢收集器和不銹鋼內(nèi)殼的絕緣，并且絕緣薄筒起到了屏蔽等離子體的作用，使鎢收集器和鎢收集環(huán)收集得到的電流更一致，確保了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1為用于離子推力器羽流測(cè)量的法拉第探針的裝配圖(主視圖)；

圖2為用于離子推力器預(yù)留測(cè)量的法拉第探針的裝配圖(剖面圖，剖面A-A，比例1：1)；

圖3為飛行探針三維剖面圖；

圖4為飛行探針測(cè)試電路圖。

圖5為探針工作流程圖。

圖中：

1.陶瓷擋板 2.聚四氟外殼 3.鎢收集環(huán)

4.聚四氟絕緣層 5.不銹鋼內(nèi)殼 6.螺釘

7.鎢收集器 8.內(nèi)陶瓷墊片 9.外陶瓷墊片

10.螺母 201、前端準(zhǔn)直筒 202、前端收集環(huán)

203、等離子體通道 204、后端收集器 301、飛行探針

302、第一采樣電阻 303、第二采樣電阻 304、偏置電源

305、數(shù)據(jù)采集儀

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明是一種用于脈沖等離子體推力器測(cè)量的飛行探針，如圖1、圖2所示，包括陶瓷擋板1、聚四氟外殼2、鎢收集環(huán)3、聚四氟絕緣層4、不銹鋼內(nèi)殼5、螺釘6、鎢收集器7、內(nèi)陶瓷墊片8、外陶瓷墊片9和螺母10。

陶瓷擋板1上設(shè)有通孔，接受等離子體進(jìn)入，陶瓷擋板1采用粘接的方式與聚四氟外殼2相連；

聚四氟外殼2是內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)，陶瓷擋板1一側(cè)為探針頭部，有較大空腔，中部有臺(tái)階結(jié)構(gòu)，尾部的空腔與不銹鋼內(nèi)殼5進(jìn)行裝配，尾部有一個(gè)M2的螺紋孔

鎢收集環(huán)3為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，類似銅錢(qián)幣，安置在聚四氟外殼的尾部空腔中，緊貼中部的臺(tái)階結(jié)構(gòu)。需要說(shuō)明，鎢收集環(huán)3位于從聚四氟外殼2尾部的空腔內(nèi)，緊靠在聚四氟外殼2的中部臺(tái)階結(jié)構(gòu)一側(cè)，通過(guò)不銹鋼內(nèi)殼5和聚四氟絕緣層4壓緊來(lái)固定鎢收集環(huán)3；

不銹鋼內(nèi)殼5為圓柱狀結(jié)構(gòu)，中間有一個(gè)通孔，尾部位置有兩個(gè)臺(tái)階，不銹鋼內(nèi)殼5插入聚四氟外殼2的沉孔內(nèi)，通過(guò)聚四氟外殼2尾部的通孔和螺釘6固定不銹鋼內(nèi)殼5，螺釘6還起到壓線的作用，為不銹鋼內(nèi)殼5加載-20V偏置電壓，用于不銹鋼內(nèi)殼5在負(fù)偏置電壓作用下排斥羽流中的電子和吸收非軸向的羽流中的離子，從而使得鎢收集環(huán)3和鎢收集器7只吸收羽流中的軸向運(yùn)動(dòng)離子，形成離子電流；

聚四氟絕緣層4為聚四氟材料的薄壁圓筒，插入不銹鋼內(nèi)殼5內(nèi)壁，防止內(nèi)壁收集等離子體，造成鎢收集環(huán)測(cè)量值偏高；

內(nèi)陶瓷墊片8內(nèi)孔與鎢收集器7的中軸配合，外軸與不銹鋼內(nèi)殼5的沉孔孔配合，固定了鎢收集器7和不銹鋼內(nèi)殼5的相對(duì)位置；

鎢收集器7采用鎢材料制作，后端螺紋連接螺母10，中軸穿過(guò)內(nèi)陶瓷墊片8、外陶瓷墊片9和不銹鋼內(nèi)殼5，加-20V偏置電壓，用于鎢收集器7在負(fù)偏置電壓作用下排斥羽流中的電子和吸收羽流中的軸向軸向運(yùn)動(dòng)離子，從而形成離子電流；

外陶瓷墊片9與內(nèi)陶瓷墊片8安裝方式一致；

螺母10從鎢收集器7尾部的螺紋安裝在鎢收集器7上，擰緊螺母10，鎢收集器7與螺母10之間產(chǎn)生軸向的拉緊力，固定了不銹鋼內(nèi)殼5、鎢收集器7、內(nèi)陶瓷墊片8、外陶瓷墊片9之間的軸向關(guān)系，而不銹鋼內(nèi)殼5與聚四氟外殼2通過(guò)螺釘6固定，從而固定了整個(gè)飛行探針。

本發(fā)明提供的用于脈沖等離子體推力器羽流測(cè)量的飛行探針的三維剖面圖，如圖3，包括前端準(zhǔn)直筒201由陶瓷擋板1和聚四氟外殼2的頭部段組成、前端收集環(huán)202由鎢收集環(huán)3和聚四氟外殼2的臺(tái)階部分組成、等離子體通道203由聚四氟絕緣層4的內(nèi)部空腔組成、后端收集器204由鎢收集器7的頭部段組成。

所述前端準(zhǔn)直筒201起到了屏蔽非軸向離子，保證有向性良好的軸向離子被前端收集環(huán)202和后端收集器204收集到；

所述前端收集環(huán)202起到了收集脈沖等離子體推力器羽流中軸向運(yùn)動(dòng)離子的作用；

所述等離子體通道203長(zhǎng)50mm，起到了準(zhǔn)直等離子體和確定等離子體飛行距離的作用，后期可以用50mm的長(zhǎng)度和前端收集環(huán)202和后端收集器204的時(shí)間差來(lái)計(jì)算軸向等離子體的運(yùn)動(dòng)速度；

所述后端收集器204起到了收集脈沖等離子體推力器羽流中軸向運(yùn)動(dòng)離子的作用，收集時(shí)間要晚于前端收集環(huán)202，根據(jù)這個(gè)時(shí)間差可以計(jì)算等離子體的運(yùn)動(dòng)速度。

本發(fā)明提供的用于脈沖等離子體推力器羽流測(cè)量的飛行探針的電路圖，如圖4，包括飛行探針301、第一采樣電阻302、第二采樣電阻303、偏置電源304、數(shù)據(jù)采集儀305。

所述飛行探針301置于脈沖等離子體推力器出口平面收集脈沖等離子體噴出的等離子體團(tuán)；

所述第一采樣電阻302通過(guò)螺釘與飛行探針的不銹鋼內(nèi)殼和環(huán)形收集器相連；

所述第二采樣電阻303通過(guò)螺母與鎢收集器相連；

所述偏置電源304與第一采樣電阻302、第二采樣電阻303形成通路，提供-30V的偏置電壓，偏置電源負(fù)極接地；

所述數(shù)據(jù)采集儀305連接在采樣電阻兩端，采集第一采樣電阻302和第二采樣電阻303兩端的電壓。

本發(fā)明提供的用于脈沖等離子體推力器羽流測(cè)量的飛行探針的流程圖，如圖5，脈沖等離子體推力器在一次脈沖工作下噴射出一團(tuán)等離子體；前端準(zhǔn)直筒屏蔽非軸向離子通過(guò)軸向離子；鎢收集環(huán)加載-20V偏置電壓，屏蔽電子，確保鎢收集環(huán)收集到的全部都是離子，并形成離子電流波形1，被數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量采集到；等離子體通過(guò)鎢收集環(huán)后繼續(xù)通過(guò)長(zhǎng)50mm的次級(jí)準(zhǔn)直筒，到達(dá)鎢收集器；鎢加載-20V偏置電壓，屏蔽電子，確保鎢收集器收集到的全部都是離子，并形成離子電流波形2，被數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量采集到；根據(jù)離子電流波形1與離子電流波形2的時(shí)間差和次級(jí)準(zhǔn)直筒的長(zhǎng)度50mm，根據(jù)v＝Δs/Δt，計(jì)算得到脈沖等離子體推力器的等離子體噴射速度。