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CN107228829B - 一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测装置和方法 - Google Patents

一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测装置和方法 Download PDF

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CN107228829B CN201710423845.5A CN201710423845A CN107228829B CN 107228829 B CN107228829 B CN 107228829B CN 201710423845 A CN201710423845 A CN 201710423845A CN 107228829 B CN107228829 B CN 107228829B
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刘晨光
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Abstract

一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测装置和方法，涉及一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测技术，为了满足霍尔推力器放电通道中的电离程度的监测需求。装置包括导光管、光纤和光谱仪；霍尔推力器放电通道的侧壁开有轴向测试缝，导光管插入轴向测试缝，导光管用于将放电通道中的光导入至光纤，光纤连接光谱仪。采用光谱仪测量805.95nm、785.48nm、760.15nm和758.74nm的氪原子谱线强度，根据氪原子谱线强度计算电子的温度和氪原子密度。本发明适用于监测放电通道内电子和原子参数。

Description

一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监 测装置和方法
技术领域
本发明涉及一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测技术。
背景技术
随着卫星对寿命提出更高的要求，卫星推力器的寿命提高成为关键。传统的卫星化学推力器，推力大，但比冲小，提高推力器寿命就必须增加卫星携带的化学燃料，从而增加了卫星发射成本并且会降低有效载荷。与传统的化学推力器相比，电推力器具有体积小、质量轻、比冲高和寿命长等优势，能够降低卫星发射成本并且能够满足卫星的寿命要求，成为各国研究的热点。
目前以霍尔推力器和离子推力器为主，已经有上百台电推进器应用到卫星上，主要应用于执行卫星变轨、姿态控制、南北轨道保持等任务。中国霍尔推力器也已经搭载卫星在轨验证成功，主要工作机理是：在发动机的阳极和阴极间施加轴向的电场，由带电线圈产生径向方向的磁场，电子被磁场束缚，做周向的霍尔漂移，与通道内的中性原子碰撞，产生离子，离子被电场加速高速喷出从而产生推力。在霍尔推力器喷射出的羽流中包括了中性气体、一价离子、二价离子以及电子。
在霍尔推力器工作过程中，电子与中性气体碰撞电离产生离子，离子加速喷出产生推力。其中电子与离子的碰撞电离过程对霍尔推力器的工作性能的影响作用十分重要。电子的能量以及氪原子密度直接影响电离过程，因此对霍尔推力器通道中电子和原子参数的诊断检测可以反映放电通道中的电离程度。
发明内容
本发明的目的是为了满足霍尔推力器放电通道中的电离程度的监测需求，从而提供一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测装置和方法。
本发明所述的一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测装置，包括导光管、光纤和光谱仪；
霍尔推力器放电通道的侧壁开有轴向测试缝，导光管插入轴向测试缝，导光管用于将放电通道中的光导入至光纤，光纤连接光谱仪。
优选的是，导光管采用空心陶瓷管实现。
优选的是，还包括连接卡、步进电机和丝杠；
连接件将导光管固定在丝杠上，步进电机通过带动丝杠线性运动，从而实现带动导光管前后移动。
优选的是，轴向测试缝的宽度为3mm-10mm。
本发明所述的一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测方法，包括以下步骤：
采用导光管将放电通道中的光导入至光纤，光纤连接光谱仪，采用光谱仪测量805.95nm、785.48nm、760.15nm和758.74nm的氪原子谱线强度；根据上述四种波长的氪原子谱线强度计算电子的温度和氪原子密度。
优选的是，根据所述四种波长的氪原子谱线强度计算电子的温度和氪原子密度的具体方法为：
计算第一强度比R1和第二强度比R2；
其中，I1为805.95nm的氪原子谱线强度，I2为785.48nm的氪原子谱线强度，I3为760.15nm的氪原子谱线强度，I4为758.74nm的氪原子谱线强度；
电子的温度Te为：
Te＝-1/x1eV；
氪原子密度n氪为：
n氪＝exp(x2)×1013cm-3；
其中，
Y1＝lnR1；
Y2＝ln(1.0117R2-0.0218)。
光谱诊断方法属于非接触式测量方法，有着独特的优势，这种方法避免了对等离子体流场的干扰，同时不会影响霍尔推力器通道中的电离过程，可以准确直观的测量电子及原子参数，测量的更为准确。本发明基于光谱诊断方法，通过分析等离子体发射光谱变化特征，推算出等离子体中电子的温度和原子密度参数。
本发明的有益效果是避免探针测量与等离子体的直接接触而引起的放电物理过程的改变，从而导致的测量数据与实际工作状态的偏离。利用光谱测量可以直观准确的反应霍尔推力器放电通道内的实际放电物理过程，准确测量电子和原子参数，并且可以实现实时监测发动机工作状态。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测装置的结构示意图；
图2是具体实施方式三中的轴向移动装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测装置，包括导光管100、光纤200和光谱仪300；
霍尔推力器放电通道的侧壁开有轴向测试缝，该轴向测试缝沿放电通道轴向由通道一端延伸至另一端，导光管100插入轴向测试缝，导光管100用于将放电通道中的光导入至光纤200，光纤200连接光谱仪300。
图1中701为放电通道，L为放电通道的长度，702为缓冲腔，703为阳极，704为绝缘壁面，绝缘壁面的材质为陶瓷，705为外磁极，706为内磁极，图中虚线为中轴线。
本实施方式中L为20mm。导光管100靠近光纤200的一端设有平面反射镜，采用平面反射镜将光反射至光纤200，通过平面反射镜实现光路方向的改变。通过导光管100和光纤将等离子体发射的光引入到光谱仪，对光谱数据进行处理，由物理公式计算出电子温度和原子密度。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测装置作进一步说明，本实施方式中，导光管100采用空心陶瓷管实现。
放电通道的光从空心陶瓷管导出，引入到光纤200。空心陶瓷管不仅能导光而且绝缘。
具体实施方式三：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测装置作进一步说明，本实施方式中，还包括连接卡400、步进电机500和丝杠600；
连接件400将导光管100固定在丝杠600上，步进电机500通过带动丝杠600线性运动，从而实现带动导光管100前后移动。
连接卡400、步进电机500和丝杠600构成轴向移动装置。
沿放电通道轴向设有轴向测试缝，导光管100插入轴向测试缝，丝杠穿过进步电机，步进电机正反转实现导光管100在轴向测试缝中自动前后移动，移动距离可精确控制，便于测量。在每一位置处测量四个波长的氪原子谱线强度，实现该位置的电子和原子参数的测量。导光管100移动到放电通道不同位置处，实现对整个放电通道内的光的采集，从而实现不同位置的电子和原子参数的测量。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测装置作进一步说明，本实施方式中，轴向测试缝的宽度为3mm-10mm。
轴向测试缝的宽度为3mm-10mm时，导出的光足以满足测量需求。
具体实施方式五：基于上述任意一项实施方式所述的一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测装置的监测方法，通过光谱仪测量特定波长的光强：I1表示805.95nm氪原子谱线强度，I2表示785.48nm氪原子谱线强度，I3表示760.15nm氪原子谱线强度，I4表示758.74nm氪原子谱线强度。
通过以下公式计算得出电子温度和原子密度：
Y1＝lnR1 (3)
Y2＝ln(1.0117R2-0.0218) (4)
电子温度Te可计算为：
Te＝-1/x1eV (7)
氪原子密度n氪可计算为：
n氪＝exp(x2)×1013cm-3 (8)
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测方法，包括以下步骤：
采用导光管(100)将放电通道中的光导入至光纤(200)，光纤(200)连接光谱仪(300)，采用光谱仪(300)测量805.95nm、785.48nm、760.15nm和758.74nm的氪原子谱线强度；根据上述四种波长的氪原子谱线强度计算电子的温度和氪原子密度：
该方法基于一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测装置实现，该装置包括导光管(100)、光纤(200)和光谱仪(300)；
霍尔推力器放电通道的侧壁开有轴向测试缝，导光管(100)插入轴向测试缝，导光管(100)用于将放电通道中的光导入至光纤(200)，光纤(200)连接光谱仪(300)；
其特征在于，根据所述四种波长的氪原子谱线强度计算电子的温度和氪原子密度的具体方法为：
计算第一强度比R1和第二强度比R2；
其中，I1为805.95nm的氪原子谱线强度，I2为785.48nm的氪原子谱线强度，I3为760.15nm的氪原子谱线强度，I4为758.74nm的氪原子谱线强度；
电子的温度Te为：
Te＝-1/x1eV；
氪原子密度n氪为：
n氪＝exp(x2)×1013cm-3；
其中，
Y1＝lnR1；
Y2＝ln(1.0117R2-0.0218)。
2.根据权利要求1所述的一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测方法，其特征在于，所述导光管(100)采用空心陶瓷管实现。
3.根据权利要求1或2所述的一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测方法，其特征在于，一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测装置还包括连接卡(400)、步进电机(500)和丝杠(600)；
连接件(400)将导光管(100)固定在丝杠(600)上，步进电机(500)通过带动丝杠(600)线性运动，从而实现带动导光管(100)前后移动。
4.根据权利要求1或2所述的一种氪工质霍尔推力器放电通道内电子和原子参数的在线监测方法，其特征在于，所述轴向测试缝的宽度为3mm-10mm。
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