阅读说明：本技术 一种用于电推力器羽流稳态离子速度测量的装置 (Device for measuring plume steady-state ion velocity of electric thruster ) 是由 汤海滨 董杨洋 章喆 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：一种用于电推力器羽流稳态离子速度测量的装置,根据EXB测量离子速度的原理,采用接触式测量的方式,主要针对霍尔推力器、离子推力器、MPD等稳态推力器羽流离子速度进行诊断,测量轴线上离子速度的大小和分布规律。结构包含3层热防护设计、1层电磁屏蔽设计、1个电磁场校正结构、主体结构、排气结构等主要结构,通过改变电场电压改变筛选离子的速度,经过处理可得轴线上的离子速度分布。(A device for measuring the plume steady-state ion velocity of an electric thruster is mainly used for diagnosing the plume ion velocity of steady-state thrusters such as a Hall thruster, an ion thruster and an MPD (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) according to the principle of measuring the ion velocity by an EXB (acceleration-deceleration) and by adopting a contact measurement mode, and measuring the size and the distribution rule of the ion velocity on an axis. The structure comprises main structures such as 3 layers of thermal protection designs, 1 layer of electromagnetic shielding designs, 1 electromagnetic field correction structure, a main body structure, an exhaust structure and the like, the speed of screening ions is changed by changing the voltage of an electric field, and the ion speed distribution on the axis can be obtained by processing.)

一种用于电推力器羽流稳态离子速度测量的装置

技术领域

本发明属于电推进等离子体测量领域，涉及一种用于电推力器羽流稳态离子速度测量的装置。

背景技术

电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。

电推力器羽流中的离子速度与发动机性能关系密切，而较精确的速度诊断对发动机的性能分析也有一定影响。为了提高测量精度，考虑设计一种主要针对霍尔推力器、离子推力器、MPD(尚在测试)等推力器的羽流稳态离子速度进行诊断的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电推力器羽流稳态离子速度测量的装置，主要针对霍尔推力器、离子推力器、MPD(尚在测试)等电推力器羽流稳态离子速度进行诊断。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种用于电推力器羽流稳态离子速度测量的装置，其特征在于，包括前端旋转结构、中间电磁场结构、尾端采集结构和前端防护结构；所述前端旋转结构与所述中间电磁场结构的非金属层螺纹连接，并与所述前端防护结构间隙配合，由所述前端防护结构与所述前端旋转结构的配合实现所述前端旋转结构与所述中间电磁场结构中心羽流区的同轴性；通过凸台与槽的配合实现所述中间电磁场结构与所述尾端采集结构中心羽流区的同轴性。

进一步的，所述前端防护结构包括热防护隔板、左侧隔热板、右侧隔热板和上层隔热板，左侧隔热板、右侧隔热板与热防护隔板的夹角为105°。

进一步的，所述前端旋转结构包括旋转结构壳体上层、过渡杆、旋转结构壳体下层、电磁屏蔽层、非金属层、准直管、准直管入口，准直管为分段结构，各段之间螺纹连接。

进一步的，所述中间电磁场结构包括非金属安装板、非金属盖、磁极板、磁极板垫块、电极板、电极板转接、外壳主体侧面、电极绝缘陶瓷块、外壳主体上层、外壳主体底座。

进一步的，所述尾端采集结构包括收集端绝缘板、收集器、后端电磁屏蔽层、收集器保护壳、收集过滤片，收集器采用内凹式接收端，接收端和外侧的收集器保护壳采用凸台凹槽结构。

进一步的，所述尾端采集结构的接收端和外侧的收集器保护壳有同轴式的环向阵列排气孔。

进一步的，电磁屏蔽层、外壳主体侧面、外壳主体上层、外壳主体底座、后端电磁屏蔽层构成电磁屏蔽结构，采用电工纯铁材料作为电磁屏蔽结构材料。

进一步的，包含三层热防护结构，第一层为不锈钢结构，包括热防护隔板、左侧隔热板、右侧隔热板、上层隔热板，承受羽流直射，与底板构成漏斗形空腔结构；第二层为外层包覆形绝热材料；第三层为外壳与内部电磁场间的非金属层。

进一步的，还包括前端旋转轴和后端旋转轴，前端旋转轴分别连接前端旋转结构和中间电磁场结构，前端旋转结构的旋转中心轴与前端旋转轴、后端旋转轴的旋转轴线重合。

本发明的优点在于：

1、装置外层围绕了一层由电工纯铁加工而成的电磁屏蔽结构，其中包括电磁屏蔽层、外壳主体侧面、外壳主体上层、外壳主体底座、后端电磁屏蔽层，可以屏蔽结构内层的电磁场，保证了装置对外侧羽流区的离子运动产生的影响很小，同时外侧的电磁场不会对内部离子的运动产生影响。

2、装置包含三层热防护结构，大大降低装置内部测量区的温度，保证磁铁工作在正常工作温度内。其中最外层为不锈钢结构，承受羽流直射，与底板构成一个漏斗形空腔结构，该结构与装置主体不直接接触，只通过底板上的球轴承接触，在真空舱内对装置主体传热量很小；第二层为常见的外层包覆形绝热材料，包覆在电磁屏蔽壳体外侧；第三层为外部壳体与内部电磁场间的非金属层，起到最后一层热保护作用。

3、装置前端的准直管采用分段设计，螺纹连接，可以较精确的控制准直管长度，安装拆卸都比较方便。

4、装置中部设置有由前端旋转轴和后端旋转轴构成的旋转结构，起到准直管和电磁场区域过渡连接的作用，旋转结构旋转中心轴与结构的前端推力轴承轴线重合，使得旋转结构的旋转角能通过后端推力轴承的水平位移精确控制，而后端推力轴承的水平位移可通过小型位移机构轻易实现。

5、装置尾端采用内凹式接收端，能够保证离子进入接收端后不容易逸出。

6、装置尾端接收端和外侧的非金属保护壳采用凸台凹槽的结构设计，保证两者的同轴度精度，提高排气效率。

7、装置尾端接收端和外侧的非金属保护壳有同轴式的环向阵列排气孔设计，单个排气孔直径1mm，共48个。准直管入口直径设计参数不大于4mm，在此参数下排气结构能满足仪器内部压强与外部压强不会相差太多。非金属保护壳上排气孔直径1.4mm，孔深2.5mm，可以阻挡发散角15.6°以外的离子从外部入射接收端，降低采集上的系统误差。

8、本装置的主要理论依据与EXB探针相同，通过前端的准直管结构，可以对一条直线上的离子速度较精确的进行诊断。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为一种用于电推力器羽流稳态离子速度测量的装置的整体剖面图。

图2为一种用于电推力器羽流稳态离子速度测量的装置的整体装配图。

图3为前端旋转结构装配图。

图4为中间电磁场结构装配图。

图5为尾端采集结构装配图。

图中：

1.前端旋转结构；2.中间电磁场结构；3.尾端采集结构；4.前端防护结构；5.前端旋转轴；6.后端旋转轴；7.底板；8.准直管夹持件；9.准直管角件；10.热防护隔板；11.左侧隔热板；12.右侧隔热板；13.上层隔热板；

101.旋转结构壳体上层；102.过渡杆；103.旋转结构壳体下层；104.电磁屏蔽层；105.非金属层；106.准直管；107.准直管入口；

201.非金属安装板；202.非金属盖；203.磁极板；204.磁极板垫块；205.电极板；206.电极板转接；207.外壳主体侧面；208.电极绝缘陶瓷块；209.外壳主体上层；210.外壳主体底座；

301.收集端绝缘板；302.收集器；303.后端电磁屏蔽层；304.收集器保护壳；305.收集过滤片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明提供的用于电推力器羽流稳态离子速度测量的装置的整体剖面图，如图1，包括前端旋转结构1、中间电磁场结构2、尾端采集结构3和前端防护结构4；前端旋转结构1与中间电磁场结构2的非金属层螺纹连接，并与前端防护结构3间隙配合，由前端防护结构3与前端旋转结构1的配合实现前端旋转结构与中间电磁场结构2中心羽流区的同轴性；通过凸台与槽的配合实现中间电磁场结构2与尾端采集结构3中心羽流区的同轴性。

本发明提供的用于电推力器羽流稳态离子速度测量的装置的整体装配图，如图2，还包括前端旋转轴5、后端旋转轴6、底板7、准直管夹持件8、准直管角件9、热防护隔板10、左侧隔热板11、右侧隔热板12、上层隔热板13；三块垂直隔热板之间通过螺栓连接，并通过槽孔与底板配合，两侧隔热板与热防护隔板的夹角为105°，保证了在旋转时不发生干涉的前提下，尽可能减小对羽流产生的影响。四块隔热板与底板一起组成一个漏斗形的结构，为主体装置提供了关键的第一层热防护。前端旋转结构1的前端准直管与底板之间通过准直管角件9和准直管夹持件8进行固定，前端旋转结构1的旋转中心轴与前端旋转轴5、后端旋转轴6的旋转轴线重合。

本发明提供的用于电推力器羽流稳态离子速度测量的装置中的前端旋转结构装配图，如图3，包括旋转结构壳体上层101、过渡杆102、旋转结构壳体下层103、电磁屏蔽层104、非金属层105、准直管106、准直管入口107；前端旋转结构主要起到让入射离子偏转的目的，以此来平衡中间电磁场结构内电磁场区入口处电磁场不匹配带来的系统误差。

本发明提供的用于电推力器羽流稳态离子速度测量的装置中的中间电磁场结构装配图，如图4，包括非金属安装板201、非金属盖202、磁极板203、磁极板垫块204、电极板205、电极板转接206、外壳主体侧面207、电极绝缘陶瓷块208、外壳主体上层209、外壳主体底座210；中间电磁场结构为装置提供均匀的电磁场通道，达到筛选离子的目的。

本发明提供的用于电推力器羽流稳态离子速度测量的装置中的尾端采集结构装配图，如图5，包括收集端绝缘板301、收集器302、后端电磁屏蔽层303、收集器保护壳304、收集过滤片305；尾端采集结构主要起到信号收集的功能，同时兼具排气降低装置内部压强的功能。

三大结构安装完成后，便能组成电磁屏蔽壳体，该壳体任意位置屏蔽层厚度不低于3mm，采用电工纯铁作为屏蔽层材料，能有效过滤95％的电磁场。

以上仅为本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。