根據(jù)地面實(shí)驗(yàn)參數(shù)修正在軌飛行霍爾推力器推力參數(shù)的方法
【專利摘要】一種根據(jù)地面實(shí)驗(yàn)參數(shù)修正在軌飛行霍爾推力器推力參數(shù)的方法，涉及等離子體推進(jìn)領(lǐng)域。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有地面真空系統(tǒng)內(nèi)存在背景氣體的返流造成霍爾推力器在軌運(yùn)行時偏離設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。本發(fā)明在實(shí)驗(yàn)室中的霍爾推力器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算霍爾推力器在不同背景壓力下背景氣體的返流質(zhì)量流量，并根據(jù)背景氣體返流離子對推力的貢獻(xiàn)估計(jì)折算系數(shù)，對實(shí)驗(yàn)室中霍爾推力器的推力進(jìn)行修正，將修正后的推力作為在軌運(yùn)行時的推力。本發(fā)明適用于在軌飛行霍爾推力器性能參數(shù)的修正。
【專利說明】根據(jù)地面實(shí)驗(yàn)參數(shù)修正在軌飛行霍爾推力器推力參數(shù)的方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本方法涉及等離子體推進(jìn)領(lǐng)域

【背景技術(shù)】
[0002] 霍爾推力器以其高效率、高比沖、小推力等特點(diǎn)逐步成為衛(wèi)星、探測器等航天飛行 器的重要動力裝置。隨著各國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，對霍爾推力器的研究更加深入。由于現(xiàn) 在霍爾推力器的研究都是在地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬的真空環(huán)境下進(jìn)行的，地面模擬的真空環(huán)境 很難達(dá)到實(shí)際太空的真空條件。通常，實(shí)際太空的真空壓強(qiáng)在1〇~ (-7) Pa量級，而霍爾推力 器在地面真空系統(tǒng)中點(diǎn)火運(yùn)行時，由于設(shè)備及實(shí)驗(yàn)費(fèi)用的限制，背景氣壓一般高于1〇~ (-4) Pa，即至少要高于太空環(huán)境壓強(qiáng)一個數(shù)量級。此外，真空背壓也會受實(shí)驗(yàn)中背景氣體、真空 泵抽速的影響在一定范圍內(nèi)波動。
[0003] 當(dāng)霍爾推力器在地面真空罐這種真空背壓相對較高的情況下運(yùn)行時，背景氣體會 通過擴(kuò)散作用進(jìn)入放電通道，與通道內(nèi)高能粒子發(fā)生碰撞電離，電離后產(chǎn)生的離子經(jīng)電場 加速重新返回真空罐內(nèi)。而在太空理想的真空環(huán)境下，通道內(nèi)氣體壓強(qiáng)與背景氣壓形成的 壓強(qiáng)梯度很小，因此，通過擴(kuò)散作用返回到放電通道內(nèi)的背景氣體極少，可以忽略不計(jì)。
[0004] 在現(xiàn)有地面真空系統(tǒng)內(nèi)不可避免的存在背景氣體的返流，進(jìn)入通道內(nèi)的背景氣體 會同工質(zhì)氣體一樣參與通道內(nèi)氣體的電離加速過程，這勢必會影響到推力器的推力，效率， 放電電流和比沖等宏觀性能參數(shù)，造成霍爾推力器在軌運(yùn)行時偏離設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有地面真空系統(tǒng)內(nèi)存在背景氣體的返流造成霍爾推力器在軌 運(yùn)行時偏離設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。進(jìn)而提出了一種根據(jù)地面實(shí)驗(yàn)參數(shù)修正在軌飛行霍爾推力器 推力參數(shù)的方法。
[0006] 根據(jù)地面實(shí)驗(yàn)參數(shù)修正在軌飛行霍爾推力器推力參數(shù)的方法的過程為：
[0007] 步驟一：計(jì)算霍爾推力器在不同背景壓力下背景氣體的返流質(zhì)量流量的具體 操作步驟為：
[0008] 在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行霍爾推力器實(shí)驗(yàn)，假使霍爾推力器通道內(nèi)原子服從麥克斯韋分 布，則單位時間單位面積上的原子數(shù)如公式（1)，即碰撞數(shù)為：
[0009]

【權(quán)利要求】
1. 一種根據(jù)地面實(shí)驗(yàn)參數(shù)修正在軌飛行霍爾推力器推力參數(shù)的方法，其特征在于它包 括下述步驟： 步驟一：計(jì)算霍爾推力器在不同背景壓力下背景氣體的返流質(zhì)量流量的具體操作 步驟為： 假使霍爾推力器通道內(nèi)原子服從麥克斯韋分布，則單位時間單位面積上的原子數(shù)如公 式（1)，即碰撞數(shù)為：
(1) 其中：V表示原子速度標(biāo)量，
表示原子速度矢量，k = 1. 38 X ΚΓ23表示玻爾 茲曼常數(shù)，m為背景氣體原子質(zhì)量，t表示時間，T表示實(shí)驗(yàn)室工作時的熱力學(xué)溫度，A霍爾 推力器通道出口截面積，N表示粒子數(shù)密度，f(v)為麥克斯韋速度分布函數(shù)，e自然對數(shù)的 底數(shù)； 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，
，由于R = k ·ΝΑ，得到粒子數(shù)密度 為
(2) 其中，Ρ為真空罐內(nèi)氣體壓力，為氣體體積，η為氣體物質(zhì)的量，R為理想氣體常數(shù)， ΝΑ為阿伏伽德羅常數(shù)； 將公式（2)代入公式（1)可得：
C3) 背景氣體返流質(zhì)量流量4^如式（4)所示
(4) 近似認(rèn)為霍爾推力器工作時加速區(qū)壓力為真空前提下，將公式（3)代入公式（4)得到 背景氣體返流質(zhì)量流量與背景壓力的關(guān)系為： (5) 其中，為背景氣體返流質(zhì)量流量，A為霍爾推力器通道出口截面積，P為真空罐內(nèi) 氣體壓力； 在實(shí)驗(yàn)室中改變真空罐內(nèi)氣體壓力P進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)公式（5)得到相應(yīng)背壓下背景氣 體返流質(zhì)量流量； 步驟二：根據(jù)背景氣體返流離子對推力的貢獻(xiàn)估計(jì)折算系數(shù)δ的具體操作步驟為： 利用多柵探針，調(diào)節(jié)接收級制止電壓，得到多柵探針伏安特性曲線，對伏安特性曲線進(jìn) 行一階數(shù)值微分，并采用小波變換方法進(jìn)行濾波消噪處理，得到離子能量分布函數(shù)；兩個離 子峰對應(yīng)的分別是返流離子峰和主流離子峰，較低峰為低能離子表示返流離子的能量低， 較高峰為高能離子表示主流離子的能量高，離子能量由電壓供給，利用主流離子的加速電 壓和返流離子的加速電壓定義返流粒子對推力的貢獻(xiàn)折算系數(shù)如公式（6):
(6) 其中表示返流離子在放電通道內(nèi)所獲得的加速電壓，表示主流離子在放電 通道內(nèi)所獲得的加速電壓； 步驟三：霍爾推力器工作時，通過流量計(jì)給定確定的工質(zhì)氣體質(zhì)量流量，即主流質(zhì)量流 量<流，根據(jù)返流質(zhì)量流量七5?、主流質(zhì)量流量4--和折算系數(shù)S對實(shí)驗(yàn)室中霍爾推力器 的推力T實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正，如公式（7)所示
(7) 根據(jù)修正公式（7)計(jì)算的修正推力，作為霍爾推力器在軌運(yùn)行時推力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種根據(jù)地面實(shí)驗(yàn)參數(shù)修正在軌飛行霍爾推力器推力參數(shù) 的方法，其特征在于，步驟一公式（5)中的霍爾推力器通道出口截面積A如公式（8)所示
(8) 其中，Rw表示推力器通道外徑，Rn表示推力器通道內(nèi)徑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種根據(jù)地面實(shí)驗(yàn)參數(shù)修正在軌飛行霍爾推力器推力參數(shù) 的方法，其特征在于，步驟二中"得到離子能量分布函數(shù)"是通過差分、線性差值方法得到 的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種根據(jù)地面實(shí)驗(yàn)參數(shù)修正在軌飛行霍爾推力器推力參數(shù) 的方法，其特征在于，利用霍爾推力器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，霍爾推力器采用三個勵磁線圈串聯(lián)連接 方式勵磁或者采用三個勵磁線圈單獨(dú)勵磁。
【文檔編號】F03H1/00GK104061137SQ201410330878
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】魏立秋, 楊子怡, 韓亮, 丁永杰, 于達(dá)仁 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)