本發明涉(she)及一(yi)種氪工(gong)質(zhi)霍爾(er)推力器(qi)放電(dian)通道內電(dian)子(zi)和(he)原子(zi)參數的(de)在線監測(ce)技術。

背景技術：

隨著(zhu)衛(wei)星對壽(shou)命(ming)提(ti)出更高的(de)(de)要求(qiu)，衛(wei)星推(tui)力(li)器的(de)(de)壽(shou)命(ming)提(ti)高成為(wei)關鍵。傳統的(de)(de)衛(wei)星化(hua)(hua)(hua)學推(tui)力(li)器，推(tui)力(li)大(da)，但比沖小，提(ti)高推(tui)力(li)器壽(shou)命(ming)就必須增加衛(wei)星攜帶(dai)的(de)(de)化(hua)(hua)(hua)學燃料，從而增加了衛(wei)星發射成本并且會降(jiang)低(di)有效載(zai)荷。與傳統的(de)(de)化(hua)(hua)(hua)學推(tui)力(li)器相(xiang)比，電推(tui)力(li)器具有體積小、質量(liang)輕、比沖高和(he)壽(shou)命(ming)長等優勢，能夠降(jiang)低(di)衛(wei)星發射成本并且能夠滿(man)足衛(wei)星的(de)(de)壽(shou)命(ming)要求(qiu)，成為(wei)各(ge)國(guo)研究的(de)(de)熱點(dian)。

目前以霍爾(er)推力(li)器(qi)和離(li)(li)子(zi)推力(li)器(qi)為主(zhu)(zhu)，已經有上百(bai)臺(tai)電推進器(qi)應用到衛(wei)星(xing)上，主(zhu)(zhu)要(yao)應用于執行衛(wei)星(xing)變(bian)軌(gui)(gui)、姿態控制(zhi)、南北軌(gui)(gui)道保持(chi)等任務。中國霍爾(er)推力(li)器(qi)也已經搭載衛(wei)星(xing)在(zai)(zai)軌(gui)(gui)驗證(zheng)成功，主(zhu)(zhu)要(yao)工(gong)作機理是：在(zai)(zai)發動機的(de)陽極和陰(yin)極間施加軸向(xiang)的(de)電場(chang)(chang)(chang)，由帶(dai)電線(xian)圈產生(sheng)徑(jing)向(xiang)方向(xiang)的(de)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)，電子(zi)被磁(ci)場(chang)(chang)(chang)束縛，做周(zhou)向(xiang)的(de)霍爾(er)漂移，與通道內的(de)中性(xing)原子(zi)碰(peng)撞(zhuang)，產生(sheng)離(li)(li)子(zi)，離(li)(li)子(zi)被電場(chang)(chang)(chang)加速(su)高速(su)噴出從(cong)而產生(sheng)推力(li)。在(zai)(zai)霍爾(er)推力(li)器(qi)噴射出的(de)羽流中包括了中性(xing)氣體、一價離(li)(li)子(zi)、二價離(li)(li)子(zi)以及電子(zi)。

在(zai)霍(huo)(huo)爾推(tui)力(li)器工(gong)作過(guo)程中(zhong)(zhong)(zhong)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)與中(zhong)(zhong)(zhong)性氣(qi)體碰撞(zhuang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)離(li)產生(sheng)離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)，離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)加(jia)速噴出產生(sheng)推(tui)力(li)。其中(zhong)(zhong)(zhong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)與離(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)碰撞(zhuang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)離(li)過(guo)程對(dui)霍(huo)(huo)爾推(tui)力(li)器的(de)工(gong)作性能的(de)影(ying)響(xiang)作用十(shi)分重要(yao)。電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)能量(liang)以及氪原子(zi)(zi)(zi)(zi)密度(du)直接影(ying)響(xiang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)離(li)過(guo)程，因(yin)此(ci)對(dui)霍(huo)(huo)爾推(tui)力(li)器通(tong)道(dao)中(zhong)(zhong)(zhong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)和原子(zi)(zi)(zi)(zi)參數的(de)診(zhen)斷檢測可以反(fan)映放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)通(tong)道(dao)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)離(li)程度(du)。

技術實現要素：

本(ben)發明的目(mu)的是(shi)為了滿足霍爾推力器放電通(tong)道(dao)中的電離程度的監(jian)測需求，從而提供(gong)一(yi)種(zhong)氪工質霍爾推力器放電通(tong)道(dao)內(nei)電子和(he)原子參數(shu)的在線監(jian)測裝置(zhi)和(he)方法。

本發(fa)明所述的(de)一種氪工質(zhi)霍(huo)爾推力(li)器放電通道(dao)內(nei)電子(zi)和原子(zi)參數(shu)的(de)在線(xian)監測裝置，包括(kuo)導光(guang)(guang)管(guan)、光(guang)(guang)纖(xian)和光(guang)(guang)譜儀；

霍(huo)爾推力器放(fang)電通道的側壁開(kai)有軸向測試縫(feng)，導光(guang)管插入軸向測試縫(feng)，導光(guang)管用于將(jiang)放(fang)電通道中的光(guang)導入至光(guang)纖，光(guang)纖連接光(guang)譜(pu)儀(yi)。

優(you)選的是，導光管(guan)采用空心陶(tao)瓷管(guan)實現(xian)。

優選(xuan)的是，還包(bao)括連接卡、步進電(dian)機和(he)絲杠(gang)；

連接件將導光(guang)管(guan)固定(ding)在(zai)絲(si)杠(gang)上(shang)，步(bu)進電機通過帶動(dong)絲(si)杠(gang)線(xian)性(xing)運(yun)動(dong)，從而實現帶動(dong)導光(guang)管(guan)前(qian)后(hou)移(yi)動(dong)。

優(you)選的是(shi)，軸向測試縫的寬度(du)為3mm-10mm。

本(ben)發(fa)明(ming)所述的一(yi)種氪工(gong)質霍爾推力器放電(dian)通(tong)道內電(dian)子(zi)和原子(zi)參數的在線監測方法，包括以下步驟：

采用(yong)導光(guang)管將放(fang)電(dian)通道中的(de)(de)光(guang)導入至光(guang)纖，光(guang)纖連接光(guang)譜(pu)儀，采用(yong)光(guang)譜(pu)儀測量805.95nm、785.48nm、760.15nm和758.74nm的(de)(de)氪(ke)原(yuan)(yuan)子(zi)譜(pu)線(xian)強度；根據上述四種波長的(de)(de)氪(ke)原(yuan)(yuan)子(zi)譜(pu)線(xian)強度計(ji)算電(dian)子(zi)的(de)(de)溫度和氪(ke)原(yuan)(yuan)子(zi)密度。

優選的(de)是，根據所述四(si)種(zhong)波長(chang)的(de)氪原(yuan)子譜線強度(du)計算電子的(de)溫度(du)和氪原(yuan)子密度(du)的(de)具體方法(fa)為：

計(ji)算(suan)第(di)一(yi)強(qiang)度(du)比r1和第(di)二(er)強(qiang)度(du)比r2；

其中，i1為(wei)805.95nm的(de)(de)(de)氪原子譜(pu)線(xian)強(qiang)度，i2為(wei)785.48nm的(de)(de)(de)氪原子譜(pu)線(xian)強(qiang)度，i3為(wei)760.15nm的(de)(de)(de)氪原子譜(pu)線(xian)強(qiang)度，i4為(wei)758.74nm的(de)(de)(de)氪原子譜(pu)線(xian)強(qiang)度；

電子的溫度te為：

te＝-1/x1ev；

氪原子密度n氪為：

n氪＝exp(x2)×10¹³cm^-3；

其中，

y1＝lnr1；

y2＝ln(1.0117r2-0.0218)。

光(guang)譜(pu)診斷方法(fa)屬于非接觸式測量方法(fa)，有著(zhu)獨特的(de)(de)優勢(shi)，這種方法(fa)避免(mian)了(le)對等(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)體(ti)(ti)流場的(de)(de)干擾，同時不會影響霍爾推力器通(tong)道(dao)中的(de)(de)電(dian)離(li)過程，可(ke)以準確直觀(guan)的(de)(de)測量電(dian)子(zi)(zi)(zi)及原子(zi)(zi)(zi)參數，測量的(de)(de)更為準確。本發明基(ji)于光(guang)譜(pu)診斷方法(fa)，通(tong)過分析等(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)體(ti)(ti)發射光(guang)譜(pu)變化特征，推算出等(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)體(ti)(ti)中電(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)溫(wen)度和(he)原子(zi)(zi)(zi)密度參數。

本發(fa)(fa)明的有益(yi)效果是避免(mian)探針測(ce)量與等離子體的直接接觸而(er)(er)引起(qi)的放(fang)電物(wu)理過程的改變，從而(er)(er)導致的測(ce)量數據與實際工作(zuo)狀態的偏(pian)離。利用光譜測(ce)量可以直觀(guan)準確(que)的反應霍爾推力器(qi)放(fang)電通道(dao)內的實際放(fang)電物(wu)理過程，準確(que)測(ce)量電子和(he)原(yuan)子參(can)數，并(bing)且可以實現實時監測(ce)發(fa)(fa)動(dong)機工作(zuo)狀態。

附圖說明

圖(tu)(tu)1是(shi)具(ju)體(ti)實施方式一所述的(de)一種(zhong)氪工質(zhi)霍爾推力器放電(dian)通道(dao)內電(dian)子和(he)原子參(can)數的(de)在(zai)線監測裝置的(de)結構示意圖(tu)(tu)；

圖2是具體實施方式(shi)三中的(de)軸向移動裝置的(de)結構示意圖。

具體實施方式

具體實施(shi)方(fang)式一：結(jie)合(he)圖1具體說明本實施(shi)方(fang)式，本實施(shi)方(fang)式所(suo)述的一種氪工質霍爾推力器放電(dian)通道內電(dian)子和(he)原子參數的在(zai)線監測裝(zhuang)置(zhi)，包括導光(guang)管100、光(guang)纖200和(he)光(guang)譜儀300；

霍(huo)爾(er)推力器放(fang)電通(tong)(tong)道(dao)的(de)(de)側壁開(kai)有軸(zhou)向測試(shi)縫(feng)，該軸(zhou)向測試(shi)縫(feng)沿(yan)放(fang)電通(tong)(tong)道(dao)軸(zhou)向由通(tong)(tong)道(dao)一端(duan)延伸(shen)至(zhi)(zhi)另一端(duan)，導(dao)光(guang)管100插(cha)入(ru)軸(zhou)向測試(shi)縫(feng)，導(dao)光(guang)管100用于將(jiang)放(fang)電通(tong)(tong)道(dao)中(zhong)的(de)(de)光(guang)導(dao)入(ru)至(zhi)(zhi)光(guang)纖200，光(guang)纖200連接光(guang)譜儀300。

圖1中701為(wei)放電(dian)通道，l為(wei)放電(dian)通道的長度，702為(wei)緩沖(chong)腔，703為(wei)陽(yang)極(ji)，704為(wei)絕(jue)緣壁(bi)面，絕(jue)緣壁(bi)面的材質為(wei)陶瓷，705為(wei)外磁(ci)極(ji)，706為(wei)內磁(ci)極(ji)，圖中虛(xu)線為(wei)中軸線。

本實施(shi)方式(shi)中l為20mm。導(dao)光管100靠近光纖(xian)(xian)200的(de)一端(duan)設有平(ping)(ping)面反射(she)(she)鏡，采用平(ping)(ping)面反射(she)(she)鏡將光反射(she)(she)至光纖(xian)(xian)200，通過平(ping)(ping)面反射(she)(she)鏡實現光路(lu)方向(xiang)的(de)改變。通過導(dao)光管100和(he)光纖(xian)(xian)將等離子(zi)(zi)體發射(she)(she)的(de)光引入到光譜儀，對光譜數據進行處理(li)，由物理(li)公(gong)式(shi)計(ji)算(suan)出(chu)電子(zi)(zi)溫度(du)和(he)原子(zi)(zi)密度(du)。

具(ju)體(ti)實(shi)施方式二：本實(shi)施方式是對具(ju)體(ti)實(shi)施方式一所述的(de)一種(zhong)氪工質霍爾推(tui)力器(qi)放電(dian)(dian)通道內(nei)電(dian)(dian)子(zi)(zi)和原子(zi)(zi)參(can)數的(de)在(zai)線(xian)監測裝置作進一步說明，本實(shi)施方式中，導光管100采用空心(xin)陶(tao)瓷管實(shi)現(xian)。

放電通道(dao)的光(guang)從空心陶瓷管導出，引(yin)入到光(guang)纖200。空心陶瓷管不僅能導光(guang)而且絕緣。

具體實(shi)施(shi)方(fang)(fang)式(shi)三：結合圖2具體說明本實(shi)施(shi)方(fang)(fang)式(shi)，本實(shi)施(shi)方(fang)(fang)式(shi)是(shi)對具體實(shi)施(shi)方(fang)(fang)式(shi)二所述的一種氪工質(zhi)霍爾(er)推力器放(fang)電(dian)通道內電(dian)子(zi)和原(yuan)子(zi)參數的在線監(jian)測裝置(zhi)作進一步說明，本實(shi)施(shi)方(fang)(fang)式(shi)中，還(huan)包括連接(jie)卡400、步進電(dian)機500和絲杠600；

連接件400將(jiang)導光管(guan)100固(gu)定在(zai)絲杠600上，步進電機500通過帶動絲杠600線性運動，從(cong)而實現帶動導光管(guan)100前后移動。

連接卡400、步(bu)進電(dian)機500和(he)絲杠600構成(cheng)軸(zhou)向移動裝置(zhi)。

沿放(fang)電(dian)通(tong)道(dao)(dao)軸(zhou)向(xiang)設有軸(zhou)向(xiang)測(ce)試縫(feng)(feng)，導光(guang)管100插入(ru)軸(zhou)向(xiang)測(ce)試縫(feng)(feng)，絲杠穿(chuan)過進步電(dian)機，步進電(dian)機正反轉實(shi)(shi)現(xian)導光(guang)管100在軸(zhou)向(xiang)測(ce)試縫(feng)(feng)中(zhong)自動(dong)(dong)前后移動(dong)(dong)，移動(dong)(dong)距離可精確控制，便于測(ce)量。在每一位置(zhi)(zhi)處測(ce)量四個波(bo)長的氪原(yuan)子(zi)譜(pu)線(xian)強度，實(shi)(shi)現(xian)該(gai)位置(zhi)(zhi)的電(dian)子(zi)和原(yuan)子(zi)參(can)數的測(ce)量。導光(guang)管100移動(dong)(dong)到放(fang)電(dian)通(tong)道(dao)(dao)不同位置(zhi)(zhi)處，實(shi)(shi)現(xian)對整(zheng)個放(fang)電(dian)通(tong)道(dao)(dao)內的光(guang)的采(cai)集，從而實(shi)(shi)現(xian)不同位置(zhi)(zhi)的電(dian)子(zi)和原(yuan)子(zi)參(can)數的測(ce)量。

具體實(shi)(shi)施(shi)(shi)方(fang)式(shi)四：本(ben)實(shi)(shi)施(shi)(shi)方(fang)式(shi)是(shi)對具體實(shi)(shi)施(shi)(shi)方(fang)式(shi)三所述(shu)的(de)(de)(de)一種(zhong)氪工質霍(huo)爾推力器放電通道內電子(zi)和原子(zi)參數的(de)(de)(de)在線監測裝置(zhi)作進一步說(shuo)明，本(ben)實(shi)(shi)施(shi)(shi)方(fang)式(shi)中，軸向(xiang)測試(shi)縫的(de)(de)(de)寬度(du)為(wei)3mm-10mm。

軸(zhou)向測試縫的寬(kuan)度為(wei)3mm-10mm時，導出的光足以滿足測量需求。

具體實施方(fang)式五(wu)：基于(yu)上述(shu)任(ren)意(yi)一項實施方(fang)式所述(shu)的一種氪(ke)工(gong)質霍爾推力器放電通道內(nei)電子(zi)和(he)原(yuan)(yuan)子(zi)參數的在(zai)線(xian)監測(ce)(ce)裝置的監測(ce)(ce)方(fang)法，通過光譜(pu)儀測(ce)(ce)量(liang)特(te)定波長的光強(qiang)：i1表(biao)示(shi)(shi)805.95nm氪(ke)原(yuan)(yuan)子(zi)譜(pu)線(xian)強(qiang)度(du)，i2表(biao)示(shi)(shi)785.48nm氪(ke)原(yuan)(yuan)子(zi)譜(pu)線(xian)強(qiang)度(du)，i3表(biao)示(shi)(shi)760.15nm氪(ke)原(yuan)(yuan)子(zi)譜(pu)線(xian)強(qiang)度(du)，i4表(biao)示(shi)(shi)758.74nm氪(ke)原(yuan)(yuan)子(zi)譜(pu)線(xian)強(qiang)度(du)。

通(tong)過(guo)以下公式計算得出(chu)電子(zi)溫(wen)度和原子(zi)密度：

y1＝lnr1(3)

y2＝ln(1.0117r2-0.0218)(4)

電(dian)子溫度te可計算為：

te＝-1/x1ev(7)

氪原子密度n氪可計算為：

n氪＝exp(x2)×10¹³cm^-3(8)

對于(yu)本(ben)(ben)(ben)領域技術人員而(er)言，顯然本(ben)(ben)(ben)發明(ming)(ming)(ming)(ming)不(bu)限于(yu)上(shang)(shang)述(shu)示范(fan)性實(shi)施例的(de)(de)細節(jie)，而(er)且在不(bu)背離本(ben)(ben)(ben)發明(ming)(ming)(ming)(ming)的(de)(de)精神或基(ji)本(ben)(ben)(ben)特(te)征的(de)(de)情況(kuang)下，能夠以其他的(de)(de)具體(ti)形式實(shi)現本(ben)(ben)(ben)發明(ming)(ming)(ming)(ming)。因此，無論從哪一點來看(kan)，均應將(jiang)實(shi)施例看(kan)作是(shi)示范(fan)性的(de)(de)，而(er)且是(shi)非限制性的(de)(de)，本(ben)(ben)(ben)發明(ming)(ming)(ming)(ming)的(de)(de)范(fan)圍(wei)由所附(fu)權(quan)利要(yao)求而(er)不(bu)是(shi)上(shang)(shang)述(shu)說明(ming)(ming)(ming)(ming)限定，因此旨在將(jiang)落在權(quan)利要(yao)求的(de)(de)等同要(yao)件的(de)(de)含義和范(fan)圍(wei)內的(de)(de)所有變化(hua)囊括在本(ben)(ben)(ben)發明(ming)(ming)(ming)(ming)內。

雖然在本文(wen)中參照了特(te)定的(de)(de)(de)(de)實施(shi)方式來描述本發明(ming)(ming)，但是(shi)應(ying)(ying)該(gai)理(li)解(jie)的(de)(de)(de)(de)是(shi)，這些實施(shi)例(li)(li)(li)僅僅是(shi)本發明(ming)(ming)的(de)(de)(de)(de)原理(li)和(he)應(ying)(ying)用的(de)(de)(de)(de)示例(li)(li)(li)。因此應(ying)(ying)該(gai)理(li)解(jie)的(de)(de)(de)(de)是(shi)，可(ke)以對(dui)示例(li)(li)(li)性的(de)(de)(de)(de)實施(shi)例(li)(li)(li)進(jin)行(xing)許多修(xiu)改(gai)，并且可(ke)以設計出其(qi)他(ta)(ta)的(de)(de)(de)(de)布置，只要(yao)不(bu)偏離所附(fu)權利(li)要(yao)求(qiu)所限定的(de)(de)(de)(de)本發明(ming)(ming)的(de)(de)(de)(de)精神和(he)范(fan)圍。應(ying)(ying)該(gai)理(li)解(jie)的(de)(de)(de)(de)是(shi)，可(ke)以通(tong)過不(bu)同于原始權利(li)要(yao)求(qiu)所描述的(de)(de)(de)(de)方式來結(jie)合不(bu)同的(de)(de)(de)(de)從屬權利(li)要(yao)求(qiu)和(he)本文(wen)中所述的(de)(de)(de)(de)特(te)征。還可(ke)以理(li)解(jie)的(de)(de)(de)(de)是(shi)，結(jie)合單獨實施(shi)例(li)(li)(li)所描述的(de)(de)(de)(de)特(te)征可(ke)以使(shi)用在其(qi)他(ta)(ta)所述實施(shi)例(li)(li)(li)中。