一种基于通道壁面温度的霍尔推进器在轨推力调节装置及方法与流程

本发明属于航天等离子体推进，具体地，涉及一种基于通道壁面温度的霍尔推进器在轨推力调节装置及方法。

背景技术：

1、随着航天技术的快速发展以及中国空间引力波探测计划如“天琴计划”、“太极计划”的相继启动，电推进技术已成为空间任务中不可或缺的一部分。霍尔推进器作为最具代表性的电推进技术类型之一，具有体积小、推力密度高且没有空间电荷限流等特点使其在地球同步轨道卫星位置保持和轨道提升、近地小行星探测主推进、超静卫星平台无拖曳控制、中低轨道航天器姿态调整、深空探测等航天任务中具有广阔的应用前景。在霍尔推进器在轨运行时，对推力的监测与调节是非常重要的。霍尔推力器在轨运行时的推力状态可以反映出推进器的运行状态，对其进行及时地监测与调节是霍尔推进器在轨正常运行的重要保证。

2、目前对霍尔推进器推力的监测主要有探针法和光谱法进行测量。探针法通过将探针尖端裸露的金属丝放入等离子体中，通过在探针上施加偏置电压测量，得到伏安特性曲线，由伏安特性曲线分析得到等离子体内部的电子温度、电子密度等信息。光谱方法则是通过分析原子跃迁所发出的光，通过碰撞辐射模型计算出电子温度与电子密度。由探针法或者光谱法得到的等离子体温度密度可以计算出推力大小。但是探针法由于是侵入式诊断，会受到高能离子的轰击，并对霍尔推进器放电状态造成干扰，使结果测量不准确。而光谱法同也存在一定问题，单纯依赖谱线对推力器羽流参数进行分析会导致空间与频谱分辨率底下、同时操作复杂、数据不全面，并且光谱仪不能在轨应用相对较麻烦。

3、此外，一些工程应用单位在进行在轨任务时，发现对于推力在轨的监测与调节存在天地不一致性的问题。由于太空的重力、真空等特殊条件，导致在轨测量霍尔推进器的推力与在地面测量的结果存在一定的差别，一定程度上限制了霍尔推进器的应用。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种基于通道壁面温度的霍尔推进器在轨推力调节装置及方法，本发明的方法能够实现对霍尔推进器在轨推力的监测与调节，保证霍尔推进器在轨运行状态稳定。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于通道壁面温度的霍尔推进器在轨推力调节装置：

4、所述调节装置分为在地调节模块、在轨调节模块和数据对比模块；

5、所述在地调节模块包括电源、供气单元、霍尔推进器、光谱仪、真空罐、热电偶和光学探头；

6、所述在地调节模块在地面实验中进行霍尔推进器的监测与调节实验；获得霍尔推进器通道外侧的陶瓷壁的壁面温度、霍尔推进器羽流区域的电子温度和电子密度；

7、所述在轨调节模块包括卫星、星载第一机械手、星载热电偶、星载霍尔推进器、星载光学相机和星载第二机械手；

8、所述在轨调节模块在轨实验中进行星载霍尔推进器的监测与调节实验；获得星载霍尔推进器通道外侧的陶瓷壁的壁面温度、星载霍尔推进器羽流区域的电子温度和电子密度；

9、所述数据对比模块用于对比并调整在地调节模块和在轨调节模块得到的壁面温度、电子温度和电子密度，使得在轨调节模块的三个参数与在地调节模块的三个参数相同，实现对推力的稳定控制及霍尔推进器在轨推力的监测及调节。

10、进一步的，在所述在地调节模块中，除供气单元以外的器件均放置于真空罐之中，

11、所述电源给霍尔推进器供电，供气单元给与霍尔推进器一定的气流流量的工质气体；

12、所述热电偶紧贴着霍尔推进器的外通道壁面放置，便于测量其壁面温度；

13、在霍尔推进器的羽流方向安装一个光学探头，通过光纤经过法兰连接到真空罐外部的光谱仪，所述光谱仪用于测量光谱谱线，并以此计算电子温度和电子密度。

14、进一步的，所述在轨调节模块的星载第一机械手上安装着星载热电偶，星载第二机械手上安装着星载光学相机；

15、当星载霍尔推进器运行时，星载第一机械手将星载热电偶伸到星载霍尔推进器的陶瓷通道壁面，测量其温度变化；

16、星载光学相机通过星载第二机械手伸到星载霍尔推进器的羽流方向，测量此时的电子温度与电子密度。

17、一种基于通道壁面温度的霍尔推进器在轨推力调节装置的调节方法：

18、所述方法具体包括以下步骤：

19、s1：对于霍尔推进器，于在地和在轨条件分别为该型号的霍尔推进器搭建通道壁面温度调节装置；

20、s2：在地实验阶段，启动霍尔推进器直至运行稳定，调节不同工况的参数，获得霍尔推进器通道外侧的陶瓷壁的壁面温度、霍尔推进器羽流区域的电子温度和电子密度；

21、s3：基于s2中的不同工况参数和壁面温度、电子温度和电子密度进行拟合，建立在地工况和三个获取数据的映射数据库；

22、s4：在轨实验阶段，星载霍尔推进器运行，当等离子体羽流稳定时，在与s2相同工况下，获得星载霍尔推进器通道外侧的陶瓷壁的壁面温度、星载霍尔推进器羽流区域的电子温度和电子密度；

23、s5：通过改变星载霍尔推进器的电压、励磁电流与气流，进行星载霍尔推进器推力的在轨调节；

24、s6：结合的电子温度和电子密度计算出星载霍尔推进器的推力，对该s5的结果进行验证，保证推力的准确性。

25、进一步的，在s2中，首先将真空罐抽真空，使其压力降低到10-3pa以下，使用热电偶测量霍尔推进器外通道壁面的温度；

26、接着启动供气单元给与霍尔推进器一定的气流流量的工质气体，同时启动电源给与霍尔推进器一定电压与励磁电流，等到霍尔推进器运行稳定之后，再次使用热电偶测量霍尔推进器外通道壁面的温度，得到霍尔推进外通道壁面温度的变化，由温度变化计算等离子体碰撞概率及对应的电子温度；

27、同时用光谱仪测量得到此时的光谱谱线，计算得到此时的电子密度，可由电子密度计算出霍尔推进器的推力。

28、进一步的，在s4中，使用星载第一机械手将星载电热偶移动到卫星外部，将其移动到卫星的星载霍尔推进器的外通道处，使星载电热偶紧贴着外壁面，测量的星载霍尔推进器的通道外侧陶瓷壁的壁面温度；

29、用星载光学相机测量得到此时的光谱谱线，计算得到此时的电子密度，并以此计算出霍尔推进器的推力。

30、进一步的，在s5中，调节星载霍尔推进器的推力时，改变星载霍尔推进器的电压、励磁电流与气流，同时保持星载电热偶对星载霍尔推进器通道外侧陶瓷壁的壁面温度的监测，当外壁面温度与s2地面实验中需要的推力的温度一致时，即可得到需要的在轨霍尔推进器的推力。

31、进一步的，在s6中，结合用星载光学相机测量得到此时的光谱谱线，计算得到此时的电子密度，由电子温度和电子密度计算出星载霍尔推进器的推力；对该结果进行验证，保证推力的准确性。

32、一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

33、一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。

34、本发明有益效果

35、本发明监测装置结构简单，易于实施；方法原理具有较高可靠性、准确性高，具有较高的空间分辨率和时间分辨率；监测方法可用于批量测试推进器，可大幅降低测试时间和成本。