一种霍尔推力器羽流周向不稳定性监测装置

技术领域

本发明涉及霍尔推力器监测的技术领域。

背景技术

随着卫星对寿命提出更高的要求，卫星推力器寿命的提高成为关键。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。霍尔推力器在工作过程中，会存在着工作状态的变化，表现为放电电压与放电电流的不稳定，或是羽流区周向亮度分布不均，即等离子体能量分布不均。由于羽流区周向不稳定状态的存在，会影响霍尔推力器的工作效率，因此对羽流的周向不稳定性进行监测即可以间接反映霍尔推力器的工作状态，有利于直观反映调整工作参数对霍尔推力器工作状态的影响，优化工作状态最佳效率点。但是现有技术中没有监测羽流周向不稳定性的装置。

发明内容

本发明的目的是为了满足羽流周向不稳定性的监测需求，从而提供一种霍尔推力器羽流周向不稳定性监测装置。

本发明所述的一种霍尔推力器羽流周向不稳定性监测装置，包括反射物镜、反射目镜、干涉滤波片、ICCD相机和计算机；

反射物镜和反射目镜均位于真空腔室内，且位于霍尔推力器羽流区外，霍尔推力器放电通道出口处的光依次经反射物镜、反射目镜和干涉滤波片入射至ICCD相机，ICCD相机连接计算机。

优选的是，反射物镜和反射目镜均采用抛物线凹面反射镜实现。

优选的是，反射物镜的焦距等于霍尔推力器放电通道出口平面中心点与物镜中心点的距离，且反射物镜的焦距大于2倍的霍尔推力器通道直径；

反射目镜的焦距是反射物镜焦距的10倍至20倍，且反射目镜的焦距大于真空腔室直径的0.5倍。

优选的是，反射目镜的中心点与ICCD相机的平面距离等于反射目镜的焦距。

优选的是，反射物镜和反射目镜的直径均大于霍尔推力器通道直径的2倍。

优选的是，还包括信号发生器和脉冲开关；

脉冲开关控制直流电压源是否为霍尔推力器供电，信号发生器用于同步触发脉冲开关和ICCD相机。

本发明采用物镜和目镜将羽流区域的光斑反射出真空腔室，通过滤波片由ICCD相机捕捉霍尔推力器放电通道出口处等离子体光强的周向分布变化。本发明能直观测量霍尔推力器的工作状态，并且通过光学监测不会影响到发动机的工作状态，为调整霍尔推力器工作参数达到最佳工作状态提供直观依据。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的一种霍尔推力器羽流周向不稳定性监测装置的结构示意图；

图2是具体实施方式六中的信号发生器的连接关系示意图。

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霍尔推力器羽流周向不稳定性监测装置，包括反射物镜100、反射目镜200、干涉滤波片300、ICCD相机400和计算机500；

反射物镜100和反射目镜200均位于真空腔室内，且位于霍尔推力器羽流区外，霍尔推力器放电通道出口处的光依次经反射物镜100、反射目镜200和干涉滤波片300入射至ICCD相机400，ICCD相机400连接计算机500。

利用光学系统和ICCD相机监测放电通道出口的光强分布形状及其随时间的变化，从而来监测霍尔推力器工作的稳定性。

图1中S为羽流区，800为检测窗口，检测窗口设置在真空腔上。ICCD相机位于真空腔室外，透过检测窗口检测。在检测窗口前安装一个干涉滤波片，以消除真空室外的杂光干扰，光信号由ICCD相机捕获，获得霍尔推力器放电通道出口周向光强分布随时间的变化，实现监测推力器工作状态的稳定性的功能。

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霍尔推力器羽流周向不稳定性监测装置作进一步说明，本实施方式中，反射物镜100和反射目镜200均采用抛物线凹面反射镜实现。

采用两个抛物线凹面反射镜分别作为物镜和目镜，可以消除光学系统的色散。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种霍尔推力器羽流周向不稳定性监测装置作进一步说明，本实施方式中，反射物镜100的焦距等于霍尔推力器放电通道出口平面中心点与物镜中心点的距离，从而使反射物镜的反射光为平行光，且反射物镜100的焦距大于2倍的霍尔推力器通道直径；

反射目镜200的焦距是反射物镜100焦距的10倍至20倍，且反射目镜200的焦距大于真空腔室直径的0.5倍。

采用上述参数设置反射物镜和反射目镜从而使反射目镜在焦距点所成像为放大的像，并且在真空室外成像。

霍尔推力器通道为圆环形，真空腔室为圆柱形。

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霍尔推力器羽流周向不稳定性监测装置作进一步说明，本实施方式中，反射目镜200的中心点与ICCD相机400的平面距离等于反射目镜200的焦距。从而使反射目镜在焦点所成像被ICCD相机捕捉。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种霍尔推力器羽流周向不稳定性监测装置作进一步说明，本实施方式中，反射物镜100和反射目镜200的直径均大于霍尔推力器通道直径的2倍。霍尔推力器放电通道光斑周向移动，采用上述尺寸的反射物镜和反射目镜可保证光斑全部被反射镜反射成像。

具体实施方式六：结合图2体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或五所述的一种霍尔推力器羽流周向不稳定性监测装置作进一步说明，本实施方式中，还包括信号发生器600和脉冲开关700；

脉冲开关700控制直流电压源是否为霍尔推力器供电，信号发生器600用于同步触发脉冲开关700和ICCD相机400。

通过信号发生器600产生频率为1-2kHz的矩形波信号，占空比0.4-0.8，保证高电位维持时间大于400μs。信号发生器矩形波信号同时传输给ICCD相机和脉冲开关。脉冲开关打开，直流电压源给推力器供电，推力器开始工作；ICCD相机延时设置为200μs，门宽10ns，ICCD相机捕获光信号，并将信号传输到计算机中；电流计测量霍尔推力器工作电流，电流通过示波器显示。对羽流的周向不稳定性进行监测即可以间接反映霍尔推力器的工作状态，通过调整霍尔推力器工作参数，优化工作状态最佳效率点。

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。