一种基于法拉第探针阵列的离子推力器束流测试方法

摘要

本发明公开了一种基于法拉第探针阵列的离子推力器束流测试方法，能够同时实现对离子推力器束流分布、束发散角、推力矢量偏角的测试。全部探针测试信号实现同步采集、数据信息量大，通常仅需几分钟即可完成一次完整的测试和数据处理。每个法拉第探针的离子流收集盘的外侧有一个屏蔽外套，屏蔽外套直接与圆盘型金属支架通过金属接触实现电连接，那么就可以仅使用一根导线向圆盘型金属支架供给偏置电压，大大减少了探针引线的数量。在计算束发散角时，将测试电流值小于平均值的5％以下的离子束电流密度流值为零，从而减少测量误差。将测点位于小测试区域的中心，视该测点测得的束流密度即为该小区域的束流平均值，从而简化了计算。

主权项

一种基于法拉第探针阵列的离子推力器束流测试方法，其特征在于，包括：步骤一、构建测试装置：令被测的离子推力器（4）喷口与法拉第探针阵列（1）测试面相对，且平行；法拉第探针阵列（1）测试面上安装的法拉第探针呈放射状布置，且形成一系列同心圆；同一半径上的法拉第探针为一组；设共有M组、N圈法拉第探针；所述一系列同心圆的圆心在离子推力器（4）中心轴线的延长线上；步骤二、获得每个法拉第探针探测的电流密度J_ij；J_ij表示第i组第j圈法拉第探针探测的电流密度；步骤三、根据束流覆盖面积计算束发散角α，根据束流中心计算推力矢量偏角λ；其中，利用第A1步～第A5步计算束发散角α：第A1步：对各法拉第探针探测的电流密度J_ij求均值将均值乘以设定百分比作为筛选门限，将小于筛选门限的法拉第探针的电流密度J_ij置为0；第A2步：将第i组第j圈法拉第探针的电流密度J_ij乘以该法拉第探针所在测试区域的面积，得到法拉第探针所在测试区域的束流值；所述测试区域的划分方式为：呈环形布置的法拉第探针将圆形的法拉第探针阵列测试面均分为多个圆环段，每个圆环段内具有一个法拉第探针，且法拉第探针位于圆环段的中心；法拉第探针所属圆环段即为法拉第探针的测试区域，中心法拉第探针的测试区域为圆形；第A3步：将所有法拉第探针的测试区域的束流值累加求和，获得整个法拉第探针阵列测试面的总束流值I；第A4步：计算90%总束流值对应的半径值：计算每圈法拉第探针对应的圈束流值I_j，从内圈开始进行累加，每一次累加得到第1圈～第j圈的累加束流值I_∑j，找到与90%总束流值最接近的两个累加束流值I_∑j，获得这两个累加束流值I_∑j对应圈数的半径，然后用线性插值法计算出90%总束流值对应的半径，记为R_90%；第A5步：利用下式计算束流发散角α：$\alpha =2{\tan }^{-1}\frac{R_{90\%}-D/2}{L}---\left(1\right)$上式中，D为离子推力器喷口直径，L为离子推力器喷口与法拉第探针阵列（1）测试面的距离；其中，利用第B1步～第B2步计算推力矢量偏角λ：第B1步：以法拉第探针阵列测试面为xy平面，用（x_i,y_j）表示第i组、第j圈法拉第探针位置处的坐标、（x₀,y₀）表示法拉第探针阵列测试面处束流中心，则采用下式（2）和（3）计算束流中心位置：$x_0=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{x_i{I}_{ij}}{I}---\left(2\right)$$y_0=\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{y_j{I}_{ij}}{I}---\left(3\right)$第B2步：计算测试面处的束流中心到离子推力器中心轴线的距离d：$d=\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2}---\left(4\right)$第B3步：根据几何关系计算束流源点O到测试面的距离L₀：$L_0=\frac{R_{90\%}}{\tan \left(\frac{\alpha }{2}\right)}---\left(5\right)$第B4步：计算推力矢量偏角λ：$\lambda ={\tan }^{-1}\frac{d}{L_0}---\left(6\right).$