[发明专利]一种离子推力器工作性能参数最优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子推力器工作性能参数最优化设计方法，属于技术发明领域。

背景技术

离子推力器作为一种先进的航天器在轨推进装置在各国已得到了广泛应用。离子推力器的工作输入性能参数主要包括供气流率、束电压及输入功率等，而工作输出性能参数主要是推力和效率，并且输入参数和输出参数之间存在复杂耦合关系。输入/输出工作性能参数作为离子推力器设计成败的重要考核依据，在轨应用前需在地面经过大量的性能试验验证，以确定其最优输入/输出工作参数并固化为额定工作点。

而以往的离子推力器参数设计方法是预设并固定某些输入参数，通过变化其余输入参数，来给出大致的输出参数设计值范围并通过大量性能测试试验以确定最终输入性能参数并固化，误差范围较大，设计性能参数与实际工作性能参数符合性较差。而且，大量重复性的试验以及试验参数调节的宽范围性，导致试验成本以及人力成本的大幅提升。

因此需建立起一种离子推力器工作性能参数最优化设计方法，通过理论结合试验的手段，且能够较为精确的对推力器设计初期的工作性能参数进行预估，并对后期性能试验的参数调节给定试验范围。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种离子推力器工作性能参数最优化设计方法，解决现有离子推力器设计过程中存在的设计输出性能参数与实际输出工作性能参数之间符合性较差且试验成本较高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种离子推力器工作性能参数最优化设计方法，包括：

步骤一、建立离子推力器的输入/输出参数控制模型，P＝F(Q)；

其中，F表示输入参数与输出参数的映射关系模型，Q为输入参数的集合，P为输出工作性能参数的集合，P中至少包含推力T；

步骤二、将设定的离子推力器的输入参数初始值Q₀确定为本轮优化的当前输入参数集合Q；

步骤三、将当前输入参数集合Q代入所述输入/输出参数控制模型，计算得到输出参数，记为P；

步骤四、利用二价Xe离子产生推力修正因子α以及束流发散角修正因子F_t，对P中的推力T进行修正，获得第一次修正后的推力T'＝T·α·F_t；

步骤五、判断当前进行优化的离子推力器是否有前期性能试验数据支持；其中，是否有前期性能试验数据支持是指：设定当前进行优化的离子推力器为推力器A，判断在此之前是否有同批次、同型号离子推力器，在相同输入参数Q的情况下，获得了输出数据；

对于具有前期性能试验数据支持的情况，利用推力对应的试验数据与计算数据的均方差σ_corr，对T'进行修正，获得第二次修正后的推力T”＝T'+σ_corrt；对于没有前期性能试验数据支持的情况令T”＝T'；

步骤六、开展离子推力器具体性能试验比对：

对进行参数优化的当前离子推力器进行实际性能测试，输入参数为当前输入参数集合Q，得到实际输出推力T₁，并计算实际输出推力平均值T₁'；比较性能试验得到的实际输出推力平均值T₁'与T”之间的误差Δ：

如果误差Δ大于设定阈值，则执行步骤七和步骤八；否则，执行步骤九；

步骤七、引入反馈系数f_b＝|1+Δ|，对T”进行修正，得到修正推力T”'＝T”·f_b；将T”'代入输入/输出参数控制模型计算输出参数集合，记为P'；

步骤八、根据P'结合输入/输出参数控制模型反推出输入参数Q'；将Q'赋值给当前输入参数集合Q，返回步骤三；

步骤九、当前输入参数集合Q作为离子推力器的最优工作参数。

优选地，所述输入/输出参数控制模型为：

其中，束流I_b、束电压V_b、放电电压V_d、放电电流I_d、输入功率P_in、推进剂质量流量组成输入参数集合；将推力T、工质利用率η_m、推力器效率η_T和比冲I_sp组成输出工作性能参数的集合。

优选地，二价Xe离子产生推力修正因子α的确定方式为：