[发明专利]一种电推进羽流试验评估方法

说明书

本发明公开了一种电推进羽流试验评估方法，包括：对主束流羽流区域和返流羽流区域的离子束流密度、电子浓度和空间等离子电势进行测量，得到羽流对卫星太阳翼的力效应和热辐射效应评估结果；对太阳电池阵表面不同材料在羽流等离子体环境中的充电电压和泄露电流，以及太阳电池阵在羽流等离子体环境中的表面电位进行测量，得到羽流对卫星太阳翼及星本体表面的充放电效应评估结果；对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备测试样品的等离子羽流污染量进行测量，得到羽流对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备的沉积污染效应评估结果。通过本发明实现了羽流对卫星表面的污染、离子溅射腐蚀、羽流对卫星表面电位的影响的测试分析和研究。

技术领域

本发明属于电推进系统技术领域，尤其涉及一种电推进羽流试验评估方法。

背景技术

电推进羽流是指电推力器工作时，其喷流向外部真空环境膨胀形成的羽毛状流场。离子推力器羽流的成份是推进剂电离产生的离子、电子、未电离中性粒子、电荷交换离子及溅射污染物等，离开推力器后在真空环境下运动膨胀且运动速度较高，电磁场强烈耦合。可以将电推力器产生的等离子体分为两部分，一部分是从推力器直接喷射出来的束流等离子体，束流离子能量高，由于受电磁场影响很小，运动轨迹几乎为直线。束流离子主要分布在半角为15°～60°的圆锥面内。另一部分就是由交换电荷离子和电子组成的，会返回至卫星表面的交换电荷等离子体。交换电荷离子的能量较低(通常低于20eV)，在卫星周围电场的作用下，逆向运动，形成返流离子，对卫星表面造成污染。

束流高能离子碰撞于航天器太阳翼表面会产生干扰力或力矩，影响航天器的姿态运动和控制，严重情况下会造成航天器失控，无法正常工作。另外，束流等离子体沿轴向非对称扩展膨胀、不稳定以及束流等离子体与地磁场相互作用都会造成推力大小和方向的变化，从而产生干扰力或力矩。离子推力器羽流热效应主要是指束流高能离子与航天器表面碰撞产生的热量交换，从而导致航天器表面的相关特性发生改变。

高能束流离子和电荷交换离子碰撞于航天器表面，只要离子能量大于被碰撞材料的溅射阈值，就会产生溅射腐蚀效应。对有些执行南北位保任务的电推进卫星，束流高能离子可能直接扫过太阳电池阵，产生比较严重的溅射腐蚀，造成电池阵性能下降或失效。电荷交换离子对航天器表面的溅射腐蚀相对较弱，但如果与局部强电场分布相耦合，其时间积累效应也不容忽视。离子推力器产生的沉积污染来自两个方面：一是推力器的放电室、栅极等材料受到离子溅射腐蚀，流出推力器的溅射剥离物以离子、原子等形式沉积在航天器表面形成污染；二是受到离子溅射腐蚀的航天器表面剥离物产生的一次或多次污染。航天器表面污染影响涉及范围包括太阳电池阵、热控表面、光学传感器等，表面污染还加剧航天器表面不等量带电。离子推力器产生的沉积污染速率虽然很小，但由于工作时间较长，长时间的积累效果也会对热控材料的光热特性、太阳电池玻璃盖片的太阳光学特性产生较大影响。另外，电推进工作期间的羽流对星敏感器视场的干扰影响主要是会导致敏感器测试精度下降，信噪比增大，对星数识别能力下降。

可见，电推进应用羽流问题可以归结为以下几个方面：

(1)羽流与太阳翼等的相互作用对航天器的力学及热影响；

(2)羽流在航天器表面的电荷沉积会改变航天器的静电环境，可能会产生充电和放电效应；

(3)羽流对卫星敏感部件的光干扰影响；

(4)羽流对推力器结构件及航天器其它部件的溅射腐蚀；

(5)羽流溅射产生的粒子再沉积后对航天器敏感表面的污染；

(6)推力器的电流波动会引起各种高频等离子体振荡，对航天器无线电通讯造成干扰。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种电推进羽流试验评估方法，实现了羽流对卫星表面的污染、离子溅射腐蚀、羽流对卫星表面电位的影响的测试分析和研究，以评估电推进应用于卫星平台的合理性。