[发明专利]一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法

权利要求书

1.一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、利用光学实时在线监测方法，通过在栅极离子推力器放电腔内靠近栅极的加速引出区布置光学探头，实时监测栅极离子推力器加速引出区的离子密度n_i；

步骤二、推力调节指标分配方案，通过联立求解离子密度n_i与引出电压U_t的控制方程组，获得能够同时满足推力指标和栅极聚焦状态最优化的离子密度n_i^*和引出电压U_t^*，

其中，离子密度与引出电压的控制方程组由聚焦状态控制方程和推力调节控制方程组成，

聚焦状态控制方程：

推力调节控制方程为：

T^tar＝1.2566×10^-19·n_i·U_t·d_s²，(N)

其中，K^opt为最佳聚焦状态对应的归一化导流系数，L_g表示栅极间距，d_s表示屏栅孔径；T^tar表示推力调节目标，由卫星控制系统给出；

步骤三、将n_i^*作为离子密度目标参数，以供气流量m_g和电离功率P作为控制量，并以光学监测获得的离子密度n_i′作为反馈量，实现对离子密度n_i的闭环控制；

步骤四、利用实时获取的加速引出区离子密度n_i′，结合最佳聚焦状态对应的归一化导流系数K^opt确定引出电压调节量，给出引出电压调控指令实现对聚焦状态的实时优化控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法，其特征在于，所述栅极离子推力器为以氙气作为工质的电子回旋共振推力器或射频离子推力器。

3.根据权利要求1所述的一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实时优化的方法，其特征在于，在步骤一中，光学实时在线监测方法获得离子密度的具体方法为：

利用所布置的两个光学探头分别监测波长为828.011nm和788.739nm的氙原子谱线的谱线强度I₁，I₂，

计算谱线比R：

计算离子密度n_i：

4.根据权利要求3所述的一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实施优化的方法，其特征在于，光学探头为配有窄带滤光片的光学二极管，实现对特定波长谱线光强的采集。

5.根据权利要求3所述的一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实施优化的方法，其特征在于，两个光学探头的视线方向正对推力器轴线，光学探头安装的轴向位置靠近栅极。

6.根据权利要求1所述的一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实施优化的方法，其特征在于，在步骤二中，确定最佳聚焦状态对应的归一化导流系数K^opt的方法包括：对于给定设计的栅极离子推力器，开展地面试验，测得加速引出区离子密度n_i′和加速栅截获电流C^int，改变引出电压U_t得到C^int随着归一化导流系数K变化的关系，截获电流变化趋势由随K减小到随K增大的拐点对应的归一化导流系数值即为K^opt。

7.根据权利要求1所述的一种基于光学监测的栅极离子推力器栅极聚焦状态实施优化的方法，其特征在于，在步骤三中，具体包括以下步骤：

步骤三一、首先开展实验测定给定设计的离子推力器在不同供气流量m_g时对应的饱和功率P^max和最大离子密度n_i^max，测定方案为：对每一个供气流量m_g，由小到大逐渐增大电离功率P，同时使用栅极附近的光学探头监测离子密度n_i，可获得气流为m_g时，离子密度随电离功率P变化的函数关系：

n_i＝f(P)

由于这类装置的特性，当供气流量为m_g时，存在一饱和功率P^max使得离子密度n_i不再随着电离功率P的增大而增大，此时离子密度取值为饱和离子密度n_i^max；改变供气流量重新测量，获得饱和离子密度随供气流量变化的函数关系：

n_i^max＝g(m_g)

步骤三二、在实际的控制工作中，将目标离子密度n_i^*代入上式，得到以目标离子密度为饱和密度时对应的供气流量m_g^*，并将其设定为推力器供气流量；

步骤三三、以电离功率P为控制量，以光学 探头监测获得的加速引出区离子密度n_i′为反馈量，利用函数f求得电离功率P调节量，实现对离子密度n_i的闭环控制，这种控制策略能够提高推力器的工质利用率，提高推力器总冲。