[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

说明书

本发明提出了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，先获得聚焦状态方程；根据卫星控制系统给出的目标推力T^tar，获得推力控制方程。联立求解两个方程得到同时满足推力控制目标和最佳聚焦状态的离子密度n_i^*，以此为离子密度调节目标，以供气流量和电离功率为控制量，以光学探头监测的离子密度n_i′为反馈量，对离子密度进行闭环控制。同时，将光学探头监测到的实时离子密度n_i′代入最佳聚焦状态方程可求得对应的引出电压U_t^*，调节引出电压为U_t^*实现聚焦状态的实时调节。本发明能够根据推力器的实际工作状态确定推力器聚焦状态调节的方案，保证在推力调节的过程中，栅极系统能够时刻处于最佳引出聚焦状态。

技术领域

本发明涉及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，属于航天等离子体推进领域。

背景技术

离子推力器和霍尔推力器作为主流的等离子体推进装置在空间推进领域得到了广泛的应用。随着国家加大在空间科学研究领域的投入、商业航天的蓬勃发展以及新一代卫星平台开发的飞速推进，对等离子体推进系统提出了可变推力可变比冲的多模式需求，引力波探测、地球重力场测量等空间科学任务更是对推进系统提出了推力大范围连续可调的需求，给推力器在变工况条件下的性能提出了挑战。

对于一个几何参数确定的离子推力器栅极系统而言，只有当等离子体密度和引出电压满足一定的关系时，栅极系统的引出聚焦效果才能得到保障；否则会导致栅极系统工作在欠聚焦或过聚焦状态，引出离子被栅极系统大量截获，严重影响栅极系统寿命和推力器效率。在给空间推进任务带来隐患的同时，削弱电推进系统相对于其他系统所具有的高比冲带来的优势。当前航天等离子体推进领域对推力器变工况时栅极系统聚焦状态的控制尚属空白。

发明内容

本发明的目的是提出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，以解决栅极系统工作在欠聚焦或过聚焦状态，引出离子被栅极系统大量截获，严重影响栅极系统寿命和推力器效率的问题；以及在给空间推进任务带来隐患的同时，削弱电推进系统相对于其他系统所具有的高比冲带来的优势的问题。本发明该方法能够根据推力器的实际工作状态确定推力器聚焦状态调节的方案，保证在推力调节的过程中，栅极系统能够时刻处于最佳引出聚焦状态。

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，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引出加速区的离子密度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，

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为最佳引出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；