[发明专利]一种霍尔推力器推力矢量偏心计算方法

说明书

一种霍尔推力器推力矢量偏心计算方法，包含以下步骤：步骤一：采用法拉第探针测量霍尔推力器羽流区离子电流密度；步骤二：分析离子电流密度对推力矢量偏心的贡献；步骤三：建立霍尔推力器羽流区的空间离子电流密度曲面模型；步骤四：采用加权最小二乘法对曲面模型进行计算，得到计算推力矢量偏心的非线性方程组；采用布罗依登秩方法进行求解非线性方程组，并通过迭代方程反复迭代计算，得到推力矢量偏心结果。本发明通过分析与推力器轴线不同夹角处离子电流密度对推力矢量的贡献，计算推力矢量偏心。

技术领域

本发明涉及电推进羽流计算技术领域，具体涉及一种霍尔推力器推力矢量偏心计算方法。

背景技术

霍尔推力器是一种先进的空间推进技术，在美俄等航天大国得到了广泛运用。它具有结构简单、比冲高、效率高等优点，可大幅降低卫星质量、提高寿命、增加有效载荷，现主要应用于卫星的姿态控制、轨道机动以及位置保持等对控制精度要求高的在轨任务。

霍尔推力器在工作时推力矢量与推力器轴线存在一定的偏差，即推力矢量偏心。制造公差，结构部件或安装位置的改变都会引起离子加速方向远离推力器轴线。此外，推力器从冷态到稳定工作状态，其热变形也会引起推力矢量短期偏移。这对霍尔推力器在航天器上的安装和定位带来一定的困难，安装要求是推力矢量经过航天器质心，没有通过航天器质心的推力矢量的任何误差都会增加旋转动量的积累。推力矢量偏心是电推进卫星设计的重要关注领域，当进行卫星轨道转移时，推力偏心会改变转移方向，导致卫星无法移动到预定轨道。当进行姿态控制时，推力失准会产生干扰扭矩，并可能改变卫星的姿态。干扰扭矩一般通过卫星携带化学燃料所产生的反作用扭矩来抵消，并通过安装的万向支架调节反作用力的方向。如果能够预先得知推力偏差大小和方向，可以对万向支架性能提出要求，并可以进一步精确化学燃料的携带量，提高有效载荷。因此能够准确的测量推力方向对于卫星的姿态轨道控制非常重要，而且测试分析结果也是推力器在航天器上安装调整的重要依据。

测量霍尔推力器推力矢量偏心最好的方法是直接测量，但是这种方式要求推力器旋转，而且需要对现有的实验装置进行改造，比较复杂。通过法拉第探针测量霍尔推力器羽流区的离子电流，并计算得出推力矢量偏心是一种间接的测量方法。由于霍尔推力器典型羽流形貌呈双峰结构，且没有天然的双峰函数模型，故现有的计算方法会舍弃掉双峰之间凹陷的数据点，但是这样做会对最终计算造成不小的误差。这种处理方式也无法得到准确的推力矢量偏心结果。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种霍尔推力器推力矢量偏心计算方法。

包含以下步骤：

步骤一：采用法拉第探针测量霍尔推力器羽流区离子电流密度；

步骤二：分析离子电流密度对推力矢量偏心的贡献；

步骤三：建立霍尔推力器羽流区的空间离子电流密度曲面模型；

步骤四：采用加权最小二乘法对曲面模型进行计算，得到计算推力矢量偏心的非线性方程组；采用布罗依登秩方法进行求解非线性方程组，并通过迭代方程反复迭代计算，得到推力矢量偏心结果。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明的方法可用于霍尔推力器推力矢量偏心角度的计算，不需要改变实验装置只通过离子电流密度就可以得到结果，而且本方法在计算时不需要舍去双峰处的数据点，而是分析与推力器轴线不同夹角处离子电流密度对推力矢量的贡献，计算结果更加准确。对研究霍尔推力器推力矢量偏心提供了一种准确有效的计算方法。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1是离子电流密度对推力矢量贡献示意图；

图2是阵列法拉第探针测量远场羽流示意图；

图3是阵列法拉第探针测得的离子电流密度曲线图；