[发明专利]根据地面实验参数修正在轨飞行霍尔推力器推力参数的方法

摘要

一种根据地面实验参数修正在轨飞行霍尔推力器推力参数的方法，涉及等离子体推进领域。本发明为了解决现有地面真空系统内存在背景气体的返流造成霍尔推力器在轨运行时偏离设计的技术指标。本发明在实验室中的霍尔推力器进行实验，计算霍尔推力器在不同背景压力下背景气体的返流质量流量，并根据背景气体返流离子对推力的贡献估计折算系数，对实验室中霍尔推力器的推力进行修正，将修正后的推力作为在轨运行时的推力。本发明适用于在轨飞行霍尔推力器性能参数的修正。

主权项

一种根据地面实验参数修正在轨飞行霍尔推力器推力参数的方法，其特征在于它包括下述步骤：步骤一：计算霍尔推力器在不同背景压力下背景气体的返流质量流量的具体操作步骤为：假使霍尔推力器通道内原子服从麦克斯韦分布，则单位时间单位面积上的原子数如公式(1)，即碰撞数为：$\begin{array}{c}J=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{Nf}\left(v\right)\mathrm{dv}\·\mathrm{vdtdA}/\mathrm{dtdA}\\ =N{\left(\frac{m}{2\mathrm{\πkT}}\right)}^{1/2}\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{e}^{-\frac{m}{2\mathrm{kT}}{v}^2}\mathrm{vdv}\\ =\frac{1}{4}N\stackrel{\→}{v}\end{array}---\left(1\right)$其中：v表示原子速度标量，表示原子速度矢量，k＝1.38×10^‑23表示玻尔兹曼常数，m为背景气体原子质量，t表示时间，T表示实验室工作时的热力学温度，A霍尔推力器通道出口截面积，N表示粒子数密度，f(v)为麦克斯韦速度分布函数，e自然对数的底数；根据理想气体状态方程，PV_体＝nRT，可得：由于R＝k·N_A，得到粒子数密度为$N=\frac{P}{\mathrm{kT}}---\left(2\right)$其中，P为真空罐内气体压力，V_体为气体体积，n为气体物质的量，R为理想气体常数，N_A为阿伏伽德罗常数；将公式(2)代入公式(1)可得：$J=\frac{1}{4}\frac{P}{\mathrm{kT}}\stackrel{\→}{v}=\frac{P}{\mathrm{kT}}\sqrt{\frac{\mathrm{kT}}{2\mathrm{\πm}}}---\left(3\right)$背景气体返流质量流量如式(4)所示近似认为霍尔推力器工作时加速区压力为真空前提下，将公式(3)代入公式(4)得到背景气体返流质量流量与背景压力的关系为：其中，为背景气体返流质量流量，A为霍尔推力器通道出口截面积，P为真空罐内气体压力；在实验室中改变真空罐内气体压力P进行实验，根据公式(5)得到相应背压下背景气体返流质量流量；步骤二：根据背景气体返流离子对推力的贡献估计折算系数δ的具体操作步骤为：利用多栅探针，调节接收级制止电压，得到多栅探针伏安特性曲线，对伏安特性曲线进行一阶数值微分，并采用小波变换方法进行滤波消噪处理，得到离子能量分布函数；两个离子峰对应的分别是返流离子峰和主流离子峰，较低峰为低能离子表示返流离子的能量低，较高峰为高能离子表示主流离子的能量高，离子能量由电压供给，利用主流离子的加速电压和返流离子的加速电压定义返流粒子对推力的贡献折算系数如公式(6)：其中U_加返流表示返流离子在放电通道内所获得的加速电压，U_加主流表示主流离子在放电通道内所获得的加速电压；步骤三：霍尔推力器工作时，通过流量计给定确定的工质气体质量流量，即主流质量流量根据返流质量流量主流质量流量和折算系数δ对实验室中霍尔推力器的推力T_实验进行修正，如公式(7)所示根据修正公式(7)计算的修正推力，作为霍尔推力器在轨运行时推力。