[发明专利]一种离子推力器寿命地面试验方法

摘要

本发明公开了一种离子推力器寿命地面试验方法。使用本发明能够长时间进行离子推力器的地面寿命试验。本发明首先建立了寿命地面试验设备，在该试验设备模拟空间情况的基础上对离子推力器长时间工作后的性能进行测试，能够取得离子推力器寿命的真实结果，为评价推力器的寿命和可靠性评价提供真实、可靠的试验数据。通过试验过程中的大量测试，可以获得离子推力器整个寿命期间推力器的主要性能参数，进而取得推力器性能参数随累计工作时间的变化规律，为离子推力器长寿命工作和应用提供依据，能够为今后更加有效的离子推力器加速试验获得基础数据。该试验方法有效、可靠，极大地降低了寿命试验的经济成本和时间成本。

主权项

一种离子推力器寿命地面试验方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立离子推力器寿命地面试验设备：离子推力器寿命地面试验设备包括：主舱真空容器、插板阀、副舱真空容器、真空抽气系统、离子束靶、防溅射屏、推力器移动机构、石英晶体微量天平QCM、推力器发散角测量系统、栅极腐蚀在线监测系统、地面试验电源系统、设备控制系统、氙气供气系统、复压系统、冷却水系统、气动元件供气系统、液氮储供系统和摄像照明系统；其中，主舱真空容器一端设有主舱舱门，另一端通过插板阀与副舱真空容器相连，副舱真空容器一端设有副舱舱门，另一端通过插板阀与主舱真空容器相连；主舱真空容器为离子推力器地面寿命试验的工作舱，副舱为离子推力器的放置舱；真空抽气系统由用于抽空气的普通大口径低温泵和和用于抽氙气的氙气大口径低温泵组成，每台低温泵与主舱真空容器之间设有插板阀；离子束靶安装在主舱真空容器的主舱舱门内表面上，离子束靶外表面设有高纯石墨靶板；防溅射屏安装在主舱真空容器直线段的内圆周面上，防溅射屏材料为纯钛Ta1；栅极腐蚀在线监测系统包括机械臂以及安装机械臂上的照相机，通过照相获得试验过程中离子推力器栅极的腐蚀状况；所述栅极腐蚀在线监测系统安装在主舱真空容器内的检测室中；推力器发散角测量系统安装在主舱真空容器前段距离离子推力器前方，可上下翻转和水平平移；石英晶体微量天平QCM安装在推力器移动机构上，位于推力器的前端面前上方，用于监测溅射沉积物污染状况；主舱真空容器和副舱真空容器上各自设有复压系统，用于试验停止时，向主舱真空容器和副舱真空容器真空室充入洁净气体；冷却水系统用于向真空抽气系统提供冷却水；气动元件供气系统向真空抽气系统的气动元件提供压缩气；液氮储供系统储存并向离子束靶、真空抽气系统中的大孔径低温泵提供冷氮气，用于降低离子束靶和大孔径低温泵的温度；摄像照明系统安装在主舱真空容器顶部，用于实时监测和记录地面试验过程中主舱真空容器内推力器的实时图像；推力器移动机构位于副舱真空容器内，用于安装和自动控制移动离子推力器；地面试验电源系统通过副舱真空容器上的穿舱法兰用导线与离子推力器相连，为推力器提供试验电源；设备控制系统用于对各设备工作状态进行实时监控和记录，负责推力器电源的控制管理和试验测试数据的分析处理，具有报警系统；氙气供气系统通过副舱真空容器上的穿舱管接头与离子推力器相连，为推力器提供气源；步骤2，试验准备：将离子推力器安装在推力器移动机构上；关闭主舱真空容器的主舱舱门和副舱真空容器的副舱舱门；打开插板阀，利用推力器移动机构将离子推力器送至主舱真空容器内；启动真空抽气机组，将主舱抽真空至要求真空度；步骤3，离子推力器预处理：当主舱真空容器的本地真空度小于1.3×10‑4Pa时，对离子推力器进行预处理，然后开始离子推力器点火；步骤4，进行离子推力器性能测试：性能测试包括：(1)在离子推力器额定工况下进行束流发散角测量：额定工况下，将推力器发散角测量系统水平平移至离子推力器前方，并将推力器发散角测量系统的测试面翻转为竖直态，使得推力器发散角测量系统的测试面中心与离子推力器中心对齐、且测试面与离子推力器的端面平行，测量推力器发散角，测量完毕后，向下翻转推力器发散角测量系统测试面至测试面向下，防止推力器发散角测量系统被等离子体损坏；(2)进行离子推力器拉偏性能测试：拉偏工况I测试，额定工况下，将离子推力器阳极流量调为额定值的(1+5％)、主阴极流量调至额定值的(1‑5％)、中和器流量为额定值的(1‑5％)，供电条件调为额定值的(1+5％)，查看离子推力器性能变化；拉偏工况II测试，额定工况下，将离子推力器阳极流量调为额定值的(1‑5％)、主阴极流量调至额定值的(1+5％)、中和器流量为额定值的(1+5％)，供电条件调为额定值的(1‑5％)，查看离子推力器性能变化；(3)主阴极羽状模式安全裕度测试：只开主阴极，将主阴极供气流率由额定工况逐步减小，直到主阴极从点模式转变为羽流模式，触持极电压峰峰变化值超过5V即认为发生羽流模式，主阴极额定工况与羽流临界时的供气流率之差即为主阴极羽状模式安全裕度；(4)中和器羽状模式安全裕度测试：只开中和器，将中和器供气流率由额定工况逐步减小，直到中和器从点模式转变为羽流模式，触持极电压峰峰变化值超过5V即认为发生羽流模式，中和器额定工况与羽流临界时的供气流率之差即为中和器羽状模式安全裕度；(5)电子反流极限电压测试：额定工况下，逐步降低加速栅电压，直至束电流有0.1mA的增量，此时的加速栅电压即为电子反流极限电压；(6)栅极表面磨损测试：离子推力器停机后，待加速栅冷却后，利用栅极腐蚀在线监测系统对加速栅进行拍照，从而获得加速栅的腐蚀情况；(7)真空环境绝缘性能测试：离子推力器停机后，使用耐压测试仪对推力器的电缆之间的绝缘度进行测量。