空间电推进试验测量技术

《空间电推进试验测量技术》主要介绍了空间电推进试验测量方面的原理、方法和应用技术等。《空间电推进试验测量技术》共分为四篇14章，试验基础篇（第1～3章）主要介绍了电推进试验概述、电推进试验真空系统和电推进点火试验；性能测量篇（第4～7章）主要介绍了电推进推力、流量、束流特性、电磁发射特性的测量；寿命试验篇（第8～10章）主要介绍了电推力器、空心阴极和电推进系统组部件的寿命试验和评估方法；等离子体诊断篇（第11～14章）主要介绍了与电推进等离子体相关的诊断技术，包括Langmuir探针、发射探针、静电探针、光谱诊断等。

目录
丛书序
序
前言
试验基础篇
第1章 电推进试验概论
1.1 电推进技术简介 003
1.2 电推进试验的地位与作用 004
1.3 电推进试验的特点 006
1.3.1 试验真空环境 006
1.3.2 测量参数种类 007
1.3.3 电推力器的羽流 007
1.3.4 电推进试验成本 007
1.3.5 电推进试验周期 008
1.4 电推进试验的分类和内容 008
1.4.1 电推进试验的分类 008
1.4.2 电推进试验的内容 010
1.5电推进试验的发展与展望 013
参考文献 014
第2章 电推进试验真空系统
2.1 电推进试验的一般要求 016
2.2 真空系统主要参数的确定 017
2.2.1 电推进试验工作真空度 018
2.2.2 电推进试验真空舱尺寸 021
2.2.3 羽流诊断测量的工作真空度和舱尺寸 023
2.3 抽速设计与真空泵配置 025
2.3.1 真空抽速设计的主要参数 026
2.3.2 真空泵的配置 031
2.3.3 真空残气对试验的影响 037
2.4 真空测量 038
2.4.1 电推进真空测量的特点 038
2.4.2 电推进试验真空规的选择 039
2.4.3 影响真空测量的因素 039
2.4.4 真空校准 042
2.5 典型的电推进真空系统配置 043
2.5.1 格林研究中心VF5真空系统 043
2.5.2 上海空间推进研究所VF6真空系统 043
2.5.3 兰州空间技术物理研究所TS7A真空系统 045
2.6 国外典型电推进试验真空系统统计 045
参考文献 048
第3章 电推进点火试验
3.1 电推进点火试验的作用 050
3.2 电推力器点火试验 050
3.2.1 电推力器点火试验内容 051
3.2.2 试验配置 052
3.2.3 电推力器点火试验方法 055
3.3 空心阴极点火试验 061
3.3.1 空心阴极点火试验内容 061
3.3.2 空心阴极试验构型 062
3.3.3 试验配置 066
3.3.4 空心阴极点火试验方法 068
3.4 电推进系统点火试验 071
3.4.1 电推进系统点火试验内容 072
3.4.2 试验配置 074
3.4.3 电推进系统点火试验方法 075
参考文献 079
性能测量篇
第4章 微小推力测量
4.1 概述 083
4.2 微小推力测量的方法 084
4.2.1 微小推力测量的分类 084
4.2.2 微小推力测量的基本原理 088
4.3 微小推力测量装置的组成和结构 092
4.3.1 激摆推力测量共用组件 093
4.3.2 倒摆式推力架 094
4.3.3 悬摆式推力架 097
4.3.4 扭摆式推力架 099
4.4 微小推力测量装置的主要技术指标 100
4.5 微小推力测量装置的校准 103
4.5.1 通过加载已知力进行校准 103
4.5.2 通过加载已知冲量进行校准 104
4.6 推力测量的误差分析 105
4.6.1 误差来源 105
4.6.2 系统误差的控制 106
4.7 典型的微小推力测量装置介绍 107
4.7.1 倒摆式推力测量装置 107
4.7.2 悬摆式推力测量装置 110
4.7.3 扭摆式推力测量装置 115
4.7.4 标靶传递推力测量装置 119
参考文献 121
第5章 气体微流量控制与测量
5.1 概述 122
5.2 流量测量方法介绍 123
5.2.1 常见流量测量方法 123
5.2.2 电推进实验室推进剂流量测量方法 133
5.2.3 电推进飞行产品推进剂流量测量系统 134
5.3 气体微流量控制与测量原理 136
5.3.1 热式流量控制与测量方法工作原理 136
5.3.2 压力式流量控制与测量方法工作原理 138
5.4 微流量测量与校准 139
5.5 误差分析与不确定度 140
5.6 流量测量与控制案例 145
5.6.1 实验室流量控制与测量 145
5.6.2 飞行产品流量控制与测量 151
参考文献 160
第6章 束流特性测量
6.1 概述 161
6.2 基本要求 162
6.2.1 坐标系选取 162
6.2.2 测量范围及分辨率 163
6.2.3 安装与使用要求 164
6.3 测量电路 166
6.4 影响因素分析 166
6.4.1 地面设备背景气体效应 166
6.4.2 Bohm电流的影响及鞘层扩张 168
6.4.3 热离子电流影响 169
6.5 离子电流密度 170
6.6 束流发散角 172
6.6.1 电推力器羽流远场区 172
6.6.2 霍尔推力器羽流近场区 177
6.6.3 离子推力器羽流近场区 180
6.7 推力矢量偏心 182
6.7.1 基本理论 182
6.7.2 测量方法及应用 183
6.8 束流利用率 184
6.9 误差及不确定性 185
6.10 Faraday探针设计 186
6.10.1 基本设计 186
6.10.2 探针类型 186
6.11 其他电推进束流特性的测量 188
6.11.1 胶体推进 188
6.11.2 电弧推进 189
6.11.3 电磁推进 189
参考文献 190
第7章 电磁辐射特性测量
7.1 概述 193
7.2 电推进电磁辐射产生机理 195
7.2.1 等离子体对入射电磁波的影响 195
7.2.2 等离子体辐射电磁波 196
7.2.3 等离子体振荡机理 198
7.3 电磁辐射特性测量方法 200
7.3.1 透波副舱测试方案 201
7.3.2 真空舱覆盖吸波材料测试方案 202
7.3.3 直接真空舱测试方案 203
7.4 典型系统配置 204
7.4.1 地面电推进试验设备 204
7.4.2 透波副舱 205
7.4.3 电磁半屏蔽暗室 206
7.4.4 铝锥吸收体 206
7.4.5 电磁辐射测试系统 207
7.5 试验方法 207
7.5.1 试验布局 207
7.5.2 试验流程 208
7.5.3 数据处理与分析 210
7.6 试验案例 211
7.6.1 SPT100霍尔推力器电磁辐射特性试验 211
7.6.2 RIT10离子推力器电磁辐射特性试验 213
7.6.3 HET40和LIPS200电磁辐射特性试验 215
7.6.4 HET80和LIPS300电磁辐射特性试验 217
参考文献 221
寿命试验篇
第8章 电推力器寿命试验
8.1 概述 225
8.2 影响电推力器寿命的因素 228
8.2.1 影响霍尔推力器寿命的因素 229
8.2.2 影响离子推力器寿命的因素 232
8.3 寿命试验方法 234
8.3.1 工作寿命试验 234
8.3.2 快速寿命试验 237
8.4 电推力器寿命试验案例 243
8.4.1 工作寿命试验 243
8.4.2 快速寿命试验 264
参考文献 270
第9章 空心阴极寿命试验
9.1 概述 273
9.2 影响空心阴极寿命的因素 275
9.2.1 失效分析 275
9.2.2 失效判据 277
9.3 寿命试验的方法 278
9.3.1 工作寿命试验 278
9.3.2 快速寿命试验 281
9.4 空心阴极寿命试验特殊设备 283
9.5 空心阴极可靠性分析 286
9.6 空心阴极寿命试验案例 289
9.6.1 工作寿命试验 289
9.6.2 快速寿命试验 297
参考文献 300
第10章 电推进系统组部件寿命试验
10.1 概述 301
10.1.1 电推进系统组成和功能 301
10.1.2 推进剂贮供子系统 302
10.1.3 电推进系统的供电系统 306
10.2 影响系统寿命的主要单机和组部件 307
10.3 寿命试验的方法 308
10.3.1 阀门寿命试验 308
10.3.2 流量控制器寿命试验 309
10.3.3 功率处理单元寿命试验 310
10.4 功率处理单元寿命试验案例 314
参考文献 315
等离子体诊断篇
第11章 等离子体密度及电子温度的诊断
11.1 概述 319
11.2 Langmuir探针基本理论 320
11.2.1 离子电流理论模型 321
11.2.2 电子电流理论模型 323
11.2.3 探针分析方法 324
11.2.4 基于二阶导数的分析方法 326
11.3 等离子体定向运动影响分析 329
11.4 磁场影响分析 331
11.5 放电通道内部的等离子体诊断 332
11.6 探针结构 332
11.6.1 单探针 332
11.6.2 双探针 335
11.6.3 三探针 338
11.7 误差分析 339
11.8 Langmuir探针在电推进领域的应用 340
参考文献 346
第12章 等离子体空间电势测量
12.1 概述 348
12.2 基本原理 348
12.2.1 探针模型 349
12.2.2 空间电荷效应 352
12.2.3 磁场影响分析 353
12.3 空间电势的获取方法 353
12.3.1 测量方法 353
12.3.2 加热电流的选择 354
12.3.3 误差分析 356
12.4 加热方法 358
12.4.1 直流电焦耳加热 358
12.4.2 交流电焦耳加热 359
12.4.3 自持加热 359
12.4.4 激光加热 360
12.5 探针结构 360
12.5.1 材料 360
12.5.2 结构 361
12.5.3 连接 361
12.5.4 支撑结构 361
12.6 发射探针在电推进领域的应用 362
参考文献 363
第13章 离子特性测量
13.1 概述 365
13.2 离子能量分布测量 365
13.2.1 基本原理 366
13.2.2 测量电路 366
13.2.3 数据处理 367
13.2.4 关键尺寸设计 369
13.2.5 RPA探针在霍尔推力器中的应用 370
13.3 离子成分及比例的分析 371
13.3.1 基本原理 371
13.3.2 测量电路 374
13.3.3 误差分析 374
13.3.4 E×B探针典型应用 377
13.4 离子速度的测量 379
13.4.1 基本原理 379
13.4.2

《空间电推进试验测量技术》主要介绍了空间电推进试验测量方面的原理、方法和应用技术等。《空间电推进试验测量技术》共分为四篇14章，试验基础篇（第1～3章）主要介绍了电推进试验概述、电推进试验真空系统和电推进点火试验；性能测量篇（第4～7章）主要介绍了电推进推力、流量、束流特性、电磁发射特性的测量；寿命试验篇（第8～10章）主要介绍了电推力器、空心阴极和电推进系统组部件的寿命试验和评估方法；等离子体诊断篇（第11～14章）主要介绍了与电推进等离子体相关的诊断技术，包括Langmuir探针、发射探针、静电探针、光谱诊断等。

空间定向,电推进,测量

试验基础篇
　　第1章电推进试验概论
　　1.1电推进技术简介
　　电推进技术就是通过电能的引入，来增加推进剂动能，以获得更高喷气速度的一门空间推进技术。一般而言，电推进系统可以使推进剂的喷出速度比传统化学推进系统高出一个数量级以上。对于一定的空间推进任务，采用电推进系统比采用化学推进系统可以节约更多推进剂，这对于航天器设计无疑是非常有益的：一方面可以使得航天器设计过程中重量分配的紧张局面大为缓解，另一方面可以增加有效载荷的占比、减轻航天器重量从而降低发射成本，或提高航天器的工作寿命［1-4］。
　　与传统化学推进系统相比，电推进系统可以达到的推力密度较低，完成同样的空间任务，采用电推进系统需要更长的在轨工作时间，这就使得航天器控制的工作模式需要做相应调整。另外，电推进系统增加了电源需求以及可能的功率处理装置等，这就增加了推进系统的干重，部分削弱了因高比冲所带来的重量优势。电推进应用于航天器，将会带来一系列新的问题和物理现象，如电推进放电羽流中的带电粒子对航天器表面带电状态的影响、高能羽流粒子对航天器表面的溅射和沉积污染效应、电推进工作与航天器电磁兼容问题、长时间持续工作对材料和空间环境的影响、导电等离子体对太阳帆板的漏电效应等，这些都需要在电推进发展和应用过程中予以关注和研究。
　　从原理上来看，电推进与靠推进剂的化学反应在喷管处膨胀喷出产生推力的化学推进有着本质的区别。通常电推进提高喷气速度都是通过如下两种方式中的一种或两种的结合来实现的：①增加靠气动加速推进剂的热能；②靠其他方式直接加速推进剂。
　　基于推进剂的加速原理，并考虑电推进的发展历史和应用习惯，电推进技术通常分为三大类，即电热推进、静电推进和电磁推进［5，6］。
　　（1）电热推进：推进剂通过某种形式的电能（过程）被加热，然后通过喷管膨胀加速喷出产生反作用推力。
　　（2）静电推进：推进剂通过某种方式被电离为离子，离子通过直接的静电场加速喷出产生反作用推力。
　　（3）电磁推进：推进剂通过某种方式被电离为离子，离子通过电场和磁场的联合作用被加速喷出产生反作用推力。
　　图11为电推进分类示意图，其中三种基本类型分别包含数种电推进技术。各种电推进技术的原理、特点、优势和问题已有大量的书籍和文献介绍［1-3］，本章就不再重复。
　　图1-1 电推进分类示意图
　　1.2电推进试验的地位与作用
　　电推进种类繁多，工作原理和特点各异，但无论哪一款电推进装置，在其物理概念确定之后，都要经历设计、试制、试验三个基本环节组成的循环，试验在这个循环中起到重要作用：一方面，电推进装置的功能、性能、环境适应性和可靠性需要通过试验来评定和验证；另一方面，电推进装置研制过程中的一些问题都需要通过试验暴露，并通过试验来寻求解决方案。因此，电推进装置研制离不开试验技术。
　　试验测量技术在电推进研究和研制的预研、模样、初样、正样和飞行应用的诸阶段都起着重要的作用，是电推进技术不可分割的组成部分。试验对于电推进技术的作用可以概括为如下几个方面。
　　（1）试验是推动电推进理论发展和完善不可或缺的环节。电推进装置主要是基于电磁加速原理工作的，其工作过程相对复杂，涉及流体机械、工程热物理、电磁理论、等离子体输运等多个学科，仅靠分析计算很难把电推进工作过程描述清楚，也无法严格确定各性能参数之间的数量关系，只有通过各种试验，取得大量实测数据，对理论和实际工作情况的数据进行反复比对检验和修正，才能使电推进理论得以不断完善和提高。另外，在新型电推进概念发展之初，检验新概念是否正确可行的**标准就是试验，离开了试验，电推进理论将无从发展。
　　（2）试验是确定电推进装置性能指标、评价其可靠性和寿命的重要手段。电推进与化学推进的主要不同点就在于电推进的能源不是来源于推进剂本身贮存的化学能，而是从外部输入的电能。表征电推进装置性能的指标包括物理性能和电性能。因此，评价电推进性能的参数除了与传统化学推进相同的推力、比冲外，还有电推进特有的性能参数，如功率、效率、推力功率比等与电相关的参数。另外，可靠性和寿命也是评价电推进装置必不可少的重要指标。在电推进技术发展的各个阶段，都存在对上述电推进指标的确定和评价，而确定和评价这些指标的*重要的手段之一就是试验测量，因此从这个角度来看，电推进技术发展离不开试验测量技术。
　　（3）试验是电推进装置优化设计的有效手段。优化设计作为工程研制中的重要过程，是提升产品性能和成熟度的必由之路。试验在优化设计过程中是非常关键的一环，能够帮助设计师验证设计结果是否正确，暴露设计阶段的实际问题，帮助解决电推进研制中遇到的工程难题，为改进和优化设计指明方向，并提供依据。电推进装置工作环境复杂，设计约束条件苛刻，可靠性要求高，如何选择装置的结构、材料、工作点和工艺方法才能使其强度、尺寸、重量、可靠性、工作性能等满足要求，显然也是一个优化设计命题，离不开试验的引领和把关作用。
　　（4）试验是检验电推进装置生产工艺稳定性和可靠性的重要手段。在电推进装置进入正样研制和批产阶段，所采用的原材料、元器件不可能**一样，组部件及整机产品的加工、处理、装配工艺不可能没有差异，因此同批次之间以及不同批次之间的产品性能存在一定的差异是难免的。要实现电推进装置生产工艺的稳定和可靠，就必须将上面提到的这种差异控制在规定的范围，这就需要通过工艺检验试验来达到这一目标，即按照一定的规则抽取一定数量的产品进行工艺性试验，以检验生产工艺的可靠性和稳定性。
　　（5）试验是检验电推进装置环境适应性的**途径。与其他空间产品一样，电推进装置需要在相应的使用环境下具备所需要的功能和性能。因此，需要了解不同使用环境下电推进装置功能和性能的差异，以及性能包络，从而判断和评价装置的环境适应性。对工作环境的适应性评价没有其他方法，只有通过环境试验来检验。相应的试验主要包括贮存环境试验、运输环境试验、发射环境试验、空间运行环境试验，对应的具体试验内容主要有盐雾试验、温/湿度环境试验、加速度试验、振动/冲击试验、声试验、真空放电试验、热真空/热平衡试验、温度循环试验、磁试验、压力试验、检漏试验、电磁兼容试验、空间辐照环境试验等，具体开展哪些试验需要针对具体的使用环境确定。
　　综上所述，电推进试验测量是电推进装置研制工作的重要组成部分，电推进研制的每一阶段都离不开试验测量技术的支持，缺乏有效可靠的试验测量技术，电推进装置的研制工作要么难以持续进行下去，要么就会偏离正确的研制轨道。
　　1.3电推进试验的特点
　　电推进装置的性能、功能和可靠性等信息，大部分都无法通过对电推进装置进行直接测量而获得，通常需要通过某种人为方法，借助专门的装置，将其存在的相关信息激发出来，再通过一定的手段，检测出这些信息，并加以量度。因此，获取电推进装置相关信息的试验测量将主要涉及两大部分：一部分是激发电推进相关信息的方法和装置，另一部分是检测和量度这些信息的手段和设备［7］。
　　由于电推进与传统化学推进有着本质的不同，其工作方式、工作条件、工作环境有很大差异，因此获取电推进装置信息的试验测量技术就必须适应这种变化，从而导致激发电推进相关信息的方法和装置以及检测和量度这些信息的手段和设备具有不一样的特点。与传统化学推进的试验测量技术相比，电推进试验测量技术有诸多独有的特点［8，9］。
　　1.3.1试验真空环境
　　与化学推进装置可以在大气环境下点火工作不同，电推进装置通常都必须在真空环境下才能点火工作，特别是对于静电推进和电磁推进，由于装置本身就是一个电子离子器件，存在电子发射材料，注定其只能在真空下，甚至在很高真空度的环境下才能正常工作。当然，电推进装置在空间的应用环境通常也满足所要求的高真空条件，但在地面试验时，就需要人工制造高真空环境，以满足电推进试验的要求。
　　电推进试验真空设备与一般的真空设备存在较大的差别，主要表现在如下几方面：
　　（1）电推力器工作时不断有推进剂流入真空舱内，同时还要保证真空舱的真空度维持在规定的水平，有时甚至对有些气体的分压力还需要做具体规定。因此，真空抽气系统的能力要求要高，还要考虑真空泵的选择性抽气性能等。
　　（2）通常，为了实现清洁真空，电推进试验真空抽气采用低温泵。由于电推进排气多为高速等离子体，热流密度较高，势必带来低温泵制冷板的温升，长时间的积累效应可能导致低温泵抽气能力的失效，因此电推进真空系统要充分考虑高能等离子体羽流对低温泵的热影响。
　　（3）高能等离子体羽流对真空舱体的溅射效应以及返流也是电推进试验真空系统必须要面对的问题，溅射返流将导致试验羽流特性与实际羽流差异加大，试验结果偏离真实情况。因此，在真空舱结构尺寸的设计方面，必须根据电推进羽流特点进行相应的考虑。
　　（4）有些电推进试验还需要特别的真空系统，例如，电推进的辐射特性试验既对真空度有要求，还需要真空舱体对电磁波是透明的，这就需要建造透波材料真空舱。