本发明提出了一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置及校准方法，属于航天等离子体推进器领域。解决了现有等离子体推进器通道侵蚀速率难以进行在线校准的问题。在线校准装置包括光学探头、光谱仪和空心阴极，空心阴极包括导气管、发射体、顶孔板和通道管壁，发射体和顶孔板依次设置在导气管内部，导气管设置在通道管壁的内部，通道管壁的内壁面上设置有衬垫层，衬垫层的材料与推进器通道壁面的材料相同，空心阴极设置在空心阴极真空罐内，空心阴极与空心阴极供气单元和空心阴极电源相连，光学探头设置在空心阴极真空罐或推进器真空罐内，光学探头与光谱仪相连。它主要用于推进器通道侵蚀速率在线校准。
1.一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置，其特征在于：推进器（11）设置在推进器真空罐（18）内，所述推进器（11）与推进器电源（9）和推进器供气单元（10）相连，所述在线校准装置包括光学探头（12）、光谱仪（13）和空心阴极（15），所述空心阴极（15）包括导气管（2）、发射体（5）、顶孔板（7）和通道管壁（4），所述发射体（5）和顶孔板（7）依次设置在导气管（2）内部，所述导气管（2）设置在通道管壁（4）的内部，所述通道管壁（4）的内壁面上设置有衬垫层（8），所述衬垫层（8）的材料与推进器（11）通道壁面的材料相同，所述空心阴极（15）设置在空心阴极真空罐（17）内，所述空心阴极（15）与空心阴极供气单元（14）和空心阴极电源（16）相连，所述光学探头（12）设置在空心阴极真空罐（17）或推进器真空罐（18）内，所述光学探头（12）与光谱仪（13）相连。
2.根据权利要求1所述的一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置，其特征在于：所述导气管（2）外壁上设置有热子（6），所述热子（6）位于发射体（5）的外侧。
3.根据权利要求2所述的一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置，其特征在于：所述热子（6）为螺旋结构。
4.根据权利要求1所述的一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置，其特征在于：所述发射体（5）内侧设置有内电极（1）。
5.根据权利要求1所述的一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置，其特征在于：所述导气管（2）外侧设置有热屏筒（3）。
6.根据权利要求5所述的一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置，其特征在于：所述热屏筒（3）的材质为钽或钼。
7.根据权利要求1所述的一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置，其特征在于：所述通道管壁（4）的材质为六硼化镧。
8.根据权利要求1所述的一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置，其特征在于：所述衬垫层（8）的材质为氧化铝。
9.根据权利要求1所述的一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置，其特征在于：所述空‑3
心阴极真空罐（17）和推进器真空罐（18）内的气压为10 Pa及以下。
10.一种如权利要求1‑9任意一项所述的推进器通道侵蚀速率在线校准装置的校准方法，其特征在于：它包括以下步骤：步骤1：将在线校准装置送至实验室通过实验室标准等级的测量设备对在线校准装置进行校准，测量在不同气流和电压条件下的侵蚀速率，将在线校准装置带至测量现场；
步骤2：对空心阴极真空罐（17）抽气至设定气压以下，对空心阴极（15）进行点火，待空心阴极（15）运行稳定后，将光学探头（12）连接至空心阴极真空罐（17）中，启动光谱仪（13），使用光谱仪（13）测量空心阴极真空罐（17）中侵蚀产物的产物谱线强度，计算出空心阴极（15）壁面材料侵蚀速率，改变空心阴极供气单元（14）的气流流量和空心阴极电源（16）的电压，当侵蚀速率变化率在2%以下时，确定空心阴极（15）具有稳定的壁面材料侵蚀速率；
步骤3：将空心阴极（15）调节至待测推进器（11）所需的电压电流，使用光谱仪（13）测量此时的空心阴极（15）壁面材料侵蚀速率，与使用实验室标准等级的测量设备测量的侵蚀速率进行对比，实现对光谱仪（13）测量壁面材料侵蚀速率的溯源校准；
步骤4：对推进器真空罐（18）抽气至设定气压以下，对推进器（11）进行点火，待推进器（11）运行稳定后，将光学探头（12）连接至推进器真空罐（18）中，启动光谱仪（13），使用光谱仪（13）测量推进器真空罐（18）中侵蚀产物的产物谱线强度，计算出推进器（11）壁面材料侵蚀速率，通过空心阴极（15）壁面材料侵蚀速率的溯源校准结果，对当前工况下推进器（11）壁面材料侵蚀速率进行溯源校准，从而实现对推进器（11）通道侵蚀速率的光学监测在线校准。
一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置及校准方法
技术领域
[0001] 本发明属于航天等离子体推进器领域，特别是涉及一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置及校准方法。
背景技术
[0002] 等离子体推进器是一类具有广阔应用前景的电推进装置，它利用电能将推进剂电离成等离子体，并在通道内进行放电，过程中加速离子产生推力。此种推进器已在各类卫星上得到应用，相关的需求也与日俱增。随着飞行器向长寿命及高功率的不断发展，霍尔电推进器的使用寿命有着更高的要求，而限制其服役寿命的最主要因素之一就是离子流对通道材料的溅射侵蚀。由于工作时离子流的发散特性，通道内等离子体会与通道壁面发生碰撞，导致通道材料发生溅射侵蚀。这不仅会造成通道构件的质量损失，甚至可将通道材料完全侵蚀掉，导致推进器失效。因此，对等离子体推进器通道侵蚀速率的测量是分析等离子体推进器寿命重要条件之一。
[0003] 光谱法是目前测量分析离子体推进器通道侵蚀速率的重要手段之一。光谱诊断作为一种非接触式测试手段，可以避免对推力器放电过程造成干扰，不受高能粒子轰击及电磁场干扰，但因其发展时间比较短，目前测量结果缺乏校准，难以保证其通道侵蚀速率测量结果的准确性以及可溯源性。并且，受到测量现场条件和仪器精度的限制，等离子体推进器通道侵蚀速率难以进行在线校准。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明旨在提出一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置及校准方法，以解决现有等离子体推进器通道侵蚀速率难以进行在线校准的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置，推进器设置在推进器真空罐内，所述推进器与推进器电源和推进器供气单元相连，所述在线校准装置包括光学探头、光谱仪和空心阴极，所述空心阴极包括导气管、发射体、顶孔板和通道管壁，所述发射体和顶孔板依次设置在导气管内部，所述导气管设置在通道管壁的内部，所述通道管壁的内壁面上设置有衬垫层，所述衬垫层的材料与推进器通道壁面的材料相同，所述空心阴极设置在空心阴极真空罐内，所述空心阴极与空心阴极供气单元和空心阴极电源相连，所述光学探头设置在空心阴极真空罐或推进器真空罐内，所述光学探头与光谱仪相连。
[0006] 更进一步的，所述导气管外壁上设置有热子，所述热子位于发射体的外侧。
[0007] 更进一步的，所述热子为螺旋结构。
[0008] 更进一步的，所述发射体内侧设置有内电极。
[0009] 更进一步的，所述导气管外侧设置有热屏筒。
[0010] 更进一步的，所述热屏筒的材质为钽或钼。
[0011] 更进一步的，所述通道管壁的材质为六硼化镧。
[0012] 更进一步的，所述衬垫层的材质为氧化铝。
[0013] 更进一步的，所述空心阴极真空罐和推进器真空罐内的气压为10‑3Pa及以下。
[0014] 本发明还提供了一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置的校准方法，它包括以下步骤：
[0015] 步骤1：将在线校准装置送至实验室通过实验室标准等级的测量设备对在线校准装置进行校准，测量在不同气流和电压条件下的侵蚀速率，将在线校准装置带至测量现场；
[0016] 步骤2：对空心阴极真空罐抽气至设定气压以下，对空心阴极进行点火，待空心阴极运行稳定后，将光学探头连接至空心阴极真空罐中，启动光谱仪，使用光谱仪测量空心阴极真空罐中侵蚀产物的产物谱线强度，计算出空心阴极壁面材料侵蚀速率，改变空心阴极供气单元的气流流量和空心阴极电源的电压，当侵蚀速率变化率在2%以下时，确定空心阴极具有稳定的壁面材料侵蚀速率；
[0017] 步骤3：将空心阴极调节至待测推进器所需的电压电流，使用光谱仪测量此时的空心阴极壁面材料侵蚀速率，与使用实验室标准等级的测量设备测量的侵蚀速率进行对比，实现对光谱仪测量壁面材料侵蚀速率的溯源校准；
[0018] 步骤4：对推进器真空罐抽气至设定气压以下，对推进器进行点火，待推进器运行稳定后，将光学探头连接至推进器真空罐中，启动光谱仪，使用光谱仪测量推进器真空罐中侵蚀产物的产物谱线强度，计算出推进器壁面材料侵蚀速率，通过空心阴极壁面材料侵蚀速率的溯源校准结果，对当前工况下推进器壁面材料侵蚀速率进行溯源校准，从而实现对推进器通道侵蚀速率的光学监测在线校准。
[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过设计一个小型的空心阴极，将空心阴极的一部分替换为与离子体推进器通道壁面材料相同的材料，即在空心阴极的通道管壁上设置衬垫层，衬垫层材料与离子体推进器通道材料相同。因空心阴极放电比较稳定，对替换部分侵蚀速率比较稳定，其测量得到的产物密度相对较稳定。将该空心阴极置于真空罐中，给定一定电流与工质气流，待其工作状况稳定，使用光谱仪测量得到其侵蚀产物密度相对较稳定，因此可以用更高标准的质谱仪对该装置检测后对光谱仪进行校准后，可带到测量现场对等离子体推进器通道侵蚀速率进行在线校准。
[0020] 本发明能够实现对测量等离子体推进器通道侵蚀速率的光谱仪进行校准，使其测量结果能够溯源至国家标准，保证结果的准确性和可溯源性。并且能够实时分析出测量结果的误差与不确定度，实现对测量结果的实时修正。
附图说明
[0021] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0022] 图1为本发明所述的一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置的校准方法流程图；
[0023] 图2为本发明所述的空心阴极结构示意图；
[0024] 图3为本发明所述的一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置结构示意图。
[0025] 1‑内电极，2‑导气管，3‑热屏筒，4‑通道管壁，5‑发射体，6‑热子，7‑顶孔板，8‑衬垫层，9‑推进器电源，10‑推进器供气单元，11‑推进器，12‑光学探头，13‑光谱仪，14‑空心阴极供气单元，15‑空心阴极，16‑空心阴极电源，17‑空心阴极真空罐，18‑推进器真空罐。
具体实施方式
[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0027] 参见图2‑图3说明本实施方式，一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置，推进器11设置在推进器真空罐18内，所述推进器11与推进器电源9和推进器供气单元10相连，所述在线校准装置包括光学探头12、光谱仪13和空心阴极15，所述空心阴极15包括导气管2、发射体5、顶孔板7和通道管壁4，所述发射体5和顶孔板7依次设置在导气管2内部，所述导气管2设置在通道管壁4的内部，所述通道管壁4的内壁面上设置有衬垫层8，所述衬垫层8的材料与推进器11通道壁面的材料相同，所述空心阴极15设置在空心阴极真空罐17内，所述空心阴极15与空心阴极供气单元14和空心阴极电源16相连，所述光学探头12设置在空心阴极真空罐17或推进器真空罐18内，所述光学探头12与光谱仪13相连。
[0028] 图2为选用的稳定的壁面材料侵蚀速率的空心阴极15，导气管2用于向发射体5的内腔输送工质气体。空心阴极供气单元14为空心阴极15提供工质，空心阴极电源16为空心阴极15供电，发射体5发射电子。在空心阴极15的通道管壁4内壁面上设置有衬垫层8，衬垫层8的材料与推进器11通道壁面的材料相同，本实施例中衬垫层8和推进器11通道壁面的材料为氧化铝，当空心阴极15运行时等离子体轰击到衬垫层8时会对其产生侵蚀，产生侵蚀产物。
[0029] 如图3所示，推进器11设置在推进器真空罐18内，推进器电源9为推进器11供电，供‑气单元10为推进器11提供工质，所述空心阴极真空罐17和推进器真空罐18内的气压为10
3
Pa及以下。光学探头12可以收集推进器真空罐18中的光学信号，并可将光学探头12切换到空心阴极真空罐17中收集光学信号。光谱仪13可通过光学探头12测量出空心阴极真空罐17和推进器真空罐18中氧化铝的谱线强度，进而可根据该谱线强度计算出空心阴极真空罐17和推进器真空罐18中的侵蚀产物密度，得到壁面材料侵蚀速率。
[0030] 所述导气管2外壁上设置有热子6，所述热子6位于发射体5的外侧，所述热子6为螺旋结构，缠绕在发射体5的外侧，用于加热发射体5使其达到工作温度，使得空心阴极15可在较低电压下可靠点火。
[0031] 所述发射体5内侧设置有内电极1，内电极1用以增强发射体5表面的电场强度，加速发射体5发射电子，从而有效降低发射体5的点火时间。
[0032] 所述导气管2外侧设置有热屏筒3，热屏筒3主要作用是减少发射体5区域以热辐射形式损失的热量，使发射体5的温度迅速升高，实现快速启动，提高能量利用率。所述热屏筒3可采用钽或钼等金属制作。
[0033] 所述通道管壁4的材质为六硼化镧，其特点是逸出功比较小，当阴极运行时对其因侵蚀产生的侵蚀产物很少。
[0034] 本实施例为一种推进器通道侵蚀速率在线校准装置的校准方法，如图1所示，该校准方法通过基于能量饱和效应的等离子体密度光学测试校准装置对其进行等离子体密度测量校准。具体包括以下步骤：
[0035] 步骤1：将稳定的壁面材料侵蚀速率的空心阴极15位于空心阴极真空罐17中，因此可将空心阴极15及空心阴极真空罐17送至实验室通过更高精度的实验室标准等级的测量设备对该装置进行校准，测量其不同气流电压条件下的侵蚀速率。校准后，便可以将该具有稳定的壁面材料侵蚀速率的空心阴极15带到测量现场对测量等侵蚀产物速率进行校准，实现等离子体推进器通道侵蚀速率的光学监测在线校准；
[0036] 步骤2：对空心阴极真空罐17抽气至气压降低到10‑3Pa以下，启动空心阴极供气单元14给与空心阴极15一定的气流流量的工质气体，同时启动空心阴极电源16给与空心阴极15一定电压，对空心阴极15进行点火，待空心阴极15运行稳定后，将光学探头12连接至空心阴极真空罐17中，启动光谱仪13，使用光谱仪13测量空心阴极真空罐17中侵蚀产物的产物谱线强度，计算出空心阴极15壁面材料侵蚀速率，改变空心阴极供气单元14的气流流量和空心阴极电源16的电压，当侵蚀速率变化率在2%以下时，确定空心阴极15具有稳定的壁面材料侵蚀速率；
[0037] 步骤3：将空心阴极15调节至待测推进器11所需的电压电流，使用光谱仪13测量此时的空心阴极15壁面材料侵蚀速率，与预先使用高精度实验室标准等级的测量设备测量的侵蚀速率进行对比，实现对光谱仪13测量壁面材料侵蚀速率的溯源校准；
[0038] 步骤4：对推进器真空罐18抽气至气压降低到10‑3Pa以下，启动推进器供气单元10给与推进器11一定的气流流量的工质气体，同时启动推进器电源9给与推进器11一定电压，对推进器11进行点火，待推进器11运行稳定后，将光学探头12连接至推进器真空罐18中，启动光谱仪13，使用光谱仪13测量推进器真空罐18中侵蚀产物的产物谱线强度，计算出推进器11壁面材料侵蚀速率，由此前测量空心阴极15壁面材料侵蚀速率的光谱仪溯源校准结果，便可对当前工况下推进器11壁面材料侵蚀速率进行溯源校准，从而实现对等离子体推进器11通道侵蚀速率的光学监测在线校准。
[0039] 本实施例将空心阴极15的一部分替换为与离子体推进器11通道壁面材料相同的材料，即在空心阴极15的通道管壁4上设置衬垫层8，衬垫层8材料与离子体推进器通道材料相同。因空心阴极15放电比较稳定，对替换部分侵蚀速率比较稳定，其测量得到的产物密度相对较稳定。将该空心阴极15置于真空罐中，给定一定电流与工质气流，待其工作状况稳定，使用光谱仪13测量得到其侵蚀产物密度相对较稳定，因此可以用更高标准的质谱仪对该装置检测后对光谱仪13进行校准后，可带到测量现场对等离子体推进器11通道侵蚀速率进行在线校准。
[0040] 本实施例能够实现对测量等离子体推进器通道侵蚀速率的光谱仪13进行校准，使其测量结果能够溯源至国家标准，保证结果的准确性和可溯源性。并且能够实时分析出测量结果的误差与不确定度，实现对测量结果的实时修正。
[0041] 以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
