CN106231769B - 一种用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置，包括导轨、密封片组和探针套筒。导轨具有两个挡块，用来约束密封片组。密封片组共有6个宽度相同，长度依次增加的密封片，且在最短的密封片中间开圆形的槽，其余每个密封片中间都开了宽度相等、长度依次增加的圆角矩形孔。通过探针套筒与密封片组的配合，实现探针套筒沿放电室轴向的移动和对放电室壁面的密封。在进行放电室等离子体分布诊断实验时，利用本发明，在不关发动机和真空***的情况下，就可以完成探针在放电室内轴向和径向测点的连续调整，且同时实现对放电室壁面的密封。
Description
技术领域
本发明属于离子推力器放电室内等离子体分布诊断技术领域，涉及一种用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置，可以实现探针的安装、密封以及轴向、径向位置的连续调整。
背景技术
离子推力器是电推力器的一种，它的比冲高，能大量节省推进剂，提高航天器的有效载荷。此外，离子推力器还具有工作时间长、安全环保的特点。目前其在航天器南北位置保持、轨道控制和深空探测上有广泛的应用。离子推力器利用放电室内的推进剂电离产生离子，在静电场的作用下加速喷出，产生推力。根据推进剂电离方式的不同，可以将离子推力器分为电子轰击式离子推力器、射频离子推力器和微波离子推力器。
推力器稳态工作下，放电室内等离子体的分布情况反应了推进剂中性原子的电离率和磁场对等离子体的约束情况，影响着推力器的性能。因此，等离子体参数的诊断有重要的意义。其诊断方法可分为两大类：接触式诊断和非接触式诊断。接触式诊断包括朗缪尔静电探针诊断、法拉第探针诊断等；非接触式诊断主要为各种光学诊断方法，例如LIF(激光诱导荧光)技术等。国外开展相关的实验研究工作比较早，如Sengupta等人为了研究不同的磁路结构对于推力器的性能的影响，在NSTAR样机上开展的一系列的实验诊断工作；Herman等人针对NEXT型的离子推力器开展了离子推力器放电室等离子电势发射探针诊断工作。国内的离子推力器放电室等离子体诊断工作还处于起步阶段。
对接触式诊断法而言，如果想用探针得到推力器放电室中等离子体密度的分布情况，就需要有位移***来实现不同位置的诊断。在以前的研究中，往往根据诊断的范围，在推力器放电室壁面上开若干个小孔来实现探针轴向测点位置的变化。实验过程中会封住非探针位置的小孔。这种方法有两个明显的弊端:一是必须关闭推力器和真空***才能进行轴向测点的调整，不但浪费时间，而且很难使推力器工作在相同的工况下；二是轴向测点的位置受小孔的限制，测点间的距离较大，影响诊断结果的精确度。
发明内容
本发明根据离子推力器的结构和放电室内等离子体分布诊断的要求，设计了一种用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置。
本发明用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置，包括导轨、密封片组和探针套筒。
所述导轨为安装在底座上的两个挡块；通过底座固定安装于放电室侧壁上；底座与放电室侧壁上开有相通的矩形孔。上述两个挡块间设置密封片组。
所述密封片组为至少两个层叠设置的密封片。各密封片宽度相同，且由上至下长度增长；长度最长的密封片与底座贴合设置；长度最短的密封片上开有圆孔，其余由上至下密封片上开有宽度相同，长度等距离增长的矩形滑孔，圆孔的直径小于矩形滑孔的宽度。
探针通过探针套筒安装于长度最短的密封片上圆孔，且依次穿过其余密封片上的矩形滑孔后，使探针的探测端位于放电室内部。
上述密封片以及底座上的开孔分别与密封片和底座同一侧的短边距离均大于相邻密封片上开孔间的长度差。
本发明的优点在于：
1、本发明用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置，在进行放电室等离子体分布诊断实验时，在不关发动机和真空***的情况下，也可以同时完成探针轴向和径向测点的调整，不但操作简单、节省时间，而且保证推力器工作在同一工况下，使诊断结果更加准确。
2、本发明用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置，可以减小轴向相邻测点之间的距离，提高诊断结果的精确度。
3、通过本发明用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置，在放电室壁面开槽后，可以对放电室实现良好的密封。
附图说明
图1为本发明用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置整体结构示意图；
图2为放电室外壁的示意图；
图3为本发明用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置中导轨结构示意图；
图4为本发明用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置中密封片组结构示意图；
图5为本发明用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置中为探针套筒结构示意图；
图6为本发明用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置整体结构剖视示意图。
图中：
1-导轨 2-密封片组 3-探针套筒
4-放电室 5-探针 101-底座
102-挡块 103-定位凸台 104-圆角矩形限位孔
105-矩形孔 201-圆孔 202-圆角矩形滑孔
301-外套筒 302-内套筒 303-端盖
304-密封片
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置，具体包括导轨1、密封片组2和探针套筒3，如图1所示。
所述导轨1由底座101与条形挡块102组成，如图2所示。其中，底座101正面左右两侧安装有相互平行的两个条形挡块102，两个条形挡块102相对侧面顶端设计有定位凸台103；本实施例中设计两个条形挡块102间距为14mm，凸台103与底座102间距离为7mm。底座102背面设计弧面，弧度与放电室4壁面弧度相同，由此保证底座101与放电室4安装时，底座101背面紧贴放电室4外壁，保证了底座101与放电室4间的密封效果；且为了提高精度，在加工底座102背面的弧面时，使用加工中心加工工艺。上述底座102上，位于两个条形挡块102之间位置还开有圆角矩形限位孔104，同时在放电室4壁面上开有矩形孔105，如图3所示，且圆角矩形限位孔104的长度应等于矩形孔105的长度，矩形孔105的宽度应小于底座101的宽度且不小于圆角矩形限位孔104的宽度。本实施例中设计圆角矩形限位孔104宽为7.4mm、长为25mm，矩形孔105宽为10mm、长为25mm。上述结构的导轨1的底座101背面的弧面与放电室4外壁面的弧面配合紧密相贴，使圆角矩形限位孔104在竖直平面上的投影位于矩形孔105在同一竖直平面上的投影内；并通过螺栓由两个条形挡块102顶面依次穿过条形挡块102与底座101后，固定于放电室4外壁面上，实现导轨1与放电室4间的固定安装。
所述密封片组2由6片密封片构成，宽度相同，长度不同。令6片密封片分别为密封片A～F；密封片A～F由上至下层叠设置，且长度依次增长等长度，如图4所示。密封片组2安装于导轨中两个条形挡块102之间，其中长度最长的密封片F与底座101贴合，长度最短的密封片A则位于最外侧，由此密封片组2与导轨1间构成滑动运动副，各个密封片与导轨1的平面加工粗糙度均为Ra3.2。密封片A～F的宽度均与导轨中两个条形挡块102间距相同，以保证密封片A～F的边缘均与两个条形挡块102相切，且两个条形挡块102上的凸台与底座101间距与密封片A～F层叠后的总厚度相等，使凸台103实现对密封片组2的定位。上述密封片A～F中，长度最短的密封片A用来安装探针，因此设计密封片B～F的厚度相等，但均小于密封片A的厚度。上述密封片A上开有圆孔201，其余密封片B～F上开有宽度相等、长度不等的圆角矩形滑孔202；其中，密封片B～F上的圆角矩形滑孔202宽度大于密封片A上的圆孔201直径；密封片B～F上的圆角矩形滑孔202长度依次等长度增长。密封片A～F层叠设置后，需保证密封片A上圆孔201的中心位于密封片B～F上圆角矩形滑孔202的短边中心线上，且密封片A～F以及底座101上的开孔分别与密封片A～F和底座101同一侧的短边距离相等，且均等于相邻密封片上开孔间的长度差。上述的数量不限于6个，密封片的数量由密封片的长度和槽的长度决定，但需满足：在各密封片滑动过程中，上一层较短的密封片边缘部分可以对下一层的密封片的开孔部分进行遮盖密封。且若要保证密封片的边缘不超过底座，密封片的个数至少为2个。
本实施例中，密封片A～F的长度依次为13mm、16mm、19mm、22mm、25mm、28mm。密封片A厚度为2mm；密封片B～F厚度均为1mm。密封片A上的密封片上圆孔直径为7mm。密封片B～F上的圆角矩形滑孔宽度为7.4mm，长度依次为10mm、13mm、16mm、19mm和22mm；且密封片A～F以及底座上的开孔分别与密封片A～F和底座101同一侧的短边距离相等，均为3mm。
上述导轨1与密封片组2均采用304奥氏体不锈钢，取用这种材料的原因一是304奥氏体不锈钢不导磁，不会对放电室4内的磁场分布产生干扰，而引起等离子体分布的变化；二是在放电室4的工作温度下，它的物理和化学特性都很稳定；三是它的价格相对便宜，而且易于加工。
所述探针5通过探针套筒3安装于密封片A上，且通过探针套筒3还实现探针5与密封片组2间密封。探针套筒3包括外套筒301、内套筒302、端盖303和两个柔性石墨密封片304，如图5所示。其中，外套筒301具有大直径段与小直径段，通过小直径段套在探针5上。内套筒302套在探针5上，位于外套筒301的大直径段内部，轴向上通过外套筒301内大直径段与小直径段相接位置台肩配合定位。端盖303套在探针5上，端面上设计有环形凸台，***外套筒301大直径段内；端盖303与外套筒302通过螺钉拧紧固定，使环形凸台顶紧内套筒302，实现内套筒302的轴向固定。上述内套筒302与外套筒301内大直径段与小直径段相接位置台肩之间，以及内套筒302与端盖303上环形凸台端面间设置有柔性石墨密封片304，保证探针套筒3的密封效果，并可以减小探针5沿径向移动时摩擦副的阻碍；且柔性石墨密封片304在受热后会膨胀，可以更好的对外套筒301、内套筒302与端盖303三者连接后的接缝进行填充。上述外套筒301***密封片A的圆孔201，通过过盈配合与密封片A的圆孔201连接，外套筒301还依次穿过密封片B～F上的圆角矩形滑孔202，但并不会越过放电室4壁面，进入放电室4的范围，如图6所示。实验时，上述探针5的探测端位于放电室4内部，探针5与内套筒302和外套筒301小直径段间均采用间隙配合连接，保证探针5可以进行径向测点的调整。由于探针套筒3仍将承受较高的温度，而且需要保证其不能对放电室内等离子体的分布产生干扰，因而确定外套筒301、内套筒302、端盖303的材料都使用氧化铝(Al2O3)陶瓷。
通过上述结构，在诊断放电室的等离子体的分布时，当调整探针5的径向测点时，密封片组2与探针套筒3不动，仅通过外部的位移机构直接调整探针5的径向位置即可。当调整探针5的轴向测点时，由于密封片A与探针套筒3之间通过过盈配合连接，因此密封片A始终随探针套筒3一起移动。当探针套筒3移动到与密封片B上圆角矩形滑孔202短边接触时，继续移动探针套筒3，密封片B也随之一起运动。此时，通过密封片A上未开孔部分可以对密封片B上圆角矩形滑孔202内除探针套筒3填充部分外的其余部分进行密封；密封片C～F的运动情况以此类推，即当探针套筒3不与密封片上的圆角矩形滑孔202短边接触时，密封片保持不动；当与密封片上的圆角矩形滑孔202短边接触时，密封片才随探针套筒3一起移动；且上述过程中，位于外层的密封片上为开孔部分可始终对相邻内层密封片上的开孔部分进行遮盖密封。当探针套筒3移动到与底座101上矩形通孔104的短边接触时，达到最大行程。因此通过整个密封片组2的配合，就能实现对探针套筒3内探针5位置的调整，同时调整过程中可保证底座201上的矩形通孔104始终保持密封。在诊断放电室的等离子体的分布前，需在各个密封片表面适当涂抹耐高温的润滑油，保证各个密封片不会因为相互之间的摩擦产生滑动。
由此，通过本发明装置，在利用静电探针对放电室内的等离子体进行诊断时，利用导轨1约束密封片组2，使探针套筒3和探针5只能随密封片组沿轴向滑动，来测量放电室内不同位置的等离子体分布参数，且通过密封片组，使得在探针滑动时保证放电室的密封。
Claims (4)
1.一种用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置，其特征在于：包括导轨、密封片组和探针套筒；
所述导轨为安装在底座上的两个挡块；通过底座固定安装于放电室侧壁上；底座与放电室侧壁上开有相通的孔；上述两个挡块间设置密封片组；底座与放电室侧壁紧密贴合固定；
底座上的圆角矩形孔长宽尺寸不大于放电室壁面上的矩形孔，使底座上的矩形孔在竖直平面上的投影位于放电室壁面上的矩形孔在同一竖直平面上的投影内；
所述密封片组为至少两个层叠设置的密封片；各密封片宽度相同，且由上至下长度增长；长度最长的密封片与底座贴合设置；长度最短的密封片上开有圆孔，其余由上至下密封片上开有宽度相同，长度等距离增长的矩形滑孔；圆孔的直径小于矩形滑孔的宽度；
探针通过探针套筒安装于长度最短的密封片上圆孔，且依次穿过其余密封片上的矩形滑孔后，使探针的探测端位于放电室内部；
矩形滑孔宽度大于圆孔直径；
探针套筒包括外套筒、内套筒、端盖和密封片；其中，外套筒具有大直径段与小直径段，通过小直径段套在探针上；内套筒套在探针上，位于外套筒的大直径段内部，轴向上通过外套筒内大直径段与小直径段相接位置台肩配合定位；端盖套在探针上，端面上设计有环形凸台，***外套筒大直径段内；端盖与外套筒通过螺钉拧紧固定，使环形凸台顶紧内套筒，实现内套筒的轴向固定；上述内套筒与外套筒内大直径段与小直径段相接位置台肩之间，以及内套筒与端盖上环形凸台端面间设置有密封片；探针与内套筒和外套筒小直径段间均采用间隙配合连接；
上述密封片以及底座上孔的边缘与同一侧短边的距离均相等，且等于相邻密封片上孔之间的长度差；
6个密封片的宽度均与导轨中两挡块间距相同，保证6个密封片的边缘均与两挡块相切。
2.如权利要求1所述一种用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置，其特征在于：导轨与密封片组采用304奥氏体不锈钢。
3.如权利要求1所述一种用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置，其特征在于：密封片为柔性石墨材料。
4.如权利要求1所述一种用于调节离子推力器放电室等离子体诊断探针测点的装置，其特征在于：外套筒、内套筒、端盖的材料使用氧化铝陶瓷。
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