CN108387260A - 一种电推进羽流试验评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电推进羽流试验评估方法，包括：对主束流羽流区域和返流羽流区域的离子束流密度、电子浓度和空间等离子电势进行测量，得到羽流对卫星太阳翼的力效应和热辐射效应评估结果；对太阳电池阵表面不同材料在羽流等离子体环境中的充电电压和泄露电流，以及太阳电池阵在羽流等离子体环境中的表面电位进行测量，得到羽流对卫星太阳翼及星本体表面的充放电效应评估结果；对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备测试样品的等离子羽流污染量进行测量，得到羽流对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备的沉积污染效应评估结果。通过本发明实现了羽流对卫星表面的污染、离子溅射腐蚀、羽流对卫星表面电位的影响的测试分析和研究。

Description

一种电推进羽流试验评估方法

技术领域

本发明属于电推进系统技术领域，尤其涉及一种电推进羽流试验评估方法。

背景技术

电推进羽流是指电推力器工作时，其喷流向外部真空环境膨胀形成的羽毛状流场。离子推力器羽流的成份是推进剂电离产生的离子、电子、未电离中性粒子、电荷交换离子及溅射污染物等，离开推力器后在真空环境下运动膨胀且运动速度较高，电磁场强烈耦合。可以将电推力器产生的等离子体分为两部分，一部分是从推力器直接喷射出来的束流等离子体，束流离子能量高，由于受电磁场影响很小，运动轨迹几乎为直线。束流离子主要分布在半角为15°～60°的圆锥面内。另一部分就是由交换电荷离子和电子组成的，会返回至卫星表面的交换电荷等离子体。交换电荷离子的能量较低(通常低于20eV)，在卫星周围电场的作用下，逆向运动，形成返流离子，对卫星表面造成污染。

束流高能离子碰撞于航天器太阳翼表面会产生干扰力或力矩，影响航天器的姿态运动和控制，严重情况下会造成航天器失控，无法正常工作。另外，束流等离子体沿轴向非对称扩展膨胀、不稳定以及束流等离子体与地磁场相互作用都会造成推力大小和方向的变化，从而产生干扰力或力矩。离子推力器羽流热效应主要是指束流高能离子与航天器表面碰撞产生的热量交换，从而导致航天器表面的相关特性发生改变。

高能束流离子和电荷交换离子碰撞于航天器表面，只要离子能量大于被碰撞材料的溅射阈值，就会产生溅射腐蚀效应。对有些执行南北位保任务的电推进卫星，束流高能离子可能直接扫过太阳电池阵，产生比较严重的溅射腐蚀，造成电池阵性能下降或失效。电荷交换离子对航天器表面的溅射腐蚀相对较弱，但如果与局部强电场分布相耦合，其时间积累效应也不容忽视。离子推力器产生的沉积污染来自两个方面：一是推力器的放电室、栅极等材料受到离子溅射腐蚀，流出推力器的溅射剥离物以离子、原子等形式沉积在航天器表面形成污染；二是受到离子溅射腐蚀的航天器表面剥离物产生的一次或多次污染。航天器表面污染影响涉及范围包括太阳电池阵、热控表面、光学传感器等，表面污染还加剧航天器表面不等量带电。离子推力器产生的沉积污染速率虽然很小，但由于工作时间较长，长时间的积累效果也会对热控材料的光热特性、太阳电池玻璃盖片的太阳光学特性产生较大影响。另外，电推进工作期间的羽流对星敏感器视场的干扰影响主要是会导致敏感器测试精度下降，信噪比增大，对星数识别能力下降。

可见，电推进应用羽流问题可以归结为以下几个方面：

(1)羽流与太阳翼等的相互作用对航天器的力学及热影响；

(2)羽流在航天器表面的电荷沉积会改变航天器的静电环境，可能会产生充电和放电效应；

(3)羽流对卫星敏感部件的光干扰影响；

(4)羽流对推力器结构件及航天器其它部件的溅射腐蚀；

(5)羽流溅射产生的粒子再沉积后对航天器敏感表面的污染；

(6)推力器的电流波动会引起各种高频等离子体振荡，对航天器无线电通讯造成干扰。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种电推进羽流试验评估方法，实现了羽流对卫星表面的污染、离子溅射腐蚀、羽流对卫星表面电位的影响的测试分析和研究，以评估电推进应用于卫星平台的合理性。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种电推进羽流试验评估方法，包括：

步骤1，对主束流羽流区域和返流羽流区域的离子束流密度、电子浓度和空间等离子电势进行测量，得到羽流对卫星太阳翼的力效应和热辐射效应评估结果；

步骤2，对太阳电池阵表面不同材料在羽流等离子体环境中的充电电压和泄露电流，以及太阳电池阵在羽流等离子体环境中的表面电位进行测量，得到羽流对卫星太阳翼及星本体表面的充放电效应评估结果；

步骤3，对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备测试样品的等离子羽流污染量进行测量，得到羽流对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备的沉积污染效应评估结果。

在上述电推进羽流试验评估方法中，还包括：

通过法拉第诊断探针，测量得到主束流羽流区域和返流羽流区域的离子束流密度；

通过朗缪尔诊断探针，测量得到主束流羽流区域和返流羽流区域的空间等离子电势。

在上述电推进羽流试验评估方法中，对主束流羽流区域和返流羽流区域的离子束流密度、电子浓度和空间等离子电势进行测量，得到羽流对卫星太阳翼的力效应和热辐射效应评估结果，包括：

根据公式(1.1)，计算得到电子温度T_e：

其中，e表示电子的电荷量，V表示探针电位，V_sp表示空间等离子电势，I表示探针电流，I_e0表示空间电位对应的采集电流；

根据公式(1.2)，计算得到电子浓度n_e：

其中，A表示探针表面积，k表示波尔兹曼常数；

根据公式(1.3)，计算得到粒子速度v_i：

其中，j表示离子束流密度，n_i表示粒子数密度；

根据公式(1.4)，计算得到粒子在边界面积S上的单位时间能量通量

其中，V表示目标表面的体积，ε_i表示单个粒子能量，表示垂直于边界面S的法向速度，m_i表示第i种粒子的质量；

根据公式(1.5)，计算得到单一粒子的能量流量密度

根据公式(1.6)，计算得到全部粒子的总能量流量密度：

其中，N表示实际粒子总数，n表示网格粒子数。

根据公式(1.7)，计算得到力效应F：

其中，m表示粒子质量。

在上述电推进羽流试验评估方法中，对太阳电池阵表面不同材料在羽流等离子体环境中的充电电压和泄露电流，以及太阳电池阵在羽流等离子体环境中的表面电位进行测量，得到羽流对卫星太阳翼及星本体表面的充放电效应评估结果，包括：

将模拟太阳电池试件安装在设定的羽流试验区域；

对模拟太阳电池试件进行试验前的电性能测试，记录测试结果；

将非接触式表面电位计探头与模拟太阳电池试件的表面材料相连接，并通过线缆穿舱至真空舱外部与采集设备相连；其中，非接触式表面电位计探头，用于对模拟太阳电池试件的表面电位进行测试；

抽真空使真空度优于5.0×10^-3Pa，电推进工作并形成稳定的羽流等离子体环境；

将模拟电源设定在恒压状态，限制电流设定为4.0A；打开非接触式表面电位计，监测试验样品表面电位，并实时记录数据和曲线；

调节模拟电源的串间工作电压，并通过电流表监测回路内电流，实时记录数据和曲线；其中，串间工作电压的初始调节电压为50V、最大调节电压为200V，调节策略为每隔10min串间工作电压增加10V；

重复两次测量后，关闭非接触式表面电位计，关闭模拟电源，电推进停止工作；

对模拟太阳电池试件输出电流和电位计电压的监测结果进行判读；其中，若测量结果未超出恒定状态值1％的电流波动，则确定未发生电流泄漏现象；

在试验结束后，对模拟太阳电池试件进行电性能复测，并与试验前的电性能测试结果对比，若输出电流性能下降幅度超过1％，则确定等离子羽流对太阳电池试件性能存在影响。

在上述电推进羽流试验评估方法中，还包括：

在推力器后端布置测试样品以及石英晶体微量天平；其中，测试样品，包括：太阳电池玻璃盖片试件、光学太阳反射镜片试件和太阳翼银互联片；

在推力器上侧侧板和下侧侧板上布置测试样品以及石英晶体微量天平，其中，石英晶体微量天平的收集面法线保持与推力器轴向和出口面交叉点重合，测点布置角度在推力器主束流区外依次按先密后疏的方式布置，测点到推力器出口面的距离不低于1.2m，推力器轴向为零度，测量角度不低于110°；

在推力器远端应布置防溅射分子沉，其中，防溅射分子沉，用于吸收高能粒子，防止高速粒子冲刷真空舱底部溅射出粒子污染测试对象；

在英晶体微量天平外表面应包覆防护套，以防止真空舱本体污染对测试误差的影响。

在上述电推进羽流试验评估方法中，对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备测试样品的等离子羽流污染量进行测量，得到流对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备的沉积污染效应评估结果，包括：

根据公式(2.1)，计算得到石英晶体微量天平的谐振频率变化Δf：

其中，f₀表示石英晶体微量天平的基频，表示石英压电强化剪切模量，ρ_q表示石英密度，A表示探头电极面积，Δm表示污染质量刻蚀的质量，S_f表示表示传感器的灵敏度；

根据石英晶体微量天平的谐振频率变化，确定石英晶体微量天平上的物质的污染质量，以及能量离子刻蚀表面损失的质量。

本发明具有以下优点：

本发明公开了一种电推进羽流试验评估方法，可实现对羽流与太阳翼等的相互作用对航天器的力学及热影响、羽流在航天器表面的电荷沉积对航天器的静电环境的影响、羽流对卫星敏感部件的光干扰影响、羽流对推力器结构件及航天器其它部件的溅射腐蚀影响、羽流溅射产生的粒子再沉积后对航天器敏感表面的污染的影响、以及推力器的电流波动引起的各种高频等离子体振荡对航天器无线电通讯造成的干扰影响的合理验证，可评估电推进应用于卫星平台的合理性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种电推进羽流试验评估方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中一种电推进羽流试验评估方法的总体规划示意图；

图3是本发明实施例中一种基于三维移动机构的电推进羽流等离子诊断测试示意图；

图4是本发明实施例中一种法拉第探针的测试系统测试方法示意图；

图5是本发明实施例中一种朗缪尔诊断探针的测量原理示意图；

图6是本发明实施例中一种朗缪尔诊断探针测量的I-V曲线图；

图7是本发明实施例中一种太阳电池样品的充放电试验电路连接示意图；

图8是本发明实施例中一种石英晶体微量天平测试电推进羽流溅射及污染示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

由于在国内电推进技术尚未开始空间使用，因此，国内在羽流方面的研究还很欠缺，处于起步阶段。目前国内开展的一些羽流数值模拟和试验方面的研究，仅是对近场羽流的分析研究，其分析结果主要是对推力器本身的设计和优化起指导作用，尤其是研究离子引出系统的腐蚀机理及寿命。而要实现电推进在航天器上应用，就必须试验研究推力器羽流的远场(距推力器出口2.6～6m)特性以及返流区特性，与星体相互影响特性等。虽然国外的研究结果可以提供一定的参考价值，但是对于国内电推进的星上应用，有其自身的特殊性，必须自行开展这方面的研究。对于远场羽流特性、羽流对航天器造成的影响以及如何防护等问题的研究日前国内还未开展相应试验设计及验证。

目前，很多机构都在开展远场羽流的数值模拟研究，数值模拟分析需要实验数据的支持和验证，而对于羽流影响特性系统的实验研究，目前在国内还是一项空白。本发明公开了一种电推进羽流试验评估方法，可实现对主束流羽流区域的离子束发散角测量、离子束流密度的测量、等离子体电势的测量以及返流羽流区域的离子束流密度的测量和等离子体电势的测量等，上述测量结果可作为电推进羽流综合影响效应的评估基础。可见，本发明进行的各项羽流影响特性试验，填补了国内空白，为电推进技术的应用打下坚实基础。

参照图1，示出了本发明实施例中一种电推进羽流试验评估方法的步骤流程图。参照图2，示出了本发明实施例中一种电推进羽流试验评估方法的总体规划示意图。在本实施例中，所述电推进羽流试验评估方法，包括：

步骤101，对主束流羽流区域和返流羽流区域的离子束流密度、电子浓度和空间等离子电势进行测量，得到羽流对卫星太阳翼的力效应和热辐射效应评估结果。

在本实施例中，可以通过法拉第诊断探针(Faraday)，测量得到主束流羽流区域和返流羽流区域的离子束流密度；通过朗缪尔诊断探针(Langmuir)，测量得到主束流羽流区域和返流羽流区域的空间等离子电势。

在本实施例中，在获取羽流等离子的离子束流密度以及空间等离子电势分布规律后，可开展对粒子浓度的计算以及对目标对象的粒子参数统计，统计等离子体在空间电势影响下碰撞目标对象表面的能量和动量损失上限，进而估算目标对象所受力效应。优选的，步骤101具体实现流程可以如下：

子步骤1011，根据公式(1.1)，计算得到电子温度T_e，单位为电子伏：

其中，e表示电子的电荷量(单位：库仑)，V表示探针电位(单位：伏特)，V_sp表示空间等离子电势(单位：伏特)，I表示探针电流(单位：毫安)，I_e0表示空间电位对应的采集电流(单位：毫安)。

子步骤1012，根据公式(1.2)，计算得到电子浓度n_e(单位为：个数每立方厘米)：

其中，A表示探针表面积(单位：平方厘米)，k表示波尔兹曼常数。

子步骤1013，根据公式(1.3)，计算得到粒子速度v_i：

其中，j表示离子束流密度，n_i表示粒子数密度。

子步骤1014，根据公式(1.4)，计算得到粒子在边界面积S上的单位时间能量通量

在本实施例中，假设在贴近目标表面的体积为V，边界面积为S的网格里，某单个粒子能量为ε_i，粒子速度为v_i，垂直于边界面S的法向速度为则此一粒子在边界表面S上带来的单位时间能量通量为：

其中，V表示目标表面的体积，ε_i表示单个粒子能量，表示垂直于边界面S的法向速度，m_i表示第i种粒子的质量。

子步骤1015，根据公式(1.5)，计算得到单一粒子的能量流量密度

子步骤1016，根据公式(1.6)，计算得到全部粒子的总能量流量密度：

其中，N表示实际粒子总数，n表示网格粒子数。

子步骤1017，根据公式(1.7)，计算得到力效应F。

在本实施例中，假设在每个网格中粒子速度相对一致，则公式(1.5)可以等价为：则假设在贴近目标表面的体积为V，边界面积为S的网格里，由动能定理可得力效应F：

其中，m表示粒子质量。

步骤102，对太阳电池阵表面不同材料在羽流等离子体环境中的充电电压和泄露电流，以及太阳电池阵在羽流等离子体环境中的表面电位进行测量，得到羽流对卫星太阳翼及星本体表面的充放电效应评估结果。

在本实施例中，步骤102具体实现流程可以如下：

子步骤1021，将模拟太阳电池试件安装在设定的羽流试验区域。

子步骤1022，对模拟太阳电池试件进行试验前的电性能测试，记录测试结果。

子步骤1023，将非接触式表面电位计探头与模拟太阳电池试件的表面材料相连接，并通过线缆穿舱至真空舱外部与采集设备相连；其中，非接触式表面电位计探头，用于对模拟太阳电池试件的表面电位进行测试。

子步骤1024，抽真空使真空度优于5.0×10^-3Pa，电推进工作并形成稳定的羽流等离子体环境。

子步骤1025，将模拟电源设定在恒压状态，限制电流设定为4.0A。打开非接触式表面电位计，监测试验样品表面电位，并实时记录数据和曲线。

子步骤1026，调节模拟电源的串间工作电压，并通过电流表监测回路内电流，实时记录数据和曲线；其中，串间工作电压的初始调节电压为50V、最大调节电压为200V，调节策略为每隔10min串间工作电压增加10V。

子步骤1027，重复两次测量后，关闭非接触式表面电位计，关闭模拟电源，电推进停止工作。

子步骤1028，对模拟太阳电池试件输出电流和电位计电压的监测结果进行判读；其中，若测量结果未超出恒定状态值1％的电流波动，则确定未发生电流泄漏现象。

子步骤1029，在试验结束后，对模拟太阳电池试件进行电性能复测，并与试验前的电性能测试结果对比，若输出电流性能下降幅度超过1％，则确定等离子羽流对太阳电池试件性能存在影响。

在本发明的一优选实施例中，参照图3，示出了本发明实施例中一种基于三维移动机构的电推进羽流等离子诊断测试示意图。在本实施例中，测试系统主要包括多个诊断探针组件、三维移动机构、测试供电设备、处理设备、显示设备以及数据存储设备等。诊断探针组件布置区域依据束流区和返流区进行布置，多测点位置覆盖的实现方法是将探针诊断组件安装固定在三维移动机构的移动杆上，通过三维移动机构带动探针运动实现不同位置的测量。探针的供电设备和采集处理设备均安装在真空舱外，通过穿舱法兰与探针相连接，真空舱内的探针、三维移动机构及电缆均要求与真空舱绝缘，并有防护措施避免羽流等离子环境对其产生影响。该系统实现在推力器轴向范围内束流等离子参数特性的测试，以及在推力器径向范围羽流返流的等离子参数特性测试。其中，束流密度测试包络覆盖0.1mA/cm²～50mA/cm²，空间羽流等离子空间电位包络-50V～50V范围，等离子电子温度测试包络0.01eV～50eV，等离子体浓度在束流区包络10¹³个/m³～10¹⁷个/m³量级，返流区覆盖108个/m³～10¹³个/m3量级等离子体密度，离子能量测试范围为0eV～80eV。

使用法拉第探针测量离子束流密度的方法如下：

该探针由一个外部复套保护环的平面圆盘收集器制作而成，测试原理图参照图4，示出了本发明实施例中一种法拉第探针的测试系统测试方法示意图。测量离子电流时，法拉第探针与推力器轴向(x方向)平行，法拉第探针的收集面垂直于引出束流，连接收集器信号采集装置，并给收集器加负偏置电压，使收集器采集离子。同时给收集器外层的保护环加负偏置电压，保护环起到屏蔽非轴向离子的作用，减小收集器采集非轴向离子的几率。

测试方法为设置收集器偏置电压(一般为-12V到-30V)，探针通过排斥电子收集离子，采集得到离子的电流值，通过计算可以得到离子电流密度。离子电流密度按以下公式计算：式中：j表示收集到的离子束流密度(单位：毫安/平方厘米)，V表示测量电压(单位：伏特)，R表示分流电阻阻值(单位:欧姆)，A_p表示收集圆盘面积(单位：平方厘米)。

参照图5，示出了本发明实施例中一种朗缪尔诊断探针的测量原理示意图。参照图6，示出了本发明实施例中一种朗缪尔诊断探针测量的I-V曲线图。在本实施例中，将朗缪尔诊断探针置于等离子体中，加以外电路，构成朗缪尔诊断探针测量电路。在本实施例中，使用朗缪尔诊断探针测量羽流束流区和返流区的空间等离子电势的方法如下：

调节扫描电源，使探针的电位进行从负到正的变化，并且测量回路中对应于每个电压的电流值，绘制成图构成典型的Langmuir探针的伏安特性曲线。在图5中，V表示探针电位，V_f表示等离子体的悬浮电位，V_sp表示空间等离子电势。当V＝V_f时，探针收集到的电子与离子电流大小相等方向相反，探针总电流为零，I-V曲线上探针电流为零的电压值，就是等离子体的悬浮电位V_f。

优选的，从Langmuir探针的伏安特性曲线中获取等离子体参数方法如下：

探针电流在电子饱和流区与过渡区的接合处I-V曲线会出现一个拐点，该拐点所对应的电压值即为空间等离子电势V_sp。这个拐点并不明显，尤其是平面型探针，直接观察不容易得到拐点的位置，这时需对I-V曲线求一阶导数，导数最大值对应的点即为拐点。即当曲线斜率达到最大时的电流为I＝I_eo-I_io。因此，在试验曲线上斜率最大值对应的电压为空间等离子电势V_sp。

石英晶体微量天平测试技术可以用于监测非金属材料出气和航天器敏感系统表面的分子污染沉积。传感器选用压电石英晶体作为微量分子污染物的探测元件。

本发明通过在特征位置处太阳电池小板的输出电流进行实时监测，从而达到对电流泄漏事件进行测量和分析的目的。参照图7，示出了本发明实施例中一种太阳电池样品的充放电试验电路连接示意图。如图7，R为回路负载电阻；表A为电流表，监测回路内电流；C为太阳电池阵对基板模拟电容；R为回路负载电阻；P为模拟电源，为太阳电池串间提供工作电压。试验将高压太阳电池阵样品结构与真空室地隔离。在羽流环境下使样品表面充电，利用非接触式电位计测量高压太阳电池阵样品表面不同材料的电位阵样品结构与真空室地隔离。在羽流环境下使样品表面充电，利用非接触式电位计测量高压太阳电池阵样品表面不同材料的电位。

步骤103，对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备测试样品的等离子羽流污染量进行测量，得到流对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备的沉积污染效应评估结果。

参照图8，示出了本发明实施例中一种石英晶体微量天平测试电推进羽流溅射及污染示意图。在本实施例中，返流测试区如图8所示，相对推力器喷口表面的距离L依据试验舱条件确定，一般不应小于1m。可以在推力器后端布置测试样品以及石英晶体微量天平(QCM)；其中，测试样品，包括：太阳电池玻璃盖片试件、光学太阳反射镜片试件和太阳翼银互联片。然后，在推力器上侧侧板和下侧侧板上布置测试样品以及石英晶体微量天平；其中，石英晶体微量天平的收集面法线保持与推力器轴向和出口面交叉点重合，测点布置角度在推力器主束流区外依次按先密后疏的方式布置，测点到推力器出口面的距离R不低于1.2m，推力器轴向为零度，测量角度不低于110°。进一步的，在推力器远端应布置防溅射分子沉，其中，防溅射分子沉，用于吸收高能粒子，防止高速粒子冲刷真空舱底部溅射出粒子污染测试对象；以及，在英晶体微量天平外表面应包覆防护套，以防止真空舱本体污染对测试误差的影响。

优选的，步骤103具体实现流程可以如下：

子步骤1031，根据公式(2.1)，计算得到石英晶体微量天平的谐振频率变化。

在本实施例中，石英晶体微量天平的谐振频率变化与外加质量成正比，石英晶体微量天平的谐振频率变化Δf(单位：赫兹)可根据如下公式(2.1)计算：

其中，f₀表示石英晶体微量天平的基频(单位：赫兹)，表示石英压电强化剪切模量(单位：帕)，ρ_q表示石英密度(单位：克每立方厘米)，A表示探头电极面积(单位：平方厘米)，Δm表示污染质量刻蚀的质量(单位：纳克每平方厘米)，S_f表示表示传感器的灵敏度(单位：伏每克)。

子步骤1032，根据石英晶体微量天平的谐振频率变化，确定石英晶体微量天平上的物质的污染质量，以及能量离子刻蚀表面损失的质量。

综上所述，本发明提供了一种电推进羽流试验评估方法，包括对推力器引出束流特性参数测量试验、返流等离子特性参数测量试验、羽流充放电效应验证试验、羽流污染效应验证试验以及羽流光干扰验证试验等：采用法拉第诊断探针测试主束流区离子束流密度；采用朗缪尔诊断探针测量电推力器束流区的空间等离子体电势进而可以计算出粒子的浓度，用于评估电推力器主束流和返流区等离子体基本分布规律和影响规律，对卫星太阳翼的力效应影响；对模拟太阳电池试件在羽流作用下的充放电现象进行试验测试，用于评估羽流对试件的充放电效应进行评估；对羽流对光学敏感样品以及QCM的污染效应进行试验测试，用于评估羽流污染影响。以上试验成果可以为工程掌握电推进羽流物理机制提供数据支持，为航天器优化布局提供数据支持，为航天器外表面干扰力矩分析提供数据支持，为航天器与电推进自兼容提供数据支持。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种电推进羽流试验评估方法，其特征在于，包括：

步骤1，对主束流羽流区域和返流羽流区域的离子束流密度、电子浓度和空间等离子电势进行测量，得到羽流对卫星太阳翼的力效应和热辐射效应评估结果；

步骤2，对太阳电池阵表面不同材料在羽流等离子体环境中的充电电压和泄露电流，以及太阳电池阵在羽流等离子体环境中的表面电位进行测量，得到羽流对卫星太阳翼及星本体表面的充放电效应评估结果；

步骤3，对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备测试样品的等离子羽流污染量进行测量，得到羽流对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备的沉积污染效应评估结果。

2.根据权利要求1所述的电推进羽流试验评估方法，其特征在于，还包括：

通过法拉第诊断探针，测量得到主束流羽流区域和返流羽流区域的离子束流密度；

通过朗缪尔诊断探针，测量得到主束流羽流区域和返流羽流区域的空间等离子电势。

3.根据权利要求2所述的电推进羽流试验评估方法，其特征在于，对主束流羽流区域和返流羽流区域的离子束流密度、电子浓度和空间等离子电势进行测量，得到羽流对卫星太阳翼的力效应和热辐射效应评估结果，包括：

根据公式(1.1)，计算得到电子温度T_e：

其中，e表示电子的电荷量，V表示探针电位，V_sp表示空间等离子电势，I表示探针电流，I_e0表示空间电位对应的采集电流；

根据公式(1.2)，计算得到电子浓度n_e：

其中，A表示探针表面积，k表示波尔兹曼常数；

根据公式(1.3)，计算得到粒子速度v_i：

其中，j表示离子束流密度，n_i表示粒子数密度；

根据公式(1.4)，计算得到粒子在边界面积S上的单位时间能量通量

其中，V表示目标表面的体积，ε_i表示单个粒子能量，表示垂直于边界面S的法向速度，m_i表示第i种粒子的质量；

根据公式(1.5)，计算得到单一粒子的能量流量密度

根据公式(1.6)，计算得到全部粒子的总能量流量密度：

其中，N表示实际粒子总数，n表示网格粒子数。

根据公式(1.7)，计算得到力效应F：

其中，m表示粒子质量。

4.根据权利要求1所述的羽流的充放电效应测试方法，其特征在于，对太阳电池阵表面不同材料在羽流等离子体环境中的充电电压和泄露电流，以及太阳电池阵在羽流等离子体环境中的表面电位进行测量，得到羽流对卫星太阳翼及星本体表面的充放电效应评估结果，包括：

将模拟太阳电池试件安装在设定的羽流试验区域；

对模拟太阳电池试件进行试验前的电性能测试，记录测试结果；

将非接触式表面电位计探头与模拟太阳电池试件的表面材料相连接，并通过线缆穿舱至真空舱外部与采集设备相连；其中，非接触式表面电位计探头，用于对模拟太阳电池试件的表面电位进行测试；

抽真空使真空度优于5.0×10^-3Pa，电推进工作并形成稳定的羽流等离子体环境；

将模拟电源设定在恒压状态，限制电流设定为4.0A；打开非接触式表面电位计，监测试验样品表面电位，并实时记录数据和曲线；

调节模拟电源的串间工作电压，并通过电流表监测回路内电流，实时记录数据和曲线；其中，串间工作电压的初始调节电压为50V、最大调节电压为200V，调节策略为每隔10min串间工作电压增加10V；

重复两次测量后，关闭非接触式表面电位计，关闭模拟电源，电推进停止工作；

对模拟太阳电池试件输出电流和电位计电压的监测结果进行判读；其中，若测量结果未超出恒定状态值1％的电流波动，则确定未发生电流泄漏现象；

在试验结束后，对模拟太阳电池试件进行电性能复测，并与试验前的电性能测试结果对比，若输出电流性能下降幅度超过1％，则确定等离子羽流对太阳电池试件性能存在影响。

5.根据权利要求1所述的电推进羽流的污染测试评估方法，其特征在于，还包括：

在推力器后端布置测试样品以及石英晶体微量天平；其中，测试样品，包括：太阳电池玻璃盖片试件、光学太阳反射镜片试件和太阳翼银互联片；

在推力器上侧侧板和下侧侧板上布置测试样品以及石英晶体微量天平，其中，石英晶体微量天平的收集面法线保持与推力器轴向和出口面交叉点重合，测点布置角度在推力器主束流区外依次按先密后疏的方式布置，测点到推力器出口面的距离不低于1.2m，推力器轴向为零度，测量角度不低于110°；

在推力器远端应布置防溅射分子沉，其中，防溅射分子沉，用于吸收高能粒子，防止高速粒子冲刷真空舱底部溅射出粒子污染测试对象；

在英晶体微量天平外表面应包覆防护套，以防止真空舱本体污染对测试误差的影响。

6.根据权利要求5所述的电推进羽流的污染测试评估方法，其特征在于，对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备测试样品的等离子羽流污染量进行测量，得到流对卫星太阳翼及星本体表面敏感设备的沉积污染效应评估结果，包括：

根据公式(2.1)，计算得到石英晶体微量天平的谐振频率变化Δf：

其中，f₀表示石英晶体微量天平的基频，表示石英压电强化剪切模量，ρ_q表示石英密度，A表示探头电极面积，Δm表示污染质量刻蚀的质量，S_f表示表示传感器的灵敏度；

根据石英晶体微量天平的谐振频率变化，确定石英晶体微量天平上的物质的污染质量，以及能量离子刻蚀表面损失的质量。