本發(fā)明屬于航天等離子體推進(jìn)，具體涉及一種等離子體推進(jìn)器在軌狀態(tài)的近場羽流成像監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

1、等離子體推進(jìn)器是利用電能加熱工質(zhì)形成等離子體，并通過電磁場形成高速射流從而產(chǎn)生推力的電等離子體推進(jìn)器。傳統(tǒng)的化學(xué)等離子體推進(jìn)器受到化學(xué)能和壁面溫度的限制，比沖難以繼續(xù)提高，而等離子體推進(jìn)器的比沖通常能達(dá)到1000s以上，因此對(duì)工質(zhì)的消耗更低，能提高航天器有效載荷。該等離子體推進(jìn)器已在各類衛(wèi)星上得到應(yīng)用，相關(guān)的需求也與日俱增。

2、隨著飛行器向長壽命及高功率的不斷發(fā)展，對(duì)等離子體推進(jìn)器在軌運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的必要性也日益增加。等離子體推進(jìn)器依靠工質(zhì)產(chǎn)生的高能粒子產(chǎn)生推力，但是高能粒子形成的羽流也會(huì)和空間環(huán)境作用，引發(fā)濺射腐蝕、熱沉積、力矩效應(yīng)、充放電效應(yīng)，影響等離子體推進(jìn)器的性能和壽命甚至引發(fā)航天器失效。等離子體推進(jìn)器羽流可以分為近場羽流和遠(yuǎn)場羽流兩個(gè)區(qū)域。近場羽流和遠(yuǎn)場羽流的界定取決于羽流與航天器的相互作用。近場羽流區(qū)主要指等離子體推進(jìn)器羽流仍然保持噴出時(shí)的基本參數(shù)、未被其他因素顯著改變所對(duì)應(yīng)的范圍，一般取兩個(gè)等離子體推進(jìn)器直徑內(nèi)的軸向范圍。近場羽流能夠表明等離子體推進(jìn)器的狀態(tài)，監(jiān)測近場羽流能夠幫助預(yù)測并解決等離子體推進(jìn)器可能出現(xiàn)的故障。

3、近場羽流成像是目前監(jiān)測等離子體推進(jìn)器運(yùn)行狀態(tài)的重要手段之一。目前常用的等離子體推進(jìn)器測試手段中，探針法在測試原理上有難以避免的漏洞，而且探針受羽流影響，污染和發(fā)熱嚴(yán)重，難以應(yīng)用于長時(shí)監(jiān)測；激光診斷方法設(shè)備較為復(fù)雜，不適應(yīng)于在軌監(jiān)測。光譜成像法作為非接觸式測試方法，不會(huì)干擾放電過程，測量準(zhǔn)確性高，具有較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率，可用于批量測試等離子體推進(jìn)器，因此很適用于測試等離子體推進(jìn)器羽流。但成像法發(fā)展時(shí)間較短，目前缺乏相對(duì)可靠的監(jiān)測裝置及方法，而且羽流模型復(fù)雜，需要更加深入的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種等離子體推進(jìn)器在軌狀態(tài)的近場羽流的成像監(jiān)測裝置，監(jiān)測近場羽流能夠幫助預(yù)測并解決等離子體推進(jìn)器可能出現(xiàn)的故障。

2、本發(fā)明提供一種等離子體推進(jìn)器在軌狀態(tài)的近場羽流成像監(jiān)測方法，使用等離子體推進(jìn)器在軌狀態(tài)的近場羽流的成像監(jiān)測裝置得到在軌的等離子體推進(jìn)器所處的狀況。

3、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

4、一種等離子體推進(jìn)器在軌狀態(tài)的近場羽流成像監(jiān)測方法，所述近場羽流成像監(jiān)測方法包括以下步驟：

5、步驟s1：在地面和在軌條件分別為同一型號(hào)的等離子體推進(jìn)器搭建近場羽流的成像監(jiān)測裝置；

6、步驟s2：在地面條件下啟動(dòng)等離子體推進(jìn)器，根據(jù)不同的工況調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)，拍攝近場羽流的成像照片；

7、步驟s3：基于步驟s2中的不同工況參數(shù)和近場羽流的成像照片進(jìn)行擬合，建立二者映射的數(shù)據(jù)庫；

8、步驟s4：當(dāng)在軌的等離子體推進(jìn)器運(yùn)行時(shí)，在近場羽流穩(wěn)定時(shí)拍攝的近場羽流成像照片；

9、步驟s5：將在軌拍攝的近場羽流的成像照片與地面拍攝的近場羽流的成像照片進(jìn)行比對(duì)，判斷在軌的等離子體推進(jìn)器所處狀況。

10、進(jìn)一步的，所述近場羽流的成像監(jiān)測裝置包括成像裝置、多光譜成像裝置、相機(jī)裝置、信號(hào)輸出系統(tǒng)、電源和驅(qū)動(dòng)控制裝置；

11、所述成像裝置，用于減少近場羽流對(duì)多光譜成像裝置的侵蝕作用并且對(duì)其他裝置起到支撐作用；

12、所述多光譜成像裝置，用于得到不同波長下近場羽流的圖像；

13、所述相機(jī)裝置，用于對(duì)經(jīng)過多光譜成像裝置的近場羽流進(jìn)行成像；

14、所述信號(hào)輸出系統(tǒng)，用于輸出相機(jī)裝置監(jiān)測的圖像數(shù)據(jù)；

15、所述電源，用于為相機(jī)裝置的相機(jī)、成像裝置的一號(hào)電機(jī)和相機(jī)裝置的二號(hào)電機(jī)供電；

16、所述驅(qū)動(dòng)控制裝置，用于連接航天器與成像裝置，通過機(jī)械臂調(diào)節(jié)成像裝置使得鏡頭軸線與推力器的羽流軸線垂直。

17、進(jìn)一步的，所述成像裝置內(nèi)裝入相機(jī)裝置及多光譜成像裝置，所述相機(jī)裝置的前端為多光譜成像裝置，所述成像裝置的首端設(shè)置相機(jī)蓋，所述相機(jī)蓋上開有圓形通孔，所述圓形通孔外設(shè)置相機(jī)外殼，所述相機(jī)裝置及多光譜成像裝置與圓形通孔呈一條直線，所述成像裝置的尾端分別設(shè)置信號(hào)輸出系統(tǒng)和電源。

18、進(jìn)一步的，所述成像裝置包括相機(jī)蓋；

19、所述相機(jī)蓋連接在相機(jī)外殼外，所述相機(jī)蓋通過一號(hào)電機(jī)控制其旋轉(zhuǎn)，一號(hào)電極與相機(jī)蓋同軸，放置于一號(hào)電極底座上；相機(jī)底座和鐵絲網(wǎng)底座均配合相機(jī)裝置使用，輪盤底座配合多光譜成像裝置使用，均起到支撐作用。

20、進(jìn)一步的，所述多光譜成像裝置包括二號(hào)電機(jī)；

21、所述二號(hào)電機(jī)放置在二號(hào)電機(jī)底座上，所述二號(hào)電機(jī)的輸出軸貫穿相機(jī)裝置與輪盤同軸連接，所述輪盤底座上放置輪盤外殼，所述輪盤外殼在上側(cè)開有一個(gè)與濾波片大小相同的圓孔用于安裝濾波片。

22、進(jìn)一步的，所述輪盤在二號(hào)電機(jī)的作用下進(jìn)行以90°為間隔的旋轉(zhuǎn)；所述濾波片根據(jù)等離子體推進(jìn)器所使用的工質(zhì)的特征波長而采用相應(yīng)波長，分別過濾形成不同波長下的近場羽流的圖像。

23、進(jìn)一步的，所述相機(jī)裝置包括鐵絲網(wǎng)；

24、所述鐵絲網(wǎng)與輪盤外殼上的圓孔同軸，所述鐵絲網(wǎng)放置于鐵絲網(wǎng)底座上，所述鐵絲網(wǎng)與鏡頭同軸，所述鏡頭與相機(jī)相連接，所述相機(jī)放置在相機(jī)底座上；散熱片貼于相機(jī)上、左、右三側(cè)。

25、進(jìn)一步的，所述步驟s1包括以下步驟：

26、步驟s1.1：根據(jù)該等離子體推進(jìn)器工質(zhì)的特征波長分別確定四個(gè)濾波片的特征波長，根據(jù)相機(jī)和近場羽流的距離、近場羽流的光強(qiáng)因素采用合適的相機(jī)和鏡頭，選取焦距和曝光時(shí)間，構(gòu)建近場羽流的成像監(jiān)測裝置；

27、步驟s1.2：使用驅(qū)動(dòng)控制裝置調(diào)節(jié)成像裝置使得鏡頭軸線與等離子體推進(jìn)器噴射出的近場羽流的軸線垂直。

28、進(jìn)一步的，所述步驟s4包括以下步驟：

29、步驟s4.1：用驅(qū)動(dòng)控制裝置調(diào)節(jié)成像裝置使得鏡頭的軸線與等離子體推進(jìn)器的噴射出的近場羽流的軸線垂直；

30、步驟s4.2：拍攝近場羽流的成像照片并記錄此時(shí)等離子體推進(jìn)器的運(yùn)行狀況。

31、進(jìn)一步的，所述步驟s5包括以下步驟：

32、步驟s5.1：將步驟s4中拍攝的近場羽流的成像圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯降噪處理；

33、步驟s5.2：基于譜線比的方法，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維反演，將光強(qiáng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電子溫度、原子密度、離子密度；

34、步驟s5.3：將在軌圖像所得數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中地面圖像所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到在軌的等離子體推進(jìn)器工況參數(shù)與運(yùn)行狀況。

35、本發(fā)明的有益效果是：

36、本發(fā)明監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)施；方法原理基于譜線比法，具有高可靠性。

37、本發(fā)明的近場羽流的監(jiān)測裝置在監(jiān)測過程不干擾等離子體推進(jìn)器放電過程。

38、本發(fā)明的監(jiān)測方法準(zhǔn)確性高，具有較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率。

39、本發(fā)明的監(jiān)測方法可用于批量測試等離子體推進(jìn)器，可大幅降低測試時(shí)間和成本。