[发明专利]电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置

说明书

本发明公开了一种以电推力器为动力的航天器系统级点火试验中降低电推力器羽流溅射污染的溅射靶装置，该结构由溅射主靶和屏蔽罩两部分构成，主靶正对推力器喷口，其材料为低溅射率材料石墨，主靶背面为管路系统，与主靶紧密接触，可通冷却液对主靶进行冷却，也可通热水加热，屏蔽罩坐于主靶之上，对溅射产物粒子进行导流与捕获，减少其逸出概率，降低溅射污染，同时要兼顾真空度要求；屏蔽罩表面材料采用与主靶相同的材料，以保证对溅射产物粒子有较好的亲合力，利于溅射产物的捕获。本发明适合于以电推力器为动力的系统级航天器点火试验，作为其羽流溅射防护手段。

技术领域

本发明涉及一种电推进航天器系统级(整星)点火试验中降低羽流溅射污染的装置，通过特殊设计的溅射靶结构将溅射污染控制在较低水平。

背景技术

与化学推进相比，电推进可大幅降低发射质量，提高有效载荷和卫星在轨寿命。但在地面进行验证试验时，由于在有限容积的真空试验舱内进行，电推力器的等离子体羽流打到容器壁面会产生溅射污染，溅射的粒子如果打到试件上，造成表面腐蚀、污染沉积或更严重的损伤。

溅射表面离推力器越远溅射污染越少，因此电推力器本身的单机试验一般在较大的真空容器内进行，无需对溅射出的粒子采取专门的屏蔽措施，溅射靶一般设置在容器大门上，结构较为简单。

但对于整星试验(如图1所示意)，航天器1设置在试验容器4内，航天器1的底部安装电推力器2，溅射靶3正对电推力器2布置在其下部，接收电推力器喷射出的粒子，来降低推力器羽流对航天器和试验容器的溅射污染。一方面推力器只是个小部件，溅射靶设计空间有限；另一方面需要对推力器以外其它部件进行防护，对溅射污染的控制要求更高，必需对溅射出的粒子采取专门的屏蔽措施。因此需要一种不同于电推力器单机试验的溅射靶结构，来更有效地控制溅射污染。

目前，电推进航天器系统级的点火试验较少，试验时电推力器点火的持续时间也较短，对于长达3小时以上的持续点火，还未见有针对性的溅射靶设计方案公开报道。

发明内容

本发明的目的是为电推进航天器系统级点火试验提供一种能在有限的空间内有效降低电推力器溅射污染的试验装置。为减少溅射污染，溅射靶需实现两个功能：一是接收羽流粒子且保证溅射量最低；二是对溅射出来的粒子进行导流并捕获，使其尽量少地污染试验容器内的敏感表面。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

电推进航天器系统级点火试验溅射靶装置，包括主靶和屏蔽罩两部分，屏蔽罩顶部设置有开口用于接收羽流粒子，与开口相对的屏蔽罩底部上设置有主靶，主靶由低溅射率材料制成，屏蔽罩具有多层导流结构，溅射粒子穿过它时发生多次碰撞，增大其在壁面的吸附概率，未被吸附的粒子被导流结构导向容器内非敏感表面。

其中，低溅射率材料为石墨，特别是高纯石墨。

其中，主靶的靶面设计成弧面，保证推力器喷出的羽流粒子垂直或近似于垂直入射到靶面上。

进一步地，靶面中心与屏蔽罩开口中心的距离要保证靶面中心距推力器喷口中心的距离为2000mm以上。

进一步地，弧状靶面半径依据下式确定：R_target＝d+r/tanθ₉₀，其中r为推力器喷口半径，d为靶面中心距推力器喷口中心的距离，θ₉₀为包含90％束流的羽流半张角。

其中，靶面厚度要根据电推力器的羽流粒子流量和粒子能量来确定，通常在1mm以上。

其中，屏蔽罩由多级环片在轴向上叠加而成，各片之间构成径向的粒子导流通道。环片截面为三段折线，中间水平，两端倾斜，因此构成的导流通道会有两次折转，利于捕获粒子，屏蔽罩也因此可分为内帷锥面、中间环片、外帷锥面三部分，其截面分别构成内斜面、中间平台、外斜面，相互间形成一定夹角，使溅射粒子发生多次碰撞折转。