[发明专利]一种测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈

说明书

本发明提出了一种用于测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈。该方法采用非接触式方式实现了对在真空中推力器放电产生的脉冲电流的测量。测量对象为电推进领域的脉冲等离子体推力器的放电电流。测量系统的主要结构包括：绕匝线圈、线圈架和外积分器。本发明通过测量通过绕匝线圈两端的电磁感应电动势，并经过模拟电路积分，根据法拉第电磁感应定律和按配环路定律可以得到积分后的感应电动势与通过的脉冲放电电流成正比例关系。最后通过内接的电流测量元件进行标定，实现了对非接触式脉冲电流的测量。

技术领域

本发明属于电推进等离子体诊断领域，具体涉及一种使用非接触式方法测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈。

背景技术

脉冲等离子体推力器是一类利用脉冲放电直接电离的推进剂，通过电磁场将带电粒子加速喷出，从而获得推进动力的一种先进推进方式。相较于传统的化学推进方式，脉冲等离子体推力器推进具有显著的优势：高比冲和高效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。脉冲等离子体推力器目前已被广泛应用于卫星以及深空探测器的主推进系统。

测量脉冲等离子体推力器的基本的放电特性，例如放电电压、放电电流等相关参数，对于提高优化发动机设计以及发动机性能具有重要意义。电推力器放电电流直接决定了发动机比冲的大小和效率的高低，是检测推力器工作状态最基本也是最重要的一个参数。因此测量脉冲等离子体推力器的放电电流是电推力器等离子体诊断中至关重要的一环。但是，脉冲等离子体推力器的放电为容性瞬时放电，真空的工作条件，放电电流在kA级别，时间为μs量级，且触发放电前有火花塞产生的噪声，这对放电电流的测量带来了巨大的挑战。针对由脉冲等离子体推力器脉冲放电产生的大电流，目前还没有专门的诊断方法进行测量。

发明内容

本发明旨在提供一种用于测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈，能够测量得到发动机放电电流的放电特性曲线，并最终实现脉冲等离子体推力器放电电流在真空中的无接触式测量。具体内容如下：

一种用于测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈，具体包括：绕匝线圈和线圈架。绕匝线圈以漆包线密绕成400匝并缠成环形绕在线圈架上；线圈架为中部带有圆形通孔的铜钱状环氧树脂材料，圆形通孔用于穿过推力器的电容阳极；线圈架的外部采用环氧树脂胶进行密封。

进一步的，所述线圈架引出两根绕匝线的正负极。

基于所述罗氏线圈的测量脉冲等离子体推力器放电电流的测量系统，包括：罗氏线圈和外接电路。外接电路包括外接积分电路电阻和电容。

进一步的，所述外接积分电路为：采样电阻R₁与罗氏线圈并联；积分电阻R₂与采样电阻R₁的正极电连接；u_i(t)为罗氏线圈不带积分器随放电电流i(t)的互感电动势；积分电容C与积分电阻R₂的正极电连接，积分电容另一端与采样电阻R₁的负极电连接；滤波电阻R₃与积分电容C和积分电阻R₂的公共端电连接；其中，L为罗氏线圈的自感系数，r是罗氏线圈的直流电阻，C₀为寄生电容。

基于所述无相位差罗氏线圈的脉冲等离子体推力器放电电流的测量方法，包括以下步骤：

(1)将罗氏线圈套接在放电电流流过的导线上，使放电电流穿过罗氏线圈的正中心；罗氏线圈上的导线两端相应产生变化的电动势。

(2)推导罗氏线圈上导线产生的电动势的积分值u_c与通过该线圈的脉冲等离子体推力器放电电流i(t)的数学关系。

脉冲电流穿过罗氏线圈中心时，罗氏线圈上密绕的导线产生变化的电流，根据安培环路定理推导得式(1)：