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基于三维点云的栅极间距测量方法

推进技术 2022年第11期43卷 399-405页

作者：杨蕴杰方宇杨皓张伯强黄子健李皓宇上海工程技术大学机械与汽车工程学院上海201620

栅极组件间距决定了离子推力器的工作性能和可靠性,栅极间距自动化检测对提高栅极装配效率和装配质量具有十分重要意义。为了解决栅极间距自动化检测问题,采用线激光扫描技术,建立了双层拱面栅极件的三维点云模型,使用点云密度算子区分... 详细信息

栅极组件间距决定了离子推力器的工作性能和可靠性,栅极间距自动化检测对提高栅极装配效率和装配质量具有十分重要意义。为了解决栅极间距自动化检测问题,采用线激光扫描技术,建立了双层拱面栅极件的三维点云模型,使用点云密度算子区分了点云模型中边缘点和非边缘点,通过DBSCAN算法将边缘点根据数据连续性聚类;针对点云边缘数据存在的噪点和密度分布不均问题,提出了边缘数据的中心计算方法,通过边缘点集合到中心距离的离散程度判断形状是否为圆孔,最后计算圆心坐标到栅极下表面距离作为栅极间距。通过试验对本文提出的算法进行鲁棒性和精度验证,结果显示:在添加标准差为0.05mm和0.1mm的高斯噪声模拟环境干扰下,算法鲁棒性良好;将本文方法计算得出的栅极间距与传统人工方法进行比较,测量值最大误差为36μm,误差均值为17μm。研究结果表明,本方法有望代替现有人工测量手段,实现栅极间距非接触式自动化测量。

关键词：离子推力器栅极间距三维点云圆孔提取圆心计算自动化测量

30cm离子推力器在轨环境下的工作点及热控措施研究

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推进技术 2021年第3期42卷 711-720页

作者：孙明明郑艺杨俊泰史楷兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点试验室甘肃兰州730000

栅极间距变化是影响离子推力器在轨环境下从冷态条件正常点火启动的重要因素,同时也决定了离子推力器的在轨工作时机和热控实施策略。采用有限元仿真与地面热平衡试验验证相结合的方法,建立起30cm离子推力器有限元分析模型并进行了模型... 详细信息

栅极间距变化是影响离子推力器在轨环境下从冷态条件正常点火启动的重要因素,同时也决定了离子推力器的在轨工作时机和热控实施策略。采用有限元仿真与地面热平衡试验验证相结合的方法,建立起30cm离子推力器有限元分析模型并进行了模型校验,对离子推力器在轨受太阳光照影响的栅极温度场分布和间距变化,以及推力器在5kW工况下的三个典型温度点所对应的栅极间距变化进行了仿真分析,考虑了主动热控干预对推力器最恶劣工作点的栅极间距变化影响。结果显示:纯太阳光照影响下的栅极组件存在周期性温度变化,栅极最大温差可达到100℃,栅间距缩小量在0.06~0.16mm内波动;在太阳光照基础上实施60W的主动热控后,栅极最大温差降低至60℃,栅间距缩小量波动则变为0~0.03mm;栅极最高温度点和最低温度点分别是推力器冷态启动最容易和最困难的两个工作时机点,两点所对应的启动后屏栅和加速栅最小间距分别为0.22和0.04mm;在10,70和120W的热控加热功率下,从最低温度点启动后的屏栅和加速栅最小间距分别为0.06,0.20和0.29mm;采取主动热控措施能够有效降低推力器工作过程中的栅极热形变位移峰值,且加热功率为120W,即温控点温度为50℃的主动热控可以满足30cm离子推力器在轨冷态启动时的0.25mm安全栅极间距要求。

关键词：离子推力器在轨环境工作点热控措施栅极间距启动

LIPS-300离子推力器栅极热变形特点实验分析

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南京航空航天大学学报 2019年第S1期51卷 13-17页

作者：肖势杰袁杰红国防科技大学空天科学学院长沙410073

为探究LIPS-300离子推力器在工作过程中栅极热变形的规律与特点,设计了大气环境下离子推力器双栅极热变形实验,以一环形加热器模拟实际工作时的等离子体热源。实验研究发现:球面栅极在加热过程中急剧变形,同时屏栅变形量大于加速栅,导... 详细信息

为探究LIPS-300离子推力器在工作过程中栅极热变形的规律与特点,设计了大气环境下离子推力器双栅极热变形实验,以一环形加热器模拟实际工作时的等离子体热源。实验研究发现:球面栅极在加热过程中急剧变形,同时屏栅变形量大于加速栅,导致栅极间距减小;在冷却过程中,双栅迅速回复变形,栅极间距同步回复。其次,研究发现栅极中心位移在加热过程中的峰值回落现象,与在冷却过程中的负位移现象,同时发现冷却速率对负位移的大小有着不容忽视的影响。为研究上述现象的起因,对栅极组件的径向位移进行了采集,发现栅极安装环的变形是其根本原因。在结构与温度的综合影响下,柵极安装环的变形相较球面栅极更为缓慢,而其受热膨胀会拉伸球面栅极,导致球面栅极中心拱高减小,中心位移峰值回落。

关键词：离子推力器热变形栅极间距峰值回落负位移

30cm离子推力器栅极组件热变形实验及仿真分析

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30cm离子推力器栅极组件热变形实验及仿真分析

作者：肖势杰国防科技大学

学位级别：硕士

LIPS-300离子推力器是我国自主研制的一款高功率、高推力的电轰击式离子推力器,其束流引出装置为30cm直径的三栅极组件。实际应用表明,该栅极组件能够满足推力器的性能指标要求,但在工作状态下,球面栅极的热变形会使栅极间距减小,轻则... 详细信息

LIPS-300离子推力器是我国自主研制的一款高功率、高推力的电轰击式离子推力器,其束流引出装置为30cm直径的三栅极组件。实际应用表明,该栅极组件能够满足推力器的性能指标要求,但在工作状态下,球面栅极的热变形会使栅极间距减小,轻则导致离子推力器工作性能下降,重则导致栅极接触短路,直接造成推力器失效。因此,开展离子推力器栅极热变形研究,预测栅极热变形,充分认识栅极热变形规律与特点并掌握其中机理,是解决离子推力器性能下降或失效问题的关键所在,对综合提升离子推力器工作性能与使用寿命具有重大意义。因此,本文以LIPS-300离子推力器的栅极组件作为研究对象,针对栅极热变形,通过实验测量、仿真研究以及理论计算等途径,开展了一系列研究。主要工作和创新点如下:1.基于课题组自主研发的栅极热变形测量系统,在大气环境下,除了针对栅极组件的表面温度场、栅极中心轴向位移测量之外,本文还首次开展了栅极组件轴向刚体位移、栅极边缘径向位移的测量。轴向刚体位移的获得,进一步提高了栅极中心轴向位移的测量精度。栅极边缘径向位移的获得,为栅极的热变形规律特点及相关机理分析提供了重要依据;2.针对栅极组件的真实结构,建立了双栅极组件全尺寸的1/6旋转对称有限元模型。同时设计了金属拉伸实验获得了栅极组件更加精确的材料参数。基于该有限元模型开展了栅极热变形仿真研究。结合仿真结果与实验测量结果,一方面验证了有限元仿真模型的合理性与精确性,另一方面对栅极热变形实验中观察到的热变形现象与规律进行了合理的分析与解释;3.考虑栅极为球面薄壳结构,为便于工程分析,本文基于材料等效原则,通过将多孔扁球壳结构等效为无孔扁球壳结构,并结合旋转壳的热应力及热变形理论,建立了球面栅极热变形分析的等效理论模型,并对球面栅极的热变形开展了理论计算。通过与实验及仿真分析结果的对比,验证了等效理论模型的合理性,可用于工程评估。另一方面,发现理论计算得到的栅极热变形规律与特点与仿真分析所获得的结论是一致的。同时也发现,理论模型的结果对仿真研究中关于栅极热变形的机理分析具有进一步的验证和支撑作用。

关键词：离子推力器栅极组件温度场栅极热变形栅极间距

基于机器视觉的非接触式通孔薄壁件间距测量方法研究

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基于机器视觉的非接触式通孔薄壁件间距测量方法研究

作者：陶翰中上海工程技术大学

学位级别：硕士

通孔薄壁件是现代交通动力系统及航空航天领域中常见的异形结构件,诸如新能源汽车燃料电池电极、发动机缸体和和航天推进器栅极组件等。通孔薄壁件间距是影响的动力系统性能的关键参数,现有的人工测量方法可靠性较差,基于机器视觉的接... 详细信息

通孔薄壁件是现代交通动力系统及航空航天领域中常见的异形结构件,诸如新能源汽车燃料电池电极、发动机缸体和和航天推进器栅极组件等。通孔薄壁件间距是影响的动力系统性能的关键参数,现有的人工测量方法可靠性较差,基于机器视觉的接触式测量方法也存在一致性低、效率不高的问题。本文以航天推进器中的栅极组件为例,提出了一种基于机器视觉的非接触式间距测量方法,针对人工测量和传统视觉测量方法存在的问题,展开通孔薄壁件间距测量方法的研究,具体研究内容如下:(1)建立平面通孔薄壁件与平行光源入射光线夹角和薄壁件间距的数学模型。利用通孔薄壁件的孔径结构特征和光线传播特性,通过通孔投影面积确定薄壁件间距。分析球面薄壁件表面极限测量曲率推导不同曲率半径的球面通孔薄壁件单个孔位的形心位置函数,为后续间距测量方法实现提供理论基础。(2)处理采集到的通孔投影图像,结合灰度值分布情况分析现有的阈值分割方法,使用拉格朗日非线性分解理论对图像直方图进行迭代分解,选择最优阈值,根据最大类间方差优化目标函数,提高通孔投影面积的采集精度。(3)研究通孔投影的最优边界提取算法,提出最小点搜索法用于灰度值多阈值分割改进,与传统的多阈值图像分割算法进行对比。(4)搭建机器视觉的非接触式通孔薄壁件间距检测试验平台,硬件平台包括运动控制模块、机器视觉光学测量模块;基于QT平台开发设计上位机软件,集成视觉处理模块,实现通孔薄壁件间距的自动测量。本文针对离子推力器栅极组件间距测量的实际需求,提出基于机器视觉的薄壁件间距非接触式测量原理,搭建试验平台,试验结果表明,该系统运行稳定,满足离子推力器栅极组件间距测量的精度要求。

关键词：离子推进器栅极间距机器视觉间距测量