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[color=#990000]摘要:针对各种微纳卫星电热等离子体微推进器,以口袋火箭这种工作在0.1~10torr低气压范围内的微推进器为例,分析了不同工质气体和不同低气压对羽流特征所产生的影响,说明了低气压精确控制的重要性。关于推进器低气压精确控制这一技术问题,本文详细介绍了具体实施方法,进行了考核试验,试验结果证明低气压控制波动度可以达到±1%以内。最终本文对测试方法进行了优化,提出了更实用化的全量程低气压精确控制技术方案。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000] 一、问题的提出[/color][/size]近年来,随着微纳卫星(NanoSat)的快速发展,对小体积、轻质量、低成本和高效率的微推进器提出了迫切需求,由此需要开展推进器的等离子体羽流特征等物理性能的测试评价研究。等离子羽流特征会受到工质气体和环境气压的明显影响,以国外口袋火箭羽流性能测试为例分析低气压精确控制的必要性和重要性。口袋火箭(Pocket Rocket)作为一种微纳卫星应用中的典型代表,是一种电热式射频等离子体推进器,可实现μN~mN 量级的推力。口袋火箭因其体积小且采用电容性射频放电,可在小功率条件下获得高密度等离子体射流,且重量轻、成本低、推力小、比冲大,能以阵列形式工作,特别适合配备微纳卫星和长期提供动力。如图1所示,卧式真空仓为口袋火箭等离子体羽流特征的测试提供低气压环境。该真空仓是一个多功能低气压环境模拟试验腔体,可集成多种试验设备用于各种等离子推进器的性能测试评价。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300957211181_7104_3384_3.jpg!w690x517.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 WOMBAT推进器试验装置[/color][/align][align=left][/align][align=left]如图2所示,为了形成低气压环境,真空仓配备有分子泵、机械泵、电离真空计和电容压力计,真空仓能够达到0.93mPa 的基准真空度。测试中的气体工质通常采用氮气和氩气。[/align][align=right][/align][align=center][color=#990000][img=低气压控制,690,295]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300957469237_3688_3384_3.jpg!w690x295.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 WOMBAT推进器试验装置结构示意图[/color][/align]在射频电源功率和频率分别为20W和13.56MHz条件下,并在不同低气压下对口袋火箭的羽流特性进行了测试,图3是不同工质气体在不同气压下出射等离子体羽流的实验照片。其中图a为约1.5torr低压氩,图b为约4.0torr高压氩,图c为约1.0torr低压氮,图d为约7.0torr高压氮。从图中可以看出,在高气压下氮气和氩气的羽流均呈一定的锥角扩散,而低气压下均为准直射光束,但这些特征对于产生推力的影响尚不清楚,还需要进一步研究。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,690,500]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300957590245_7203_3384_3.jpg!w690x500.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图3 不同工质气体和不同气压下电热等离子体微推进器膨胀羽流的数字图像[/color][/align]综上所述,不同工质气体和不同低气压会对羽流特征产生明显影响,口袋火箭这种微推进器工作在0.1~10torr的低气压范围内,在此范围内测试评价羽流特性就需要对低气压进行精确控制。本文将针对低气压控制,详细介绍具体实施方法,并对实施方法进行试验考核,最终对实施方法进行优化,提出了低气压全量程的精确控制技术方案。[size=18px][color=#990000]二、低气压精确控制方法和试验考核[/color][/size]所谓低气压,一般是指低于1个标准大气压的绝对压力,范围为0.1~760torr,准确测量低气压目前普遍采用的是电容压力计,通常会采用10torr和1000torr两个不同量程的电容压力计来覆盖整个低气压范围的测量。通常,模拟试验装置真空仓需要通过进气和排气方式进行低气压控制,根据气流方向,一般将进气端定义为上游,真空泵排气端定义为下游。依据控制精度一般采用上游和下游两种控制模式,由此来实现不同量程(10torr和1000torr)的低气压准确控制。如图4所示,上游模式是维持上游压力和出气口流量,通过调节进气口流量控制仓室压力。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,400,421]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300958123451_6159_3384_3.jpg!w400x421.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图4 低气压上游控制模式[/color][/align]如图5所示,下游模式是维持上游压力和进气口流量,通过调节排气口流量控制仓室压力。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,450,393]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300958232096_7296_3384_3.jpg!w450x393.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图5 低气压下游控制模式[/color][/align]针对上述两种控制模式,分别采用1torr和1000torr两只电容压力计和24位高精度压力控制器进行了考核试验,试验装置如图6和图7所示。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,690,464]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300958322992_8227_3384_3.jpg!w690x464.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图6 低气压上游控制模式考核试验装置[/color][/align][align=center][color=#990000][/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压控制,690,426]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300958424109_3718_3384_3.jpg!w690x426.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图7 低气压下游控制模式考核试验装置[/color][/align]在上游模式试验过程中,首先开启真空泵后使其全速抽气,然后在 68Pa 左右对控制器进行 PID参数自整定。自整定完成后,分别对 12、27、40、53、67、80、93 和 107Pa共8个设定点进行了控制,整个控制过程中的气压变化如图8所示。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,600,363]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300958580425_7569_3384_3.jpg!w690x418.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图8 上游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align]在下游模式试验过程中,首先开启真空泵后使其全速抽气,并将进气阀调节到微量进气的位置,然后在300torr左右对控制器进行PID参数自整定。自整定完成后,分别对 70、 200、 300、450 和 600Torr 共5个设定点进行了控制,整个控制过程中的气压变化如图9 所示。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,600,357]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300959162394_4124_3384_3.jpg!w690x411.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图9 下游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align]将上述不同低气压恒定点处的控制效果以波动率来表示,则得到图10和图11所示的整个范围内的波动率分布。从波动率分布图可以看出,在整个低气压的全量程范围内,波动率可以精确控制在±1%范围,在12Pa处出现的较大波动,是因为采用 68Pa处自整定获得的PID参数并不合理,需进行单独的PID参数自整定。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,600,337]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300959335886_7215_3384_3.jpg!w690x388.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图10 上游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align][align=center][color=#990000][/color][/align][align=center][color=#990000][img=低气压控制,600,371]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112300959557611_9052_3384_3.jpg!w690x427.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图11 下游模式低气压定点控制考核试验曲线[/color][/align][size=18px][color=#990000]三、全量程低气压精确控制实施方案[/color][/size]从上述气压精确控制方法可以看出,可以根据实际需要选择不同的控制模式,如10torr以下的低气压控制可以选择采用上游模式,10~1000torr范围的高气压控制可以选择采用下游模式。在大多低气压环境模拟试验设备中,特别是针对推进器性能测试需要,需要在整个低气压范围内能实现气压的精确控制,并能实现自动化,因此单独使用或切换上游和下游控制模式并不是最佳选择。为实现低气压全量程范围内的自动化精确控制,我们对上游和下游两种模式进行了集成,提出了双向控制模式的技术方案,整体方案布局如图12所示。[align=center][color=#990000][img=低气压控制,500,407]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112301000121162_7843_3384_3.jpg!w500x407.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图12 低气压全量程双向控制模式技术方案真空系统布局图[/color][/align]在低气压全量程控制过程中,需要采用两只不同测量范围的电容式真空计来进行全量程覆盖,也可以材料一直电容式真空计和一直电离式真空计覆盖更宽的低气压范围。在双向控制模式的技术方案中,对控制器和电动阀门提出了更高要求,主要体现在以下几个方面:(1)要求具有可同时连接两个真空传感器的能力,并可根据低气压测量值在两个真空传感器之间进行切换,实时准确的进行低气压测量和控制。(2)控制器需要具有很高的测量精度,如24位A/D采样精度,以适应不同真空计测量精度的要求,并充分发挥真空计的测量能力。(3)在双向控制模式中,还要求真空压力控制器具有正反向控制功能,即对上游电动针阀用反向控制,对下游电动球阀用反向控制。(4)在双向控制模式中,负责上下游气体流量调节的电动针阀和电动球阀需要交替工作,因此这些电动阀需要具有尽可能快的响应速度,真空仓室越小,气压惰性越小,响应速度要求越快,一般要求是阀门从全闭到全开的时间为2秒以内甚至更低。总之,通过采用上述双向模式的低气压控制方案,特别是采用了新型高性能真空压力控制器和高速电动阀门之后,可以实现低气压全量程的精确控制。[size=18px][color=#990000]四、参考文献[/color][/size][1] Corr C S, Boswell R W. Nonlinear instability dynamics in a high-density, high-beta plasma[J]. Physics of Plasmas, 2009, 16(2): 022308.[2] Greig A, Charles C, Boswell R. Plume characteristics of an electrothermal plasma microthruster[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2014, 42(10): 2728-2729.[3] Petkovic M, Pollara R. Dual-purpose space simulation facility for plasma thruster and satellite testing[C]//28th Space Simulation Conference. 2014.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]
普通光学显微镜构造主要分为三部分:机械部分、照明部分和光学部分。 1.机械部分 (1)镜座:是显微镜的底座,用以支持整个镜体。 (2)镜柱:是镜座上面直立的部分,用以连接镜座和镜臂。 (3)镜臂:一端连于镜柱,一端连于镜筒,是取放显微镜时手握部位。 (4)镜筒:连在镜臂的前上方,镜筒上端装有目镜,下端装有物镜转换器。 (5)物镜转换器(旋转器):接于棱镜壳的下方,可自由转动,盘上有3-4个圆孔,是安装物镜部位,转动转换器,可以调换不同倍数的物镜,当听到碰叩声时,方可进行观察,此时物镜光轴恰好对准通光孔中心,光路接通。 (6)镜台(载物台):在镜筒下方,形状有方、圆两种,用以放置玻片标本,中央有一通光孔,我们所用的显微镜其镜台上装有玻片标本推进器(推片器),推进器左侧有弹簧夹,用以夹持玻片标本,镜台下有推进器调节轮,可使玻片标本作左右、前后方向的移动。 (7)调节器:是装在镜柱上的大小两种螺旋,调节时使镜台作上下方向的移动。 ①粗调节器(粗螺旋):大螺旋称粗调节器,移动时可使镜台作快速和较大辐度的升降,所以能迅速调节物镜和标本之间的距离使物象呈现于视野中,通常在使用低倍镜时,先用粗调节器迅速找到物象。 ②细调节器(细螺旋):小螺旋称细调节器,移动时可使镜台缓慢地升降,多在运用高倍镜时使用,从而得到更清晰的物象,并借以观察标本的不同层次和不同深度的结构。 2.照明部分 装在镜台下方,包括反光镜,集光器。 (1)反光镜:装在镜座上面,可向任意方向转动,它有平、凹两面,其作用是将光源光线反射到聚光器上,再经通光孔照明标本,凹面镜聚光作用强,适于光线较弱的时候使用,平面镜聚光作用弱,适于光线较强时使用。 (2)集光器(聚光器)位于镜台下方的集光器架上,由聚光镜和光圈组成,其作用是把光线集中到所要观察的标本上。 ①聚光镜:由一片或数片透镜组成,起汇聚光线的作用,加强对标本的照明,并使光线射入物镜内,镜柱旁有一调节螺旋,转动它可升降聚光器,以调节视野中光亮度的强弱。 ②光圈(虹彩光圈):在聚光镜下方,由十几张金属薄片组成,其外侧伸出一柄,推动它可调节其开孔的大小,以调节光量。 3.光学部分 (1)目镜:装在镜筒的上端,通常备有2-3个,上面刻有5×、10×或15×符号以表示其放大倍数,一般装的是10×的目镜。[/
生物显微镜的主要构造普通生物显微镜的构造主要分为三部分:机械部分、照明部分和光学部分。1.机械部分(1)镜座:是显微镜的底座,用以支持整个镜体。(2)镜柱:是镜座上面直立的部分,用以连接镜座和镜臂。(3)镜臂:一端连于镜柱,一端连于镜筒,是取放显微镜时手握部位。(4)镜筒:连在镜臂的前上方,镜筒上端装有目镜,下端装有物镜转换器。(5)物镜转换器(旋转器):接于棱镜壳的下方,可自由转动,盘上有3-4个圆孔,是安装物镜部位,转动转换器,可以调换不同倍数的物镜,当听到碰叩声时,方可进行观察,此时物镜光轴恰好对准通光孔中心,光路接通。(6)镜台(载物台):在镜筒下方,形状有方、圆两种,用以放置玻片标本,中央有一通光孔,我们所用的生物显微镜其镜台上装有玻片标本推进器(推片器),推进器左侧有弹簧夹,用以夹持玻片标本,镜台下有推进器调节轮,可使玻片标本作左右、前后方向的移动。(7)调节器:是装在镜柱上的大小两种螺旋,调节时使镜台作上下方向的移动。①粗调节器(粗螺旋):大螺旋称粗调节器,移动时可使镜台作快速和较大辐度的升降,所以能迅速调节物镜和标本之间的距离使物象呈现于视野中,通常在使用低倍镜时,先用粗调节器迅速找到物象。②细调节器(细螺旋):小螺旋称细调节器,移动时可使镜台缓慢地升降,多在运用高倍镜时使用,从而得到更清晰的物象,并借以观察标本的不同层次和不同深度的结构。2.照明部分装在镜台下方,包括反光镜,集光器。(1)反光镜:装在镜座上面,可向任意方向转动,它有平、凹两面,其作用是将光源光线反射到聚光器上,再经通光孔照明标本,凹面镜聚光作用强,适于光线较弱的时候使用,平面镜聚光作用弱,适于光线较强时使用。(2)集光器(聚光器)位于镜台下方的集光器架上,由聚光镜和光圈组成,其作用是把光线集中到所要观察的标本上。①聚光镜:由一片或数片透镜组成,起汇聚光线的作用,加强对标本的照明,并使光线射入物镜内,镜柱旁有一调节螺旋,转动它可升降聚光器,以调节视野中光亮度的强弱。②光圈(虹彩光圈):在聚光镜下方,由十几张金属薄片组成,其外侧伸出一柄,推动它可调节其开孔的大小,以调节光量。3.光学部分(1)目镜:装在镜筒的上端,通常备有2-3个,上面刻有5×、10×或15×符号以表示其放大倍数,一般装的是10×的目镜。(2)物镜:装在镜筒下端的旋转器上,一般有3-4个物镜,其中最短的刻有“10×”符号的为低倍镜,较长的刻有“40×”符号的为高倍镜,最长的刻有“100×”符号的为油镜,此外,在高倍镜和油镜上还常加有一圈不同颜色的线,以示区别。在物镜上,还有镜口率(N.A.)的标志,它反应该镜头分辨力的大小,其数字越大,表示分辨率越高,各物镜的镜口率如下表:物镜 镜口率(N.A.) 工作距离(mm)10× 0.25 5.4040× 0.65 0.39100× 1.30 0.11表中的工作距离是指生物显微镜处于工作状态(物象调节清楚)时物镜的下表面与盖玻片(盖玻片的厚度一般为0.17mm)上表面之间的距离,物镜的放大倍数愈大,它的工作距离愈小。显微镜的放大倍数是物镜的放大倍数与目镜的放大倍数的乘积,如物镜为10×,目镜为10×,其放大倍数就为10×10=100。