1、 北 京 和 德 宇 航 技 术 有 限 公 司China Head Aerospace Technology Co.Page： 1/31ALTA 公 司 栅 极 腐 蚀 在 线 测 量 系 统技 术 建 议 书北 京 和 德 宇 航 技 术 有 限 公 司China Head Aerospace Technology Co.Page： 2/311 Introduction 引 文1.1Scope 范 围At the end of May 2013 Head Aerospace has requested Alta to provide a formal quotation for an Er
2、osion Measuring System (EMS) to be implemented in a new vacuum chamber of the Customer, the Lanzhou Institute of Physics (LIP), to be used to assess erosion of Gridded Ion Engines.2013 年 5 月 底 和 德 公 司 要 求 Alta 为 可 应 用 于 510（ LIP） 所 新 型 真 空 灌 的 腐 蚀 测 量 系 统 （ EMS） 给 出 正 式报 价 ， 该 系 统 用 于 评 估 栅 极 离 子 发
3、动 机 （ Gridded Ion Engines） 的 腐 蚀 情 况 。1.2Applicable documents 适 用 文 件The following is the complete list of documents to be considered applicable to this proposal:下 表 列 出 了 可 适 用 于 该 投 标 的 所 有 文 件 ：1.3Acronyms and abbreviations 首 字 母 缩 略 词 与 缩 写 词首 字 母 缩 略 词 /缩 写 Meaning 含 义ATP Authorization To Proce
4、ed 授 权 进 行CO Close-Out 完 结DAQ Data AcQuisition 数 据 采 集EP Electric Propulsion 电 推 进EMS Erosion Measuring System 腐 蚀 测 量 系 统FFP Firm Fixed Price 固 定 总 价FMEA Failure Mode and Effects Analysis 失 效 模 式 与 影 响 分 析FSO Full Scale Output 全 量 程 输 出GIE Gridded Ion Engine 栅 极 离 子 发 动 机HET Hall Effect Thruster 霍
5、尔 效 应 推 进 器HW Hardware 硬 件I/F,IF InterFace 接 口IR Infra Red 红 外 线LIP Lanzhou Institute of Physics 510 所北 京 和 德 宇 航 技 术 有 限 公 司China Head Aerospace Technology Co.Page： 3/31MAI Manufacturing,Assembly, Integration 制 造 ， 部 装 ， 集 成NDA Non-Disclosure Agreement 保 密 协 议QM Qualification Model 鉴 定 样 机RPA Retar
6、ding Potential Analyzer 减 速 电 势 分 析 仪SW Software 软 件TBC To Be Confirmed/To be Clarified 留 待 确 定TBD To be Determined/Defined 留 待 决 定TC ThermoCouple 热 电 偶VDC Volt Direct Current 直 流 电 压2 Introduction 简 介The present section describes the tele-microscopy and erosion facility implemented in Alta IV-4 fac
7、ility.本 章 将 介 绍 Alta IV-4 设 备 所 采 用 的 远 程 显 微 镜 和 腐 蚀 测 量 设 备 。2.1Tele-microscopy System for Gridded Ion Engines 栅 极 离 子 发 动 机远 程 显 微 镜 系 统Alta provides an innovative diagnostics to measure the erosion of the grid holes in Gridded Ion Engines (GIE).Alta 为 栅 极 离 子 发 动 机 网 格 空 腐 蚀 情 况 的 测 量 形 成 了 一 种
8、新 型 的 诊 断 方 法 。The Telemicroscopy diagnostic system consists of a special camera mounted on a movable structure placed inside the vacuum facility. The system is maintained in a parking position while the thruster is firing (Figure 1 - bottom), so that it does not interfere with the plasma plume. Whe
9、n the thruster stops firing, the Telemicroscopy system is moved in front of the thruster to perform the erosion measurement. Four led lights or a laser line beam illuminate the thruster during the image acquisition. The motion of the diagnostic system is obtained through two separate stepper motors
10、one governing the arm rotation, the other controlling the arm translation. 远 程 显 微 诊 断 系 统 为 一 个 专 用 相 机 固 定 于 可 移 动 结 构 上 ， 并 放 置 于 真 空 设 备 内 部 。 推 进 器 点 火 时 ， 该 系统 保 持 在 一 个 固 定 位 置 （ 图 1 底 部 ） ， 因 此 不 会 接 触 到 等 离 子 羽 流 。 推 进 器 关 闭 后 ， 远 程 显 微 镜 系 统 移 动到 推 进 器 前 方 对 腐 蚀 情 况 进 行 测 量 。 图 像 采 集 时 有 四
11、 盏 LED 灯 或 激 光 线 束 为 推 进 器 照 明 。 诊 断 系 统 的 移动 由 两 个 分 开 的 步 进 电 机 控 制 ， 一 个 控 制 臂 的 旋 转 ， 一 个 控 制 臂 的 移 动 。北 京 和 德 宇 航 技 术 有 限 公 司China Head Aerospace Technology Co.Page： 4/31Figure 1 Diagnostic system for GIE erosion measurement: front view (top), System placed in a parking position when the thrust
12、er is firing (bottom)图 1 用 于 GIE 腐 蚀 测 量 的 诊 断 系 统 ， 正 面 图 （ 上 图 ）， 推 进 器 点 火 时 系 统 处 于 固 定 位 置 （ 下 图 ）The system consists of a supporting structure and of an inspection optical head. The supporting structure includes the following main subsystems: 系 统 由 一 个 支 持 结 构 和 一 个 光 学 探 头 组 成 。 支 持 结 构 主 要 由
13、 以 下 分 系 统 够 成 ： Translation stage 移 动 台 Rotation stage 旋 转 臂 Sustaining arm 支 撑 臂 Protective box 保 护 箱The optical head consists of a long working distance objective with the following characteristics: 光 学 探 头 具 有 长工 作 距 离 物 镜 ， 其 特 性 如 下 : Parameter 参 数 Unit 单 位 Value 数 值Field of view 视 场 mm 5.33Re
14、solution 分 辨 率 mm 0.005Depth of Field 景 深 mm 0.408北 京 和 德 宇 航 技 术 有 限 公 司China Head Aerospace Technology Co.Page： 5/31Working Distance 工 作 距 离 mm 175The measurement system allows the inspection of the acceleration grid (measurement of the hole diameter variation across a diameter of the grid). 系 统 也
15、 可 进 行 加 速 极 检 测 （ 通 过 一 个 网 格 的 直 径 测 量 孔 径 的 差 异 ）。Parameter 参 数 Unit 单 位 Value 数 值GIE diameter range GIE 直 径 范 围 mm 50300Image resolution 图 像 分 辨 率 m 5Field of view 视 场 mm 5.3Measurement type 测 量 种 类 - Hole diameter 孔 径Grid deformation 网 格 变 形Working distance 工 作 距 离 mm 175The Tele-microscopy sys
16、tem has been designed with the aim of performing successive erosion measurements during GIE tests with no need of re-opening the vacuum chamber. This greatly reduces the risk of contamination and saves a considerable amount of time if multiple measurements are to be taken along an endurance test. Th
17、e remarkable advantage of performing a series of successive measurements lies in the opportunity of recording not only the total erosion after a certain number of firing hours, but also a time-history of the erosion (thus providing information about how the erosion rate varies in time).远 程 显 微 系 统 的
18、 设 计 可 在 GIE 测 试 时 进 行 连 续 腐 蚀 测 量 ， 而 无 须 再 次 打 开 真 空 灌 ， 这 大 大 减 小 了 污 染 的风 险 ， 并 且 为 耐 久 试 验 的 多 次 测 量 节 省 了 大 量 的 时 间 。 连 续 测 量 的 最 大 优 势 不 仅 可 以 记 录 工 作 数 小 时 后的 整 体 腐 蚀 情 况 ， 也 可 以 记 录 随 时 间 变 化 的 腐 蚀 情 况 （ 因 此 可 以 了 解 随 时 间 变 化 的 腐 蚀 速 率 ）。Figure 2 Calibration images taken on a brand new grid
19、图 2 全 新 网 格 的 校 准 图 像Comment G1: 不 要 温 度 测 量 的相 机 可 节 省 多 少 成 本 ？ 我 们暂 时 不 需 这 种 功 能 。北 京 和 德 宇 航 技 术 有 限 公 司China Head Aerospace Technology Co.Page： 6/312.2 Infrared-Camera System for HET Temperature Measurement 用 于 HET温 度 测 量 的 红 外 照 相 机By using an infrared camera it is possible to monitor the tem
20、perature of the thruster assembly during the test. Alta provides an advanced diagnostic system with the infrared camera installed right inside the vacuum chamber in order to have an optimal view of the item whose temperature has to be monitored. Besides, in this way the camera can be placed closer t
21、o the thruster (w.r.t. an infrared camera placed outside the chamber and operating through one of the available viewports), resulting in a higher spatial resolution of the acquired images. 测 试 过 程 中 推 进 器 部 件 的 温 度 可 通 过 红 外 照 相 机 监 测 。Alta提 供 的 带 有 红 外 照 相 机 的 诊 断 系 统 科 直 接 安 装 于 真 空 管 内 部 ， 以 获 得
22、被 测 物 体 的 最 佳 视 图 。 此 外 ，相 机 更 加 靠 近 推 进 器 ， 可 获 得 较 高 的 空 间 分 辨 率 （ 放 置 在 真 空 罐 外 部 的 红 外 相 机 只 能 通 过 一 个 可 用 视 点照 射 ） 。The infrared camera has the following characteristics:红 外 相 机 具 有 以 下 特 性 ：Parameter参 数 Value数 值Measuring Range测 量 范 围 0-800Error误 差 2%Temperature Resolution温 度 分 辨 率 0.08CCD size
23、 CCD尺 寸 384 X 288 pxWavelength Range波 长 范 围 8-14 mAs an option, the following more performing camera could be provided: * Sensor : microbolometric NON-cooled 384 x 288 pixels * Spectral range : 814 micron * Measurement Range(s) : 1) 0 - 200 C 2) 150 - 800 C 3) 200 - 1000 C * Temperature resolution:
24、80 mK (range 1, 30 C, 50Hz) * Field of View (FOV) : 15 x 12* Minimal focal distance: 0.75 m * Target image: about 280 x 205 mm 1 m distance * Pixel measurement spot: 0.8 mm 1 m distance * Different possible acquisition frequencies :selectable between 50Hz, 25Hz, 12.5Hz,. 北 京 和 德 宇 航 技 术 有 限 公 司China
25、 Head Aerospace Technology Co.Page： 7/31* Measure uncertainty: 2K(T 100C) or 2% of the measured value in C * Repeatability: 1% of the reading * Measuring distance : from 75 cm to “infinity” * Working temperature : -1050 C * Interface: Fast Ethernet (real-time 50Hz max) * 4 I/O digital ports: digital
26、 inputs (trigger), digital output (alarm) * Power Input : 1036Vcc, 5VA * Weight : about 1.6 kg * Dimensions (mm) : 85 x 175 x 107 mm * Protection : IP54以 下 性 能 较 高 的 相 机 作 为 可 选 项 目 提 供 ： 传 感 器 ： 微 测 辐 射 热 非 冷 却 382x288pixels 光 谱 范 围 ： 814 微 米 测 量 范 围 ： 1) 0 - 200 C 2) 150 - 800 C 3) 200 - 1000 C 温
27、度 分 变 率 ： 80 mK (range 1, 30 C, 50Hz) 视 场 （ FOV） ： 15 x 12 最 小 焦 距 ： 0.75m 靶 像 ： 约 280x205mm1m 距 离 像 素 测 量 点 ： 0.8mm1m 距 离 不 同 采 集 频 率 ： 可 选 频 率 50Hz， 25Hz， 12.5Hz 测 量 不 确 定 度 ： 所 测 值 的 2K（ T 100C） 或 2%， 单 位 可 重 复 性 ： 显 示 的 1% 测 量 距 离 ： 75mm 到 无 限 远 工 作 温 度 ： -1050 C 接 口 ： 快 速 以 太 网 （ 最 大 值 实 时 50Hz
28、） 种 I/O 数 字 分 类 ： 数 字 输 入 （ 触 发 ） ， 数 字 输 出 （ 警 报 ） 电 源 输 入 ： 1036Vcc, 5VA 重 量 ： 约 1.6kg 外 形 尺 寸 （ mm） ： 85 x 175 x 107 mm 保 护 ： IP54In Figure 3 a scheme of the infrared-camera system is displayed. The camera is contained in a sealed box, where atmospheric pressure is maintained (since the camera ca
29、nnot operate in vacuum). 图 3 为 红 外 相 机 系 统 示 意 图 ， 相 机 处 于 密 封 箱 内 ， 可 保 持 大 气 压 强 （ 相 机 不 能 再 真 空 环 境 工 作 ）。北 京 和 德 宇 航 技 术 有 限 公 司China Head Aerospace Technology Co.Page： 8/31Figure 3: Infrared-camera diagnostic system图 3 红 外 相 机 诊 断 系 统The optical window of the protecting box is made of germanium
30、, a material which is transparent to wavelengths in the range of interest for infrared measurements (8-14 m). When the camera is turned off, a shutter (actuated by a stepper motor) protects the germanium window from the sputtered particles that could impinge on it. Images acquired with the infrared
31、camera are elaborated via a in-house developed software (a sample screenshot is presented in Figure 4). 保 护 箱 的 光 学 窗 口 由 锗 制 成 ， 可 透 过 红 外 波 长 测 量 范 围 （ 8-14m） 。 相 机 关 闭 后 ， 步 进 电 机 控 制 的 遮 光 器可 保 护 锗 窗 ， 以 防 溅 射 颗 粒 的 影 响 。 红 外 相 机 采 集 的 图 像 通 过 自 主 研 制 软 件 分 析 （ 图 4 是 该 软 件 的 一 个 截图 ） 。Figure 4 S
32、oftware for handling the images acquired with the infrared camera图 4 红 外 相 机 图 像 处 理 软 件北 京 和 德 宇 航 技 术 有 限 公 司China Head Aerospace Technology Co.Page： 9/31The list of components of the system is: 系 统 组 件 清 单 ：1) Pressure sensors 压 力 传 感 器2) Glass lenses 玻 璃 镜 头3) Stepper Motors 步 进 电 机4) Drivers 驱
33、动 器5) Visual camera(s) 可 视 相 机6) IR Camera IR 相 机7) Structure (adapted to the chosen vacuum facility diameter) 结 构 （ 适 用 所 选 真 空 设 备 直 径 ）8) Sledge, Guides, Bearings, Gears etc. 拖 运 器 ， 说 明 书 ， 轴 承 ， 传 动 装 置9) Cables and connectors 电 缆 与 连 接 器10) Feed-throughs 馈 入 装 置11) Electronics 电 子 仪 器12) Contr
34、ol Computer 控 制 计 算 机13) Microswitch 微 型 开 关14) Software 软 件2.3 Literature overview 文 献 查 阅A list of papers available in literature on the problem of erosion measurement is given below.以 下 列 出 的 是 关 于 腐 蚀 测 量 的 参 考 文 献 。 M.T. Domonkos,A.D. Gallimore, “Thermographic Investigation of 3.2 mm diameter o
35、rificed hallow cathodes”, AIAA-98-3793 S. Mazouffre, J. Perez Luna, D. Gawron, P. Echegut, M. Dudeck, “An infrared thermography study on the thermal load experienced by a high power Hall effect thruster”, 29th IEPC, Princeton, NJ, paper 63 (2005). R. E. Stevens, M. T. Domonkos, “Methodology and Feas
36、ibility of In-Situ Erosion Measurements in Carbon- Based Ion Thruster Grids by Laser Induced Fluorescence,“ IEPC-01-311 M. T. Domonkos, R. E. Stevens, “Assessment of Spectroscopic, Real-Time Ion Thruster Grid Erosion-Rate Measurements,“ AIAA 2000-3815, 36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Confer
37、ence and Exhibit, 2000. E. J. Beiting, “Precision Measurements of Ion-Engine Grids for Erosion Studies” J. E. Polk, J .R. Anderson, J. R. Brophy,V. K. Rawlin, M. J. Patterson, J. Sovey, “In Situ, Time-Resolved Accelerator Grid Erosion Measurements in the NSTAR 8000 Hour Ion Engine Wear Test “, AIAA
38、97-1114 L.S. Mason, R.S. Jankovsky, “1000 hours of testing on a 10 kilowatt Hall effect thruster “, AIAA-2001-3773, 37th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, , 2001 R.S. Jankovsky, “Preliminary Evaluation of a 10 kW Hall Thruster “, AIAA-99-0456 J. Tomaszewski. R. Branam, W. H
39、argus, “Characterization of a Hall Effect Thruster Using Thermographic 北 京 和 德 宇 航 技 术 有 限 公 司China Head Aerospace Technology Co.Page： 10/31Imaging “ . AIAA-2007-0584 3 Customer requirements 用 户 需 求3.1 Introduction 引 文The Lanzhou Institute of Physics aims at the measurement of the grid erosion produ
40、ced on 1 kW-class ion engines to be placed in a dedicated new vacuum chamber and subjected to long duration tests. Accuracy, easiness of use, and reliability of the system are the key requirements that will be detailed in the next sections.510 所 旨 在 测 量 其 专 有 的 新 型 真 空 灌 内 1kW 级 等 离 子 发 动 机 所 产 生 的
41、栅 极 腐 蚀 ， 并 进 行 长 期 测 试 。 操 作的 精 确 、 可 靠 、 简 易 和 系 统 的 可 靠 是 关 键 要 求 ， 详 见 一 下 章 节 。3.2 Detailed customer requirements 客 户 详 细 要 求R-01 - Target thruster grid dimensions 目 标 推 进 器 栅 极 尺 寸The erosion measure should be made on grids up to 300 mm in diameter. The grids will not be plane, but curved.对 直
42、径 达 300mm 的 栅 极 进 行 腐 蚀 测 量 ， 栅 极 不 非 平 面 而 是 曲 面 。R-02 Primary erosion measurement 初 始 腐 蚀 测 量The primary erosion measurement will be concerned with the hole erosion on the external grid (a dimension change of few percentage points should be considered as target for the minimum detectable erosion).
43、初 始 腐 蚀 测 量 主 要 涉 及 的 是 外 部 栅 极 的 孔 腐 蚀 （ 最 小 可 测 腐 蚀 应 考 虑 到 几 个 百 分 点 的 外 形 变 化 ）。R-03 Secondary erosion measurement 二 次 腐 蚀 测 量Pit-groove erosion should also be measured, if possible (if compatible with resolution and illumination). 如 可 以 也 应 测 量 坑 槽 腐 蚀 （ 如 果 符 合 分 辨 率 与 光 照 条 件 ）R-04 Additional
44、 Feature 附 加 特 性If possible, the ESM software should allow a posteriori reconstruction of a 3D image from two separate pictures taken with slightly different angle of the camera(s).如 果 可 以 ， ESM 软 件 通 过 两 张 角 度 略 有 差 别 的 图 像 可 后 期 合 成 3D 图 像 。R-05 - Type of thruster 推 进 器 类 型The used thruster will be a Gridded Ion Engine. 栅 极 离 子 发 动 机
