CN104454417A - 双阶栅极螺旋波离子推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双阶栅极螺旋波离子推进装置，包括放电室、螺旋波激发天线、金属套筒、电磁线圈和双阶栅极系统，所述螺旋波激发天线与射频功率源相连，且套设于放电室外部，所述螺旋波激发天线和放电室均设于金属套筒内部，所述电磁线圈套设于金属套筒外部，所述放电室的末端设有双阶栅极系统，所述双阶栅极系统包括距离放电室由近及远依次设置的屏栅、引出栅、加速栅和减速栅，所述屏栅、引出栅、加速栅和减速栅上均设有栅极孔。本发明采用螺旋波等离子体源与双阶栅极结合的方式可以实现推进器在高功率下工作，实现高比冲、高推进能力的可靠性能。

Description

双阶栅极螺旋波离子推进装置

技术领域

本发明涉及航天器发动机和空间推进技术领域，具体涉及一种双阶栅极螺旋波离子推进装置。

背景技术

目前，空间推进用于航天器在太空飞行阶段，其功能是为航天器姿态控制、南北位置保持、轨道机动和离轨等任务提供动力。空间推进技术一般可以分为化学推进和电推进，以及一些其它的推进技术(如核能推进，太阳帆推进技术)。目前，电推进技术因其高比冲的优势已逐渐成为空间小推力推进装置的首选方案，而长寿命卫星和遥远星体探测飞行器的任务特点是飞行时间漫长、长期受到微扰，因此应用具有长寿命、高可靠性、高效率、高比冲特点的等离子体推进对未来长寿命卫星和空间探测器的可靠飞行将具有举足轻重的作用。

在目前大部分使用和研制的等离子体推进系统中，推进工质通过与高能电子的碰撞产生等离子体，电离效率较低，而且由于电极的存在，推进器的寿命受到电极烧蚀的限制，为了避免电极腐蚀，推进工质的选择范围也大大缩小。因此，为了克服目前等离子体推进系统的这些缺点，一种基于无电极烧蚀、高等离子体密度和高电离率的螺旋波等离子体源的推进装置得到了迅速发展，称为螺旋波双层推进器(简称HDLT)或螺旋波等离子体推进器(简称HPT)。

进一步的实验研究表明，仅源于螺旋波等离子体双层效应加速离子而作为推进方式的效果并不明显，现有技术条件下，HPT的比冲与传统化学推进相当，推进能力不足，无法满足未来长寿命卫星平台、空间站和深空探测器的需求。

发明内容

本发明针对以上提出的推进装置比冲和推力性能不足的问题，而研究设计一种双阶栅极螺旋波离子推进装置。本发明采用的技术手段如下：

一种双阶栅极螺旋波离子推进装置，包括放电室、螺旋波激发天线、金属套筒、电磁线圈和双阶栅极系统，所述螺旋波激发天线与射频功率源相连，且套设于放电室外部，所述螺旋波激发天线和放电室均设于金属套筒内部，所述电磁线圈套设于金属套筒外部，所述放电室的末端设有双阶栅极系统，所述双阶栅极系统包括距离放电室由近及远依次设置的屏栅、引出栅、加速栅和减速栅，所述屏栅、引出栅、加速栅和减速栅上均设有栅极孔。

进一步地，所述金属套筒为钛合金套筒。钛合金质量轻、物理化学性能稳定、强度高，是用于航天领域的优选材料。

进一步地，所述电磁线圈由金属铜制成。

进一步地，所述栅极孔呈同心圆式排布，即栅极孔的中心位于同心圆或同心圆的中心上，以产生较高的离子透过率。

进一步地，所述屏栅、引出栅、加速栅和减速栅由钼或碳基复合材料制成。

与现有技术比较，本发明所述的一种双阶栅极螺旋波离子推进装置结合螺旋波等离子体无电极的优势以及可产生高密度等离子体的特点，采用双阶栅极高效加速离子而产生推力，可以实现推进器在高功率下工作，实现高比冲、高推进能力的可靠性能，可作为一种大功率等离子体推进装置而满足未来长寿命卫星平台、空间站和深空探测器等大型航天器的在比冲和推力性能方面的需求。

附图说明

图1是本发明实施例双阶栅极螺旋波离子推进装置结构示意图。

图2是本发明实施例中所述的双阶栅极系统结构原理示意图。

图3是本发明实施例中栅极板结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种双阶栅极螺旋波离子推进装置，包括放电室102、螺旋波激发天线101、金属套筒105、电磁线圈103和双阶栅极系统104，且套设于放电室102外部，所述螺旋波激发天线101和放电室102均设于金属套筒105内部，与金属套筒105同轴设置，所述电磁线圈103套设于金属套筒105外部，电磁线圈103主要起到提供磁场的作用，金属套筒105在作为绕线箍的同时起到屏蔽作用，即屏蔽螺旋波激发天线101向外部空间辐射能量，而使射频产生的功率全部约束在放电室102内。所述放电室顶部设有工质气体入口106，工质气体供应系统主要提供中性工质气体，工质气体从工质气体入口进入放电室102，放电室102的末端设有双阶栅极系统104。

所述螺旋波激发天线101与射频功率源相连，电流流过螺旋波激发天线101激发了随时间变化的磁场，进而产生电场，电场加速气体中的自由电子直至发生电离，形成等离子体，基于螺旋波等离子体在膨胀磁场中存在的无电流双层效应加速离子能够产生一定的推力。

如图2所示，所述双阶栅极系统104包括距离放电室由近及远依次设置的栅极板：屏栅201、引出栅202、加速栅203和减速栅204，所述屏栅201、引出栅202、加速栅203和减速栅204上均设有栅极孔205。对于传统栅极的离子推进器，推力密度的限制在于屏栅和加速栅之间离子的引出和加速过程相互耦合所致。解决该问题的思路便是将离子的引出和加速过程分离，需在屏栅和加速栅之间增置一个引出栅，即为双阶栅极，从而实现离子的引出和加速过程分离，进而满足大功率等离子体推进装置的设计和性能要求。离子运动出栅极系统时，会与中性原子发生偶然的电荷交换(CEX)碰撞。这些碰撞的结果会产生低能量的离子，低能量离子被电场加速向加速栅撞击，引起栅极的溅射侵蚀。所以，在下游经常会设置一个减速栅，用以保护加速栅免受CEX离子的撞击。

所述金属套筒105为钛合金套筒。钛合金质量轻、物理化学性能稳定、强度高，是用于航天领域的优选材料。

所述电磁线圈103由金属铜制成，铜具有良好的导电性电磁线圈103的长度大于螺旋波激发天线101的长度。

如图3所示，所述栅极孔205呈同心圆式排布，位于中间的栅极孔205的圆心为栅极板的中心，其余栅极孔的中心均位于以栅极板中心为圆心的同心圆上，以此方式排布在栅极板上，以便于离子引出，产生较高的离子透过率。

所述屏栅201、引出栅202、加速栅203和减速栅204由钼或碳基复合材料制成。

本实施例采用螺旋波等离子体源与双阶栅极结合的方式可以实现推进器在高功率下工作，实现高比冲、高推进能力的可靠性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双阶栅极螺旋波离子推进装置，其特征在于：包括放电室、螺旋波激发天线、金属套筒、电磁线圈和双阶栅极系统，所述螺旋波激发天线与射频功率源相连，且套设于放电室外部，所述螺旋波激发天线和放电室均设于金属套筒内部，所述电磁线圈套设于金属套筒外部，所述放电室的末端设有双阶栅极系统，所述双阶栅极系统包括距离放电室由近及远依次设置的屏栅、引出栅、加速栅和减速栅，所述屏栅、引出栅、加速栅和减速栅上均设有栅极孔。

2.根据权利要求1所述的双阶栅极螺旋波离子推进装置，其特征在于：所述金属套筒为钛合金套筒。

3.根据权利要求1所述的双阶栅极螺旋波离子推进装置，其特征在于：所述电磁线圈由金属铜制成。

4.根据权利要求1所述的双阶栅极螺旋波离子推进装置，其特征在于：所述栅极孔呈同心圆式排布。

5.根据权利要求1所述的双阶栅极螺旋波离子推进装置，其特征在于：所述屏栅、引出栅、加速栅和减速栅由钼或碳基复合材料制成。