CN106014899B - 螺旋波等离子体感应式推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋波等离子体感应式推力器，包括放电腔，放电腔的外部依次设置第一磁体、第二磁体；放电腔的外壁沿轴向依次设置螺旋波放电天线、感应加速线圈；还包括：螺旋波放电电路，为螺旋波放电天线提供工作电源；脉冲感应放电电路，与感应加速线圈连接且为其提供脉冲放电电压以驱动螺旋波等离子体加速推出；时序控制电路，连接螺旋波放电电路及脉冲感应放电电路。本发明具有无电极腐蚀、电离密度大、使用寿命长的优点，且通过电离级与加速级的高效解耦，实现了电离与加速级的高效分离，加速级的电容所需电压下降，系统尺寸及重量得到极大的缩减，利于推力器的小型化、轻量化及固态化。

Description

螺旋波等离子体感应式推力器

技术领域

本发明涉及空间探测领域，特别地，涉及一种用于空间探测的螺旋波等离子体感应式推力器。

背景技术

电推进在空间探测中具有广阔应用前景，与传统化学推进相比，其具有高比冲、长寿命、精确推力控制等特点。电推力器按推力形成方式的不同可以分为电热式推力器、静电式推力器以及电磁式推力器等，目前经过在轨运行的主要是静电式推力器，但电磁式推力器由于不受空间朗缪尔电荷效应限制而具有较高能量密度，成为非常具有潜力的新型推进方式。

离子推力器是一种较为成熟的静电式推力器，它利用空心阴极发射热电子使工质气体电离，再通过栅格电场使离子加速喷出形成推力。在离子推力器工作过程中不可避免地存在电极腐蚀，电极的寿命制约了推力器寿命，在深空探测等长寿命任务中的应用受到制约。另一方面，粒子通过静电场加速，推力器的能量密度较低。

另一种感应式脉冲等离子体推力器(Inductive Pulsed Plasma Thruster，IPPT，或者在较早期的资料中称为Pulsed Inductive Thruster，PIT)属于高功率高效率的电磁式推力器，它是一种电离-加速一体式的结构：通过平板式感应线圈使气体电离，利用感应线圈在等离子中诱导电流所受到的洛伦兹力对等离子体进行加速，具有高比冲、高效率的优点。但是IPPT所需电功率为数十kW量级，其应用受到现阶段星载电源功率水平的制约；同时，IPPT的结构中需要较大规模的高压电容组(数十kV)，很难实现小型化、轻量化。

发明内容

本发明提供了一种螺旋波等离子体感应式推力器，以解决现有的离子推力器由于存在电极腐蚀导致的工作寿命受限和IPPT所需电功率高，导致现有的星载电源功率无法匹配及其结构难以小型化、轻量化的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种螺旋波等离子体感应式推力器，包括用于在其内腔形成螺旋波等离子体的放电腔，放电腔的外部依次设置用于在放电腔内形成轴向磁场的第一磁体、用于在放电腔内形成径向磁场的第二磁体；放电腔的外壁沿轴向依次设置用于将导入的工质气体在轴向磁场中电离生成螺旋波等离子体的螺旋波放电天线、用于将螺旋波等离子体在径向磁场中加速推出的感应加速线圈；螺旋波等离子体感应式推力器还包括：

螺旋波放电电路，与螺旋波放电天线连接且为其提供工作电源；

脉冲感应放电电路，与感应加速线圈连接且为其提供脉冲放电电压以驱动螺旋波等离子体加速推出；

时序控制电路，连接螺旋波放电电路及脉冲感应放电电路，以触发螺旋波放电电路及脉冲感应放电电路的工作时序。

进一步地，螺旋波放电电路包括射频功率电源及阻抗匹配网络，射频功率电源经阻抗匹配网络连接螺旋波放电天线，其中，阻抗匹配网络用于使射频功率电源的输出阻抗与螺旋波放电天线的负载阻抗匹配。

进一步地，阻抗匹配网络包括连接于射频功率电源两端的第一可变电容、连接于螺旋波放电天线两端的第二可变电容及设于第一可变电容与第二可变电容之间的定值电感。

进一步地，脉冲感应放电电路包括：

直流电源，直流电源的正极依次经第一固态开关、第二固态开关、感应加速线圈连接至直流电源的负极，第一固态开关与第二固态开关的连接处和直流电源的负极之间设置电容，电容与感应加速线圈并联以对感应加速线圈进行放电控制。

进一步地，时序控制电路包括：

逻辑控制电路，用于生成时序控制信号；

信号发生器，连接逻辑控制电路，用于根据时序控制信号生成高低电平的时序信号；

射频电源触发电路，连接信号发生器及螺旋波放电电路，用于接收时序信号以触发螺旋波放电电路为螺旋波放电天线提供工作电源；

脉冲感应触发电路，连接信号发生器及脉冲感应放电电路，用于接收时序信号以触发脉冲感应放电电路为感应加速线圈提供脉冲放电电压。

进一步地，第一磁体及第二磁体均为永磁体，采用N35EH钕铁硼烧结成型，剩余磁通密度不小于1.2T，耐受温度不低于200℃。

进一步地，第一磁体及第二磁体的内表面均经绝热材料包覆。

进一步地，放电腔采用石英熔融成型，且放电腔在螺旋波放电天线与感应加速线圈之间的区域设置为扩张型面，其扩张线型与内部对应的磁力线线型一致。

进一步地，放电腔的入口处设有用于注入工质气体的法兰输入结构。

进一步地，螺旋波放电天线采用双臂半波长螺旋形天线。

本发明具有以下有益效果：

本发明螺旋波等离子体感应式推力器，利用感应式电离生成螺旋波等离子体，在通过感应加速线圈放电驱动螺旋波等离子体在径向磁场中加速推出，与离子推力器相比，本发明方案具有无电极腐蚀、电离密度大、使用寿命长的优点，且相对于IPPT，本发明通过电离级与加速级的高效解耦，实现了电离与加速级的高效分离，加速级的电容所需电压下降，系统尺寸及重量得到极大的缩减，利于推力器的小型化、轻量化及固态化，本发明的推力器的功率约为KW级，满足现阶段星载电源功率系统所提供的功率水平，且同时具备高达数千秒的工作比冲，在空间推进尤其是深空探测中具有广泛应用前景。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例螺旋波等离子体感应式推力器的结构示意图；

图2是本发明优选实施例中螺旋波放电电路的结构示意图；

图3是本发明优选实施例中脉冲感应放电电路的结构示意图；

图4是本发明优选实施例中时序控制电路的结构示意图。

附图标记说明：

1、放电腔；

2、第一磁体；

3、第二磁体；

4、螺旋波放电天线；

5、感应加速线圈；

6、螺旋波放电电路；61、射频功率电源；62、阻抗匹配网络；

621、第一可变电容；622、第二可变电容；623、定值电感；

7、脉冲感应放电电路；71、直流电源；72、第一固态开关；

73、第二固态开关；74、电容；75、第一固态开关光敏驱动电路；

76、第二固态开关光敏驱动电路；77、续流二极管；

8、时序控制电路；81、逻辑控制电路；82、信号发生器；

83、射频电源触发电路；84、脉冲感应触发电路；85、第一发光二极管；

86、第二发光二极管；

9、法兰输入结构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种螺旋波等离子体感应式推力器，包括用于在其内腔形成螺旋波等离子体的放电腔1，放电腔1的外部依次设置用于在放电腔1内形成轴向磁场的第一磁体2、用于在放电腔1内形成径向磁场的第二磁体3；放电腔1的外壁沿轴向依次设置用于将导入的工质气体在轴向磁场中电离生成螺旋波等离子体的螺旋波放电天线4、用于将螺旋波等离子体在径向磁场中加速推出的感应加速线圈5；本实施例螺旋波等离子体感应式推力器还包括：螺旋波放电电路6，与螺旋波放电天线4连接且为其提供工作电源，激励螺旋波放电天线4发射电磁波使工质气体电离为高密度等离子体；脉冲感应放电电路7，与感应加速线圈5连接且为其提供脉冲放电电压以驱动螺旋波等离子体加速推出；时序控制电路8，连接螺旋波放电电路6及脉冲感应放电电路7，以触发螺旋波放电电路6及脉冲感应放电电路7的工作时序。

本实施例螺旋波等离子体感应式推力器，螺旋波放电天线4使工质气体电离为高密度螺旋波等离子体，再通过感应加速线圈5放电驱动螺旋波等离子体在径向磁场中加速推出，与离子推力器相比，本发明方案具有无电极腐蚀、电离密度大、使用寿命长的优点，且相对于IPPT，本发明通过电离级与加速级的高效解耦，实现了电离与加速级的高效分离，加速级的电容所需电压下降，系统尺寸及重量得到极大的缩减，利于推力器的小型化、轻量化及固态化，本发明的推力器的功率约为KW级，满足现阶段星载电源功率系统所提供的功率水平，在空间推进尤其是深空探测中具有广泛应用前景。

优选地，本实施例螺旋波放电天线4采用m＝+1模射频天线，使得工质气体在轴向磁场内电离生成螺旋波等离子体，且由于电子在强磁场中绕磁力线作半径很小的回旋运动，因此，在第一磁体2的下游出口处，电子随着扩张的磁力线快速膨胀，等离子体电势也随之迅速下降，离子在等离子体电势差的作用下获得初步的加速运动；等离子体进入感应加速区域后，脉冲感应放电电路7进入放电模式，以在感应加速线圈5中快速导通形成切向的电流，等离子体中感应生成方向相反的环形诱导电流，由于诱导电流方向与第二磁体3产生的径向磁场方向垂直，等离子体受到感应加速区域的推力被进一步加速推出。更优选地，螺旋波放电天线4采用如图1所示的双臂半波长螺旋形天线，以获得较高等离子体密度。

优选地，第一磁体2及第二磁体3均采为永磁体，采用N35EH钕铁硼烧结成型，剩余磁通密度不小于1.2T，耐受温度不低于200℃。其中，第一磁体2一方面提供轴向螺旋波电离的轴向磁场，另一方面提供等离子体初步加速的发散磁场；第一磁体2采用轴向充磁。第二磁体3提供等离子体加速所需的径向磁场，且采用辐射方向充磁。由于螺旋波放电天线4和感应加速线圈5在工作时都会产生热量，为了避免磁场收到干扰，优选地，第一磁体2及第二磁体3的内表面均经绝热材料包覆。

本实施例中，放电腔1采用石英熔融成型，且放电腔1在螺旋波放电天线4与感应加速线圈5之间的区域设置为扩张型面，其扩张线型与内部对应的磁力线线型一致。由于等离子体在螺旋波放电天线4和感应加速线圈5之间会得到初步加速，采用该结构的放电腔1可以保证最佳的加速效果。本实施例中，放电腔1的入口处设有用于注入工质气体的法兰输入结构9，以方便将工质气体导入放电腔1内。

参照图2，本实施例螺旋波放电电路6包括射频功率电源61及阻抗匹配网络62，射频功率电源61经阻抗匹配网络62连接螺旋波放电天线4，其中，阻抗匹配网络62用于使射频功率电源61的输出阻抗与螺旋波放电天线4的负载阻抗匹配，以保护射频功率电源61并使输出功率最大化。优选地，阻抗匹配网络62采用“π”形匹配网络，参照图2，阻抗匹配网络62包括连接于射频功率电源61两端的第一可变电容621、连接于螺旋波放电天线4两端的第二可变电容622及设于第一可变电容621与第二可变电容622之间的定值电感623。该“π”形匹配网络对强感性负载具有较为理想的匹配能力。

参照图3，本实施例脉冲感应放电电路7包括：直流电源71，直流电源71的正极依次经第一固态开关72、第二固态开关73、感应加速线圈5连接至直流电源71的负极，第一固态开关72与第二固态开关73的连接处和直流电源71的负极之间设置电容74，电容74与感应加速线圈5并联以对感应加速线圈5进行放电控制，感应加速线圈5两端并联续流二极管77，防止感性的放电线圈在放电周期内电流反向。其中，第一固态开关72通过第一固态开关光敏驱动电路75控制开断，第二固态开关73通过第二固态开关光敏驱动电路76控制开断。优选地，第一固态开关72和第二固态开关73可采用静电感应晶闸管(Static InductionThyristor，SITH)，由于在IPPT的脉冲放电周期中电压、峰值电流和电流变化率过大，其电路控制不得已采用气态球隙开关；而本发明技术的条件下的放电参数相对较低，可采用高功率的全控固态开关进行电路控制，因而具有稳定性更高、寿命更长、响应更加快速的特点。当第一固态开关72导通、第二固态开关73断开时，电路处于充电模式，直流电源71对电容74进行充电；当第一固态开关72断开、第二固态开关73导通时，电路处于放电模式，电容74对感应加速线圈5进行快速放电，在等离子体中形成诱导电流，使得等离子体加速喷出。

参照图4，本实施例时序控制电路8包括：逻辑控制电路81，用于生成时序控制信号；信号发生器82，连接逻辑控制电路81，用于根据时序控制信号生成高低电平的时序信号；射频电源触发电路83，连接信号发生器82及螺旋波放电电路6，用于接收时序信号以触发螺旋波放电电路6为螺旋波放电天线4提供工作电源，以激励螺旋波放电天线4发射电磁波使工质气体电离为高密度等离子体；脉冲感应触发电路84，连接信号发生器82及脉冲感应放电电路7，用于接收时序信号以触发脉冲感应放电电路7为感应加速线圈5提供脉冲放电电压。具体地，脉冲感应触发电路84包括第一发光二极管85、第二发光二极管86，其中，第一发光二极管85与第一固态开关光敏驱动电路75相互耦合，第二发光二极管86与第二固态开关光敏驱动电路76相互耦合，通过控制发光二极管的亮灭来触发脉冲感应放电电路7为感应加速线圈5提供脉冲放电电压。本实施例中，逻辑控制电路81采用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)实现。T1时刻：PLC发出触发信号，信号发生器82向射频电源触发电路83输送高电平，触发射频电源输出功率，气体被电离形成高密度螺旋波等离子体；向脉冲感应触发电路84输送低电平，第一发光二极管85亮，第一固态开关72导通，第二发光二极管86灭，第二固态开关73断开，脉冲感应放电电路7进入充电模式。T2时刻：PLC发出触发信号，信号发生器82向射频电源触发电路83输送低电平，射频电源停止输出功率；向脉冲感应触发电路84输送高电平，此时等离子体通过初步加速后刚好到达感应加速线圈5的区域，第一发光二极管85灭，第一固态开关72断开，第二发光二极管86亮，第二固态开关73导通，脉冲感应放电电路7进入放电模式，等离子体受到进一步加速喷出。PLC的实际工作状态从T1到T2时刻循环，等离子体在推力器中被以脉冲的形式经过两级加速喷出形成推力。

从以上的描述可以得知，本实施例螺旋波放电天线4使工质气体电离为高密度螺旋波等离子体，再通过感应加速线圈5放电驱动螺旋波等离子体在径向磁场中加速推出，与离子推力器相比，本发明方案具有无电极腐蚀、电离密度大、使用寿命长的优点，且相对于IPPT，本发明通过电离级与加速级的高效解耦，实现了电离与加速级的高效分离，加速级的电容所需电压下降，系统尺寸及重量得到极大的缩减，利于推力器的小型化、轻量化及固态化，本发明的推力器的功率约为KW级，满足现阶段星载电源功率系统所提供的功率水平，在空间推进尤其是深空探测中具有广泛应用前景。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种螺旋波等离子体感应式推力器，其特征在于，包括用于在其内腔形成螺旋波等离子体的放电腔(1)，所述放电腔(1)的外部依次设置用于在所述放电腔(1)内形成轴向磁场的第一磁体(2)、用于在所述放电腔(1)内形成径向磁场的第二磁体(3)；所述放电腔(1)的外壁沿轴向依次设置用于将导入的工质气体在所述轴向磁场中电离生成螺旋波等离子体的螺旋波放电天线(4)、用于将所述螺旋波等离子体在所述径向磁场中加速推出的感应加速线圈(5)；所述螺旋波等离子体感应式推力器还包括：

螺旋波放电电路(6)，与所述螺旋波放电天线(4)连接且为其提供工作电源；

脉冲感应放电电路(7)，与所述感应加速线圈(5)连接且为其提供脉冲放电电压以驱动所述螺旋波等离子体加速推出；

时序控制电路(8)，连接所述螺旋波放电电路(6)及所述脉冲感应放电电路(7)，以触发所述螺旋波放电电路(6)及所述脉冲感应放电电路(7)的工作时序。

2.根据权利要求1所述的螺旋波等离子体感应式推力器，其特征在于，

所述螺旋波放电电路(6)包括射频功率电源(61)及阻抗匹配网络(62)，所述射频功率电源(61)经所述阻抗匹配网络(62)连接所述螺旋波放电天线(4)，其中，所述阻抗匹配网络(62)用于使所述射频功率电源(61)的输出阻抗与所述螺旋波放电天线(4)的负载阻抗匹配。

3.根据权利要求2所述的螺旋波等离子体感应式推力器，其特征在于，

所述阻抗匹配网络(62)包括连接于所述射频功率电源(61)两端的第一可变电容(621)、连接于所述螺旋波放电天线(4)两端的第二可变电容(622)及设于所述第一可变电容(621)与所述第二可变电容(622)之间的定值电感(623)。

4.根据权利要求1所述的螺旋波等离子体感应式推力器，其特征在于，

所述脉冲感应放电电路(7)包括：

直流电源(71)，所述直流电源(71)的正极依次经第一固态开关(72)、第二固态开关(73)、所述感应加速线圈(5)连接至所述直流电源(71)的负极，所述第一固态开关(72)与所述第二固态开关(73)的连接处和所述直流电源(71)的负极之间设置电容(74)，所述电容(74)与所述感应加速线圈(5)并联以对所述感应加速线圈(5)进行放电控制。

5.根据权利要求1所述的螺旋波等离子体感应式推力器，其特征在于，

所述时序控制电路(8)包括：

逻辑控制电路(81)，用于生成时序控制信号；

信号发生器(82)，连接所述逻辑控制电路(81)，用于根据所述时序控制信号生成高低电平的时序信号；

射频电源触发电路(83)，连接所述信号发生器(82)及所述螺旋波放电电路(6)，用于接收所述时序信号以触发所述螺旋波放电电路(6)为所述螺旋波放电天线(4)提供工作电源；

脉冲感应触发电路(84)，连接所述信号发生器(82)及所述脉冲感应放电电路(7)，用于接收所述时序信号以触发所述脉冲感应放电电路(7)为所述感应加速线圈(5)提供脉冲放电电压。

6.根据权利要求1所述的螺旋波等离子体感应式推力器，其特征在于，

所述第一磁体(2)及所述第二磁体(3)均为永磁体，采用N35EH钕铁硼烧结成型，剩余磁通密度不小于1.2T，耐受温度不低于200℃。

7.根据权利要求6所述的螺旋波等离子体感应式推力器，其特征在于，

所述第一磁体(2)及所述第二磁体(3)的内表面均经绝热材料包覆。

8.根据权利要求1所述的螺旋波等离子体感应式推力器，其特征在于，

所述放电腔(1)采用石英熔融成型，且所述放电腔(1)在所述螺旋波放电天线(4)与所述感应加速线圈(5)之间的区域设置为扩张型面，其扩张线型与内部对应的磁力线线型一致。

9.根据权利要求1所述的螺旋波等离子体感应式推力器，其特征在于，

所述放电腔(1)的入口处设有用于注入工质气体的法兰输入结构(9)。

10.根据权利要求1至9任一所述的螺旋波等离子体感应式推力器，其特征在于，

所述螺旋波放电天线(4)采用双臂半波长螺旋形天线。