CN106286178B - 离子碰撞加速式电推力器装置 - Google Patents

Abstract

本发明所述的离子碰撞加速式电推力器装置，涉及低轨道航天器的吸气式电推进领域。包括：石英管、阳极栅网、阴极栅网、阴极支撑架、电气入口及永磁环；石英管为圆柱形结构；包括管筒部、半球部、导孔部；半球部装于管筒部的一端；导孔部装于半球部的顶部，并与管筒部保持同轴；阳极栅网贴附于石英管的内壁设置；阴极栅网通过阴极支撑架装于石英管的内部；阴极栅网、阳极栅网及石英管保持同轴设置；电气入口固定连接在导孔部上；永磁环装于导孔部的外部，并与阳极栅网和阴极栅网同轴装配。本发明具有结构新颖、生产加工简便、性能稳定、安全可靠、应用广泛等特点，故属于一种集经济性与实用性为一体的新型离子碰撞加速式电推力器装置。

Description

离子碰撞加速式电推力器装置

技术领域

本发明所述的离子碰撞加速式电推力器装置，涉及低轨道航天器的吸气式电推进领域。

背景技术

近年来，随着国际航天技术的迅猛发展，低轨道卫星移动通信系统，如铱(Iridium)系统、白羊(Arics)系统、低轨卫星(Leo-Set)系统、卫星通信网络(Teledesic)系统，低轨道地球观测卫星，低轨道科学平台、低轨道军事侦察卫星和间谍卫星以及空间站及空间实验室等低轨道飞行器也逐渐成为航天器家族的重要成员。

为了提高卫星寿命，节约卫星发射成本，实现成本降低，能减少推进工质消耗的高比冲电推进技术在航天器上得到了广泛应用。近40年来，数百台载有电推力器的航天器发射升空。这些电推力器主要为GEO卫星系统提供控制力矩，完成姿态与轨道控制等任务，并有部分作为深空探测器的主发动机实现了轨道转移任务，如欧空局的SMART-1月球探测器、美国的DS-1深空探测器和日本的HAYABUSA小行星探测器。

由于低轨道空间仍然存在一定的大气，收集并充分利用低轨道空间的残留气体作为电推力器工质可以更有效的降低成本，延长卫星寿命。目前，在大部分使用和研制的电推进系统中，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，而且由于尖端电极的存在，推力器的寿命受到尖端电极烧蚀的限制，特别是低轨道大气环境中氧对尖端电极腐蚀尤为严重，对于尖端电极的电推力器无法应用。因此，为了满足低轨道航天器应用吸气式电推进系统的特点，申请人提出了一种新型的离子碰撞电离加速式电推力器。

电推力器可分为三种类型，分别为电热式、电磁式和静电式。现有技术条件下，分析认为作为低轨道航天器的吸气式电推进系统均存在明显不足，具体阐述如下：

对于电热式电推力器，大多数的电阻和电弧推力器采用氢气、肼或者氨气作为工质气体，若采用氧气作为推进工质，研究表明喷管喉部由于受到高温氧气流的冲刷烧蚀现象非常严重，大大限制了电推力器的寿命，因此无法利用低轨道残余大气中的氧气作为推进工质。

对于电磁式电推力器，磁等离子体动力推力器同样面临电极烧蚀的严重问题。脉冲等离子体推力器广泛采用固体推进工质，目前缺少大气组成气体作为工质的明确评估。霍尔推力器虽然具有较高的推力密度，但比冲相对较低，对于霍尔推力器的实验研究表明，以氮气或者氮气/氧气混合气体为工质，工作几百小时后，发现阳极腐蚀相当严重，在氧气放电条件下环形通道壁面腐蚀非常严重，无法满足低轨道吸气式电推进应用需求。

对于静电式电推力器，无论是微波离子推力器还是射频离子推力器，由于推力器结构包含离子光学系统而相对复杂，作为低轨道航天器吸气式电推进，大大降低了整体系统的可靠性，且加速离子喷出的离子光学系统在以大气组分作为推进工质时存在明显腐蚀，因此无法满足吸气式电推进系统的工作环境和要求。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的离子碰撞加速式电推力器装置，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

鉴于上述现有技术中所存在的问题，本发明的目的是研究设计一种新型的离子碰撞加速式电推力器装置。采用阳极栅和阴极栅间离子碰撞电离产生高密度等离子体的原理进行设计，在放电自身形成的电势差下产生离子束定向喷射，并通过永磁环在石英管出口处形成的发散磁场进一步加速离子束喷出，由于永磁环在放电区间形成近似轴向方向的磁场，电子在绕磁力线螺旋旋转的过程中可自由扩散至石英管出口，与被加速喷出的离子自行中和呈电中性，故无空心阴极和中和器等影响电推力器寿命的组部件，结构简单高效，可获得更高的比冲性能，并且该装置无尖端电极烧蚀，可应用于低轨道空间作为吸气式电推进系统应用，此外该装置的出口为开放式，离子通过率超过90％，可有效降低溅射侵蚀，保证推力器的长寿命。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

本发明所述的离子碰撞加速式电推力器装置，其特征在于所述的离子碰撞加速式电推力器装置包括：石英管、阳极栅网、阴极栅网、阴极支撑架、电气入口及永磁环；

本发明所述的石英管为圆柱形结构；包括管筒部、半球部、导孔部；半球部装于管筒部的一端；导孔部装于半球部的顶部，并与管筒部保持同轴；

本发明所述的阳极栅网贴附于石英管的内壁设置；

本发明所述的阴极栅网通过阴极支撑架装于石英管的内部；阴极栅网、阳极栅网及石英管保持同轴设置；

本发明所述的电气入口固定连接在导孔部上；

本发明所述的永磁环装于导孔部的外部，并与阳极栅网和阴极栅网同轴装配。

本发明所述的管筒部的内径为47.13～141.38mm，外径为50～150mm，管筒部长度小于300mm；所述的半球部的内圆直径为47.13～141.38mm，外圆直径为50～150mm；所述的导孔部的内径为4.93～14.80mm；外径为6.57～19.70mm；长度为11.67～35.00mm。

本发明所述的阳极栅网的长度为264.81mm；阳极栅网的前端呈半球形，半球的外径为47.13～141.38mm；中间呈筒型，直径为47.13～141.38mm；后端呈球缺形，球缺型的外径为47.13～141.38mm，长度为32.44mm。

本发明所述的阴极栅网的外径为12.17～36.5mm，长度为167.5mm。

本发明所述的阴极支撑架由聚四氟乙烯制成；阴极支撑架包括支撑环和支撑杆；支撑环的内径为12.17～36.5mm，外径为14.67～44mm，长度为10mm；支撑杆均布于支撑环的外部，支撑杆的自由端抵在石英管的内壁上，将阴极支撑架固定在石英管内。

本发明所述的电气入口由聚四氟乙烯制成；内径为6.57～19.70mm，外径为10～30mm。

本发明所述的永磁环的材质为钐钴；永磁环呈圆环形，内径为33.33～100mm，外径为60～180mm，长度为75mm。

通常气体放电形成等离子体由电子碰撞电离所致，而本发明的放电产生原理为离子在阴极栅网和阳极栅网之间往复运动碰撞中性气体而发生电离。对于核等离子体而言，阴极栅网施加几万伏的负电压，离子能量相当高，因此发生离子碰撞电离的几率很大，对于开放式的栅网结构，由于外部为阳极栅网，且电子碰撞后能量很快损失，因此电子不易约束而容易溢出。当应用于电推进装置时，阴极栅网施加几百伏到几千伏的负电压相当于离子可获得几百到几千电子伏特的能量，离子仍然处于比较高的能量值而产生碰撞电离。

在本发明中，阳极栅网电压为零，阴极栅网电压为负的几百到几千伏，具体所需电压大小与阳极栅网的孔尺寸有关，放电室内的等离子体与阳极栅之间形成等离子体鞘层，鞘层厚度必须大于阳极栅网孔特征尺寸的二分之一才能有效的将电子和离子约束，而鞘层厚度由阴极栅网施加电压决定。所述电推力器由等离子体定向喷射而产生推力，在设计上需采用特定的阳极栅网孔结构，通常推力器尾部网孔尺寸较大，由于阳极栅网孔中心的电势比导线电势低很多，则位于阴极栅网内部的离子聚集区域(虚拟阳极)的电势比阳极栅网孔中心的电势高，形成加速电压，加速离子喷出而产生推力，由于形成束流时，离子喷射会拉动电子一同喷出，因此束流呈中性，无需中和器。如果阳极栅网具有完全对称的孔结构，则所有的孔中心电势相同，当鞘层厚度小于阳极栅网孔特征尺寸的二分之一时，束流不可控，可从任意阳极栅网喷出。阴极栅网电压越高，粒子间的碰撞几率越高，致使等离子体密度越高。等离子体的半径取决于阳极栅网与阴极栅网半径之比，比值越大，产生的等离子体束流越细。理论上所述电推力器可达到离子推力器相近的比冲，比冲与栅网结构设计和最终的等离子体密度有关。所述电推力器无尖端电极烧蚀、无空心阴极和中和器等影响电推力器寿命的组部件，出口为开放式，离子通过率大于90％，可有效降低溅射侵蚀，保证推力器的长寿命。

本发明的优点是显而易见的，主要表现在：

1、比冲高：该装置由阳极栅和阴极栅产生等离子体，并在放电自身形成的电势差下产生离子束定向喷射，再通过永磁环的发散磁场进一步加速离子束喷出，从而获得更高的比冲性能；

2、寿命长：该装置无尖端电极烧蚀、无空心阴极和中和器等影响电推力器寿命的组部件，且该装置的出口为开放式，离子通过率超过90％，可有效降低溅射侵蚀，保证推力器的长寿命。

基于上述理由本发明可在低轨道航天器的吸气式电推进领域广泛推广。

本发明具有结构新颖、生产加工简便、性能稳定、安全可靠、应用广泛等优点，其大批量投入市场必将产生积极的社会效益和显著的经济效益。

附图说明

本发明共有5幅附图,其中：

附图1为本发明结构示意图；

附图2为阳极栅网和阴极栅网结构示意图；

附图3为阴极支撑架结构示意图；

附图4为电气入口结构示意图；

附图5为离子在本发明中的运行轨迹。

在图中：1、石英管 1.1、半球部 1.2、管筒部 1.3、导孔部 2、阳极栅网 3、阴极栅网 4、阴极支撑架 4.1、支撑环支撑杆 4.2、支撑杆 5、电气入口 6、永磁环 a、离子 b、离子轨迹。

具体实施方式

本发明的具体实施例如附图所示，离子碰撞加速式电推力器装置包括：石英管1、阳极栅网2、阴极栅网3、阴极支撑架4、电气入口5及永磁环6；

石英管1为圆柱形结构；包括管筒部1.2、半球部1.1、导孔部1.3；半球部1.1装于管筒部1.2的一端；导孔部1.3装于半球部1.1的顶部，并与管筒部保持同轴；

阳极栅网2贴附于石英管1的内壁设置；

阴极栅网3通过阴极支撑架4装于石英管1的内部；阴极栅网3、阳极栅网2及石英管1保持同轴设置；

电气入口5固定连接在导孔部1.3上；

永磁环6装于导孔部1.3的外部，并与阳极栅网2和阴极栅网3同轴装配。

管筒部1.2的内径为141.38mm，外径为150mm,管筒部长度小于300mm；所述的半球部1.1的内圆直径为141.38mm，外圆直径为150mm；所述的导孔部1.3的内径为14.80mm；外径为19.70mm；长度为35.00mm。

阳极栅网2的长度为264.81mm；阳极栅网2的前端呈半球形，半球的外径为141.38mm；中间呈筒型，直径为141.38mm；后端呈球缺形，球缺型的外径为141.38mm，长度为32.44mm。

阴极栅网3的外径为36.5mm，长度为167.5mm。

阴极支撑架4由聚四氟乙烯制成；阴极支撑架4包括支撑环4.1和支撑杆4.2；支撑环4.1的内径为36.5mm，外径为44mm，长度为10mm；支撑杆4.2均布于支撑环4.1的外部，支撑杆4.2的自由端抵在石英管1的内壁上，将阴极支撑架4固定在石英管1内。

电气入口5由聚四氟乙烯制成；内径为19.70mm，外径为30mm。

永磁环6的材质为钐钴；永磁环呈圆环形，内径为100mm，外径为180mm，长度为75mm。

以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所有熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明的构思加以等同替换或改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种离子碰撞加速式电推力器装置，其特征在于所述的离子碰撞加速式电推力器装置包括：石英管(1)、阳极栅网(2)、阴极栅网(3)、阴极支撑架(4)、电气入口(5)及永磁环(6)；

所述的石英管(1)为圆柱形结构；包括管筒部(1.2)、半球部(1.1)、导孔部(1.3)；半球部(1.1)装于管筒部(1.2)的一端；导孔部(1.3)装于半球部(1.1)的顶部，并与管筒部保持同轴；

所述的阳极栅网(2)贴附于石英管(1)的内壁设置；

所述的阴极栅网(3)通过阴极支撑架(4)装于石英管(1)的内部；阴极栅网(3)、阳极栅网(2)及石英管(1)保持同轴设置；

所述的电气入口(5)固定连接在导孔部(1.3)上；

所述的永磁环(6)装于导孔部(1.3)的外部，并与阳极栅网(2)和阴极栅网(3)同轴装配。

2.根据权利要求1所述的离子碰撞加速式电推力器装置，其特征在于所述的管筒部(1.2)的内径为47.13～141.38mm，外径为50～150mm，管筒部长度小于300mm；所述的半球部(1.1)的内圆直径为47.13～141.38mm，外圆直径为50～150mm；所述的导孔部(1.3)的内径为4.93～14.80mm；外径为6.57～19.70mm；长度为11.67～35.00mm。

3.根据权利要求1所述的离子碰撞加速式电推力器装置，其特征在于所述的阳极栅网(2)的长度为264.81mm；阳极栅网(2)的前端呈半球形，半球的外径为47.13～141.38mm；中间呈筒型，直径为47.13～141.38mm；后端呈球缺形，球缺型的外径为47.13～141.38mm，长度为32.44mm。

4.根据权利要求1所述的离子碰撞加速式电推力器装置，其特征在于所述的阴极栅网(3)的外径为12.17～36.5mm，长度为167.5mm。

5.根据权利要求1所述的离子碰撞加速式电推力器装置，其特征在于所述的阴极支撑架(4)由聚四氟乙烯制成；阴极支撑架(4)包括支撑环(4.1)和支撑杆(4.2)；支撑环(4.1)的内径为12.17～36.5mm，外径为14.67～44mm，长度为10mm；支撑杆(4.2)均布于支撑环(4.1)的外部，支撑杆(4.2)的自由端抵在石英管(1)的内壁上，将阴极支撑架(4)固定在石英管(1)内。

6.根据权利要求1所述的离子碰撞加速式电推力器装置，其特征在于所述的电气入口(5)由聚四氟乙烯制成；内径为6.57～19.70mm，外径为10～30mm。

7.根据权利要求1所述的离子碰撞加速式电推力器装置，其特征在于所述的永磁环(6)的材质为钐钴；永磁环(6)呈圆环形，内径为33.33～100mm，外径为60～180mm，长度为75mm。