CN106342132B - 胶体推力器羽流聚焦吸极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有静电聚焦功能的胶体推力器羽流聚焦吸极，包括：主吸极极板、副吸极极板、绝缘垫圈、绝缘螺钉，所述副吸极极板为两个，分别置于所述主吸极极板的两侧，所述主吸极极板和副吸极极板主体部分均为板式圆环状结构，各所述圆环状结构之间具有相同的轴线，所述主吸极极板与推力器本体具有相同的电势，所述两个副吸极极板具有相同的且高于主吸极极板的电势。该吸极可以有效地降低静电推力器羽流束的发散角，提高推力矢量的指向性，与普通环形吸极相比，新型聚焦吸极可以在不同的吸极工作电压和推进剂流量条件下，使极间发射电流和等效推力均有所提高。

Description

胶体推力器羽流聚焦吸极

技术领域

本发明涉及一种宇航电推进技术领域的功能组件，具体地说，涉及的是一种应用于静电推力器上，具有羽流聚焦功能的发射吸极。

背景技术

随着小卫星、行星探测器、深空探测等新兴空间技术的发展，传统化学推进方法由于比冲低、结构复杂越来越难以满足新兴空间任务的要求。而宇航电推进系统质量更轻、体积更小、消耗推进剂更少，其中胶体推力器因其比冲高、结构简单、体积小、重量轻被认为是空间微推进技术中一种较有前景的选择方案。其主要通过静电场作用使推进剂电离，推进剂带电液滴在电场力的作用下加速喷出，即形成羽流束，产生推力。2003年，由Stanford大学和Santa Clara大学共同研发的Emerald微卫星顺利升空。该卫星主要任务是研究以胶体推力器进行卫星编队飞行的各项关键技术。此外，该卫星还进行超低频大气科学实验、辐射测试、分布式自治系统、GPS编队飞行、分布式计算和星间通讯，并验证低价格卫星的发展。美国国家航空航天局NASA和欧洲空间局ESA共同创立的LISA(空间天线激光干涉仪，全称Laser Interferometer SpaceAntenna)计划，利用了三颗相同的小卫星组成一个卫星网，每颗卫星都向另外两颗卫星发射同相激光，组成激光干涉测量仪，用来测量太阳的重力波。

为促进羽流加速，一般要在推力器主体前端设置吸极，但是现有的吸极也仅是单层吸极，即只有一块吸极极板，通过对其施加加速电势而促使粒子加速。因为只有一块吸极极板，虽然能促使粒子在加速通道的轴向上的加速，但是由于同时存在径向上的电场力，会使粒子偏离通道中心而发散。因此，在胶体推力器应用过程中的一个主要问题就是羽流相对发散问题，过大的羽流束发散角将会影响推力密度和指向性，影响推力器性能。

经过对现有技术的文献检索发现，为了降低典型的几种电推力器的羽流束发散角，解决羽流发散问题，各科研机构进行了一定探索。目前俄罗斯第二代霍尔发动机(ATON发动机)经过系统优化，其羽流发散角只有10度左右，达到了离子发动机的水平。哈尔滨工业大学的于达仁教授通过改善磁场位形，有效地降低了霍尔推力器的束发散角，该项技术已经达到了国际水平。经文献检索发现当前电推进羽流聚焦方面的研究多是针对霍尔推力器，而针对其他类型的静电推力器，特别是胶体推力器的羽流发散问题，目前相关研究尚未全面展开。

发明内容

针对电推力器的羽流束发散问题，尤其是胶体推力器的羽流发散问题，本发明的目的在于提供一种胶体推力器羽流聚焦吸极。通过几个相互平行的平面吸极组合成为复合吸极，使加速通道间的电力线发生弯曲。当推力器羽流中各带电粒子通过加速通道时，由于电场力的作用使带电粒子运动轨迹向吸极中心线方向聚集，从而实现推力器羽流粒子聚焦的作用，提高胶体推力器的性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种胶体推力器羽流聚焦吸极，安装在胶体推力器本体上，包括：一主吸极极板、分置于主吸极极板两侧的两副吸极极板、分别夹设在主吸极极板与副吸极极板之间的两绝缘垫圈，以及将所述主吸极极板、副吸极极板和绝缘垫圈固定为一体的绝缘螺钉，所述主吸极极板与推力器本体上施加有相同的电势，所述两副吸极极板上施加有相同的、且高于所述主吸极极板的电势；所述主吸极极板、副吸极极板均具有相同厚度和相同内、外径的圆环状结构，且各所述圆环状结构在组装后同轴线。

较佳地，所述绝缘螺钉采用几个，均布在所述主吸极极板的圆环状结构上，可以将所述主吸极极板、副吸极极板和绝缘垫圈受力均匀地紧固在一起。

进一步讲，在所述主吸极极板上还具有一定位柄，与所述圆环状结构采用相同的导电材料，连接在所述圆环状结构上或与所述圆环状结构一体制作；安装所述定位柄可以方便地将吸极整体组装到推力器本体上，通过柄上开设的定位孔，通过绝缘螺钉与所述推力器本体连接。

所述绝缘垫圈可以改变厚度，通过厚度来调整主、副吸极极板的极间尺寸，较为方便，而无需改变极板的尺寸。

所述绝缘垫圈可以采用与所述主、副吸极极板相同内、外径的圆环式结构；还可以采用垫块的形式以节省材料，各绝缘垫块垫设在主、副吸极极板之间，由绝缘螺钉紧固。

所述主吸极极板与副吸极极板均为导电材料，一般为不锈钢。

在所述主吸极极板、副吸极极板上通过焊接引出线的方式施加电势，或通过采用电极卡子施加电势的方式都可以。

较佳地，为使所述主吸极极板与推力器本体上具有相同的电势，可以是将主吸极极板与推力器本体相连，且二者可靠接地即保持零电势；为使所述两个副吸极极板具有相同的且高于主吸极极板的电势，可以是将所述两个副吸极极板的引出线或电极卡子相连，在其上施加一个对地为正的加速电势，大于1000V，较佳为3000V以上，越高越好。

新型聚焦吸极是本发明的核心内容，聚焦吸极为三层结构，包含两个副吸极极板和一个主吸极极板，两个副吸极极板被成对设置于主吸极极板两侧，每层吸极主体部分成圆环状。各吸极极板间通过绝缘垫圈彼此隔开，并可以通过更换不同高度的绝缘垫圈调节极间尺寸。为了保证主、副吸极之间彼此电绝缘，采用绝缘螺钉穿过绝缘垫圈连接主副极板。主吸极极板上设置有安装定位孔，这样可以通过主极板将聚焦吸极安装于推力器本体上。

本发明装置的工作原理为：通过在聚焦吸极的主极板和两个副极板上施加不同的电势，使极间电场发生弯曲。电力线成圆弧状，由副吸极极板指向主吸极极板。在靠近电极的电场区域，带电粒子受到与电力线相切方向的作用力。将力进行分解，可以得到沿着吸极圆环轴线方向的分力，和垂直于轴线方向的分力。带电粒子运动过程中由于受到垂直于轴向的作用力使其运动轨迹逐渐向吸极轴线靠拢，而轴向分力的作用使粒子水平方向速度增加。当粒子运动至主吸极极板的影响区域时，电力线向远离吸极轴线方向弯曲，此时粒子受到电场力沿轴线方向的分力使粒子运动速度继续增加，而垂直轴线方向的分力使粒子远离吸极轴线。但由于在整个聚焦电场粒子均受到轴线方向的作用力，粒子始终处于加速状态。粒子在电场后半区运动速度较高，影响时间较短。因此粒子穿过主、副极板后，总的运动趋势仍然是靠近吸极轴线的，于是带电粒子在电场中的运动轨迹将呈现聚焦状态。

本发明的优点在于，这种三层板式结构在施加不同电势情况下降低了静电推力器羽流束的发散角，且该结构不受发射粒子的电性影响。由于推力器羽流束发散角的降低使带电粒子更多沿着推力矢量方向运动，提高了静电推力器推力矢量的指向性，进而提高了总的极间发射电流，等效推力相应增大。

附图说明

图1为本发明实施例聚焦吸极的示意图；

图2为本发明实施例主吸极极板的三视图；

图3为本发明实施例聚焦吸极装配图的主视图和侧视图；

图4为本发明实施例实验采用普通吸极和聚焦吸极推力器发射羽流束的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例展现的吸极结构为：包括主吸极极板1、副吸极极板2、副吸极极板3、绝缘垫圈4、绝缘螺钉5。主吸极极板1和副吸极极板2、3的主体部分都为圆环状，且厚度相同，主吸极极板1除此之外还带有一定位柄6；副吸极极板2和副吸极极板3的形状和尺寸是完全相同的。副吸极极板2和副吸极极板3分别置于主吸极极板1的两侧，且副吸极极板2和副吸极极板3都是通过绝缘螺钉5固定在主吸极极板1，副吸极极板2和副吸极极板3与主吸极极板1之间具有相同的轴线，形成聚焦吸极主体结构。

除此之外，副吸极极板2与主吸极极板1之间，以及副吸极极板3与主吸极极板1之间都通过绝缘垫圈4彼此隔开，并可以通过更换不同高度的绝缘垫圈4调节极间尺寸。绝缘垫圈4(图1所示是垫块形式)也是通过绝缘螺钉5压紧。为了保证主、副吸极之间彼此电绝缘，采用绝缘螺钉5穿过绝缘垫圈4将主吸极极板1与副吸极极板2、3相连。

如图2所示，为本实施例主吸极极板1的三视图。该部件主体为圆环结构，极板一侧为定位柄6，定位柄6上设置有安装孔，用于聚焦吸极与推力器本体的连接。极板圆环周向位置设置有对称性的四个螺纹孔(也可以为多个孔且最好是对称性的)，用于主吸极极板与副吸极极板之间的连接。

如图3所示，为本实施例聚焦吸极的装配结构的主视图和侧视图。由图中可见，主吸极极板1与副吸极极板2和3平行，且内孔中心线相互重合。通过厚度相等的四个绝缘垫圈4将主吸极极板1与副吸极极板2合3彼此隔开，保证主副吸极极板之间的电气绝缘。使用绝缘螺钉5穿过绝缘垫圈4将主吸极极板1与副吸极极板2和3连接在一起。

本实施例的聚焦吸极工作时，主吸极极板1与推力器本体相连，且二者可靠接地即保持零电势。为保证两个副吸极极板之间可靠的电气连接，将两个副吸极极板2和3之间引出线相连，在两个副吸极极板引出线上施加一个对地为正的加速电势，大于1000V，较佳为3000V以上，使其具有相同的电势。此时主吸极极板1和副吸极极板2、3之间将电力线发生弯曲，由主吸极极板1电力线指向副吸极极板2、3。推力器开始工作以后，大量带电粒子由发射端喷出。单个粒子所受电场力方向与该空间位置电力线的切线方向相同，当粒子运动至靠近副吸极极板2或3的空间区域时，所受电场力的轴线分力使粒子轴向速度增加，而垂直轴向分力使粒子靠近吸极轴线运动。当粒子运动至靠近主吸极极板1所在空间区域时，所受电场力的轴线分力使粒子轴向运动速度继续增加，而垂直轴向分力使粒子远离吸极轴线运动。但由于在整个聚焦电场粒子均受到轴线方向的作用力，粒子始终处于加速状态。粒子在电场后半区运动速度较高，影响时间较短。因此粒子穿过聚焦吸极后，总的运动趋势仍然是靠近吸极轴线的，于是带电粒子在电场中的运动轨迹将呈现聚焦状态。图4为采用普通吸极和本发明聚焦吸极推力器发射羽流束的对比图，图中实线为在本发明装置下羽流束随极间电压变化的情况，虚线为在普通吸极下羽流束随极间电压变化的情况。从图中可以看出，安装新型聚焦吸极后使推力器在各个工作电压下的发射电流均有所提高，尤其是大于3000V以上的施加电势时，羽流的效果更佳明显。

Claims (9)

1.一种胶体推力器羽流聚焦吸极，安装在胶体推力器本体上，其特征是，包括：一主吸极极板、分置于主吸极极板两侧的两副吸极极板、分别夹设在主吸极极板与副吸极极板之间的两绝缘垫圈，以及将所述主吸极极板、副吸极极板和绝缘垫圈固定为一体的绝缘螺钉；所述主吸极极板与副吸极极板均为导电材料制成，所述主吸极极板与推力器本体上施加有相同的电势，所述两副吸极极板上施加有相同的、且高于所述主吸极极板和推力器本体的电势；所述主吸极极板、副吸极极板均具有相同厚度和相同内、外径的圆环状结构，且各所述圆环状结构在组装后同轴线。

2.根据权利要求1所述的胶体推力器羽流聚焦吸极，其特征是，在所述主吸极极板还具有一定位柄结构，与所述圆环状结构采用相同的导电材料，连接在所述圆环状结构上或与所述圆环状结构一体制作；所述定位柄上开设有定位孔，通过绝缘螺钉与所述推力器本体连接。

3.根据权利要求1所述的胶体推力器羽流聚焦吸极，其特征是，所述绝缘螺钉采用几个，均布在所述主吸极极板的圆环状结构上，通过螺钉孔将所述主吸极极板、副吸极极板和绝缘垫圈紧固在一起。

4.根据权利要求1或2或3所述的胶体推力器羽流聚焦吸极，其特征是，所述主吸极极板与副吸极极板之间的极间尺寸根据实际要求而改变，所述改变通过调整所述绝缘垫圈的厚度而实现。

5.根据权利要求1所述的胶体推力器羽流聚焦吸极，其特征是，所述主吸极极板与推力器本体电相连，且二者可靠接地获得零电势；所述两副吸极极板电相连，施加一个大于1000V的电势。

6.根据权利要求1或5所述的胶体推力器羽流聚焦吸极，其特征是，所述主吸极极板与推力器本体之间采用引出线相连或电极卡子相连方式之一；所述两副吸极极板之间也是采用引出线相连或电极卡子相连方式之一。

7.根据权利要求5所述的胶体推力器羽流聚焦吸极，其特征是，所述两副吸极极板电相连，施加的电势在3000V以上。

8.根据权利要求1或3所述的胶体推力器羽流聚焦吸极，其特征是，所述绝缘垫圈为一与所述主吸极极板相同内、外径的圆环式结构。

9.根据权利要求1或3所述的胶体推力器羽流聚焦吸极，其特征是，所述绝缘垫圈采用垫块的形式，垫设在所述主、副吸极极板之间，由绝缘螺钉紧固。