CN108915969B - 一种多模式螺旋波离子推力器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多模式螺旋波离子推力器，属于航空航天电推进领域。所述石英放电室置于Faraday筒内；阳极固定在石英放电室的开孔端；石英放电室的开放端与屏栅接触连接；屏栅、加速栅和减速栅间保持间隔；石英放电室的外筒壁上安装有天线；Faraday筒外壁安装有多个螺线圈；阴极中和器放置在石英放电室的开放端，用于中和静电栅极加速引出的离子束流；阴极中和器和阳极产生轴向电场，可以有效增加电子的行程，提高电离率。本发明的推力器具有中和器，能够中和静电栅极引出离子束流；具有阴极和阳极结构能够提供轴向电场从而提高等离子体的电离率，能够计算离子的产生成本；设计的附加磁场位型可调，可以实现推力器多模式工作的螺旋波离子推力器。
Description
技术领域
本发明涉及一种多模式螺旋波离子推力器，特别涉及一种附加磁场位型可调、具有阴极中和器、阳极、三栅极静电加速系统的螺旋波离子推力器，属于航空航天电推进领域。
背景技术
螺旋波离子推力器是一种二阶加速螺旋波推力器，结合了螺旋波源高密度、高电离率、无电极的优点，和离子推力器中静电栅极光学系统对离子的高效静电加速作用，能够产生高比冲、高推力的电推进装置。
大连理工大学的夏广庆提出了双阶栅极螺旋波离子推进装置(CN201410597251.2)，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，形成了螺旋波离子推力器的基本构成。
但是，上述系统没有添加中和器、阴极和阳极部件，附加磁场位型不可调，推力器系统不够完整，不具备多模式工作的能力。因为栅极系统加速出来的离子带正电荷，由于没有中和器补充带负电的电子，正电荷源源不断的加速离开，会引起推力器自身负电荷的积累，导致航天器表面电位变化，损坏其在轨寿命，引发潜在危险。由于没有阴阳极结构，所以不具备轴向电场，电子的存活时间较短，电离率较低。由于只有一圈附加磁场，附加磁场位型不可调，推力器不具备多模式工作的能力。
中和器的作用是产生大量的热电子，能够有效中和离子推力器加速喷出的离子，从而降低航天器表面电位变化的风险。阴极和阳极产生的轴向电场，能够延长放电室内部等离子体中电子的有效行程，使得电子与中性气体产生的碰撞次数增多，从而显著提高等离子体的电离率。阴极和阳极部件的添加，使得能够计算推力器的离子产生成本，评估推力器的性能。附加磁场位型能够改变射频波与等离子体的能量耦合过程，直接影响推力器的性能。附加磁场位型可变，就可以获得推力器的不同性能水平，从而实现推力器多模式的工作状态。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的推力器负电荷积累过多的问题，提高推力器电离率、评估推力器性能、实现推力器多模式工作的能力，提供了一种多模式螺旋波离子推力器。该推力器具有中和器，能够中和静电栅极引出离子束流；具有阴极和阳极结构能够提供轴向电场从而提高等离子体的电离率，能够计算离子的产生成本；设计的附加磁场位型可调，可以实现推力器多模式工作的螺旋波离子推力器。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种多模式螺旋波离子推力器，包括：推进剂供给端口、射频功率源、匹配器、天线、石英放电室、法拉第筒(Faraday筒)、磁线圈、阳极、阴极中和器(中和器接地，可以同时充当阴极)、屏栅、加速栅和减速栅。
石英放电室置于法拉第筒内；石英放电室为一端带有开孔的半封闭式结构；阳极固定在石英放电室的开孔端；石英放电室的开放端与屏栅接触连接；屏栅、加速栅和减速栅间保持间隔；石英放电室的外筒壁上安装有天线；法拉第筒外壁安装有多个螺线圈；阴极中和器放置在石英放电室的开放端，用于中和静电栅极加速引出的离子束流；阴极中和器和阳极产生轴向电场，可以有效增加电子的行程，提高电离率。
在阳极、阴极中和器和屏栅处放置电流表，根据采集到的电流情况计算推力器的离子生成成本。
通过控制所述螺线圈开启和关闭的数量，来调节附加磁场的位置、大小、形态；
所述开孔为推进剂供给端口；
工作过程：推力器工作时，推进剂稳定供给，在放电腔内形成稳定的中性气体背压。附加磁线圈在放电腔区域内形成磁场位型和大小均可调节的稳定磁场结构。射频功率源提供一定功率的射频波能量，通过匹配器，在附加磁场条件下，由天线将射频能量耦合到放电腔内中性气体中，通过射频波和中性气体的相互作用，形成高密度的螺旋波放电等离子体。放电等离子体中的电子朝着阳极移动，在移动过程中对中性粒子进行碰撞，产生更多的带电粒子，提高等离子体的电离度。螺旋波等离子体中的大部分离子经过屏栅、加速栅和减速栅的作用，其速度进一步得到提高，加速喷出形成推力。中和器提供热电子，用以中和栅极引出的离子流，防止航天器表面的电位改变。
有益效果
1、本发明公开的一种多模式螺旋波离子推力器，添加了中和器部件，能够释放足够的电子对静电栅极引出的离子束流进行中和，避免航天器的表面电位产生变化，避免表面放电现象的产生，保障航天器可靠性，延长其使用寿命。
2、本发明公开的一种多模式螺旋波离子推力器，添加了阴极和阳极部件，能够在放电腔区域内形成轴向电场，增加热电子与中性气体的碰撞几率，提高等离子体的电离率；能够计算离子的生成成本，评估推力器的性能。
3、本发明公开的一种多模式螺旋波离子推力器，设计成9个磁场线圈的并排模式，可以分别单独控制，可以改变附加磁场大小、位置、形态，考察附加磁场位型对推力器性能的影响，通过调节磁场控制推力器的性能参数，提高推力器的可控参量，实现推力器多模式的工作状态。
4、本发明公开的一种多模式螺旋波离子推力器，所述的设计的三栅极静电离子加速系统，包括屏栅、加速栅、减速栅，屏栅是正电位，加速栅是负电位，减速栅接地。
5、本发明公开的一种多模式螺旋波离子推力器，所述的设计的三栅极静电离子加速系统，能够对离子产生有效的静电加速，又能有效阻止CEX离子返流对栅极的腐蚀，在保证了结构的可靠性的前提下，比四栅极系统降低了系统的复杂性。
附图说明
图1为本发明公开的一种多模式螺旋波离子推力器的结构示意图。
其中：1—射频功率源、2—匹配器、3—天线、4—法拉第筒、5—螺线圈、6—石英放电室、7—推进剂供给端口、8—阳极、9—阴极中和器、10—屏栅、11—加速栅、12—减速栅。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开的一种多模式螺旋波离子推力器，主要由射频功率源1、匹配器2、天线3、法拉第筒4、螺线圈5、石英放电室6、推进剂供给端口7、阳极8、阴极中和器9、屏栅10、加速栅11和减速栅12等螺旋波离子推力器的基本装置组成。
射频功率源1产生特定频率的射频波，通过匹配器2和天线3耦合到等离子体中。石英放电室6置于法拉第筒4内；石英放电室6为一端带有开孔的半封闭式结构；阳极8固定在石英放电室6的开孔端；开孔是推进剂供给端口7、石英放电室6的开放端与屏栅10接触连接；屏栅10、加速栅11和减速栅12间保持间隔；石英放电室6的外筒壁上安装有天线3；法拉第筒4外壁安装有多个螺线圈5；阴极中和器9放置在石英放电室6的开放端，用于中和静电栅极加速引出的离子束流；阴极中和器9和阳极8产生轴向电场，可以有效增加电子的行程，提高电离率。
在阳极8、阴极中和器9和屏栅10处放置电流表，根据采集到的电流情况计算推力器的离子生成成本。
推力器工作时，设计螺线圈5的磁场位型，并打开对应的螺线圈电源，形成符合要求的磁场位型。打开推进剂供给装置，使推进剂供给端口7形成稳定流量，保持稳定的背景压强。打开屏栅10和加速栅11电源，减速栅12接地，形成稳定的离子二阶加速所需的静电场。打开功率射频源1，调节输出功率的大小，打开匹配器2，使射频源与天线3的输出端进行自动匹配。这时，射频源与中性气体进行能量耦合，在石英放电室6产生放电，并形成等离子体。法拉第筒4的作用是屏蔽天线能量的流失，将能量最大限度的约束在放电腔内。等离子体中的电子受阳极8的吸引，向阳极8运动，在运动过程中，增加对中性气体的碰撞，提高等离子体的电离度。等离子体中的大部分离子经过屏栅10、加速栅11和减速栅12的加速，形成束流，产生推力。阴极中和器9产生的电子对引出的离子束流进行中和，防止电荷积累。
通过阳极8、阴极中和器9和屏栅10处放置的电流表采集到的电流情况，计算推力器的离子生成成本。
离子的生成成本是等离子体从射频电源供给系统所吸收的能量与束电流Ib的比值：
其中，ηd是离子生成成本，Pabs是等离子体吸收的射频能量，通过模型计算获得，Ib是束电流，Ia是阳极电流，Is是屏栅电流，IA是加速栅电流。电流值都是通过在系统中安装电流表测量获得。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种多模式螺旋波离子推力器，其特征在于：包括：推进剂供给端口、射频功率源、匹配器、天线、石英放电室、法拉第筒、磁线圈、阳极、阴极中和器、屏栅、加速栅和减速栅；
石英放电室置于法拉第筒内；石英放电室为一端带有开孔的半封闭式结构；阳极固定在石英放电室的开孔端；石英放电室的开放端与屏栅接触连接；屏栅、加速栅和减速栅间保持间隔；石英放电室的外筒壁上安装有天线；法拉第筒外壁安装有多个螺线圈；阴极中和器放置在石英放电室的开放端，用于中和静电栅极加速引出的离子束流；阴极中和器和阳极产生轴向电场。
2.如权利要求1所述的一种多模式螺旋波离子推力器，其特征在于：在所述阳极、阴极中和器和屏栅处放置电流表，根据采集到的电流情况计算推力器的离子生成成本。
3.如权利要求1所述的一种多模式螺旋波离子推力器，其特征在于：通过控制所述螺线圈开启和关闭的数量，来调节附加磁场的位置、大小、形态。
4.如权利要求1所述的一种多模式螺旋波离子推力器，其特征在于：所述开孔为推进剂供给端口。
5.如权利要求1所述的一种多模式螺旋波离子推力器，其特征在于：所述推力器的工作过程为：推力器工作时，推进剂稳定供给，在放电腔内形成稳定的中性气体背压；附加磁线圈在放电腔区域内形成磁场位型和大小均可调节的稳定磁场结构；射频功率源提供一定功率的射频波能量，通过匹配器，在附加磁场条件下，由天线将射频能量耦合到放电腔内中性气体中，通过射频波和中性气体的相互作用，形成高密度的螺旋波放电等离子体；放电等离子体中的电子朝着阳极移动，在移动过程中对中性粒子进行碰撞，产生更多的带电粒子，提高等离子体的电离度；螺旋波等离子体中的大部分离子经过屏栅、加速栅和减速栅的作用，其速度进一步得到提高，加速喷出形成推力；中和器提供热电子，用以中和栅极引出的离子流，防止航天器表面的电位改变。
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