CN109630369B - 一种射频离子推力器及脉冲产生方法 - Google Patents

一种射频离子推力器及脉冲产生方法 Download PDF

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    • F03H1/0087Electro-dynamic thrusters, e.g. pulsed plasma thrusters

Abstract

本发明提供一种射频离子推力器及脉冲产生方法,涉及离子推力器技术领域。射频离子推力器包括电离室、二极管、脉冲电压电路和低压放电电源;在射频离子推力器屏栅和加速栅之间引入脉冲工作的电压,利用脉冲电压引出离子,进而产生推力,通过调整占空比在不改变现有射频离子推力器结构的情况下,实现更小的平均输出推力。本发明的射频离子推力器及脉冲产生方法可以有效扩展现有射频离子体推力器的推力输出下边界,在不改变现有射频离子推力器结构和尺寸的情况下,实现更小的平均输出推力,同时避免实现微小推力输出时需要高压加速电源增大推力器尺寸的问题。

Description

一种射频离子推力器及脉冲产生方法
技术领域
本发明涉及离子推力器技术领域,特别是涉及一种射频离子推力器及脉冲产生方法。
背景技术
目前尺寸最小的射频离子推力器直径为10mm,额定输出推力为100uN,要进一步实现小推力输出同时进一步缩小离子推力器的放电室直径,技术难度大幅增加。现有射频离子推力器在实现小推力输出时需要在屏栅和加速栅之间加载一个大于500V的稳态加速电压,如此会加大射频离子推力器的尺寸。因此,现有射频离子推力器在保持尺寸的同时无法实现小推力输出。
发明内容
本发明的目的是提供一种射频离子推力器及脉冲产生方法,解决了射频离子推力器在保持尺寸的同时无法实现小推力输出的问题。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种射频离子推力器,包括电离室、二极管、脉冲电压电路和低压放电电源;所述脉冲电压电路包括电容、晶体管开关、第一电阻、电感和第二电阻;所述电离室包括中性气体入口和双栅极加速系统,所述双栅极加速系统包括屏栅和加速栅;
所述屏栅与所述二极管的负极电连接;
所述二极管的正极与所述电容的一端电连接;
所述电容的另一端与所述加速栅电连接;
所述二极管的正极与所述晶体管开关的一端电连接;
所述晶体管开关的另一端与所述第一电阻的一端电连接;
所述第一电阻的另一端与所述加速栅电连接;
所述电感的一端与所述二极管的正极电连接;
所述电感的另一端与所述第二电阻的一端电连接;
所述第二电阻的另一端与所述低压放电电源的正极电连接;
所述低压放电电源的负极与所述加速栅电连接;
所述中性气体入口用于向所述电离室内通入中性气体。
可选的,所述电离室外均匀缠绕有线圈,所述线圈用于产生电场。
可选的,所述电离室包括开口端和封闭端,所述屏栅和所述加速栅平行设置于所述电离室的开口端,所述中性气体入口设置于所述电离室的封闭端,所述线圈设置于所述电离室的开口端和封闭端之间。
可选的,所述晶体管开关为绝缘栅双极型晶体管;
所述二极管的正极与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极电连接;
所述绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第一电阻的一端电连接。
可选的,所述第一电阻用于限流。
一种射频离子推力器的脉冲产生方法,应用于上述的射频离子推力器,所述脉冲产生方法包括:
将中性气体通过中性气体入口通入电离室;
当所述中性气体被电离发光后,闭合晶体管开关,低压放电电源给脉冲电压电路供电;
当经过预设时间后,断开所述晶体管开关从而产生一次脉冲;
重复步骤“当所述中性气体被电离发光后,闭合晶体管开关,低压放电电源给脉冲电压电路供电;当经过预设时间后,断开所述晶体管开关”从而产生多次脉冲。
可选的,所述闭合晶体管开关之前还包括:调整所述晶体管开关的工作频率和占空比。
可选的,所述调整所述晶体管开关的工作频率和占空比,具体包括:
通过脉冲电路或信号处理系统或单片机调整所述晶体管开关的工作频率和占空比。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明在射频离子推力器屏栅和加速栅之间引入脉冲工作的电压,利用脉冲电压引出离子,进而产生推力,通过调整占空比在不改变现有射频离子推力器结构的情况下,实现更小的平均输出推力。可以有效扩展现有射频离子体推力器的推力输出下边界,在不改变现有射频离子推力器结构的情况下,实现更小的平均输出推力,同时避免实现微小推力输出时需要高压加速电源增大推力器尺寸的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所提供的射频离子推力器的结构图;
图2为本发明实施例2所提供的脉冲产生方法的流程图。
其中,1、电离室;2、二极管;3、低压放电电源;4、电容;5、晶体管开关;6、第一电阻;7、电感;8、第二电阻;9、中性气体入口;10、屏栅;11、加速栅。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例一种射频离子推力器。图1为本发明实施例1射频离子推力器的结构图。参见图1,射频离子推力器包括电离室1、二极管2、脉冲电压电路和低压放电电源3;脉冲电压电路包括电容4、晶体管开关5、第一电阻6、电感7和第二电阻8;电离室1包括中性气体入口9和双栅极加速系统,双栅极加速系统包括屏栅10和加速栅11。
屏栅10与二极管2的负极电连接。
二极管2的正极与电容4的一端电连接。
电容4的另一端与加速栅11电连接。
二极管2的正极与晶体管开关5的一端电连接。
晶体管开关5的另一端与第一电阻6的一端电连接。
第一电阻6的另一端与加速栅11电连接。
电感7的一端与二极管2的正极电连接。
电感7的另一端与第二电阻8的一端电连接。
第二电阻8的另一端与低压放电电源3的正极电连接。
低压放电电源3的负极与加速栅11电连接。
中性气体入口9用于向电离室1内通入中性气体。
电离室1外均匀缠绕有线圈,线圈用于产生电场。
电离室1包括开口端和封闭端,屏栅10和加速栅11平行设置于电离室1的开口端,中性气体入口9设置于电离室1的封闭端,线圈设置于电离室1的开口端和封闭端之间。
晶体管开关5为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
二极管2的正极与绝缘栅双极型晶体管的集电极电连接。
绝缘栅双极型晶体管的发射极与第一电阻6的一端电连接。
第一电阻6用于限流。
实施例2
本实施例提供一种射频离子推力器的脉冲产生方法,应用与实施例1的射频离子推力器。图2为本发明实施例2脉冲产生方法的流程图。参见图2,脉冲产生方法包括:
步骤201,将中性气体通过中性气体入口通入电离室。
步骤202,当中性气体被电离发光后,闭合晶体管开关,低压放电电源给脉冲电压电路供电。
步骤203,当经过预设时间后,断开晶体管开关从而产生一次脉冲。
重复步骤202和步骤203从而产生多次脉冲,即重复“当中性气体被电离发光后,闭合晶体管开关,低压放电电源给脉冲电压电路供电;当经过预设时间后,断开晶体管开关”从而产生多次脉冲。
闭合晶体管开关之前还包括:调整晶体管开关的工作频率和占空比。
调整晶体管开关的工作频率和占空比,具体包括:通过脉冲电路或信号处理系统或单片机调整晶体管开关的工作频率和占空比。
实施例3
本实施例提供一种射频离子推力器。射频离子推力器是一种为空间飞行器提供动力的能量转换装置,这种推力器通过在线圈上通入射频电流,在电离室内部产生轴向磁场,继而感生出涡流电场,这种电磁场对离子的作用可以忽略,而电子可以获得足够能量以撞击中性原子,使其离化形成自持放电,电离室中的离子被离子光学系统加速喷出,形成羽流并产生推力,由中和器发射电子中和离子以维持外部的电中性。射频离子推力器的采用感应耦合放电的方式对工质进行电离,具有结构简单、易于小型化、无阴极寿命问题等优点;采用静电加速方式实现对工质的加速,因此具有比冲高、推力噪声小的优点;可通过改变射频输入功率、工质流量、栅极电压对推力进行调节,具有响应迅速、推力范围大、分辨率高等优点。
射频离子推力器包括电离室、二极管、脉冲电压电路和低压放电电源U0
脉冲电压电路包括电容、晶体管开关K、第一电阻R1、电感L和第二电阻R0。第一电阻R1用于限流,晶体管开关K可以使用具有较高耐压的等级的绝缘栅双极型晶体管。
电离室包括中性气体入口和双栅极加速系统,电离室外均匀缠绕有线圈,线圈用于产生电场。中性气体入口用于向电离室内通入中性气体。双栅极加速系统包括屏栅和加速栅。
电离室包括开口端和封闭端,屏栅和加速栅平行设置于电离室的开口端,中性气体入口设置于电离室的封闭端,线圈设置于电离室的开口端和封闭端之间。
屏栅与二极管的负极电连接。
二极管的正极与电容的一端电连接。
电容的另一端与加速栅电连接。
二极管的正极与晶体管开关K的一端电连接。
晶体管开关K的另一端与第一电阻R1的一端电连接。
第一电阻R1的另一端与加速栅电连接。
电感L的一端与二极管的正极电连接。
电感L的另一端与第二电阻R0的一端电连接。
第二电阻R0的另一端与低压放电电源U0的正极电连接。
低压放电电源U0的负极与加速栅电连接。
二极管的正极与绝缘栅双极型晶体管的集电极电连接。
绝缘栅双极型晶体管的发射极与第一电阻R1的一端电连接。
将中性气体通过中性气体入口通入电离室。
当电离室中的中性气体被电离后,即中性气体被电离发光后,闭合晶体管开关K使低压放电电源U0提供的电流沿着电感L,晶体管开关K、第一电阻R1和第二电阻R0流动。
当脉冲电压电路达到稳态,或经过预设时间后,断开晶体管开关K从而产生一次脉冲。
重复“当中性气体被电离发光后,闭合晶体管开关,低压放电电源给脉冲电压电路供电;当经过预设时间后,断开晶体管开关”从而产生多次脉冲。
由于电感L的电流不能突变,则在电感L两端会形成一个附加电压U(t),附加电压U(t)再加在射频推力器的栅极(屏栅)和加速极(加速栅)之间,这个附加电压U(t)即可引出电离室中的离子,进而离子在电场加速下喷出产生推力。
闭合晶体管开关之前还包括:调整晶体管开关的工作频率和占空比,晶体管开关K的一个控制信号周期内开通时间和周期的比值为晶体管开关K的占空比D,可以通过脉冲电路或信号处理系统或单片机调整晶体管开关的工作频率和占空比。
通过调整晶体管开关K的工作频率和占空比,即可调整平均输出推力。
当晶体管开关断开后屏栅和加速栅之间的电压U(t)为:
其中,U(t)表示屏栅和加速栅之间的电压,也即附加电压U(t);U0表示低压放电电源的电压;R1表示第一电阻的电阻值;C表示电容的电容值;L表示电感的电感值;R0表示第二电阻的电阻值;t表示射频离子推力器的工作时间;e为自然对数,e=2.71828。
根据Child-Langmuir理论:双栅极加速系统可引出的离子电流密度在任何外加总势下自动达到最大值:
其中,jbeam表示射频离子推力器引出的电流密度;ε0表示自由空间的介电常数;q表示单位电荷;mi表示离子的质量;lg表示屏栅和加速栅之间的间距。
根据射频离子推力器引出的最大电流密度和屏栅-加速栅之间的电压确定射频离子推力器的输出推力。
输出推力为:
其中F(t)表示输出推力。
平均输出推力为输出推力在时间t内的平均值,平均输出推力为:
其中,表示平均输出推力;D为晶体管开关的占空比;T表示晶体管开关的控制信号周期,t属于T;表示屏栅和加速栅之间的平均电压,
本实施例3还提供五种具体实施方式。
实施方式1:现有尺寸最小的射频离子推力器的直径为10mm,额定输出推力为100μN,若要减小输出推力则要增加一个大于500V的屏栅加速电压元。本实施方式使用实施例3的射频离子推力器,射频离子推力器的直径为10mm,其中参数取值为:R1=100Ω,R0=10Ω,C=100uF,L=1mH,U0=10V,T=1ms,D=0.1(10%),平均输出推力所以本实施方式可以大大减小输出推力,同时不增加射频推力器的尺寸。
实施方式2与实施方式1的区别仅在于参数取值为:R1=150Ω,R0=10Ω,C=100uF,L=1mH,U0=10V,T=1ms,D=0.1(10%),平均输出推力
实施方式3与实施方式1的区别仅在于参数取值为:R1=150Ω,R0=10Ω,C=100uF,L=1mH,U0=20V,T=1ms,D=0.1(10%),平均输出推力
实施方式4与实施方式1的区别仅在于参数取值为:R1=150Ω,R0=2Ω,C=100uF,L=1mH,U0=20V,T=2ms,D=0.15(15%),平均输出推力
实施方式5与实施方式1的区别仅在于参数取值为:R1=200Ω,R0=2Ω,C=50uF,L=2mH,U0=10V,T=3ms,D=0.1(10%),平均输出推力
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种射频离子推力器,其特征在于,包括电离室、二极管、脉冲电压电路和低压放电电源;所述脉冲电压电路包括电容、晶体管开关、第一电阻、电感和第二电阻;所述电离室包括中性气体入口和双栅极加速系统,所述双栅极加速系统包括屏栅和加速栅;
所述屏栅与所述二极管的负极电连接;
所述二极管的正极与所述电容的一端电连接;
所述电容的另一端与所述加速栅电连接;
所述二极管的正极与所述晶体管开关的一端电连接;
所述晶体管开关的另一端与所述第一电阻的一端电连接;
所述第一电阻的另一端与所述加速栅电连接;
所述电感的一端与所述二极管的正极电连接;
所述电感的另一端与所述第二电阻的一端电连接;
所述第二电阻的另一端与所述低压放电电源的正极电连接;
所述低压放电电源的负极与所述加速栅电连接;
所述中性气体入口用于向所述电离室内通入中性气体;
所述电离室外均匀缠绕有线圈,所述线圈用于产生电场;
所述电离室包括开口端和封闭端,所述屏栅和所述加速栅平行设置于所述电离室的开口端,所述中性气体入口设置于所述电离室的封闭端,所述线圈设置于所述电离室的开口端和封闭端之间;
所述晶体管开关为绝缘栅双极型晶体管;
所述二极管的正极与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极电连接;
所述绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第一电阻的一端电连接;
所述第一电阻用于限流。
2.一种射频离子推力器的脉冲产生方法,其特征在于,应用于如权利要求1所述的射频离子推力器,所述脉冲产生方法包括:
将中性气体通过中性气体入口通入电离室;
当所述中性气体被电离发光后,闭合晶体管开关,低压放电电源给脉冲电压电路供电;
当经过预设时间后,断开所述晶体管开关从而产生一次脉冲;
重复步骤“当所述中性气体被电离发光后,闭合晶体管开关,低压放电电源给脉冲电压电路供电;当经过预设时间后,断开所述晶体管开关”从而产生多次脉冲;
所述闭合晶体管开关之前还包括:调整所述晶体管开关的工作频率和占空比;
所述调整所述晶体管开关的工作频率和占空比,具体包括:
通过脉冲电路或信号处理系统或单片机调整所述晶体管开关的工作频率和占空比。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110374829B (zh) * 2019-06-11 2020-07-14 上海空间推进研究所 纳米颗粒场发射推力器
CN111322213B (zh) * 2020-02-11 2021-03-30 哈尔滨工业大学 一种可变间距的压电栅极
CN111322214A (zh) * 2020-02-13 2020-06-23 哈尔滨工业大学 一种会切场低推力射频离子推力器

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0909894A1 (en) * 1997-10-15 1999-04-21 Space Systems/Loral, Inc. Drive circuit and method for driving a thrust engine of a spacecraft
US6373023B1 (en) * 1999-03-02 2002-04-16 General Dynamics (Ots) Aerospace, Inc. ARC discharge initiation for a pulsed plasma thruster
CN104595140A (zh) * 2015-01-23 2015-05-06 大连理工大学 阶梯栅极射频离子推进装置
US9194379B1 (en) * 2010-02-10 2015-11-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Field-ionization based electrical space ion thruster using a permeable substrate
CN207048912U (zh) * 2017-07-11 2018-02-27 中国人民解放军国防科学技术大学 用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路
CN108869222A (zh) * 2018-07-02 2018-11-23 哈尔滨工业大学 一种射频离子推力器点火启动装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012021537A1 (en) * 2010-08-09 2012-02-16 Msnw Llc Apparatus, systems and methods for establishing plasma and using plasma in a rotating magnetic field

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0909894A1 (en) * 1997-10-15 1999-04-21 Space Systems/Loral, Inc. Drive circuit and method for driving a thrust engine of a spacecraft
US6373023B1 (en) * 1999-03-02 2002-04-16 General Dynamics (Ots) Aerospace, Inc. ARC discharge initiation for a pulsed plasma thruster
US9194379B1 (en) * 2010-02-10 2015-11-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Field-ionization based electrical space ion thruster using a permeable substrate
CN104595140A (zh) * 2015-01-23 2015-05-06 大连理工大学 阶梯栅极射频离子推进装置
CN207048912U (zh) * 2017-07-11 2018-02-27 中国人民解放军国防科学技术大学 用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路
CN108869222A (zh) * 2018-07-02 2018-11-23 哈尔滨工业大学 一种射频离子推力器点火启动装置

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