CN110206700B - 一种静电离子推力器 - Google Patents
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Abstract
一种静电离子推力器，属于航天领域，包括离子源、导管、工质储存箱、电源、电子枪、保护层、磁环、电极板组、固定板。保护层外壁表面设有工质储存箱、电源、电子枪，工质储存箱为前端。以保护层中心轴为轴线，六片固定板旋转固定于保护层内壁。离子源设于保护层前端，通过导管与工质储存箱相连。离子源通电后，氙气工质通过导管从工质储存箱进入离子源内，被电离成带正电的氙离子和电子，形成等离子体流；在电极板组形成的单向电场内加速正离子，产生推力，磁环提供磁场约束正离子径向运动。本发明解决了现有的电推进系统因推力不足，无法长距离航行的难题。在不改变推进系统的排气速度的情况下，可以增加单位时间内排气量，从而提高推力。
Description
技术领域
本发明属于航天电推进技术领域，涉及一种静电离子推力器。
背景技术
航天技术又称空间技术，是一项探索、开发和利用太空以及地球以外天体的综合性工程技术，是一个国家现代技术综合发展水平的重要标志。航天飞行器的发动机——等离子推力器，作为航天系统的重要组成部分，直接决定了航天任务水准的高低。
航天器动力系统的一个重要指标就是其提供的推力。根据动量定理，航天器获得的运行动量与排出航天器的推进工质动量大小相等、方向相反。根据动量的定义，p＝mv，获得高动量有两种方式，一是增加排出航天器的工质质量，二是提高航天器的排气速度。但是，目前受限于推力器设备的客观条件，提高排气速度不仅成本高，也比较困难。而现有的离子推力器使用的加速装置多为栅极系统，推力器的工质为等离子态。为了延长栅极结构的使用寿命，现有的离子推力器对排气量也存在一定的限制。本设计中的加速装置是开源的，不存在栅极结构，所以理论上不存在排气量的上限限制，可以根据需要设计离子源口径。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种离子推力器，能够解决现有技术中航天器因动力推进系统推力不足，无法长距离航行的技术难题。
为了达到上述技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种静电离子推力器，包括离子源1、导管2、工质储存箱3、电源4、电子枪5、保护层6、磁环7、电极板组8、固定板9；
所述保护层6为圆筒状结构，用于保护内部结构免受外界因素的干扰；保护层6上方外壁设有工质储存箱3、电源4、电子枪5，以工质储存箱3为前端，三个部件沿同轴由前至后顺次排列。
所述工质储存箱3固定于保护层6上方外壁面前端位置，用于提供电离所需氙气工质。
所述电源4固定于保护层6上方外壁面中间位置，与离子源1和电子枪5通过导线相连，用于为其提供电能。
所述电子枪5固定于保护层6上方外壁面后端位置，用于产生电子以中和静电离子推力器尾部喷出的正离子束流。
所述每片固定板9均由两块形状相同的直角梯形板短边相邻拼接而成，两块梯形板的直角边固定于保护层6内壁，且直角梯形板下底角为45°。以保护层6中心轴为轴线，60°角为间隔夹角，六片固定板9旋转固定于保护层6内壁。所述每片固定板9前后两侧加工凹槽，用于固定磁环7，所述磁极7为钐钴永磁体，用于约束正离子的径向运动，防止正离子撞击到电极板组8上。所述每片固定板9的两个梯形斜边加工平行于斜边的条形槽，用于固定电极板组8。所述固定板9前端存在直角结构，用于固定所述离子源1。
所述离子源1固定于保护层6前端，与保护层6同轴排布。所述离子源1通过导管2与工质储存箱3相连，氙气工质通过导管2进入离子源1，在离子源1内电离形成正离子和电子，从离子源1末端喷出进入电极板组8区域。
所述电极板组8由阴极和阳极两块极板组成，两极板均为空心圆台片状结构，即为类“喇叭状”结构，阳极板小口径一端与离子源1邻近，设于保护层6前端，阴极板小口径一端设于保护层6后端，阴阳极板大口径端邻近且均设于保护层6内部。两极板分别穿过并固定于固定板9两侧条形槽内，且电极板组8构成的空间结构与离子源同轴。阴极板法线与保护层6轴线所呈夹角为45°，阳极板法线与保护层6轴线所呈夹角为135°。所述电极板组8连通直流电，在区域内沿轴线产生单向电场，用于加速离子源1喷出的正离子，并将其从静电离子推力器结构尾部喷出，产生推力。
所述固定板9由陶瓷制成，可以起到绝缘的作用。
该静电离子推进器中的保护层6和固定板9用于支撑总体结构，离子源1通电后，氙气工质通过导管2从工质储存箱3进入离子源1内，氙气在离子源1内部被电离成带正电的氙离子和电子，形成等离子体流。在电极板组8之间形成的单向电场加速正离子，产生推力，磁环7提供磁场约束正离子的径向运动轨迹，电子枪5提供电子中和羽流。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明解决了现有的电推进系统因推力不足，无法长距离航行的难题。在不改变推进系统的排气速度的情况下，增加单位时间内排气量，从而提高推力。
附图说明
图1为本发明静电离子推力器剖面结构示意图；
图2为本发明静电离子推力器二维截面示意图。
图中：1离子源、2导管、3工质储存箱、4电源、5电子枪、6保护层、7磁环、8电极板组、9固定板。
具体实施方式
为更加清楚地阐明本发明实施例的目的、技术方案和优点，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、完整的描述。显而易见，所描述的实施例是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一种静电离子推力器剖面结构示意图，本实施例可以包括：离子源1、导管2、工质储存箱3、电源4、电子枪5、保护层6、两个磁环7、电极板组8、六个固定板9；
所述保护层6为圆筒状结构，其上方外壁设有工质储存箱3、电源4、电子枪5，以工质储存箱3为前端，三个部件沿同轴由前至后顺次排列。所述保护层6用于保护内部结构免受外界因素的干扰。
所述工质储存箱3固定于保护层6上方外壁面前端位置，用于提供电离所需氙气工质。
所述电源4固定于保护层6上方外壁面中间位置，与离子源1和电子枪5通过导线相连，用于为其提供电能。
所述电子枪5固定于保护层6上方外壁面后端位置，用于产生电子以中和静电离子推力器尾部喷出的正离子束流。
所述固定板9由两块形状为下底角45°的直角梯形板短边相邻拼接而成，两块梯形板的直角边呈直线固定于保护层6内壁。该结构内共有6片固定板，以保护层6中心轴为轴线，60°角为间隔夹角，旋转固定于保护层6内壁，在所述固定板9前后两侧加工凹槽，用于固定磁环7，在所述固定板9的两个梯形斜边加工平行于斜边的条形槽，用于固定电极板组8，所述固定板9前端存在直角结构，用于固定所述离子源1。所述固定板9由陶瓷制成，可以起到绝缘的作用。
所述离子源1固定于保护层6前端，与保护层6同轴排布。所述离子源1通过导管2于工质储存箱3相连，氙气工质通过导管2进入离子源1，在离子源1内电离形成正离子和电子，从离子源1末端喷出进入电极板组8区域。
所述导管2用于连接离子源1和工质储存箱3，运输氙气工质。
所述电极板组8由阴极和阳极两块极板组成，两极板为空心圆台片状，分别固定于固定板9两侧条形槽内，阴极板法线与保护层6轴线所呈夹角为45°，阳极板法线与保护层6轴线所呈夹角为135°。所述电极板组8用于在区域内产生单向电场，加速离子源1喷出的正离子并从静电离子推力器结构尾部喷出，产生推力。
所述磁极7为钐钴永磁体，由环形阵列的固定板9固定，固定于固定板9两侧凹槽处。所述磁极7用于约束正离子的径向运动，防止正离子撞击到所述电极板组8上。
具体来说，本实施例中的保护层6和固定板9用于支撑静电离子推力器的总体结构，离子源通电后，氙气工质通过导管2从工质储存箱3进入离子源1内，氙气在离子源1内部被电离成带正电的氙离子和电子，形成等离子体流。正极板的电势为500V，负极板的电势为-500V，在电极板组8之间形成的单向电场加速正离子，产生推力，磁环7提供磁场约束正离子的径向运动轨迹，电子枪5提供电子中和羽流。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种静电离子推力器，其特征在于，所述的静电离子推力器包括离子源(1)、导管(2)、工质储存箱(3)、电源(4)、电子枪(5)、保护层(6)、磁环(7)、电极板组(8)、固定板(9)；
所述保护层(6)为圆筒状结构，保护层(6)外壁表面设有工质储存箱(3)、电源(4)、电子枪(5)，三个部件沿推力方向的安装顺序依次为：工质储存箱(3) 、电源(4)和电子枪(5)；所述工质储存箱(3)用于提供电离所需氙气工质；所述电源(4)与离子源(1)和电子枪(5)通过导线相连；所述电子枪(5)用于产生电子以中和静电离子推力器尾部喷出的正离子束流；
所述固定板(9)为绝缘材质，每片固定板(9)均由两块形状相同的直角梯形板短边相邻拼接而成，两块梯形板的直角边固定于保护层(6)内壁，且直角梯形板下底角为45°；以保护层(6)中心轴为轴线，60°角为间隔夹角，六片固定板(9)旋转固定于保护层(6)内壁；所述每片固定板(9) 的两个直角梯形板长边上加工凹槽，用于固定磁环(7)；所述每片固定板(9)的两个梯形斜边加工平行于斜边的条形槽；
所述离子源(1)固定于保护层(6)前端，与保护层(6)同轴排布；所述离子源(1)通过导管(2)与工质储存箱(3)相连，氙气工质通过导管(2)进入离子源(1)，在离子源(1)内电离形成正离子和电子，从离子源(1)末端喷出进入电极板组(8)区域；
所述电极板组(8)由阴极和阳极两块极板组成，两极板均为空心圆台片状结构，阳极板小口径一端与离子源(1)邻近，设于保护层(6)前端，阴极板小口径一端设于保护层(6)后端，阴阳极板大口径端邻近且均设于保护层(6)内部；两极板分别穿过并固定于固定板(9)两侧条形槽内，且电极板组(8)构成的空间结构与离子源同轴；所述电极板组(8)连通直流电，在区域内产生单向电场；
离子源(1)通电后，氙气工质通过导管(2)从工质储存箱(3)进入离子源(1)内，氙气在离子源(1)内部被电离成带正电的氙离子和电子，形成等离子体流；在电极板组(8)之间形成的单向电场内加速正离子，产生推力，并将其从静电离子推力器结构尾部喷出；磁环(7)提供磁场约束正离子的径向运动轨迹，中和电子枪(5)提供电子中和羽流。
2.根据权利要求1所述的一种静电离子推力器，其特征在于，所述磁环(7)为钐钴永磁体。
3.根据权利要求1或2所述的一种静电离子推力器，其特征在于，所述固定板(9)由陶瓷制成。
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