CN110230581A - 一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置 - Google Patents

Abstract

一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置，属于等离子体推进领域。本发明解决了现有的微牛级推力器无法满足在引力波探测任务中要求的高精度推力控制、大范围推力连续可调、超高推力分辨率以及长寿命在轨工作的微牛级推力器需求的问题。放电腔体内部固设有石英护板，底板上开设有若干第一通孔和若干第二通孔，底板上靠近石英护板的一端面设置有若干盘香形天线，每个盘香形天线上位于中心位置的一端对应通过第一通孔引出高压级并与射频电源的输出级连接，每个盘香形天线上位于外围的一端对应通过第二通孔引出接地级并与射频电源的输出级连接，屏栅接正高电压，加速栅接低负电压，石英护板与屏栅之间的环形侧壁上开设有进气孔。

Description

一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置

技术领域

本发明涉及一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置，属于等离子体推进领域。

背景技术

引力波探测是当代物理学和天文学的一项重大突破，决定着国际前沿科学的发展方向；空间引力波探测可以突破地表震动、引力梯度噪声和干涉臂长的限制，研究黑洞天文学中丰富的中低频引力波事件。为此需要发展几十万到百万公里量级基线长度的观测系统，欧洲的LISA计划和我国的“天琴计划”、“太极计划”正是目前这一领域最为重要的科学计划。与此同时，为了航天器超静超稳的姿态和位置需求，空间引力波探测要求的推力器参数为：推力范围要覆盖1-100微牛，推力精度达到0.1微牛，并保持极低的噪声水平和超快速响应能力，这对目前国内外现有的微推进技术而言是一项非常重大的挑战。

以霍尔推力器、离子推力器等为代表的毫牛级电推力器在航天器姿态控制、轨道修正、动力补偿等方面已经得到了越来越广泛的应用。世界各国广泛开展这一领域的研究，以推动和促进技术上的创新。如美国宇航局、空军实验室、欧洲航天局、日本东京大学和我国的哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、北京理工大学、西北工业大学等高校和航天科技集团所属的研究所也在这一领域取得了一系列重要成果。然而，在毫牛级电推进技术完善同时，随着深空探测和空间科学研究的不断开展，世界主要航天强国越来越需要更大推力范围内更高精度的电推进装置。

然而目前的微牛级推力器备选方案中，考夫曼型离子推力器因存在电极侵蚀而无法满足引力波探测长期工作的寿命需求；射频离子推力器因其加热机制上的限制，导致其不能在极低气压下稳定工作，达到推力下限较为困难；电子回旋共振离子推力器的加热机制较有优势但其结构过于单一可设计性低，对推力大范围可调带来了困难。

发明内容

本发明是为了解决现有的微牛级推力器无法满足在引力波探测任务中要求的高精度推力控制、大范围推力连续可调、超高推力分辨率以及长寿命在轨工作的微牛级推力器需求的问题，进而提供了一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置，它包括呈筒形结构的放电腔体以及同轴固设在放电腔体开口端的屏栅和加速栅，所述放电腔体包括环形壁板和固设在环形壁板一端部的底板，所述放电腔体内部同轴固设有石英护板，底板上开设有若干第一通孔和若干第二通孔，底板上靠近石英护板的一端面设置有若干盘香形天线，若干所述第一通孔和若干所述第二通孔的数量均与若干盘香形天线的数量相同，且每个盘香形天线上位于中心位置的一端对应通过第一通孔引出高压极并与射频电源的输出级连接，每个盘香形天线上位于外围的一端对应通过第二通孔引出接地极并与射频电源的输出级连接，屏栅与加速栅之间设置有绝缘层，且屏栅位于加速栅与放电腔体之间，所述屏栅接正高电压，所述加速栅接低负电压，石英护板与屏栅之间的环形侧壁上开设有进气孔。

进一步地，底板的外壁与环形壁板的内壁为过盈配合。

进一步地，所述绝缘层为环形陶瓷垫片，且同轴设置在屏栅与加速栅之间。

进一步地，环形陶瓷垫片的厚度为0.5mm。

进一步地，加速栅、绝缘层、屏栅与放电腔体之间采用螺栓连接，且用于螺栓连接的每个螺纹孔均为陶瓷螺纹孔。

进一步地，放电腔体的内径为20mm，石英护板与屏栅之间的距离为12mm。

进一步地，盘香形天线的外圈直径为2.96mm，若干盘香形天线均布在底板上且最外层的若干盘香形天线呈六边形分布。

进一步地，放电腔体的开口端同轴固设有定位环，加速栅、绝缘层、屏栅与放电腔体之间均通过定位环固接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

在放电方式方面，本申请利用感应耦合放电阵列实现涡旋电磁场与电子共振加热产生等离子体的离子推力器，有效扩展了微型离子推力器的放电参数调节范围和推力调节范围。尤其针对极低气压条件下射频离子放电点火困难和放电不能稳定持续的问题提供了解决方案。可适应气压大范围调整，并保持较高工质利用率。

在相位获能大小方面，本申请提出的天线阵列位型空间的周期性拓扑结构，可调整天线之间的电磁信号相位差，进而可以精确控制放电室内部电磁能供应，改变电子获能大小。该调节手段解决了极端气压条件，即放电室内原子密度跨数量级大范围变化，引起的射频无碰撞加热效率低和等离子体密度不能维持的问题。

在区域获能大小方面，本申请提出的天线阵列互相之间电路独立，可通过控制阵列内不同的单天线射频能量馈入，控制电子获能区域，即可在一定范围内控制等离子体密度，并维持稳定放电。为离子光学系统的引出提供精确可控可变的离子密度，进而实现推力的大范围精确可调。

本申请通过综合调整获能区域、获能相位、射频频率、栅极孔数以及栅极电压等因素，实现推力的高分辨率控制、高精度控制及大范围可调控制。

通过设置石英护板，可以保护盘香形天线及底板不受带电粒子侵蚀，有效延长了推进装置的使用寿命。

附图说明

图1为本申请的立体结构示意图；

图2为本申请的轴向剖视示意图；

图3为底板上远离石英护板的一端面的结构示意图；

图4为底板上靠近石英护板的一端面的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～4说明本实施方式，一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置，它包括呈筒形结构的放电腔体1以及同轴固设在放电腔体1开口端的屏栅2和加速栅3，所述放电腔体1包括环形壁板11和固设在环形壁板11一端部的底板12，所述放电腔体1内部同轴固设有石英护板4，底板12上开设有若干第一通孔12-1和若干第二通孔12-2，底板12上靠近石英护板4的一端面设置有若干盘香形天线5，若干所述第一通孔12-1和若干所述第二通孔12-2的数量均与若干盘香形天线5的数量相同，且每个盘香形天线5上位于中心位置的一端对应通过第一通孔12-1引出高压极并与射频电源的输出级连接，每个盘香形天线5上位于外围的一端对应通过第二通孔12-2引出接地极并与射频电源的输出级连接，屏栅2与加速栅3之间设置有绝缘层6，且屏栅2位于加速栅3与放电腔体1之间，所述屏栅2接正高电压，所述加速栅3接低负电压，石英护板4与屏栅2之间的环形侧壁上开设有进气孔11-1。环形壁板11、石英护板4及屏栅2之间所形成的空间为放电室，底板12上设置的若干盘香形天线形成天线阵列，并在其位型空间形成周期性拓扑结构。每个盘香形天线均采用微加工刻蚀的方式与底板12固接，也可先在底板12上加工盘香型凹槽，便于天线的刻蚀。进气孔11-1用于注入工质气体。放电腔体为金属材料。

天线阵列通过电磁感应将电磁能注入放电室中，每个盘香形天线5都可在放电室中产生感应涡旋电场，且各自的电场在位型空间具有周期性。这时，放电室内部等离子体中的电子在该电场的周期性加速下，使得电子在速度空间上实现与涡旋电场同周期，进而发生电磁能的共振吸收。只要单个盘香形天线5间电磁信号相位差固定，就能在电子速度空间实现共振。通过调整每个天线之间的电磁信号相位差，进而可以精确控制放电室内部电磁能供应，即可以精确控制电子获能大小，进而配合工质气体的供气流量改变等离子体密度维持，即可实现推力大范围可调。同时，这样的结构使得电子获能效果极佳，实现工质利用率的跨数量级范围变化时工质利用率也可以很高。

天线阵列的高电压极和接地极，分别与射频电源的输出级连接，以供射频能量馈入。盘香形天线5与放电室等离子产生区域之间通过石英护板4隔离，所述石英护板4为石英玻璃。因石英玻璃不影响射频电磁能量的馈入且可以保护盘香形天线5及底板12不受带电粒子侵蚀，有效延长了推进装置的使用寿命。

屏栅2及加速栅3的材料均为钼，且屏栅2上开设有若干第三通孔，加速栅3上开设有若干第四通孔，且若干第三通孔与若干第四通孔一一对应设置，用于喷出放电室内部等离子体中的离子。

屏栅2及加速栅3组成离子光学系统，以引出加速离子产生推力。

本申请的射频信号选择在100-150MHz范围内，通过同轴射频传输电缆接入天线阵列。

在放电方式方面，本申请利用感应耦合放电阵列实现涡旋电磁场与电子共振加热产生等离子体的离子推力器，有效扩展了微型离子推力器的放电参数调节范围和推力调节范围。尤其针对极低气压条件下射频离子放电点火困难和放电不能稳定持续的问题提供了解决方案。可适应气压大范围调整，并保持较高工质利用率。

在相位获能大小方面，本申请提出的天线阵列位型空间的周期性拓扑结构，可调整天线之间的电磁信号相位差，进而可以精确控制放电室内部电磁能供应，改变电子获能大小。该调节手段解决了极端气压条件，即放电室内原子密度跨数量级大范围变化，引起的射频无碰撞加热效率低和等离子体密度不能维持的问题。

在区域获能大小方面，本申请提出的天线阵列互相之间电路独立，可通过控制阵列内不同的单天线射频能量馈入，控制电子获能区域，即可在一定范围内控制等离子体密度，并维持稳定放电。为离子光学系统的引出提供精确可控可变的离子密度，进而实现推力的大范围精确可调。例如，栅极孔数为85个，栅极电压达到千伏量极，可获得推力大约在百微牛，而进一步减小栅极电压至百伏量级，减小获能区域和改变获能相位，在微流量下维持稳定电离，综合供气流量、电子获能区域、电子获能相位、栅极孔数和栅极电压等多维度联合调节引出粒子束流密度和粒子束流能量，可实现几微牛级推力，从而实现推力范围跨越。

本发明的离子光学系统由屏栅2极和加速栅3极组成。屏栅2极接正千伏高压，加速栅3极接负百伏的低电压。通过屏栅2极和加速栅3极之间的电势差引出放电室内部等离子体中的离子，并加速喷出产生推力。加速栅3的负电压可以避免羽流中和电子被屏栅2高电势引入放电室中形成短路。栅极之间电压的调整也对推力大小的调整有很大帮助。

本申请通过综合调整获能区域、获能相位、射频频率、栅极孔数以及栅极电压等因素，实现推力的高分辨率控制、高精度控制及大范围可调控制。

底板12的外壁与环形壁板11的内壁为过盈配合。底板12外壁与环形壁板11内壁之间通过陶瓷胶或直接采用焊接的方式密封。

所述绝缘层6为环形陶瓷垫片，且同轴设置在屏栅2与加速栅3之间。

环形陶瓷垫片的厚度为0.5mm。

加速栅3、绝缘层6、屏栅2与放电腔体1之间采用螺栓连接，且用于螺栓连接的每个螺纹孔均为陶瓷螺纹孔。有效避免加速栅3与屏栅2之间短路。

放电腔体1的内径为20mm，石英护板4与屏栅2之间的距离为12mm。

盘香形天线5的外圈直径为2.96mm，若干盘香形天线5均布在底板12上且最外层的若干盘香形天线5呈六边形分布。

放电腔体1的开口端同轴固设有定位环13，加速栅3、绝缘层6、屏栅2与放电腔体1之间均通过定位环13固接。

工作原理：

通过进气孔11-1将工质气体注入放电室，同时盘香形天线5的高压极与接地极可分别与射频电源的输出级连接，射频能量通过天线阵列馈入放电室产生涡旋感应电场加热种子电子发生电离，产生等离子体。通过调整射频电源的通断及射频信号，即可控制内部感应电场的相位差和场分布，即可控制电子获能效果，进而调整电离。给离子光学系统接入正负极高电压差，即可引出放电室内部等离子体中的离子并加速喷出产生推力。通过这种共振加热的方式，有效改善了射频放电在低气压条件下不能稳定工作的问题。这种宽范围连续高精度可调且稳定运行的放电装置，提高了微牛级离子推力器的推力调节范围和调节精度，且具有无电极烧蚀，寿命长等特点。这一装置为引力波探测和诸多空间探测任务的实现提供了稳定可靠的解决方案。

Claims (8)

1.一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置，其特征在于：它包括呈筒形结构的放电腔体(1)以及同轴固设在放电腔体(1)开口端的屏栅(2)和加速栅(3)，所述放电腔体(1)包括环形壁板(11)和固设在环形壁板(11)一端部的底板(12)，所述放电腔体(1)内部同轴固设有石英护板(4)，底板(12)上开设有若干第一通孔(12-1)和若干第二通孔(12-2)，底板(12)上靠近石英护板(4)的一端面设置有若干盘香形天线(5)，若干所述第一通孔(12-1)和若干所述第二通孔(12-2)的数量均与若干盘香形天线(5)的数量相同，且每个盘香形天线(5)上位于中心位置的一端对应通过第一通孔(12-1)引出高压极并与射频电源的输出级连接，每个盘香形天线(5)上位于外围的一端对应通过第二通孔(12-2)引出接地极并与射频电源的输出级连接，屏栅(2)与加速栅(3)之间设置有绝缘层(6)，且屏栅(2)位于加速栅(3)与放电腔体(1)之间，所述屏栅(2)接正高电压，所述加速栅(3)接低负电压，石英护板(4)与屏栅(2)之间的环形侧壁上开设有进气孔(11-1)。

2.根据权利要求1所述的一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置，其特征在于：底板(12)的外壁与环形壁板(11)的内壁为过盈配合。

3.根据权利要求1或2所述的一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置，其特征在于：所述绝缘层(6)为环形陶瓷垫片，且同轴设置在屏栅(2)与加速栅(3)之间。

4.根据权利要求3所述的一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置，其特征在于：环形陶瓷垫片的厚度为0.5mm。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置，其特征在于：加速栅(3)、绝缘层(6)、屏栅(2)与放电腔体(1)之间采用螺栓连接，且用于螺栓连接的每个螺纹孔均为陶瓷螺纹孔。

6.根据权利要求5所述的一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置，其特征在于：放电腔体(1)的内径为20mm，石英护板(4)与屏栅(2)之间的距离为12mm。

7.根据权利要求6所述的一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置，其特征在于：盘香形天线(5)的外圈直径为2.96mm，若干盘香形天线(5)均布在底板(12)上且最外层的若干盘香形天线(5)呈六边形分布。

8.根据权利要求1、2、4、6或7所述的一种涡旋共振电离的微牛级离子推进装置，其特征在于：放电腔体(1)的开口端同轴固设有定位环(13)，加速栅(3)、绝缘层(6)、屏栅(2)与放电腔体(1)之间均通过定位环(13)固接。