CN110513260A - 一种射频等离子体推进器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种射频等离子体推进器，包括将气体电离得到等离子体的电离模块，所述电离模块包括电离模块主体、气喷嘴、进气管道和环形天线，所述电离模块主体上设有电离室，所述气喷嘴位于所述电离室之内，所述进气管道与所述气喷嘴连接，所述环形天线环绕在所述电离室之外，所述环形天线用于在所述电离室内部产生高频电磁场，工质气体在电磁场作用下电离得到等离子体，等离子体经所述电离室出口端排出，从而获得推力。本发明的有益效果是：整体结构简单，重量较轻，安装便捷，电离模块可以独立组装再整装，便于加工生产；该推进器可以根据实际卫星平台载体需求，通过改变电离内径尺寸进行推进器放大和缩小。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体推进器，尤其涉及一种射频等离子体推进器。
背景技术
随着空间机动任务的需求复杂化，卫星平台迫切需要与之相适应的推进系统。与传统冷气推进相比，电推进具有比冲高、结构紧凑、质量轻的特点，更加适用于完成轨道控制和深空探测等任务。随着材料科学、微电子技术和机械设计的不断发展，近年来对于电推进理论的研究不断加深，相关技术发展成熟。
电推进系统工作主要分为两个过程，工质电离获得等离子体，等离子体加速排出获得推力。按照加速方式的不同，电推力器可以分为电热加速推力器、静电加速推力器和电磁加速推力器。空间电推进具有不同的等离子体产生激励方式，等离子体的产生和加热可以通过对电极施加偏压实现直流放电，或采用交流、射频、微波等各种不同激励方式。通过电极实现直流放电是电推进装置产生等离子体最常见的方法，但是采用电极的方式极易造成电极腐蚀影响等离子体产生。而对于交流、射频和微波等其它方式，属于无电极放电，主要考虑电磁兼容和放电效率等问题。
为了空间机动任务的动力系统需求，如何提供一种等离子体推进器，以克服电推力等离子体源技术难题，简化结构，方便电推进系统制造，更好的适应实际卫星平台载体需求，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种射频等离子体推进器。
本发明提供了一种射频等离子体推进器，包括将气体电离得到等离子体的电离模块，所述电离模块包括电离模块主体、气喷嘴、进气管道和环形天线，所述电离模块主体上设有电离室，所述气喷嘴位于所述电离室之内，所述进气管道与所述气喷嘴连接，所述环形天线环绕在所述电离室之外，所述环形天线用于在所述电离室内部产生高频电磁场，工质气体在电磁场作用下电离得到等离子体，等离子体经所述电离室出口端排出，从而获得推力。
作为本发明的进一步改进，所述环形天线为环形铜天线，所述环形铜天线呈圆筒形包围在所述电离室的外部，所述环形铜天线连接有射频电源，用于产生射频磁场并激发感应电场用于电离气体。
作为本发明的进一步改进，所述射频等离子体推进器还包括推进器底座，所述电离模块固定在所述推进器底座上。
作为本发明的进一步改进，所述电离模块主体与所述进气管道通过螺帽紧固连接，所述推进器底座上设有螺帽过孔，所述螺帽设置在所述螺帽过孔上。
作为本发明的进一步改进，所述电离室出口端设有栅极模块，所述栅极模块加速排出带电离子。
作为本发明的进一步改进，所述电离室出口端设有电离室法兰，所述栅极模块连接有棚极盖板法兰，所述电离室法兰与所述棚极盖板法兰连接，所述棚极盖板法兰通过支撑杆与所述推进器底座连接。
作为本发明的进一步改进，所述栅极模块连接有偏压接线柱，所述栅极模块通过所述偏压接线柱施加偏压，在栅极间形成静电场，所述偏压接线柱连接有高压电源，所述推进器底座上设有偏压绝缘筒，所述偏压接线柱设置在所述偏压绝缘筒之内，所述偏压绝缘筒在偏压接线柱和推进器底座之间起到绝缘作用。
作为本发明的进一步改进，所述推进器底座连接有屏蔽罩，所述电离模块、栅极模块分别位于所述屏蔽罩之内，所述屏蔽罩起电磁屏蔽和保护作用。
作为本发明的进一步改进，所述电离室内部是环状的。
作为本发明的进一步改进，所述电离模块主体的底部设有连通气路，所述进气管道通过所述连通气路与所述气喷嘴连接，所述气喷嘴的一端为进气端，另一端为出气端，所述气喷嘴的进气端与所述连通气路为螺纹连接，所述气喷嘴的出气端设有出气孔，所述出气孔的轴线垂直于所述电离室的轴线。
本发明的有益效果是：通过上述方案，整体结构简单，重量较轻，安装便捷，电离模块可以独立组装再整装，便于加工生产；该推进器可以根据实际卫星平台载体需求，通过改变电离内径尺寸进行推进器放大和缩小；射频放电稳定，能够根据要求产生推力比冲，做到离子能量和流量的独立控制；采用射频放电，有效避免了电极腐蚀对等离子体源的影响。
附图说明
图1是本发明一种射频等离子体推进器的电离模块的示意图。
图2是本发明一种射频等离子体推进器的电离模块的主视图。
图3是图2的剖视图A-A。
图4是本发明一种射频等离子体推进器的主视图。
图5是图4的剖视图B-B。
图6是本发明一种射频等离子体推进器的示意图。
图7是本发明一种射频等离子体推进器安装了屏蔽罩的示意图。
图8是本发明一种射频等离子体推进器的气喷嘴的示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至图8所示，一种射频等离子体推进器，包括将气体电离得到等离子体的电离模块，所述电离模块包括电离模块主体100、气喷嘴2、进气管道3和环形天线5，所述电离模块主体100上设有电离室1，所述气喷嘴2位于所述电离室1之内，所述进气管道3与所述气喷嘴2连接，所述环形天线5环绕在所述电离室1之外，所述环形天线5用于在所述电离室1内部产生高频电磁场，工质气体在电磁场作用下电离得到等离子体，等离子体经所述电离室1出口端排出，从而获得推力。
如图1至图8所示，所述环形天线5优选为环形铜天线，所述环形铜天线呈圆筒形包围在所述电离室1的外部，所述环形铜天线连接有射频电源，用于产生射频磁场并激发感应电场用于电离气体，电离气体可以氩气、氙气或其它常用电离气体。
如图1至图8所示，所述射频等离子体推进器还包括推进器底座9，所述电离模块固定在所述推进器底座9上。
如图1至图8所示，所述电离模块主体100与所述进气管道3通过螺帽6紧固连接，所述推进器底座9上设有螺帽过孔，所述螺帽6设置在所述螺帽过孔上。
如图1至图8所示，所述电离室1出口端设有栅极模块7，所述栅极模块7加速排出带电离子。
如图1至图8所示，所述电离室1出口端设有电离室法兰4，所述栅极模块7连接有棚极盖板法兰12，所述电离室法兰4与所述棚极盖板法兰12通过螺栓11连接，所述棚极盖板法兰12通过支撑杆13与所述推进器底座9连接。
如图1至图8所示，所述栅极模块7连接有偏压接线柱10，所述栅极模块7通过所述偏压接线柱10施加偏压，在栅极间形成静电场，所述偏压接线柱10连接有高压电源，所述推进器底座9上设有偏压绝缘筒8，所述偏压接线柱10设置在所述偏压绝缘筒8之内，所述偏压绝缘筒8在偏压接线柱10和推进器底座9之间起到绝缘作用。
如图1至图8所示，所述推进器底座9连接有屏蔽罩14，所述电离模块、栅极模块7分别位于所述屏蔽罩14之内，所述屏蔽罩14起电磁屏蔽和保护作用。
如图1至图8所示，所述电离室1内部是环状的，便于利用感应电场电离气体。
如图1至图8所示，所述电离模块主体100的底部设有连通气路，所述进气管道3通过所述连通气路与所述气喷嘴2连接，所述气喷嘴2的一端为进气端，设有进气孔17，另一端为出气端，设有多个出气孔16，所述气喷嘴2的进气端与所述连通气路为螺纹连接，所述出气孔16的轴线垂直于所述电离室1的轴线，多个出气孔16向四周螺旋状输入工质气体。
本发明提供的一种射频等离子体推进器，主要是利用射频放电获得感应耦合等离子体，栅极模块7位于电离室1出口端，栅极上不同的偏压条件静电加速引出等离子体获得推力，栅极模块7可以独立组装再与电离模块通过安装法兰整装。
如图1至图8所示，将高频功率供给环形天线5，射频源通过匹配网络驱动环形天线5，激发的交变磁场引起感应电场，对低气压下电子进行加速，由此激发产生等离子体，环形天线5的能量通过震荡磁场被耦合给了等离子体。常用频率是13.56MHz，在气压10-2Pa条件下，功率在几瓦到几十瓦之间可以产生和维持等离子体。
如图1至图8所示，等离子体是电导体，因此电离室1，电离室法兰4、气喷嘴2、螺帽6、棚极盖板法兰12均采用氧化铝陶瓷制作，耐高温性和结构强度均满足等离子体产生要求。工质气体经气喷嘴2进入电离室1，气体向四周螺旋进入电离室1，有效增加气体排出的行程，有助于提高电离率。此外，改进气方式也有助于提高等离子体的稳定性。
如图1至图8所示，栅极模块7主要由加速栅极、减速栅极以及对应的偏压板和固定螺栓组成。加速栅极和减速栅极分别通过偏压接线柱10连接，偏压绝缘筒8在偏压接线柱10和推进器底座9之间起到绝缘作用。
如图1至图8所示，屏蔽罩14由不锈钢制成，屏蔽罩14可以有效屏蔽射频天线的电磁辐射。支撑柱13固定了屏蔽罩14、环形盖帽法兰12和推进器底座9的相对位置。
如图1至图8所示，栅极组件7和电离室1通过螺栓11由电离室法兰4和栅极盖板法兰12连接，支撑杆13负责固定栅极盖板法兰12和推进器底座9，屏蔽罩14和推进器底座9通过支撑杆13和螺栓15保持相对位置，屏蔽罩14和推进器底座9将栅极模块7和电离模块包裹起来。
本发明提供的一种射频等离子体推进器，气体电离获得等离子体的过程发生在电离室1内，气体（一般为氩气或氙气）通过进气管道3经进气喷嘴2进入电离室1，环形天线5通射频电源后在电离室1内部产生高频电磁场，工质气体在电磁场作用下电离得到等离子体，等离子体经电离室1出口端的栅极组件7加速排出从而获得推力。
本发明提供的一种射频等离子体推进器，整体结构简单，重量较轻，安装便捷，电离模块和栅极模块可以独立组装再整装，便于加工生产。该推进器可以根据实际卫星平台载体需求，通过改变电离内径尺寸进行推进器放大和缩小。射频放电稳定，能够根据要求产生推力比冲，做到离子能量和流量的独立控制。采用射频放电，有效避免了电极腐蚀对等离子体源的影响。
利用射频放电产生等离子体进行电推进研制受到业界广泛关注，在气体放电电动推进器类中，射频激励型放电似乎最适合于按比例缩小的放电装置，因为它在离子发生器内部没有任何放电电极，磁极靴等工作。放电室形状不受特殊限制，可以为典型轴对称结构也可以是长方体结构或锥体结构等。本发明提供的一种射频等离子体推进器，可以根据际卫星平台载体实际需求，在一定范围内进行尺寸放大或缩小。
本发明提供的一种射频等离子体推进器，针对解决空间任务无推进系统的问题，利用感应耦合等离子体经栅极模块加速获得推力，主要应用于卫星空间机动的动力系统，属于电推进领域。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种射频等离子体推进器，其特征在于：包括将气体电离得到等离子体的电离模块，所述电离模块包括电离模块主体、气喷嘴、进气管道和环形天线，所述电离模块主体上设有电离室，所述气喷嘴位于所述电离室之内，所述进气管道与所述气喷嘴连接，所述环形天线环绕在所述电离室之外，所述环形天线用于在所述电离室内部产生高频电磁场，工质气体在电磁场作用下电离得到等离子体，等离子体经所述电离室出口端排出，从而获得推力。
2.根据权利要求1所述的射频等离子体推进器，其特征在于：所述环形天线为环形铜天线，所述环形铜天线呈圆筒形包围在所述电离室的外部，所述环形铜天线连接有射频电源，用于产生射频磁场并激发感应电场用于电离气体。
3.根据权利要求1所述的射频等离子体推进器，其特征在于：所述射频等离子体推进器还包括推进器底座，所述电离模块固定在所述推进器底座上。
4.根据权利要求3所述的射频等离子体推进器，其特征在于：所述电离模块主体与所述进气管道通过螺帽紧固连接，所述推进器底座上设有螺帽过孔，所述螺帽设置在所述螺帽过孔上。
5.根据权利要求3所述的射频等离子体推进器，其特征在于：所述电离室出口端设有栅极模块，所述栅极模块加速排出带电离子。
6.根据权利要求5所述的射频等离子体推进器，其特征在于：所述电离室出口端设有电离室法兰，所述栅极模块连接有棚极盖板法兰，所述电离室法兰与所述棚极盖板法兰连接，所述棚极盖板法兰通过支撑杆与所述推进器底座连接。
7.根据权利要求5所述的射频等离子体推进器，其特征在于：所述栅极模块连接有偏压接线柱，所述栅极模块通过所述偏压接线柱施加偏压，在栅极间形成静电场，所述偏压接线柱连接有高压电源，所述推进器底座上设有偏压绝缘筒，所述偏压接线柱设置在所述偏压绝缘筒之内，所述偏压绝缘筒在偏压接线柱和推进器底座之间起到绝缘作用。
8.根据权利要求5所述的射频等离子体推进器，其特征在于：所述推进器底座连接有屏蔽罩，所述电离模块、栅极模块分别位于所述屏蔽罩之内，所述屏蔽罩起电磁屏蔽和保护作用。
9.根据权利要求1所述的射频等离子体推进器，其特征在于：所述电离室内部是环状的。
10.根据权利要求1所述的射频等离子体推进器，其特征在于：所述电离模块主体的底部设有连通气路，所述进气管道通过所述连通气路与所述气喷嘴连接，所述气喷嘴的一端为进气端，另一端为出气端，所述气喷嘴的进气端与所述连通气路为螺纹连接，所述气喷嘴的出气端设有出气孔，所述出气孔的轴线垂直于所述电离室的轴线。
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