CN110735776B - 一种自冷式微波增强电推力器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种自冷式微波增强电推力器，属于航天电推进技术领域。所述的自冷式微波增强电推力器包括金属天线、放电腔体、进气接口、SMA射频输入接口、锥形出口、永磁环组。金属天线、放电腔体和锥形出口通过螺纹依次连接；永磁环组安装在放电腔体和锥形出口外部；进气接口和SMA射频输入接口安装在放电腔体的螺纹通孔内；本发明解决了现有的微波推力器中，长时间放电导致的金属天线局部过热带来的放电不稳定问题，通过“风冷”的作用大大降低天线的发热量，从而维持放电的稳定，实现推力器自冷。通过推力器尾部的锥形出口，使电磁场在局部得到增强，提高等离子体的能量转换效率，从而提升推力器的性能。
Description
技术领域
本发明属于航天电推进技术领域，尤其涉及一种自冷式微波增强电推力器。
背景技术
长期以来，探索太空并了解地球以外知识的渴望一直是航天技术发展的动力。电推进是一种用于航天器的新型推进技术，其将电能转化为推进剂的动能从而产生推力。与化学推进技术相比，电推进不受推进剂化学能的限制，主要靠电能(来自太阳能电池或核反应堆电源)提供能量，摆脱了化学能的限制。
电子回旋共振(ECR)是一种较常见的微波等离子体获取方法。由于电子在磁场中绕磁力线运动的回旋频率为fe＝eB/2πme，其中e为电子电荷量，B为磁感应强度，me为电子质量，当电子的回旋频率与微波频率相同时会产生共振，使电子从微波中获取能量而使电子与离子分离，产生微波等离子体。
但是在传统电子回旋共振电推力器中，天线的放电温度无法保持恒定，随着放电的持续产生，过高的天线温度将会影响推力器的放电状态，给太空活动带来不便。
发明内容
针对现有技术中所存在的问题，本发明提供一种自冷式微波增强电推力器，以克服现有微波放电中能量利用率偏低、散热能力较差等问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种自冷式微波增强电推力器，所述的自冷式微波增强电推力器包括金属天线1、放电腔体2、进气接口3、SMA射频输入接口4、锥形出口5和永磁环组6。
所述的放电腔体2为一端封闭的圆筒形结构，其封闭面外侧固定安装圆柱凸台201，圆柱凸台201与放电腔体2同轴，圆柱凸台201的圆周面开有螺纹，圆柱凸台201的端面中心处开有圆形通孔，通孔贯穿到放电腔体2内部；所述的放电腔体2内表面为变直径结构，靠前封闭面的直径小，远离封闭面的直径大。
所述金属天线1包括金属圆柱101和天线固定座102；所述的天线固定座102为一端封闭的圆筒形结构，天线固定座102的内表面开有螺纹；所述的天线固定座102的封闭面内侧安装有金属圆柱101，金属圆柱101与天线固定座102同轴；所述的金属天线1通过螺纹安装在圆柱凸台201上，金属圆柱101穿过圆柱凸台201和放电腔体2的通孔位于放电腔体2内部，通过旋转天线固定座102实现金属圆柱101的伸出长度连续可调，从而便于改变等离子体放电状态。
所述放电腔体2的小内径段等间距的开有三个螺纹通孔，每个螺纹通孔的轴线与放电腔体2的轴线垂直；所述的三个螺纹通孔中，两个螺纹通孔连接进气接口3，另外一个螺纹通孔连接SMA射频输入接口4。
所述的进气接口3将工质气体导入放电腔体2内产生等离子体，并冷却金属天线1。
所述的SMA射频输入接口4为变直径圆柱体，SMA射频输入接口4的大直径段安装在放电腔体2的螺纹通孔上，SMA射频输入接口4的小直径段端部与金属圆柱101接触，SMA射频输入接口4的轴线与金属圆柱101的轴线垂直。SMA射频输入接口4用于将射频功率馈入到金属天线1，从而激发工质气体放电，在放电腔体2内产生等离子体。
所述的锥形出口5为圆柱形，锥形出口5的两个端面之间开有锥形通孔；所述的锥形出口5安装在放电腔体2的大内径段，锥形出口5与放电腔体2同轴；所述的锥形出口5靠近放电腔体2的一侧内径大，远离放电腔体2的一侧内径小；所述的锥形出口5实现电磁场的局部增强，电离并加速等离子体，提高推力器性能。
所述永磁环组6包括永磁环a601、永磁环b602和永磁环c603；三个永磁环均为圆环形；所述的永磁环a601内圆周面为S级，外圆周面为N级；所述的永磁环b602内圆周面为N级，外圆周面为S级；所述的永磁环c603内圆周面为S级，外圆周面为N级；所述的永磁环a601、永磁环b602和永磁环c603依次安装在放电腔体2和锥形出口5外侧，永磁环a601位于上游，永磁环c603位于下游，永磁环b602位于中间(工质气体入口为上游)，同时三个永磁环的间距可调；所述的永磁环a601、永磁环b602、永磁环c603、放电腔体2和锥形出口5同轴。
进一步的，所述的永磁环组6为径向充磁的钐钴永磁体。
进一步的，所述的放电腔体2和锥形出口5之间通过螺纹连接。
本发明的工作原理为：
射频功率源通过SMA射频输入接口4将能量垂直馈入到金属天线1；通过调整永磁环之间的间距产生会切磁场以及满足电子回旋共振的Gauss面。当微波场的角频率与通过外加磁场诱导的电子回旋角频率相一致时，产生电子回旋共振，使得电子通过微波右旋偏振而持续获得加热，吸收微波场的能量迅速增加。
受本发明的使用条件限制，射频源的频率为2.45GHz，所以产生电子回旋共振需满足磁感应强度为875Gauss，通过调整金属圆柱101的伸出长度使金属天线1的末端处于875Gauss面，此时工质气体会高速电离，产生等离子体。同时所述永磁环组6形成的会切磁场，通过磁镜效应束缚放电腔体2内产生电子，加强电子与中性工质气体粒子的碰撞频率，从而提高工质气体的电离率。
本发明的有益效果：
本发明解决了现有的微波推力器中，长时间放电导致的金属天线局部过热带来的放电不稳定问题，通过“风冷”的作用大大降低天线的发热量，从而维持放电的稳定，实现推力器自冷。通过推力器尾部的锥形出口，使电磁场在局部得到增强，提高等离子体的能量转换效率，从而提升推力器的性能。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图。
图2是本发明的平面结构示意图。
图中：1、金属天线；101、金属圆柱；102天线固定座；2、放电腔体；201、圆柱凸台；3、进气接口；4、SMA射频输入接口；5、锥形出口；6、永磁环组；601、永磁环a；602、永磁环b；603、永磁环c。
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。
如图1和图2所示的一种自冷式微波增强电推力器包括金属天线1、放电腔体2、进气接口3、SMA射频输入接口4、锥形出口5和永磁环组6。
所述的放电腔体2为一端封闭的圆筒形结构，其封闭面外侧固定安装圆柱凸台201，圆柱凸台201与放电腔体2同轴，圆柱凸台201的圆周面开有螺纹，圆柱凸台201的端面中心处开有圆形通孔，通孔贯穿到放电腔体2内部；所述的放电腔体2内表面为变直径结构，靠前封闭面的直径小，远离封闭面的直径大。
所述金属天线1包括金属圆柱101和天线固定座102；所述的天线固定座102为一端封闭的圆筒形结构，天线固定座102的内表面开有螺纹；所述的天线固定座102的封闭面内侧安装有金属圆柱101，金属圆柱101与天线固定座102同轴；所述的金属天线1通过螺纹安装在圆柱凸台201上，金属圆柱101穿过圆柱凸台201和放电腔体2的通孔位于放电腔体2内部，通过旋转天线固定座102实现金属圆柱101的伸出长度连续可调，从而便于改变等离子体放电状态。
所述放电腔体2的小内径段等间距的开有三个螺纹通孔，每个螺纹通孔的轴线与放电腔体2的轴线垂直；所述的三个螺纹通孔中，两个螺纹通孔连接进气接口3，另外一个螺纹通孔连接SMA射频输入接口4。
所述的进气接口3将工质气体导入放电腔体2内产生等离子体，并冷却金属天线1。
所述的SMA射频输入接口4为变直径圆柱体，SMA射频输入接口4的大直径段安装在放电腔体2的螺纹通孔上，SMA射频输入接口4的小直径段端部与金属圆柱101接触，SMA射频输入接口4的轴线与金属圆柱101的轴线垂直。工作时，射频源的输出端与SMA射频输入接口4的大直径段端部直接连接，SMA射频输入接口4将射频功率馈入到金属天线1，从而激发工质气体放电，在放电腔体2内产生等离子体。
所述的锥形出口5为圆柱形，锥形出口5的两个端面之间开有锥形通孔；所述的锥形出口5安装在放电腔体2的大内径段，锥形出口5与放电腔体2同轴；所述的锥形出口5靠近放电腔体2的一侧内径大，远离放电腔体2的一侧内径小；所述的锥形出口5实现电磁场的局部增强，电离并加速等离子体，提高推力器性能。
所述永磁环组6包括永磁环a601、永磁环b602和永磁环c603；三个永磁环均为圆环形；所述的永磁环a601内圆周面为S级，外圆周面为N级；所述的永磁环b602内圆周面为N级，外圆周面为S级；所述的永磁环c603内圆周面为S级，外圆周面为N级；所述的永磁环a601、永磁环b602和永磁环c603依次安装在放电腔体2和锥形出口5外侧，永磁环a601位于上游，永磁环c603位于下游，永磁环b602位于中间(工质气体入口为上游)，同时三个永磁环的间距可调；所述的永磁环a601、永磁环b602、永磁环c603、放电腔体2和锥形出口5同轴。
进一步的，所述的永磁环组6为径向充磁的钐钴永磁体。
进一步的，所述的金属天线1、放电腔体2、进气接口3和锥形出口5的材料为黄铜。
进一步的，所述的放电腔体2和锥形出口5之间通过螺纹连接。
射频功率源通过SMA射频输入接口4将能量垂直馈入到金属天线1；通过调整永磁环之间的间距产生会切磁场以及满足电子回旋共振的Gauss面。当微波场的角频率与通过外加磁场诱导的电子回旋角频率相一致时，产生电子回旋共振，使得电子通过微波右旋偏振而持续获得加热，吸收微波场的能量迅速增加。
受本发明的使用条件限制，射频源的频率为2.45GHz，所以产生电子回旋共振需满足磁感应强度为875Gauss，通过调整金属圆柱101的伸出长度使金属天线1的末端处于875Gauss面，此时工质气体会高速电离，产生等离子体。同时所述永磁环组6形成的会切磁场，通过磁镜效应束缚放电腔体2内产生电子，加强电子与中性工质气体粒子的碰撞频率，从而提高工质气体的电离率。
本发明解决了现有的微波推力器中，长时间放电导致的金属天线局部过热带来的放电不稳定问题，通过“风冷”的作用大大降低天线的发热量，从而维持放电的稳定，实现推力器自冷。通过推力器尾部的锥形出口，使电磁场在局部得到增强，提高等离子体的能量转换效率，从而提升推力器的性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种自冷式微波增强电推力器，包括金属天线(1)、放电腔体(2)、进气接口(3)、SMA微波输入接口(4)、锥形出口(5)和永磁环组(6)；其特征在于，所述的放电腔体(2)为一端封闭的圆筒形结构，其封闭面外侧固定安装圆柱凸台(201)，圆柱凸台(201)与放电腔体(2)同轴，圆柱凸台(201)的圆周面开有螺纹，圆柱凸台(201)的端面中心处开有圆形通孔，通孔贯穿到放电腔体(2)内部；所述的放电腔体(2)内表面为变内径结构，包括小内径段、大内径段，靠前封闭面的内径小，远离封闭面的内径大；
所述金属天线(1)包括金属圆柱(101)和天线固定座(102)；所述的天线固定座(102)为一端封闭的圆筒形结构，天线固定座(102)的内表面开有螺纹；所述的天线固定座(102)的封闭面内侧安装有金属圆柱(101)，金属圆柱(101)与天线固定座(102)同轴；所述的金属天线(1)通过螺纹安装在圆柱凸台(201)上，金属圆柱(101)穿过圆柱凸台(201)和放电腔体(2)的通孔位于放电腔体(2)内部，通过旋转天线固定座(102)实现金属圆柱(101)的伸出长度连续可调；
所述放电腔体(2)的小内径段等间距的开有三个螺纹通孔，每个螺纹通孔的轴线与放电腔体(2)的轴线垂直；所述的三个螺纹通孔中，两个螺纹通孔连接进气接口(3)，另外一个螺纹通孔连接SMA微波输入接口(4)；SMA微波输入接口(4)用于将微波功率馈入到金属天线(1)，从而激发工质气体放电，在放电腔体(2)内产生等离子体；所述的微波功率为2.45GHz；
所述的进气接口(3)将工质气体导入放电腔体(2)内产生等离子体，并冷却金属天线(1)；
所述的锥形出口(5)为圆柱形，锥形出口(5)的两个端面之间开有锥形通孔；所述的锥形出口(5)安装在放电腔体(2)的大内径段，锥形出口(5)与放电腔体(2)同轴；所述的锥形出口(5)靠近放电腔体(2)的一侧内径大，远离放电腔体(2)的一侧内径小；所述的锥形出口(5)实现电磁场的局部增强，电离并加速等离子体，提高推力器性能；
所述的永磁环组(6)安装在放电腔体(2)和锥形出口(5)外侧。
2.根据权利要求1所述的一种自冷式微波增强电推力器，其特征在于，所述的SMA微波输入接口(4)为变直径圆柱体，包括大直径段和小直径段，SMA微波输入接口(4)的大直径段安装在放电腔体(2)的螺纹通孔上，SMA微波输入接口(4)的小直径段端部与金属天线(1)接触，SMA微波输入接口(4)的轴线与金属天线(1)的轴线垂直。
3.根据权利要求1或2所述的一种自冷式微波增强电推力器，其特征在于，所述永磁环组(6)包括永磁环a(601)、永磁环b(602)和永磁环c(603)；三个永磁环均为圆环形；所述的永磁环a(601)内圆周面为S级，外圆周面为N级；所述的永磁环b(602)内圆周面为N级，外圆周面为S级；所述的永磁环c(603)内圆周面为S级，外圆周面为N级；三个永磁环依次安装在放电腔体(2)和锥形出口(5)外侧：永磁环a(601)位于上游，永磁环c(603)位于下游，永磁环b(602)位于中间，同时三个永磁环的间距可调；所述的永磁环a(601)、永磁环b(602)、永磁环c(603)、放电腔体(2)和锥形出口(5)同轴。
4.根据权利要求1或2所述的一种自冷式微波增强电推力器，其特征在于，所述的永磁环组(6)为径向充磁的钐钴永磁体。
5.根据权利要求3所述的一种自冷式微波增强电推力器，其特征在于，所述的永磁环组(6)为径向充磁的钐钴永磁体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20210618 |