CN111156140B - 可提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器 - Google Patents

可提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器 Download PDF

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Abstract

可提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器，属于会切场等离子体推力器设计领域。解决了现有会切场推力器在实现其无拖曳应用中推力分辨率不足、在低功率工况下电离不足、工质利用率过低的问题。本发明的会切场等离子体推力器整体为轴对称结构，包括主阳极、第一垫片、空心盖板、外壳、第一级永磁体、第二垫片、第二级永磁体、壁面阳极和陶瓷通道。本发明通过调节陶瓷通道内部的环形壁面阳极电位实时调控通道内部电子的运动行为，从而微调电离过程和输出性能参数，达到提高推力器输出推力分辨率的目的，同时可促进电子径向迁移，进而增加电子与壁面附近的原子的碰撞概率，实现电离区的径向扩展，达到提高推力器工质利用率的目的。

Description

可提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器
技术领域
本发明涉及一种可调节推力器通道内部电离过程并提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器结构，属于会切场等离子体推力器设计领域。
背景技术
会切场等离子体推力器是国际涌现出的一类新型电推进概念，其依靠多级永磁体形成的会切磁场位形可有效约束阴极释放的电子，电子在磁镜效应的作用下于通道内部磁尖端处往复螺旋运动，这样既能保证对电子的有效束缚、降低等离子体壁面损耗和对壁面的侵蚀，又能确保电离，保证推力器的正常运行。目前关于该推力器的研究已发现其输出推力的连续可调范围可跨越三个数量级，具备应用于无拖曳卫星实现高精度轨控的可行性。在未来的LISA引力波探测计划中也将会切场推力器作为其无拖曳控制的备选推进方案。
但是无拖曳控制对推力器的推力分辨率提出了很高的要求，需达到微牛量级，而目前的会切场推力器输出推力虽然可覆盖任务需求的推力范围，但是其调节分辨率尚未满足无拖曳控制的要求；而且目前的实验研究均发现由于该推力器特有的磁场位形、靠近壁面处强磁场的约束，电子进入通道后沿径向的扩展过程被抑制，进而导致等离子体集中产生在放电通道中轴线周围，电离区径向收缩形成了一个柱状电离区，这样的工作方式导致壁面处原子的遗漏损失，电离率的下降。特别在低功率工况下，电子能量较低、基本无径向扩展运动，电离区非常狭窄，使得整体电离率只有20～30％，推力器放电效率等放电性能大幅下降。因此，提供一种可调节推力器通道内部放电过程并提高推力分辨率和工质利用率的会切场推力器是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有会切场推力器的调节分辨率无法满足无拖曳控制的要求，解决在低功率工况下现有推力器放电效率等放电性能大幅下降的问题，提供了一种可调节推力器通道内部放电过程进而提高推力分辨率和工质利用率的会切场推力器。
本发明的技术方案：
可提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器，该会切场等离子体推力器整体为轴对称结构，其特征在于：包括主阳极、第一垫片、盖板、外壳、第一级永磁体、第二垫片、第二级永磁体、壁面阳极和陶瓷通道，所述的外壳为顶部开口并设有环状外沿的圆柱形壳体，陶瓷通道为顶部设有中心通孔的圆柱形壳体，主阳极设置在陶瓷通道的中心通孔处；陶瓷通道套装在外壳的内部，陶瓷通道的底端与外壳的底端相对应，陶瓷通道的顶端位于外壳顶端的外部，并且陶瓷通道的顶端位于外壳顶端外部的部分作为盖板安装部；盖板套装在陶瓷通道的盖板安装部上，并且盖板的下表面盖装在外壳的环状外沿上，盖板的上表面与陶瓷通道的顶端面在同一平面内；所述的陶瓷通道和外壳之间设置有两级永磁体，从外壳底端开始依次为第二级永磁体和第一级永磁体，第二级永磁体和第一级永磁体之间设置有第二垫片；所述的盖板为设有盖板中心通孔的圆形板，并且该盖板中心通孔直径与陶瓷通道的外径相同；盖板与第一级永磁体之间设置有第一垫片；壁面阳极为圆环状并放置在陶瓷通道的内部，壁面阳极与主阳极同轴。
优选的：所述的壁面阳极位于与第二级永磁体相对应的陶瓷通道的内部。
优选的：所述的壁面阳极位于与第二级永磁体相对应的陶瓷通道的内部的中间位置。
优选的：所述的壁面阳极的外壁中部设有环状凹槽，壁面阳极与导线的一端连接，导线的另一端缠绕在凹槽内并穿过陶瓷通道与外界电源连接。
优选的：所述的壁面阳极为不导磁的不锈钢材料。
本发明具有以下有益效果：本发明涉及一种可提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器，通过微调壁面阳极电位，实现对电子传导、推力器工作状态的精确调控，进而提高推力器的推力分辨率，此外该切场等离子体推力器还可有效调节通道内部电子的迁移轨迹，增加通道内电离区的径向展宽，进而提高壁面处的电离率，最终可提高推力器的工质利用率和放电效率，提升整体工作性能。
附图说明
图1是可提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器的结构示意图；
图2是壁面阳极结构示意图；
图3是可提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器的立体结构图；
图中1-主阳极，2-第一垫片，3-盖板，4-外壳，5-第一级永磁体，6-第二垫片，7-第二级永磁体，8-壁面阳极，9-陶瓷通道，10-凹槽。
具体实施方式
结合附图1至图3说明本发明具体实施方式：本发明可提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器，该会切场等离子体推力器整体为轴对称结构，包括主阳极1、第一垫片2、盖板3、外壳4、第一级永磁体5、第二垫片6、第二级永磁体7、壁面阳极8和陶瓷通道9，所述的外壳4为顶部开口并设有环状外沿的圆柱形壳体，陶瓷通道9为顶部设有中心通孔的圆柱形壳体，主阳极1设置在陶瓷通道9的中心通孔处；陶瓷通道9套装在外壳4的内部，陶瓷通道9的底端与外壳4的底端相对应，陶瓷通道9的顶端位于外壳4顶端的外部，并且陶瓷通道9的顶端位于外壳4顶端外部的部分作为盖板安装部；盖板3套装在陶瓷通道9的盖板安装部上，并且盖板3的下表面盖装在外壳4的环状外沿上，盖板3的上表面与陶瓷通道9的顶端面在同一平面内；所述的陶瓷通道9和外壳4之间设置有两级永磁体，从外壳底端开始依次为第二级永磁体7和第一级永磁体5，第二级永磁体7和第一级永磁体5之间设置有第二垫片6；所述的盖板3为设有盖板中心通孔的圆形板，并且该盖板中心通孔直径与陶瓷通道9的外径相同；盖板3与第一级永磁体5之间设置有第一垫片2；壁面阳极8为圆环状并放置在陶瓷通道9的内部，壁面阳极8与主阳极1同轴。如此设置，为了解决现有的会切场推力器的会切磁场位形和强磁镜决定了电子传导路径的趋轴性，本发明在推力器陶瓷通道9内部引入壁面阳极8，通过调节壁面阳极8的电位改变陶瓷通道9内部电子传导过程，进而微调输出推力；其次通过在壁面阳极8上施加高电位吸引电子，使得电子进行径向传导，促进其与壁面处的原子进行碰撞电离，进而增加通道内部电离率、提高工质利用率和放电效率。
所述的壁面阳极8位于与第二级永磁体7相对应的陶瓷通道9的内部。如此设置，将壁面阳极8放置在第二级永磁体7的磁力线包裹范围内，使其所处位置的空间电位与轴线电位存在较大差距，利于壁面阳极8的连续宽范围调节，充分发挥其吸引电子、调节推力的作用。
所述的壁面阳极8位于与第二级永磁体7相对应的陶瓷通道9的内部的中间位置。如此设置，将壁面阳极8放置在第二级永磁体7相对应的陶瓷通道9的内部的中间位置，使其所处位置的空间电位与轴线电位存在最大差距，壁面阳极8可达到最宽范围的连续调节，充分发挥其吸引电子、微调推力的作用，实现对电子传导、通道内电离过程、推力器性能参数的精确调控，达到提高推力分辨率和工质利用率的目的。
所述的壁面阳极8的外壁中部设有环状凹槽10，壁面阳极8与导线的一端连接，导线的另一端缠绕在凹槽10内并穿过陶瓷通道9与外界电源连接。如此设置，壁面阳极8外侧开有小槽，陶瓷通道9的侧面开有小孔，以便于电线通过陶瓷通道9的小孔将壁面阳极8与外界电源连接。
所述的壁面阳极8为不导磁的不锈钢材料。如此设置，壁面阳极8为不导磁的不锈钢材料是为了避免壁面阳极8对陶瓷通道9内磁场的影响。
本发明的推力器运行时利用恒压源调节壁面阳极8的电位，阳极电位的变化将调节电子的径向运动行为。当壁面阳极8电位较低时，其对电子运动影响较小；逐渐增大壁面阳极8的电位，电子径向迁移概率增加，壁面阳极8捕获的电子数逐渐增加，进而可微调电离过程、实现电离区的径向扩展，最终达到提高推力器输出推力分辨率和工质利用率的目的。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (3)

1.可提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器，该会切场等离子体推力器整体为轴对称结构，其特征在于：包括主阳极（1）、第一垫片（2）、盖板（3）、外壳（4）、第一级永磁体（5）、第二垫片（6）、第二级永磁体（7）、壁面阳极（8）和陶瓷通道（9），所述的外壳（4）为顶部开口并设有环状外沿的圆柱形壳体，陶瓷通道（9）为顶部设有中心通孔的圆柱形壳体，主阳极（1）设置在陶瓷通道（9）的中心通孔处；陶瓷通道（9）套装在外壳（4）的内部，陶瓷通道（9）的底端与外壳（4）的底端相对应，陶瓷通道（9）的顶端位于外壳（4）顶端的外部，并且陶瓷通道（9）的顶端位于外壳（4）顶端外部的部分作为盖板安装部；盖板（3）套装在陶瓷通道（9）的盖板安装部上，并且盖板（3）的下表面盖装在外壳（4）的环状外沿上，盖板（3）的上表面与陶瓷通道（9）的顶端面在同一平面内；所述的陶瓷通道（9）和外壳（4）之间设置有两级永磁体，从外壳底端开始依次为第二级永磁体（7）和第一级永磁体（5），第二级永磁体（7）和第一级永磁体（5）之间设置有第二垫片（6）；所述的盖板（3）为设有盖板中心通孔的圆形板，并且该盖板中心通孔直径与陶瓷通道（9）的外径相同；盖板（3）与第一级永磁体（5）之间设置有第一垫片（2）；壁面阳极（8）为圆环状并放置在陶瓷通道（9）的内部，壁面阳极（8）与主阳极（1）同轴；
所述的壁面阳极（8）位于与第二级永磁体（7）相对应的陶瓷通道（9）的内部；
所述的壁面阳极（8）的外壁中部设有环状凹槽（10），壁面阳极（8）与导线的一端连接，导线的另一端缠绕在环状凹槽（10）内并穿过陶瓷通道（9）与外界电源连接。
2.根据权利要求1所述的可提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器，其特征在于：所述的壁面阳极（8）位于与第二级永磁体（7）相对应的陶瓷通道（9）的内部的中间位置。
3.根据权利要求1所述的可提高推力分辨率和工质利用率的会切场等离子体推力器，其特征在于：所述的壁面阳极（8）为不导磁的不锈钢材料。
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