CN111173698B - 一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器，包括设置在陶瓷通道底端的微波谐振腔、伸入至微波谐振腔内部的毛细针尖供液管、为微波谐振腔提供微波的微波发射器、推力器底板和推力器外壳，微波谐振腔通过绝缘陶瓷固定安装在推力器底板上，微波谐振腔的底部作为阳极，在陶瓷通道出口处设置阴极，推力器底板固定在推力器外壳上，在推力器外壳内设有环形永磁体，环形永磁体为三级结构，相邻两级之间设有磁尖端，三级环形永磁体的充磁方向为轴向。本发明通过毛细针尖结构实现液体工质的供给，通过微波谐振使工质汽化预电离，在保持了会切场推力器长寿命的同时，大大提高了推力器的工质利用率和整体效率，实现电推力器在低功率下的高性能。

Description

一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器

技术领域

本发明属于微型等离子体推力器领域，尤其是涉及一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器。

背景技术

电推进系统由于其比冲、效率、寿命远远高于传统的化学推进系统，在目前的太空任务中得到了广泛的应用和发展。随着微小卫星，以及新一代太空科学实验、太空望远镜的发展，微型电推力器的需求与日俱增。但由于目前国际上最常见的几种微牛级推力器——场发射推力器、胶体推力器和冷气推力器均存在着难以克服的寿命和性能限制，因此，新型的微型推力器设计势在必行。

会切场等离子体推力器是国际上出现的一种新型电推进装置，除了兼具电推进的比冲高，结构紧凑，污染小等优点外，由于其特殊的结构，使得其推力稳定性高，具有连续可调的能力，而且对壁面溅蚀非常小，从而使寿命大大提高。其工作原理是，会切场推力器陶瓷通道内具有会切磁场，除磁尖端外，大部分磁场为平行于壁面方向，电子主要沿磁力线做螺旋漂移运动，很难跨越磁场到达壁面。粒子在磁镜力作用下来回反弹，直至与中性粒子碰撞发生电离，产生离子在轴向电场作用下被喷出通道，并与电子中和，产生推力。

在会切场等离子体推力器小型化过程中，由于尺寸的减小对磁场位型的影响较大，推力器面临着工质电离不充分、总体效率低下的问题。同时，由于采用气体工质，复杂的贮供系统不仅大大增加了系统重量，且对微小流量气体的控制也提出了过于苛刻的要求。采用气体工质的电推进系统，面临着成本高、实现难度高、系统可靠性低等问题。

同时，采用液体工质的推力器目前国际上主要包括场发射推力器和胶体推力器。由于采用毛细作用供液，两种推力器均可做到小流量的精确供给，从而实现推力器微小推力的精确调控。然而，场发射推力器由于其供液针尖处对强电场的需求，针尖侵蚀严重，导致其寿命大大受限。而胶体推力器由于采用电喷雾的加速方式，其加速效率低，比冲较小，性能受限。因此，本文中提出了一种用微波谐振对针尖处的液体工质汽化电离的方式，用以替代强电场的场发射效应。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器，通过毛细针尖结构实现液体工质的供给，通过微波谐振使工质汽化预电离，实现液体工质在会切场推力器中的应用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器，包括设置在陶瓷通道底端的微波谐振腔、沿轴线伸入至微波谐振腔内部的毛细针尖供液管、为微波谐振腔提供微波的微波发射器、推力器底板和推力器外壳，所述的微波谐振腔通过绝缘陶瓷固定安装在推力器底板上，所述的微波谐振腔的底部作为阳极端，在陶瓷通道出口处设置阴极，所述的推力器底板固定在推力器外壳上，在推力器外壳内设有环形永磁体，所述环形永磁体为三级结构，相邻两级之间设有磁尖端，三级环形永磁体的充磁方向为轴向。

进一步的，在所述微波谐振腔的外侧壁覆盖一能量耦合器，所述能量耦合器通过微波传输线与微波发生器连接。

进一步的，三级环形永磁体按照极性方向为NS-SN-NS或SN-NS-SN排布方式安装。

进一步的，所述毛细供液管、微波谐振腔、推力器底板和推力器外壳均采用非导磁或弱导磁材料，具体为不锈钢或铝合金。

进一步的，所述磁尖端采用电工纯铁DT4C材料。

进一步的，所述推力器底板和推力器外壳之间采用螺栓进行固定安装。

进一步的，推力器的液体工质采用离子液体BMIBF4。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器具有以下优势：

本发明所述的一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器，

通过微波谐振对液体进行汽化预电离的方式，在保持了会切场推力器长寿命的同时，大大提高了推力器的工质利用率和整体效率，实现电推力器在低功率下的高性能。同时，通过毛细供液和微波汽化的方式，通过改变微波的功率和频率来实现工质流量的精确控制，解决了传统气体供给系统难以实现微小流量精确控制的问题；

在推力器寿命、系统复杂度和推进剂成本上均较目前主流的微型电推进系统有明显优势。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例所述的一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器的外形结构示意图；

图3为本发明实施例所述的一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器出口处正面示意图；

图4为液体工质在毛细供液针尖上的毛细流动示意图；

图5为推力器整体运作的原理示意图。

附图标记说明：

1-毛细供液管，2-微波谐振腔，3-推力器底板，4-推力器外壳，5-绝缘陶瓷，6-磁尖端，7-环形永磁体，8-陶瓷通道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图3所示，一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器，包括设置在陶瓷通道8底端的微波谐振腔2、沿轴线伸入至微波谐振腔2内部的毛细针尖供液管1、为微波谐振腔2提供微波的微波发射器、推力器底板3和推力器外壳4，所述的微波谐振腔2通过绝缘陶瓷5固定安装在推力器底板3上，所述的微波谐振腔2的底部作为阳极端，在陶瓷通道8出口处设置阴极，所述的推力器底板3固定在推力器外壳4上，在推力器外壳4内设有环形永磁体7，所述环形永磁体7为三级结构，相邻两级之间设有磁尖端6，三级环形永磁体7的充磁方向为轴向。

在所述微波谐振腔的外侧壁覆盖一能量耦合器，所述能量耦合器通过微波传输线与微波发生器连接。

三级环形永磁体7按照极性方向为NS-SN-NS或SN-NS-SN排布方式安装。

毛细供液管1、微波谐振腔2、推力器底板3和推力器外壳4均采用非导磁或弱导磁材料，具体为303不锈钢或1060铝合金。

磁尖端6采用电工纯铁DT4C材料。

推力器底板3和推力器外壳4之间采用螺栓进行固定安装。

推力器的液体工质采用离子液体BMIBF4。

如图4所示，推力器在运行时，微波谐振腔2的底部被作为阳极施加高电位，带电离子液体工质在毛细供液针尖1上由表面张力形成泰勒锥，在轴向电场的作用下被拉出形成液滴，如图5所示，在微波作用下，液体工质在微波谐振腔2内汽化并预电离后，在等离子体压力梯度作用下进入推力器的陶瓷通道8，在陶瓷通道8内，汽化的半电离工质在永磁铁7形成磁场中，与被捕获的电子碰撞形成充分的电离，并由电场加速喷出，形成推力。

推力器在运行时，可以通过调节微波的输入参数来实现有效的精确流量控制。例如，通过提高微波的输入功率，使毛细供液针尖1上的液体工质汽化速率加快；通过调节微波的输入频率，使液体工质的预电离程度发生改变，具体实施方式以实际运行操作为准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器，其特征在于：包括设置在陶瓷通道(8)底端的微波谐振腔(2)、沿轴线伸入至微波谐振腔(2)内部的毛细针尖供液管(1)、为微波谐振腔(2)提供微波的微波发射器、推力器底板(3)和推力器外壳(4)，所述的微波谐振腔(2)通过绝缘陶瓷(5)固定安装在推力器底板(3)上，所述的微波谐振腔(2)的底部作为阳极端，在陶瓷通道(8)出口处设置阴极，所述的推力器底板(3)固定在推力器外壳(4)上，在推力器外壳(4)内设有环形永磁体(7)，所述环形永磁体(7)为三级结构，相邻两级之间设有磁尖端(6)，三级环形永磁体(7)的充磁方向为轴向。

2.根据权利要求1所述的一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器，其特征在于：在所述微波谐振腔的外侧壁覆盖一能量耦合器，所述能量耦合器通过微波传输线与微波发生器连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器，其特征在于：三级环形永磁体(7)按照极性方向为NS-SN-NS或SN-NS-SN排布方式安装。

4.根据权利要求3所述的一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器，其特征在于：所述毛细供液管(1)、微波谐振腔(2)、推力器底板(3)和推力器外壳(4)均采用303不锈钢或1060铝合金。

5.根据权利要求4所述的一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器，其特征在于：所述磁尖端(6)采用电工纯铁DT4C材料。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器，其特征在于：所述推力器底板(3)和推力器外壳(4)之间采用螺栓进行固定安装。

7.根据权利要求6所述的一种基于微波增强的液体工质等离子体推力器，其特征在于：推力器的液体工质采用离子液体BMIBF4。

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