CN111287922A - 一种双频双天线小型波电离离子推进装置 - Google Patents

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梁崇
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Abstract

本发明提出了一种双频双天线小型波电离离子推进装置，属于等离子体航天推进技术领域。解决了现有波电离离子推力器电离室边缘区域电子获能效果差，电子能量低，电离不充分的问题。它包括电离室、供气单元、微波输入单元、磁路单元、栅极加速单元和射频天线，所述供气单元与电离室相连，提供工质气流，所述栅极加速单元设置在电离室放电区后端，所述磁路单元包括多个环形磁铁，多个环形磁铁设置在电离室放电区前端，引导电子做回旋运动，所述微波输入单元设置在电离室内部，所述微波输入单元与磁路单元配合在电离室内形成电子回旋共振区，所述射频天线缠绕在电离室的外侧壁面上。它主要用于波电离离子推进器。

Description

一种双频双天线小型波电离离子推进装置
技术领域
本发明属于等离子体航天推进技术领域，特别是涉及一种双频双天线小型波电离离子推进装置。
背景技术
波电离离子推力器在航天任务中有着重要的应用价值。伴随着近年来微小卫星在商业航天领域的蓬勃发展，引力和天文观测任务中最具代表性的引力波探测任务等均对波电离离子推力器应用提出了高精度、高性能、小型化要求。
在目前的小型化波电离离子推力器中，以2cm直径的日本超高频u-1推力器和德国吉森大学射频uRIT-2.5为标志。其中微波离子推力器中，电磁波能量馈入装置为内置天线，馈入效率高，但是能量覆盖范围小，电离集中发生在天线附近的共振区，远天线近放电室壁面区的电离效果较差。对于射频装置，馈能天线缠绕在电离室外壁面，感应电场能量集中在电离室内壁面，电离在近壁区较剧烈，而中心区域电离偏弱。更兼之射频能量的传输与吸收过程对负载匹配要求高，在气体电离之前，电子对射频能量无吸收，反射大，为射频等离子体点火启动和射频电源的装置稳定性都带来了障碍。分别采用以上两种电离方式的推力器中，电离室内部的等离子体均匀性不足。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种双频双天线小型波电离离子推进装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种双频双天线小型波电离离子推进装置，它包括电离室、供气单元、微波输入单元、磁路单元、栅极加速单元和射频天线，所述供气单元与电离室相连，提供工质气流，所述栅极加速单元设置在电离室放电区后端，所述磁路单元包括多个环形磁铁，多个环形磁铁设置在电离室放电区前端，引导电子做回旋运动，所述微波输入单元设置在电离室内部，所述微波输入单元与磁路单元配合在电离室内形成电子回旋共振区，所述射频天线缠绕在电离室的外侧壁面上。
更进一步的，所述推进装置还包括中和器，所述中和器设置在离子加速喷出处。
更进一步的，所述栅极加速单元包括屏栅和加速栅，所述加速栅位于屏栅的外侧。
更进一步的，所述电离室前端设置有底座，所述供气单元、微波输入单元和磁路单元均设置在底座上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有波电离离子推力器电离室边缘区域电子获能效果差，电子能量低，电离不充分的问题，提出一种内外置天线布局，构成波电离离子推力器电离室，用于增强电离效果和均匀性。通过启动射频天线，聩入射频能量，射频能量通过天线，在电离室内部产生感生电场，且在近壁面处电场强度最大，而处于该电场中的电子被加热获能，电子能量升高，进一步增强近壁区电离度，提升等离子体密度，弥补等离子体不均匀现象。内部低密度等离子体中种子电子已经较多，射频能量吸收效果好，反射弱，也同时解决了射频电源抗反射失稳问题。
附图说明
图1为本发明所述的一种双频双天线小型波电离离子推进装置结构示意图。
1-电离室，2-供气单元，3-微波输入单元，4-底座，5-环形磁铁，6-屏栅，7-加速栅，8-射频天线，9-磁力线，10-电子回旋共振区，11-中和器。
具体实施方式
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、完整地阐述。
参见图1说明本实施方式，一种双频双天线小型波电离离子推进装置，它包括电离室1、供气单元2、微波输入单元3、磁路单元、栅极加速单元和射频天线8，所述供气单元2与电离室1相连，提供工质气流，所述栅极加速单元设置在电离室1放电区后端，所述磁路单元包括多个环形磁铁5，多个环形磁铁5设置在电离室1放电区前端，引导电子做回旋运动，所述微波输入单元3设置在电离室1内部，所述微波输入单元3与磁路单元配合在电离室1内形成电子回旋共振区10，所述射频天线8缠绕在电离室1的外侧壁面上。
本实施例多个环形磁铁5组成的磁路单元位于放电区前端，引导电子回旋运动，与微波输入单元3产生的微波配合形成电子回旋共振；微波输入单元3与气体直接接触，解决了微波传输困难的问题，能量直接被电子吸收；由射频天线8缠绕在电离室1外侧壁面馈入射频能量，在电离室内部产生感生电场；栅极加速单元位于放电区后端，离子加速喷出产生推力；供气单元2，向推力器提供稳定工质气流。
本实施例所述推进装置还包括中和器11，所述中和器11设置在离子加速喷出处，离子加速喷出时与中和器11发出的电子中和；所述栅极加速单元包括屏栅6和加速栅7，所述加速栅7位于屏栅6的外侧；所述电离室1前端设置有底座4，所述供气单元2、微波输入单元3和磁路单元均设置在底座4上。本实施例根据一般的微小型微波电离离子推力器，内置底壁大小同轴环形磁铁5产生电子回旋共振条件，微波输入单元3即微波天线从底座4插入电离室1中，用于聩入微波能量。同时，在电离室1外侧壁面缠绕螺旋线状射频天线8，用于聩入射频能量。利用微波天线与气体直接接触，气体电离获能容易的优势，首先聩入微波能量启动点火。在点火后，等离子体产生，电子密度极速增大，电子在电子回旋共振区10极大吸收微波能量。
以上对本发明所提供的一种双频双天线小型波电离离子推进装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种双频双天线小型波电离离子推进装置，其特征在于：它包括电离室(1)、供气单元(2)、微波输入单元(3)、磁路单元、栅极加速单元和射频天线(8)，所述供气单元(2)与电离室(1)相连，提供工质气流，所述栅极加速单元设置在电离室(1)放电区后端，所述磁路单元包括多个环形磁铁(5)，多个环形磁铁(5)设置在电离室(1)放电区前端，引导电子做回旋运动，所述微波输入单元(3)设置在电离室(1)内部，所述微波输入单元(3)与磁路单元配合在电离室(1)内形成电子回旋共振区(10)，所述射频天线(8)缠绕在电离室(1)的外侧壁面上。
2.根据权利要求1所述的一种双频双天线小型波电离离子推进装置，其特征在于：所述推进装置还包括中和器(11)，所述中和器(11)设置在离子加速喷出处。
3.根据权利要求1所述的一种双频双天线小型波电离离子推进装置，其特征在于：所述栅极加速单元包括屏栅(6)和加速栅(7)，所述加速栅(7)位于屏栅(6)的外侧。
4.根据权利要求1所述的一种双频双天线小型波电离离子推进装置，其特征在于：所述电离室(1)前端设置有底座(4)，所述供气单元(2)、微波输入单元(3)和磁路单元均设置在底座(4)上。
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