CN111456921A - 一种基于微波增强的场致发射推力器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微波增强的场致发射推力器，包括：抽取极、发射极针管和底板，发射极针管穿透并固定在底板中心且位于底板上方，抽取极位于发射极针管上方，场致发射推力器还包括：套管、谐振腔外壳、微波馈入电缆和SMA微波输入接口，抽取极、谐振腔外壳和底板由上至下依次盖合形成圆柱形腔体，发射极针管位于谐振腔外壳轴心，套管套于发射极针管外，微波馈入电缆通过SMA微波输入接口进入谐振腔外壳内，并与套管的下端连接，谐振腔外壳内高为馈入微波的波长的四分之一，谐振腔外壳的内径小于馈入微波的波长的二分之一。本发明大大降低了胶体推力器的场致发射电压；同时，能够实现较高的比冲。

Description

一种基于微波增强的场致发射推力器

技术领域

本发明涉及一种推力器，具体地，涉及一种基于微波增强的场致发射推力器。

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性能限制和高压电源需求，因此，新型的微型推力器设计势在必行。

胶体推力器是国际上出现较早的一种电推力器，其具有原理简单，结构复杂度低，易于小型化，工质存储方便的优点。其工作原理是，通过主动泵送或者毛细作用将液体工质供给到微小针尖型的发射极上，由施加的高电压在发射极和抽取极之间形成强电场，将带电液滴引出并在电场中加速形成束流，从而产生推力。由于抽取电压和发射针尖的尺寸正相关，越小的发射极尺寸对应需要的引出电压越低，因此该推力器非常适合微推力系统。

目前，即使是发射针尖尺寸在几十微米量级的胶体推力器，其引出电压也常高达1000V以上，对推进系统的电源设备提出了相当苛刻的需求；同时，胶体推力器的性能严重受到工质流量速率的影响，当流量速率升高时，由电场引出的羽流成分中，离子占比会发生明显降低，出现大量的带电液滴射流，从而导致比冲下降。

微波同轴线谐振器是一种低功率等离子体源，可以在1W量级的功率下实现大气压下的放电。其原理在于，在1/4微波波长技术被的同轴线上馈入微波，使开路端处形成驻波，大大增强局部电场使工质电离形成等离子体。该装置具有结构简单，可靠性强，额定功率低等优点。利用该装置可以在低功率下产生强电场的特性，本发明提出了一种基于微波增强的场致发射推力器，用以大大降低胶体推力器的引出电压，同时提升推力器的工质电离效率，从而实现高比冲。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于微波增强的场致发射推力器，通过微波同轴谐振结构在胶体推力器的发射极和抽取极之间形成驻波强电场，以在低功率下实现工质的充分电离和加速，提高推力器的效率和比冲。

本发明提供了一种基于微波增强的场致发射推力器，包括：抽取极、发射极针管和底板，所述发射极针管穿透并固定在所述底板的中心，且所述发射极针管的针头位于所述底板的上方，所述抽取极位于所述发射极针管的上方，

所述场致发射推力器还包括：套管、谐振腔外壳、微波馈入电缆和SMA微波输入接口，所述谐振腔外壳为圆柱形筒，所述抽取极、所述谐振腔外壳和所述底板由上至下依次盖合形成圆柱形腔体，所述发射极针管位于所述谐振腔外壳的轴心处，所述套管套于所述发射极针管外，所述SMA微波输入接口开于所述谐振腔外壳偏下方靠近所述底板处，所述微波馈入电缆通过所述SMA微波输入接口进入所述谐振腔外壳内，并与所述套管的下端连接，所述微波馈入电缆中传输有馈入微波，所述谐振腔外壳的内高为所述馈入微波的波长的四分之一，所述谐振腔外壳的内径小于所述馈入微波的波长的二分之一。

进一步的，所述抽取极对应所述发射极针管处开有推力器出口。

进一步的，所述谐振腔外壳的下端为环形外延展面，所述底板为与所述谐振腔外壳下端相匹配的圆形板，所述谐振腔外壳通过螺纹件与所述底板连接。

进一步的，所述场致发射推力器还包括SMA接口绝缘介质，所述微波馈入电缆通过所述SMA接口绝缘介质固定在所述SMA微波输入接口。

优选的是，所述套管为波导金属制成。

优选的的，所述套管采用在所述发射极针管外壁镀膜的方式形成。

进一步的，所述抽取极、所述波导金属套管、所述谐振腔外壳、所述微波馈入电缆和所述底板均采用非导磁材料。

进一步的，所述抽取极、所述波导金属套管、所述谐振腔外壳、所述微波馈入电缆和所述底板均采用弱导磁材料。

优选的是，所述抽取极的开口设置为渐扩型。

优选的是，所述发射极针管采用绝缘材质。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明通过采用微波同轴谐振器的结构，以低功率在胶体推力器的发射极和抽取极之间形成驻波强电场，大大降低了胶体推力器的场致发射电压。同时，该区域被引出出的工质同时受到了场致发射电离和微波谐振电离的作用，形成了充分的电离，束流的荷质比远远高于带电胶体液滴，因此能够实现较高的比冲。在电源电压需求、推力器性能、比冲上限上均较目前传统的胶体电推力器有明显的优势。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提出的一种基于微波增强的场致发射推力器的剖面图；

图2为本发明提出的一种基于微波增强的场致发射推力器的立体示意图；

图3为本发明提出的一种基于微波增强的场致发射推力器的俯视图；

图4为本发明提出的一种基于微波增强的场致发射推力器的原理图。

图中：1为抽取极，2为发射极针管，3为套管，4为谐振腔外壳，5为微波馈入电缆，6为SMA微波输入接口，7为SMA接口绝缘介质，8为底板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1-图4所示，提供了一种基于微波增强的场致发射推力器，包括：抽取极1、发射极针管2和底板8，发射极针管2穿透并固定在底板8的中心，且发射极针管2的针头位于底板8的上方，抽取极1位于发射极针管2的上方，

场致发射推力器还包括：套管3、谐振腔外壳4、微波馈入电缆5和SMA微波输入接口6，谐振腔外壳4为圆柱形筒，抽取极1、谐振腔外壳4和底板8由上至下依次盖合形成圆柱形腔体，发射极针管2位于谐振腔外壳4的轴心处，套管3套于发射极针管2外，SMA微波输入接口6开于谐振腔外壳4偏下方靠近底板8处，微波馈入电缆5通过SMA微波输入接口6进入谐振腔外壳4内，并与套管3的下端连接，微波馈入电缆5中传输有馈入微波，谐振腔外壳4的内高为馈入微波的波长的四分之一，谐振腔外壳4的内径小于馈入微波的波长的二分之一。

具体的，抽取极1需要作为负极接地，发射极针管2中置有离子液体工质，在本实施例中，离子液体工质采用蒸发压较低的离子液体，如BMI-BF4或BMI-IM等。如图4所示，当本实施例的推力器在运行时，发射极针管2内的离子液体工质作为发射极施加高电位，离子液体工质在发射极针管2尖端处由表面张力形成泰勒锥。馈入微波通过微波馈入电缆5将微波馈入至套管3上，与谐振腔外壳4形成微波谐振，在发射极针管2尖端和抽取极1之间的区域形成驻波电场。在谐振腔外壳4中，由微波谐振产生的电场为径向，磁场为周向。在轴向电场和驻波电场的共同作用下，离子液体工质被抽出形成液滴，并充分电离，在轴向电场中加速，产生推力。

本实施例的推力器在运行时，可以通过调节微波的输入参数来实现不同流量变化下的工质充分电离。例如，通过增大微波输入的占空比，可以实现更大工质流量下的引出和电离，从而保证推力器在不同流量下的高性能。而推力器的推力和比冲可以同时通过发射极电压的调节和供给流量的调节来实现，拓宽了推力器在推力控制系统中的调节策略。具体实施方式以实际运行操作为准。

参照图1-图4所示，在本部分优选实施例中，抽取极1对应发射极针管2处开有推力器出口。

具体的，当发射极针管2受到轴向电场和驻波电场作用时，发射极针管2中的离子液体工质从发射极针管2上端出口被抽出并形成泰勒锥，泰勒锥锥顶的推进剂形成一股射流，向抽取极1方向喷射出去，射流由带正电的小液滴组成，直径约在几十个纳米。射流通过抽取极1后，继续在抽取极1和发射极针管2之间被加速，从推进器出口喷射出去。同时，有一个中和器发射电子对喷出的带正电的液滴进行中和。

参照图1-图3所示，在本部分优选实施例中，谐振腔外壳4的下端为环形外延展面，底板8为与谐振腔外壳4下端相匹配的圆形板，谐振腔外壳4通过螺纹件与底板8连接。

具体的，在本实施例中，底板8为圆形板，其与谐振腔外壳4下端延展面相接处均设有多个用于螺纹件穿插的对应的通孔，底板8除却与谐振腔外壳4组合形成圆柱形腔体外，还用于保证整个推进器姿态稳定。在本实施例中，螺纹件具体采用螺栓。

参照图1所示，在本部分优选实施例中，场致发射推力器还包括SMA接口绝缘介质7，微波馈入电缆5通过SMA接口绝缘介质7固定在SMA微波输入接口6。

具体的，SMA接口绝缘介质7可以防止微波馈入电缆5串动，增加本发明的稳定性。

在本部分优选实施例中，套管3为波导金属制成。

在本部分优选实施例中，套管3采用在发射极针管2的外壁镀膜的方式形成。

具体的，套管3采用波导金属，可以引导由微波沿套管3定向行进，与谐振腔外壳4形成微波谐振，形成轴向电场。而通过外壁镀膜的方式形成套管3，可以使套管3与发射极针管2之间没有间隙，套管3形状更加规整，微波产生的轴向电场方向更准确。

在本部分优选实施例中，抽取极1、波导金属套管3、谐振腔外壳4、微波馈入电缆5和底板8均采用非导磁材料。

在本部分优选实施例中，抽取极1、波导金属套管3、谐振腔外壳4、微波馈入电缆5和底板8均采用弱导磁材料。

具体的，抽取极1、波导金属套管3、谐振腔外壳4、微波馈入电缆5和底板8可采用303不锈钢和1060铝合金等。

参照图1-图3所示，在本部分优选实施例中，抽取极1的开口设置为渐扩型开口。

具体的，渐扩型开口有助于形成离子液体工质形成泰勒锥。

在本部分优选实施例中，发射极针管2采用绝缘材质。

具体的，发射极针管2不能带电，否则会影响泰勒锥的形成。发射极针管2可采用石英。

微波同轴线谐振器是一种低功率等离子体源，可以在1W量级的功率下实现大气压下的放电。其原理在于，在1/4微波波长技术被的同轴线上馈入微波，使开路端处形成驻波，大大增强局部电场使工质电离形成等离子体。该装置具有结构简单，可靠性强，额定功率低等优点。利用该装置可以在低功率下产生强电场的特性，本文提出了一种基于微波增强的场致发射推力器，用以大大降低胶体推力器的引出电压，同时提升推力器的工质电离效率，从而实现高比冲。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于微波增强的场致发射推力器，包括：抽取极(1)、发射极针管(2)和底板(8)，所述发射极针管(2)穿透并固定在所述底板(8)的中心，且所述发射极针管(2)的针头位于所述底板(8)的上方，所述抽取极(1)位于所述发射极针管(2)的上方，其特征在于，

所述场致发射推力器还包括：套管(3)、谐振腔外壳(4)、微波馈入电缆(5)和SMA微波输入接口(6)，所述谐振腔外壳(4)为圆柱形筒，所述抽取极(1)、所述谐振腔外壳(4)和所述底板(8)由上至下依次盖合形成圆柱形腔体，所述发射极针管(2)位于所述谐振腔外壳(4)的轴心处，所述套管(3)套于所述发射极针管(2)外，所述SMA微波输入接口(6)开于所述谐振腔外壳(4)偏下方靠近所述底板(8)处，所述微波馈入电缆(5)通过所述SMA微波输入接口(6)进入所述谐振腔外壳(4)内，并与所述套管(3)的下端连接，所述微波馈入电缆(5)中传输有馈入微波，所述谐振腔外壳(4)的内高为所述馈入微波的波长的四分之一，所述谐振腔外壳(4)的内径小于所述馈入微波的波长的二分之一。

2.根据权利要求1所述的一种基于微波增强的场致发射推力器，其特征在于，所述抽取极(1)对应所述发射极针管(2)处开有推力器出口。

3.根据权利要求1所述的一种基于微波增强的场致发射推力器，其特征在于，所述谐振腔外壳(4)的下端为环形外延展面，所述底板(8)为与所述谐振腔外壳(4)下端相匹配的圆形板，所述谐振腔外壳(4)通过螺纹件与所述底板(8)连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于微波增强的场致发射推力器，其特征在于，所述场致发射推力器还包括SMA接口绝缘介质(7)，所述微波馈入电缆(5)通过所述SMA接口绝缘介质(7)固定在所述SMA微波输入接口(6)。

5.根据权利要求1所述的一种基于微波增强的场致发射推力器，其特征在于，所述套管(3)为波导金属制成。

6.根据权利要求5所述的一种基于微波增强的场致发射推力器，其特征在于，所述套管(3)采用在所述发射极针管(2)的外壁镀膜的方式形成。

7.根据权利要求1所述的一种基于微波增强的场致发射推力器，其特征在于，所述抽取极(1)、所述波导金属套管(3)、所述谐振腔外壳(4)、所述微波馈入电缆(5)和所述底板(8)均采用非导磁材料。

8.根据权利要求1所述的一种基于微波增强的场致发射推力器，其特征在于，所述抽取极(1)、所述波导金属套管(3)、所述谐振腔外壳(4)、所述微波馈入电缆(5)和所述底板(8)均采用弱导磁材料。

9.根据权利要求7或8任意一项所述的一种基于微波增强的场致发射推力器，其特征在于，所述抽取极(1)的开口设置为渐扩型开口。

10.根据权利要求1所述的一种基于微波增强的场致发射推力器，其特征在于，所述发射极针管(2)采用绝缘材质。

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