CN112253413A - 一种电感耦合双级等离子体推力器 - Google Patents
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- F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
- F03H1/0081—Electromagnetic plasma thrusters
Abstract
本发明涉及航天器推进技术领域，公开了一种电感耦合双级等离子体推力器，包括内壁和氧化铝外壁，所述内壁为一端封闭的圆筒状派热克斯耐热玻璃管，所述内壁内设置有射频源，所述射频源包括裸铜线线圈、铁氧体柱、两个铁氧体盘和两个永磁铁环；所述外壁前部为圆筒状通道，后部为前小后大的锥筒状；所述外壁的后部内部设有阳极，所述外壁前部外侧以及外壁后部外侧的尾部分别设有两个轴对称设置的永磁铁块；所述外壁前方一侧设有阴极；所述射频源的频率为4MHZ。本申请的有益效果为：根据需求，可以实现高推力或高比冲运行。
Description
技术领域
本发明涉及航天器推进技术领域，特别是涉及一种电感耦合双级等离子体推力器。
背景技术
随着航天技术的发展，空间任务对航天器推进系统的需求更加多样化，深空探测、通信卫星的轨道转移与位置保持等任务对空间推进技术有着高比冲、高效率、长寿命等要求。传统的化学推进受到化学能和壁面温度的限制，比冲较低。而电推进借助于电能，将喷气速度提高到更高的量级，能节省大量的推进剂，从而可以有效提高卫星的有效载荷、降低发射质量，达到延长寿命、降低成本的目的。而且电推进系统还具有控制精度高、安全性高等特点。可以满足航天器姿态控制、位置保持、阻力补偿、轨道转移、深空探测等不同任务的要求，因此具有广泛的应用。
传统的稳态等离子体推力器，阳极和阴极之间形成轴向电场，内外磁极之间形成径向磁场，阴极发射的电子在正交的轴向电场及径向磁场的共同作用下，向放电室漂移，从阳极出来的中性推进剂原子与其碰撞并被电离，在轴向电场的作用下高速喷出，产生推力。该推力器的电场用于工质的电离和加速，因此推力和比冲不是相互分开的。这种等离子体推力器对于特定的航天飞行任务及特定的功率来说，要么只能实现高的推力，要么只能实现高的比冲。不能满足多姿态调整任务的航天需求。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种电感耦合双级等离子体推力器。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种电感耦合双级等离子体推力器，包括内壁、外壁和推进剂输送管，所述内壁为一端封闭的圆筒状派热克斯耐热玻璃管，所述内壁内腔设置有射频源，所述射频源包括线圈、圆筒状空心绝缘载体、铁氧体圆筒、两个铁氧体盘和两个永磁铁环，所述线圈缠绕于绝缘载体上，所述铁氧体圆筒同轴设置于绝缘载体中心，两个铁氧体盘分别固定设置于铁氧体圆筒的两端，两个永磁铁环分别固定设置于一个铁氧体盘的周向边缘上，两个永磁铁环的磁极均为横向分布且两者磁场方向相反；
所述外壁设置于内壁外侧且与内壁同轴，所述外壁前部为圆筒状通道，后部为前小后大的锥筒状，外壁后端面通过封闭端面与内壁后端固定连接；所述外壁的后部内部设有阳极，所述外壁前部外侧以及外壁后部外侧的尾部分别设有两个轴对称设置的永磁铁块，相同侧的两个永磁铁块之间通过L型软铁片固定；位于前部的两个永磁铁块与位于铁氧体圆筒前端的钐钴磁体环磁场方向相同，位于前后部的两个永磁铁块与位于铁氧体圆筒后端的钐钴磁体环磁场方向相同，所述外壁前方一侧设有阴极，所述阳极和阴极分别和推进剂输送管连接。
优选的，所述射频源的频率为4MHZ，相对于现有技术中的13.56MHz，该频率可以降低电容耦合和中心铁氧体损耗，射频源的耦合效率得到了整体提高。
优选的，所述线圈为裸铜线线圈，所述绝缘载体材质为环氧聚合物，所述永磁铁环为钐钴磁铁环。
需要说明的是：本申请的阳极和阴极为现有技术，如中国专利201610599709.7或201910243684.0所公开的阳极，如《火箭推进》(2014年4月第40卷第2期)发表的《一种无加热器的电推进用空心阴极》(作者：张岩,康小录,乔彩霞，)中所公开的空心阴极结构，均可以用于本申请的技术方案。
本申请的工作原理为：外壁和四个永磁铁块的位置相结合，形成了一个具有四个磁尖和平行于外壁壁面的磁场线的电离室，可以减少离子的贴壁损失，提高等离子体密度。
裸铜线线圈和其中心的铁氧体柱能够产生高密度的等离子体，并且能够以环面的形式分布在线圈的周围，电子能够沿着轴向磁场往返运动，被线圈感应的角向电场加热，两个永磁铁环的磁感线穿过铁氧体柱和铁氧体盘，使磁场具有平行于内壁的分量，在电离室中有磁会切的存在，可以约束等离子体并且限制带电粒子的贴壁损失。并且设置的铁氧体柱和铁氧体盘，一方面可以防止磁路中出现涡流，从而降低射频源的功率损耗，另一方面与射频源电感功率有一个更好的耦合。
本申请的有益效果为：射频源作为电离源，其位于推力器的内部，可以单独电离产生等离子体。阳极和阴极单独施加电压，用于等离子体中的离子的加速。因此，等离子体的产生和加速是相互独立的；从而实现推力器相互独立的推力和比冲控制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明。
图1为本发明实施例1电感耦合双级等离子体推力器的结构示意图。
图2为图1中永磁体环和永磁体块的磁场分布图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例1
如图1-图2所示的一种电感耦合双级等离子体推力器，包括内壁1、氧化铝外壁2和推进剂输送管3，所述内壁为一端封闭的圆筒状派热克斯耐热玻璃管，热克斯耐热玻璃管内径为26mm，所述内壁内腔设置有射频源，所述射频源包括25mm长、内径为20mm的裸铜线线圈4、圆筒状空心环氧聚合物绝缘载体5、铁氧体圆筒6、两个外径为22mm的铁氧体盘7和两个内径为22mm、壁厚为1mm永磁铁环8，所述线圈缠绕于绝缘载体上，所述铁氧体圆筒同轴设置于绝缘载体中心，两个铁氧体盘分别固定设置于铁氧体圆筒的两端，两个永磁铁环分别固定设置于一个铁氧体盘的周向边缘上，两个永磁铁环的磁极均为横向分布且两者磁场方向相反；
所述外壁2设置于内壁外侧且与内壁同轴，所述外壁前部201为内径46mm、长度10mm的圆筒状通道，外壁后部202为前小后大的锥筒状，外壁后部大端内径为92mm，外壁后端面203通过封闭端面与内壁后端固定连接；所述外壁的后部内部设有阳极9，所述外壁前部外侧以及外壁后部外侧的尾部分别设有两个轴对称设置的永磁铁块10，相同侧的两个永磁铁块之间通过L型软铁片11固定；如图2所示，位于外壁前部的两个永磁铁块与位于铁氧体圆筒前端的钐钴磁体环磁场方向相同，位于前后部的两个永磁铁块与位于铁氧体圆筒后端的钐钴磁体环磁场方向相同，所述外壁前方一侧设有阴极12，所述阳极和阴极分别和推进剂输送管连接。
射频源的频率为4MHZ，相对于现有技术中的13.56MHz，该频率可以降低电容耦合和中心铁氧体损耗，射频源的耦合效率得到了整体提高。
本申请推力器的射频源作为电离源，其位于推力器的内部，单独电离产生等离子体。阳极和阴极单独施加电压，用于等离子体中的离子的加速。因此等离子体的产生和加速是相互独立的，推力和比冲是相互独立的。该推力器也可以用于比氙气更难电离的可以替代的工质。在加速阶段推力为直流电压的函数，推力在加速阶段为直流电压的函数，在电离阶段是射频电压的函数，
该推力器的推力计算公式如下：
这里，Ji为离子电流密度，θ为方位角，R为测量探针到推力器的距离，Ii为离子电流。
推力器的总的推力为
其中<v>表示平均离子速度，可以从电子分布函数求出。
平均余弦由下式给出：
其中质量流率可以通过下式计算：
这里为基本的元电荷，mi为离子质量。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制。上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进。这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种电感耦合双级等离子体推力器，其特征在于：包括内壁、外壁和推进剂输送管，所述内壁为一端封闭的圆筒状派热克斯耐热玻璃管，所述内壁内腔设置有射频源，所述射频源包括线圈、圆筒状空心绝缘载体、铁氧体圆筒、两个铁氧体盘和两个永磁铁环，所述线圈缠绕于绝缘载体上，所述铁氧体圆筒同轴设置于绝缘载体中心，两个铁氧体盘分别固定设置于铁氧体圆筒的两端，两个永磁铁环分别固定设置于一个铁氧体盘的周向边缘上，两个永磁铁环的磁极均为横向分布且两者磁场方向相反；
所述外壁设置于内壁外侧且与内壁同轴，所述外壁前部为圆筒状通道，后部为前小后大的锥筒状，外壁后端面通过封闭端面与内壁后端固定连接；所述外壁的后部内部设有阳极，所述外壁前部外侧以及外壁后部外侧的尾部分别设有两个轴对称设置的永磁铁块，相同侧的两个永磁铁块之间通过L型软铁片固定；位于前部的两个永磁铁块与位于铁氧体圆筒前端的钐钴磁体环磁场方向相同，位于前后部的两个永磁铁块与位于铁氧体圆筒后端的钐钴磁体环磁场方向相同，所述外壁前方一侧设有阴极，所述阳极和阴极分别和推进剂输送管连接。
2.根据权利要求1所述的电感耦合双级等离子体推力器，其特征在于：所述射频源的频率为4MHZ。
3.根据权利要求1所述的电感耦合双级等离子体推力器，其特征在于：所述线圈为裸铜线线圈，所述绝缘载体材质为环氧聚合物，所述永磁铁环为钐钴磁铁环，所述外壁材质为氧化铝。
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| CN202011239886.7A CN112253413A (zh) | 2020-11-09 | 2020-11-09 | 一种电感耦合双级等离子体推力器 |
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| CN (1) | CN112253413A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115681059A (zh) * | 2023-01-03 | 2023-02-03 | 国科大杭州高等研究院 | 反向进气的电推力器、空间设备及其推进方法 |
| CN115681056A (zh) * | 2023-01-03 | 2023-02-03 | 国科大杭州高等研究院 | 反向注入的气体分配器 |
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2020
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