CN112343780B - 微波同轴谐振会切场推力器 - Google Patents

微波同轴谐振会切场推力器 Download PDF

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曾明
乔磊
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Abstract

本发明提供了一种微波同轴谐振会切场推力器，包括由陶瓷管形成的陶瓷通道、金属谐振腔、谐振腔反射底板、波导金属管、阳极、微波天线、绝缘陶瓷和环形永磁体，陶瓷管的底端伸出推力器外壳后通过金属谐振腔的顶部的开口伸入金属谐振腔的内部，谐振腔反射底板固定在金属谐振腔的底部，波导金属管设置在金属谐振腔内部，且套设在陶瓷管的外表面，所述的波导金属管的一端固定在谐振腔反射底板的中心处，谐振腔反射底板为金属谐振腔的短路端，金属谐振腔顶部的开口为金属谐振腔的开路端，金属谐振腔通过连接底板与推力器外壳固定连接。本发明通过微波同轴谐振的方式，增强了推力器通道内的电离作用，效率高，且对磁场强度分布敏感度低。

Description

微波同轴谐振会切场推力器
技术领域
本发明属于电推力器领域，尤其是涉及一种微波同轴谐振会切场推力器。
背景技术
随着空间技术的发展，电推力器由于其高比冲、高效率、长寿命的特点，正在逐渐开始取代传统的化学推力器成为太空任务中的优先选择。由于高精密测量太空任务的提出，以及微小卫星迅猛的发展，微推进技术近年来逐步成为电推进技术的热点。
会切场推力器是一种较新型的电推进概念，由于其复杂度低、高推力密度、长寿命、大范围可调的特点而成为了推力器小型化的较优选择。其原理在于，通过高强度的会切型磁场捕获由阴极发出的电子，在通道内藉由磁镜效应使电子在磁尖端之间往复运动，从而与中性气体电离并加速喷出，产生推力。但在该推力器小型化中，电离率不足、总体效率降低逐渐成为其性能提升的瓶颈。
由于微波能在小尺度范围内较易形成强电场，从而实现低通流密度、小尺度的电离，通过微波注入的方式对推力器工质进行预电离是一种有效的增强工质电离度的手段，但在电推进领域，通常采用磁场约束下微波电子回旋共振的方式实现微波电离，该方式效率较低，且对磁场强度分布较敏感。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种微波同轴谐振会切场推力器，本发明通过微波同轴谐振的方式，增强了推力器通道内的电离作用，效率高，且对磁场强度分布敏感度低。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种微波同轴谐振会切场推力器，包括由陶瓷管形成的陶瓷通道、金属谐振腔、谐振腔反射底板、波导金属管、阳极、微波天线、绝缘陶瓷和环形永磁体，所述的陶瓷管的底端伸出推力器外壳后通过金属谐振腔的顶部的开口伸入金属谐振腔的内部，所述的谐振腔反射底板固定在金属谐振腔的底部，所述的波导金属管设置在金属谐振腔内部，且套设在陶瓷管的外表面，所述的波导金属管的一端固定在谐振腔反射底板的中心处，所述的谐振腔反射底板为金属谐振腔的短路端，金属谐振腔顶部的开口为金属谐振腔的开路端，所述的金属谐振腔通过连接底板与推力器外壳固定连接；
所述的阳极伸入位于金属谐振腔内的陶瓷通道内设置，所述的波导金属管与阳极绝缘，所述的微波天线的一端与波导金属管连接，另一端伸入设置在金属谐振腔的外壁的微波输入接口；
金属谐振腔的顶部的开口的端面压紧绝缘陶瓷和环形永磁体在推力器外壳内，所述的环形永磁体和绝缘陶瓷均套设在陶瓷管上，所述环形永磁体为三级结构，相邻两级之间设有磁尖端和补偿环，三级环形永磁体的充磁方向为轴向。
进一步的，所述波导金属管、谐振腔反射底板和金属谐振腔相互连接方式均为螺纹配合，特别地，三者形成的腔的轴向长度为输入微波波长的四分之一。
进一步的，金属谐振腔的顶部的开口略大于波导金属管的外径，金属谐振腔的内壁半径不大于输入微波波长的二分之一。
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，所述波导金属管、谐振腔反射底板和金属谐振腔的腔壁的材料优先选择铜或者铝；阳极则采用弱导磁材料。
进一步的，所述绝缘陶瓷和陶瓷管采用氮化硼、氧化铝或石英。
进一步的，所述磁尖端采用电工纯铁DT4C材料。
进一步的，所述微波输入接口靠近谐振腔反射底板布置。
进一步的，所述阳极为空心阳极，其中作为工质的中性气体从阳极的中心注入。
进一步的，所述中性气体为氙气或氪气等惰性气体。
相对于现有技术，本发明所述的微波同轴谐振会切场推力器具有以下优势：
本发明所述的微波同轴谐振会切场推力器，本发明通过微波同轴谐振的方式，在会切场推力器的近阳极区形成了较强的微波谐振电场，对输入陶瓷通道内的中性气体进行了预电离，增强了推力器通道内的电离作用。在保持了会切场推力器基本结构不发生变化，不失去推力器原有优势的同时，大大提高了推力器的工质利用率和总体性能。同时，引入微波调节电离度的调控手段，使推力器除了工质流量和阳极电压之外，具有了额外的调节方式，为实际应用中控制系统的调节策略提供了更多选择。在推力器寿命、适用范围和总体性能上均较有优势。
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为本发明所述的一种微波同轴谐振会切场推力器剖面结构示意图；
图2为本发明所述的一种微波同轴谐振会切场推力器立体结构示意图；
图3为本发明所述的一种微波同轴谐振会切场推力器正面俯视图；
图4为金属谐振腔的立体结构示意图；
图5为本发明所述的一种微波同轴谐振会切场推力器原理示意图。
附图标记说明：
1-陶瓷通道，2-绝缘陶瓷、3-环形永磁体，4-陶瓷管，5-连接底板，6-补偿环，7-推力器外壳，8-磁尖端，9-谐振腔反射底板，10-波导金属管，11-金属谐振腔，12-微波输入接口，13-微波天线，14-阳极，15-开口。
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4所示，一种微波同轴谐振会切场推力器，包括由陶瓷管4形成的陶瓷通道1、金属谐振腔11、谐振腔反射底板9、波导金属管10、阳极14、微波天线13、绝缘陶瓷2和环形永磁体3，所述的陶瓷管4的底端伸出推力器外壳7后通过金属谐振腔11的顶部的开口15伸入金属谐振腔11的内部，所述的谐振腔反射底板9固定在金属谐振腔11的底部，所述的波导金属管10设置在金属谐振腔11内部，且套设在陶瓷管4的外表面，所述的波导金属管10的一端固定在谐振腔反射底板9的中心处，所述的谐振腔反射底板9为金属谐振腔的短路端，金属谐振腔11顶部的开口15为金属谐振腔的开路端，所述的金属谐振腔11通过连接底板5与推力器外壳7固定连；
所述的阳极14伸入位于金属谐振腔11内的陶瓷通道1内设置，所述的波导金属管10与阳极14绝缘，所述的微波天线13的一端与波导金属管10连接，另一端伸入设置在金属谐振腔11的外壁上的微波输入接口12；
金属谐振腔11的顶部的开口的端面压紧绝缘陶瓷2和环形永磁体3在推力器外壳7内，所述的环形永磁体3和绝缘陶瓷2均套设在陶瓷管4上，所述环形永磁体3为三级结构，相邻两级之间设有磁尖端8和补偿环6，三级环形永磁体的充磁方向均为轴向，极性相对排列，为NS-SN-NS或SN-NS-SN。
波导金属管10、谐振腔反射底板9和金属谐振腔11相互连接方式均为螺纹配合，以实现相互轴向位置可调节，特别地，三者形成的腔的轴向长度为输入微波波长的四分之一。
金属谐振腔11为空心圆柱结构，金属谐振腔的顶部的开口15略大于波导金属管10的外径，金属谐振腔11的内壁半径不大于输入微波波长的二分之一，内壁半径不大于波长的二分之一是为了避免谐振腔中产生高次波，影响谐振效果；微波输入接口12靠近谐振腔反射底板9布置，能够提高谐振放电的效率。
波导金属管10、谐振腔反射底板9和金属谐振腔11的腔壁的材料优先选择铜或者铝等微波传导效率较高，但弱导磁的金属；阳极14则采用弱导磁材料即可。绝缘陶瓷2和陶瓷管4采用氮化硼、氧化铝或石英等材料。磁尖端8采用电工纯铁DT4C材料。
阳极14为空心阳极，为小内径金属管，其中作为工质的中性气体从阳极14的中心注入，中性气体为氙气或氪气等惰性气体。
如图5所示，本发明的推力器在运行时，中性气体工质通过阳极14中心的通道注入到陶瓷通道1中，微波通过微波输入接口12和微波天线13馈入到波导金属管10上，在波导金属管10表面传播。传播过程中，当微波遇到短路端的谐振腔反射底板9时，微波发生反射，同时，微波在波导金属管10另一端的开路端同样会发生反射，二者的相位差为90°，故发生谐振，在轴向方向上形成稳定驻波。由于共振驻波要比通常行波形成的局部电场要强，从而形成更高密度的非平衡等离子体，因此，在该轴线方向上，金属谐振腔11的开路端附近会产生较强的微波谐振电场，从而将通道1内近阳极区14的中性气体工质电离。之后，通道内由会切型磁场捕获电子与工质碰撞形成进一步的电离，并由阳极14高电势形成的轴向电场加速喷出，形成推力。
该推力器运行时，可通过调节微波的输入参数如占空比、幅值和频率等实现有效的推力器电离度控制。
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 (10)

1.一种微波同轴谐振会切场推力器，其特征在于：包括由陶瓷管(4)形成的陶瓷通道(1)、金属谐振腔(11)、谐振腔反射底板(9)、波导金属管(10)、阳极(14)、微波天线(13)、绝缘陶瓷(2)和环形永磁体(3)，所述的陶瓷管(4)的底端伸出推力器外壳(7)后通过金属谐振腔(11)的顶部的开口(15)伸入金属谐振腔(11)的内部，所述的谐振腔反射底板(9)固定在金属谐振腔(11)的底部，所述的波导金属管(10)设置在金属谐振腔(11)内部，且套设在陶瓷管(4)的外表面，所述的波导金属管(10)的一端固定在谐振腔反射底板(9)的中心处，所述的谐振腔反射底板(9)为金属谐振腔的短路端，金属谐振腔(11)顶部的开口(15)为金属谐振腔的开路端，所述的金属谐振腔(11)通过连接底板(5)与推力器外壳(7)固定连接；
所述的阳极(14)伸入位于金属谐振腔(11)内的陶瓷通道(1)内设置，所述的波导金属管(10)与阳极(14)绝缘，所述的微波天线(13)的一端与波导金属管(10)连接，另一端伸入设置在金属谐振腔(11)的外壁上的微波输入接口(12)；
金属谐振腔(11)的顶部的开口的端面压紧绝缘陶瓷(2)和环形永磁体(3)在推力器外壳(7)内，所述的环形永磁体(3)和绝缘陶瓷(2)均套设在陶瓷管(4)上，所述环形永磁体(3)为三级结构，相邻两级之间设有磁尖端(8)和补偿环(6)，三级环形永磁体的充磁方向均为轴向。
2.根据权利要求1所述的微波同轴谐振会切场推力器，其特征在于：所述波导金属管(10)、谐振腔反射底板(9)和金属谐振腔(11)相互连接方式均为螺纹配合，三者形成的腔的轴向长度为输入微波波长的四分之一。
3.根据权利要求1所述的微波同轴谐振会切场推力器，其特征在于：金属谐振腔(11)的顶部的开口(15)略大于波导金属管(10)的外径，金属谐振腔(11)的内壁半径不大于输入微波波长的二分之一。
4.根据权利要求1所述的微波同轴谐振会切场推力器，其特征在于：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。
5.根据权利要求1所述的微波同轴谐振会切场推力器，其特征在于：所述波导金属管(10)、谐振腔反射底板(9)和金属谐振腔(11)的腔壁的材料选择铜或者铝；阳极(14)则采用弱导磁材料。
6.根据权利要求1所述的微波同轴谐振会切场推力器，其特征在于：所述绝缘陶瓷(2)和陶瓷管(4)采用氮化硼、氧化铝或石英。
7.根据权利要求1所述的微波同轴谐振会切场推力器，其特征在于：所述磁尖端(8)采用电工纯铁DT4C材料。
8.根据权利要求1所述的微波同轴谐振会切场推力器，其特征在于：所述微波输入接口(12)靠近谐振腔反射底板(9)布置。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的微波同轴谐振会切场推力器，其特征在于：所述阳极(14)为空心阳极，其中作为工质的中性气体从阳极(14)的中心注入。
10.根据权利要求9所述的微波同轴谐振会切场推力器，其特征在于：所述中性气体为氙气或氪气。
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