CN112727720A - 一种基于旋转磁场加速的无电极等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天技术领域，提供一种基于旋转磁场加速的无电极等离子体推力器，包括中空的壳体和工质基座，工质基座中心设有工质进入孔，工质基座密封固定设置于壳体前部的端部，壳体前部周向外壁上缠绕有射频线圈；壳体后部周向外壁沿轴线方向上设有多个等距永磁体环，多个永磁体环的磁场方向相同；壳体后部外侧周向设有围绕壳体后部的四个轴向线圈，两组轴向线圈分别输入相位差为90°的射频电流。本申请的等离子体推力器整体结构相对比较简单，具有放电气压低，等离子体密度高、均匀性好的优势。

Description

一种基于旋转磁场加速的无电极等离子体推力器

技术领域

本发明涉及航天技术领域，特别涉及一种基于旋转磁场加速的无电极等离子体推力器。

背景技术

化学推进系统推力大，但比冲很低，执行单次轨道机动就需要消耗大量推进剂，完全无法满足长期在轨机动的要求。电推进是一种把电能转换成工质动能，使其定向加速而产生推力的反作用式发动机，相对于化学推进具有比冲高的显著优势，已经广泛应用至地球同步轨道卫星位置保持、中小型深空探测器主推进任务等。

但是传统的电推进系统由于由电极烧蚀，以及等离子体与壁面之间的溅射，会影响推力器的寿命。为此，需要对其进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于旋转磁场加速的无电极等离子体推力器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：.一种基于旋转磁场加速的无电极等离子体推力器，包括中空的壳体和工质基座，壳体前部为中空圆柱体状,壳体后部为中空圆台状，壳体前部与壳体后部的小端处一体连接，工质基座中心设有工质进入孔，工质基座密封固定设置于壳体前部的端部并且工质基座中心与中空壳体同轴；壳体前部外壁上缠绕有射频线圈；壳体后部外壁沿轴线方向上固定设有多个等距分布的永磁体环，多个永磁体环的磁场方向相同；壳体后部外侧设有绕外壁周向分布的四个轴向线圈，相对的两个轴向线圈为一组，共两组；每组内的两个轴向线圈并联，两组轴向线圈分别输入相位差为90°的射频电流。

优选的，壳体为石英玻璃管。

在本申请中，未加限定的结构均为本领域公知技术，包括但不限于电源、工质储存容器，工质提取装置、支架、真空环境等结构。

本申请的工作原理及有益效果为：壳体前部周向外壁上缠绕有射频线圈，根据法拉第电磁感应定律，当线圈中通入交变射频电流时，交变磁场会在壳体前部的圆柱体空腔室中产生；同时，交变磁场感生出交变电场，在通入工质气体时，交变电场引发工质气体放电，产生初始等离子体；

壳体后部周向外壁沿轴线方向上设有多个等距设置的永磁体环，永磁体环在壳体后部腔体内产生轴向磁场；两组轴向线圈分别输入相位差为90°的射频电流后，在壳体后部腔体内产生角向旋转磁场，使初始等离子体的电子被磁化一起旋转形成角向等离子体电流，角向等离子体电流沿轴向流动，角向等离子体电流产生的磁场与外加磁场相反，从而形成闭合型磁力线，进而约束初始等离子体中的正离子和电子，从而形成场反构型等离子体团，角向等离子体电流与外加的轴向磁场的径向分量共同作用，从而产生洛伦兹力，等离子体团在洛伦兹力的作用下扩张并向外排出。在这个过程中，壳体前部和后部内壁均不与等离子体发生直接接触，极大地减少了能量的对流和传导损失，理论上仅存在辐射损失，能量利用率高，可以延长推力器的寿命；由于排出的场反构型等离子体团呈电中性，不需要增加中和器，消除了传统等离子推进器的羽流污染问题。

本申请的射频线圈结构可以在更低的射频电压下产生高密度的等离子体，并且不需要采用高压射频电极，从而避免了电极的污染。另外，本申请的等离子体推力器整体结构相对比较简单，具有放电气压低，等离子体密度高、均匀性好的优势。

附图说明

图1本发明实施例的立体结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明作进一步详细说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

实施例1

参见图1-图2，一种基于旋转磁场加速的无电极等离子体推力器，包括中空的壳体1和工质基座2，壳体材质为石英玻璃，壳体前部102为中空圆柱状，壳体后部101为中空圆台状，壳体前部与壳体后部的小端处一体连接，工质基座中心设有工质进入孔3，工质基座密封固定设置于壳体前部的端部并且工质基座中心与中空壳体同轴；壳体前部周向外壁上缠绕有射频线圈4；壳体后部周向外壁沿轴线方向上设有多个等距设置的永磁体环5，多个永磁体环的磁场方向相同；壳体后部外侧周向设有四个轴向线圈a、b、c、d，相对的两个轴向线圈为一组，即a、d为一组，b、c为一组；每组内的两个轴向线圈并联，两组轴向线圈分别输入相位差为90°的射频电流。

本实施例的原理为：

初始等离子体中的离子形成一个不动的，非均匀分布的正电荷背景，电子被视为无惯性、无压力的负电荷流体。

角向等离子体电流可以从广义欧姆定律来理解：

这里E表示电场强度，η_p是等离子体阻抗。j是电流密度，分量为j_z和j_θ，n_e是电子数密度，e是电子电荷。B是磁场矢量，振荡分量为B_r和B_θ，RMF(旋转磁场)频率为ω_RMF，e_B为磁场单位矢量，

是电子回旋频率，

是电子离子碰撞频率，m_e是电子质量，η_pj是电阻项，

是霍尔项。

如果霍尔项

是负通量离开等离子体，屏蔽电流j_z出现在等离子体的外层，并且阻止RMF进入等离子体。

如果

并且j_zB_r是大的并且是负的，霍尔项η_p和E_θ是负的。在这些条件下，通量进入等离子体，场反转增强。电子被磁化，并且旋转磁场进入等离子体，产生角向的电子电流，产生一个磁化等离子体，形成一个反转的场结构并且喷出产生推力。

如果磁场想要穿透等离子体，需要ν_ei＞＞ω_ce，并且外加场的频率ω_RMF必须满足ω_ci＜ω_RMF＜ω_ce，为了确保离子不和旋转磁场同步。电子密度n_e和电子离子碰撞频率ν_ei决定电阻项影响霍尔项的程度。

在不存在等离子体的情况下，旋转磁场Β_ω的γ和θ的分量分别为：

B_r＝B_ωcos(ωt-θ)

(2)

B_θ＝B_ωsin(ωt-θ)

(3)

这里B_ω是旋转场的幅值，θ是角向圆柱坐标。

在存在等离子体的情况，可以引入磁失势Α来确定轴向分量。

在

的极限下，欧姆定律的形式为：

可以证明其精确解为：

A_z＝-Bωrsin(ωt-θ)

(5)

这里B_axial是轴向的磁场强度，γ_p是等离子体直径，角向的电流密度j_θ为

结果表明，等离子体电子与旋转磁场同步旋转。电子在任意径向位置的漂移速度由γ_ω给出。

电磁理论表明，RMF穿透等离子体的深度不会超过趋肤深度δ_S，在该趋肤深度内，电流降为表面电流的0.37倍。电阻趋肤深度近似为：

当RMF作用于等离子体时，电子随着RMF旋转，在该参考系中，RMF看起来是静止的，场可以穿透等离子体到对称轴，为了穿透等离子体，RMF必须超过一个阈值，并且RMF磁通量密度必须超过B_ω。

当这个条件满足时，RMF穿透等离子体，当电子与旋转场同步旋转时，穿透最大。

由RMF产生的推力类似于磁喷管产生的推力，在发散磁场存在下，感应的角向电子电流产生推力的轴向分量。

如果径向磁场B_γ可以表示为

并且假设电子密度空间均匀分布，推力估计为：

这里，R_coil是轴向的线圈半径，L_A是加速区域的长度，γ_p是等离子体半径。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于旋转磁场加速的无电极等离子体推力器，其特征在于：包括中空的壳体和工质基座，壳体前部为中空圆柱体状,壳体后部为中空圆台状，壳体前部与壳体后部的小端处一体连接，工质基座中心设有工质进入孔，工质基座密封固定设置于壳体前部的端部并且工质基座中心与壳体同轴；壳体前部外壁上缠绕有射频线圈；壳体后部外壁沿轴线方向上固定设有多个等距分布的永磁体环，多个永磁体环的磁场方向相同；壳体后部外侧设有绕壳体外壁周向分布的四个轴向线圈，相对的两个轴向线圈为一组，共两组；每组内的两个轴向线圈并联，两组轴向线圈分别输入相位差为90°的射频电流。

2.根据权利要求1一种基于旋转磁场加速的无电极等离子体推力器，其特征在于：壳体为石英玻璃管。

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