CN113404658B

CN113404658B - 一种自中和射频离子推力器

Info

Publication number: CN113404658B
Application number: CN202110735438.4A
Authority: CN
Inventors: 蒋文嘉; 宋彦; 魏立秋; 丁永杰; 于达仁
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2041-06-30
Also published as: CN113404658A

Abstract

本发明涉及一种自中和射频离子推力器，其中，主电离室的输出端连接离子引出系统；副电离室的输入端与主电离室的侧壁连通，副电离室的输出端连接电子引出系统；离子引出系统和电子引出系统均与直流源单元连接；离子引出系统，用于将主电离室中的离子引出并加速喷出产生推力；电子引出系统，用于将副电离室中的电子引出，从而实现与离子引出系统引出的离子中和。显然，本发明通过在主电离室的侧面设置副电离室，主电离室和副电离室共用一套射频功率源和阻抗匹配网络，电子引出系统和离子引出系统共用一个直流高压源，射频离子推力器能够仅使用一套射频功率源、阻抗匹配网络和直流电压源完成推力的产生和离子的中和，大大简化了推力器的结构。

Description

一种自中和射频离子推力器

技术领域

本发明涉及射频离子推力器领域，特别是涉及一种自中和射频离子推力器。

背景技术

射频离子推力器是一种利用5MHz左右频率的电磁波电离工质并在离子引出系统加速喷出离子产生推力的一种装置，是航天电推力器的一种。它具有结构简单、比冲高、效率高、工作寿命长等特点，适用于各类航天器的姿态调整、轨道保持、变轨甚至深空探测。

常规的射频离子推力器一般自带中和器，但是对于中和器需要单独提供工质和电离工质的电功率，才能实现通过电子引出系统引出电子。所以说，现有的射频离子推力器需要给中和器提供单独的储供系统和电源系统，导致结构较为复杂。针对此，本发明提供了一种结构更简单的射频离子推力器。

发明内容

本发明的目的是提供一种自中和射频离子推力器，通过在主电离室的侧面设置副电离室，主电离室连接离子引出系统，副电离室连接电子引出系统，主电离室和副电离室共用一套射频功率源和阻抗匹配网络，电子引出系统和离子引出系统共用一个直流高压源，简化了射频离子推力器的结构。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种自中和射频离子推力器，包括：

射频源、阻抗匹配网络、直流源单元、绕设有主线圈的主电离室、绕设有副线圈的副电离室、离子引出系统和电子引出系统；

所述射频源连接所述阻抗匹配网络，所述主线圈与所述副线圈串联，且连接于所述阻抗匹配网络中；或所述主线圈与所述副线圈并联，且连接于所述阻抗匹配网络中；

所述主电离室的输入端连接有气体分配器，所述主电离室的输出端连接所述离子引出系统；

所述副电离室的输入端与所述主电离室的侧壁连通，所述副电离室的输出端连接所述电子引出系统；

所述离子引出系统和所述电子引出系统均与所述直流源单元连接；

所述离子引出系统，用于将所述主电离室中的离子引出并加速喷出产生推力；

所述电子引出系统，用于将所述副电离室中的电子引出，从而实现与所述离子引出系统引出的离子中和。

可选的，所述副电离室的输入端位于所述主电离室的侧壁位置与所述主电离室的输出端沿喷射方向的距离小于预设距离。

可选的，所述副电离室的输入端开口大小为所述副电离室的输出端开口大小的两倍。

可选的，所述副电离室的输出端的开口大小由所述副线圈中的电流大小确定。

可选的，所述副电离室中等离子体流经的通道长度小于预设通道长度。

可选的，所述离子引出系统的输出端和所述电子引出系统的输出端之间沿离子喷出方向的距离小于预设距离。

可选的，所述电子引出系统的输出端喷出电子的范围与所述离子系统输出端喷出离子的范围至少部分重叠。

可选的，所述直流源单元包括正高压电源和负高压电源；所述离子引出系统的输入端连接所述正高压电源的正极，所述离子引出系统的输出端连接所述负高压电源的负极；所述电子引出系统的输入端连接所述负高压电源的负极，所述电子引出系统的输出端连接所述正高压电源的正极；所述正高压电源的负极和所述负高压电源的正极均接地。

可选的，所述电子引出系统的输入端与所述负高压电源的负极之间连接有第一调压电阻；所述电子引出系统的输出端与所述正高压电源的正极之间连接有第二调压电阻。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明涉及一种自中和射频离子推力器，包括射频源、阻抗匹配网络、直流源单元、绕设有主线圈的主电离室、绕设有副线圈的副电离室、离子引出系统和电子引出系统；射频源连接所述阻抗匹配网络，主线圈与副线圈串联，且连接于阻抗匹配网络中；或主线圈与副线圈并联，且连接于阻抗匹配网络中；主电离室的输入端连接有气体分配器，主电离室的输出端连接离子引出系统；副电离室的输入端与主电离室的侧壁连通，副电离室的输出端连接电子引出系统；离子引出系统和电子引出系统均与所述直流源单元连接；离子引出系统，用于将主电离室中的离子引出并加速喷出产生推力；电子引出系统，用于将副电离室中的电子引出，从而实现与离子引出系统引出的离子中和。显然，本发明通过在主电离室的侧面设置副电离室，主电离室连接离子引出系统，副电离室连接电子引出系统，主电离室和副电离室共用一套射频功率源和阻抗匹配网络，电子引出系统和离子引出系统共用一个直流高压源，射频离子推力器能够仅使用一套射频功率源、阻抗匹配网络和直流电压源完成推力的产生和离子的中和，大大简化了推力器的结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的新型自中和射频离子推力器的原理示意图；

图2为本发明实施例1提供的新型自中和射频离子推力器的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的主副电离室的位置关系图。

符号说明：

1：射频源；2：阻抗匹配网络；3：直流源单元；31：正高压电源；32负高压电源；4：主线圈；5：主电离室；6：副线圈；7：副电离室；8：离子引出系统；9：电子引出系统；10：气体分配器；11：第一调压电阻；12：第二调压电阻。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1和2所示，本实施例提供了一种自中和射频离子推力器，包括：

射频源1、阻抗匹配网络2、直流源单元3、绕设有主线圈4的主电离室5、绕设有副线圈6的副电离室7、离子引出系统8和电子引出系统9；

所述射频源1连接所述阻抗匹配网络2；射频源1未连接阻抗匹配网络2的一端可以接地。

所述主线圈4与所述副线圈6串联，且连接于所述阻抗匹配网络2中；或所述主线圈4与所述副线圈6并联，且连接于所述阻抗匹配网络2中；

对于主线圈4和副线圈6的连接方式依据功率分配要求而定。主线圈4与副线圈6串联时可以将主副线圈6看成一个整体线圈。主副线圈6的径向尺寸和匝数根据主副电离室7的尺寸而定，由于副电离室7的结构尺寸存在一定的限制，如果需要为副线圈6分配更多的功率，可以选择在副电离室7上绕设多层线圈以达到使用要求。另外，考虑到主电离室5需要的等离子体要远远大于副电离室7需要的等离子体，所以主电离室5需要的线圈必然要远大于副电离室7的线圈，所以在绕设线圈时，尽可能将多的线圈绕设于主电离室5，少部分绕设在副电离室7。

所述主电离室5的输入端连接有气体分配器10，所述主电离室5的输出端连接所述离子引出系统8；

所述副电离室7的输入端与所述主电离室5的侧壁连通，所述副电离室7的输出端连接所述电子引出系统9；

所述离子引出系统8和所述电子引出系统9均与所述直流源单元3连接；

所述离子引出系统8，用于将所述主电离室5中的离子引出并加速喷出产生推力；

所述电子引出系统9，用于将所述副电离室7中的电子引出，从而实现与所述离子引出系统8引出的离子中和。

由于副电离室7设置于主电离室5的侧面，为了保证进入到副电离室7中的全部为等离子体，避免出现气体分配器10供入到主电离室5的工质，所以要求副电离室7的输入端口要尽可能的设置于靠近主电离室5输出端位置的侧壁上，也就是说，所述副电离室7的输入端位于所述主电离室5的侧壁位置与所述主电离室5的输出端沿喷射方向的距离小于预设距离。

为了使主电离室5中的等离子体能够尽可能多的进入到副电离室7，可以选择对副电离室7与主电离室5的连接处的开口大小做调整，即调整副电离室7的输入端开口的大小，可以限定所述副电离室7的输入端开口大小为所述副电离室7的输出端开口大小的两倍。而对于副电离室7的输出端开口大小可以根据副线圈6中流通的电流大小确定。图3示出了虚线部分为副电离室的输入端开口，体现了副电离室输入端与主电离室侧壁的位置关系。

为了能够使得等离子体在副电离室7流通时，避免出现更多的损耗，可以选择将副电离室7的内壁采用光滑结构，对于存在弯道的地方可以选择光滑弧形过渡结构。并且考虑到等离子体从进入副电离室7到离开副电离室7的路径长度也会直接影响到等离子体的损耗，所以可以对等离子体流经的路径长度进行限定，即可以要求所述副电离室7中等离子体流经的通道长度小于预设通道长度。从副电离室7的内部结构以及通道长度两个方面进行优化设计，能够降低等离子的壁面损耗。

对于离子引出系统8的输出端和电子引出系统9的输出端的位置设置来说，只要满足使离子引出系统8引出的离子和电子引出系统9引出的电子实现中和，可以灵活设置离子引出系统8的输出端和电子引出系统9的输出端的位置，如可以设置离子引出系统8的输出端和电子引出系统9的输出端可以在同一平面上，或者可以设置离子引出系统8的输出端相对于电子引出系统9的输出端来说稍微靠前或靠后。也就是说，要求所述离子引出系统8的输出端和所述电子引出系统9的输出端之间沿离子喷出方向的距离小于预设距离。

由于离子引出系统8引出的离子和电子引出系统9引出的电子需要实现自中和，所以要求所述电子引出系统9的输出端喷出电子的范围与所述离子系统输出端喷出离子的范围至少部分重叠。对于输出端开口方向来说，可以要求离子引出系统8引出的输出端开口方向和电子引出系统9的输出端开口方向相同，或者是电子引出系统9的输出端开口方向轻微的朝向离子引出系统8引出的输出端开口方向，可以根据实际需求进行设置。

电子引出系统9的输出端设置了多个孔，对于孔径和孔数的设置可以依据空间电荷饱和效应、所需电流大小而定。

为了能够保证离子引出系统8和电子引出系统9能够引出离子和电子，可以要求所述直流源单元3包括正高压电源31和负高压电源32；所述离子引出系统8的输入端连接所述正高压电源31的正极，所述离子引出系统8的输出端连接所述负高压电源32的负极；所述电子引出系统9的输入端连接所述负高压电源32的负极，所述电子引出系统9的输出端连接所述正高压电源31的正极；所述正高压电源31的负极和所述负高压电源32的正极均接地。这种连接关系下，使得离子引出系统8的输入端、输出端分别与电子引出系统9的输入端、输出端并联。离子引出系统8和电子引出系统9连接了直流源单元3后，将离子引出系统8和电子引出系统9分为了两部分，即离子引出系统8的输入端为正高压部分，输出端为负高压部分，电子引出系统9的输入端为负高压部分，输出端为正高压部分。

并且，为了能够使电子引出系统9能够达到电子引出所需的合适电压，可以在对电子引出系统9与直流源单元3之间设置调压电阻，即所述电子引出系统9的输入端与所述负高压电源32的负极之间连接有第一调压电阻11；所述电子引出系统9的输出端与所述正高压电源31的正极之间连接有第二调压电阻12。其中，调压电阻通过地面测试，选择合适范围的几组工况点，通过开关电路切换不同的电阻以适应不同工况下所需要的电压。

下面介绍本实施例中提供的射频离子推力器的原理：主副电离室7上绕设的主线圈4和副线圈6与阻抗匹配网络2相连，最终与射频源1相连，由射频源1为主副线圈6提供电离所需的功率。其中，气体分配器10将工质送入主电离室5，主线圈4在主电离室5内感应出磁场，交变的磁场再次感应出涡旋电场

涡旋电场

会将工质加速电离，得到等离子体，此时主电离室5具有高密度的等离子体，等离子输运至离子引出系统8，在离子引出系统8的作用下等离子中的离子被引出和加速产生推力，被引出和加速的离子为图1中的标注羽流部分，并且由于副电离室7位于主电离室5部分主线圈4与离子引出系统8之间，主电离室5中小部分的等离子体会扩散至副电离室7，副电离室7上的线圈继续提供功率维持进入副电离室7的等离子体，在较大功率下也可以电离未被电离的工质，最终副电离室7中的电子e通过电子引出系统9引出，实现离子和电子e的中和。

本实施例中，通过在主电离室5的侧面连通一个副电离室7，主副电离室7共用一套射频源1和阻抗匹配网络2，主电离室5中电离后的等离子体分为两部分，大部分输运至离子引出系统8，离子被引出和加速产生推力，另一部分等离子体扩散输运至副电离室7，这部分等离子体中的电子被电子引出系统9引出用于中和离子。电子引出系统9与离子引出系统8共用一套直流高压源，电子引出系统9引出电压通过调压电阻调节。相比于现有的推力器，本实施例提供了更为简化的推力器结构。

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

1.一种自中和射频离子推力器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的自中和射频离子推力器，其特征在于，所述副电离室的输入端位于所述主电离室的侧壁位置，且所述副电离室的输入端与所述主电离室的输出端沿喷射方向的距离小于预设距离。

3.根据权利要求1所述的自中和射频离子推力器，其特征在于，所述副电离室的输入端开口大小为所述副电离室的输出端开口大小的两倍。

4.根据权利要求1所述的自中和射频离子推力器，其特征在于，所述副电离室的输出端的开口大小由所述副线圈中的电流大小确定。

5.根据权利要求1所述的自中和射频离子推力器，其特征在于，所述副电离室中等离子体流经的通道长度小于预设通道长度。

6.根据权利要求1所述的自中和射频离子推力器，其特征在于，所述离子引出系统的输出端和所述电子引出系统的输出端之间沿离子喷出方向的距离小于预设距离。

7.根据权利要求6所述的自中和射频离子推力器，其特征在于，所述电子引出系统的输出端喷出电子的范围与所述离子引出系统输出端喷出离子的范围至少部分重叠。

8.根据权利要求1所述的自中和射频离子推力器，其特征在于，所述直流源单元包括正高压电源和负高压电源；所述离子引出系统的输入端连接所述正高压电源的正极，所述离子引出系统的输出端连接所述负高压电源的负极；所述电子引出系统的输入端连接所述负高压电源的负极，所述电子引出系统的输出端连接所述正高压电源的正极；所述正高压电源的负极和所述负高压电源的正极均接地。

9.根据权利要求8所述的自中和射频离子推力器，其特征在于，所述电子引出系统的输入端与所述负高压电源的负极之间连接有第一调压电阻；所述电子引出系统的输出端与所述正高压电源的正极之间连接有第二调压电阻。