CN114215710A - 一种改进的无质损电磁推力器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的无质损电磁推力器，结合介质材料填充和圆极化电磁场分布，包括谐振腔(1)、介质材料(2)，正交功率耦合孔(3)。介质材料(2)安装在谐振腔(1)内，功率耦合孔(3)安装在谐振腔(1)的壳体。所述介质材料(2)的介电常数或磁导率大于真空的介电常数或磁导率，谐振腔(1)的电磁场部分进入介质材料(2)，电磁场在介质材料与真空分界面呈现圆极化分布，既旋转的电磁场能量，该无质损电磁推力器设计不需使用化学燃料和工质气体、无羽流影响、重量轻、使用方便，可以大幅度提高航天器的性能，并可能基于此技术产生新概念航天器。
Description
技术领域
本发明属于推力器设计领域，涉及一种无质损电磁推力器。
背景技术
电磁推力器是近年来出现的一种新概念推进技术。该技术利用微波在特定结构谐振腔内的不均匀分布产生推力，是一种革命性的新技术，可以大幅度提高航天器的性能，并可能基于此技术产生新概念航天器。谐振腔是电磁推力器的关键部件，在外加微波源激励的条件下，特定形状、特定内部结构的谐振腔内，可以产生空间分布不均匀的电磁场，产生推力，因此，谐振腔的腔型、结构设计，是电磁推力器的关键技术。
目前该领域使用的谐振腔体，其主要问题在于推力较小，需要提高推力和推功比。
发明内容
本发明所解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种改进的无质损电磁推力器，为基于介质填充的圆极化电磁场分布的电磁推力器，第一次将介质填充和圆极化电磁场分布特性同时应用于电磁推力器谐振腔，解决了目前该类推力器推力较小的问题。
本发明所采用的技术方案为：一种改进的无质损电磁推力器，包括谐振腔、介质材料、正交功率耦合孔，所述谐振腔内的部分空间设有介质材料，谐振腔壳体上安装正交的功率耦合孔。
所述介质材料的介电常数大于真空的介电常数，所述介质材料的磁导率大于真空的磁导率。
谐振腔的部分电磁场进入介质材料。
一种改进的无质损电磁推力器，呈现圆极化特性的电磁场能，同时分布在介质材料内部、谐振腔内部真空空间、以及介质材料与真空的分界面。
所述电磁推力器的电磁场在介质材料内和介质材料表面的分布呈现圆极化特性，具体为：在谐振腔的截面上，合成场矢量端点的轨迹是在平面内的一个圆，也可表示为空间相互垂直、振幅相等、具有90度时间相位差的两个线极化波之和；电磁场按其旋向，为左旋圆极化波或右旋圆极化波。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明的推力器同时安装了谐振腔,介质材料和正交功率耦合孔，使谐振腔、介质材料的电磁场呈现出圆极化特性。第一次将介质填充和圆极化电磁场分布特性同时应用于电磁推力器谐振腔，解决了目前该类推力器推力较小的问题，且工作推力稳定，为该领域提供了一种推力器谐振腔实现方式。
附图说明
图1为圆柱谐振腔结构示意图；
图2为未填充介质的圆锥(台)谐振腔图；
图3为未填充介质的圆锥(台)谐振腔设计原理示意图；
图4为填充介质圆锥(台)谐振腔图；
图5为填充介质圆锥(台)谐振腔图；
图6为填充介质圆锥(台)谐振腔电磁场Poynting矢量分布设计结果图；
图7为本发明的电磁推力器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明提供了一种基于介质填充的圆极化电磁场分布的电磁推力器，该电磁推力器腔体包括谐振腔1，所述谐振腔1内设有介质材料2，所述介质材料2的介电常数大于真空的介电常数，所述介质材料2的磁导率大于真空的磁导率，谐振腔1的部分电磁场进入介质材料，电磁场能在介质材料2内部、谐振腔1内部真空空间、以及介质材料2与真空的分界面的分布呈现圆极化特性。所述谐振腔1内局部空间放置介质材料2，且不对称、不均匀布置。
如图7所示，一种改进的无质损电磁推力器，该电磁推力器腔体结构组成包括谐振腔1，所述谐振腔的内部空间4的部分空间设有介质材料2，谐振腔1壳体安装正交功率耦合孔3。
所述谐振腔1内的部分空间部分填充介质材料2，所述介质材料2的介电常数大于真空的介电常数，所述介质材料2的磁导率大于真空的磁导率。
谐振腔1的部分电磁场进入介质材料2。
谐振腔1壳体安装正交功率耦合孔3，电磁场能在介质材料2内和介质材料2表面的分布呈现圆极化特性，具体描述为，在谐振腔1的截面上，合成场矢量端点的轨迹是在平面内的一个圆，也可表示为空间相互垂直、振幅相等、具有90度时间相位差的两个线极化波之和。该设计的电磁场按其旋向，即可以左旋圆极化波，也可以是右旋圆极化波。
电磁推力器呈现圆极化特性的电磁场能，同时分布在介质材料2内部、谐振腔1内部真空空间、以及介质材料2与真空的分界面。
谐振腔1的电磁场分布呈现圆极化特性。具体描述为，在谐振腔1的截面上，合成场矢量端点的轨迹是在平面内的一个圆，也可表示为空间相互垂直、振幅相等、具有90度时间相位差的两个线极化波之和。该设计的电磁场按其旋向，即可以左旋圆极化波，也可以是右旋圆极化波。
如图1所示，圆柱谐振腔结构，其腔体截面结构为圆面，设定Y向为电磁波传输方向，公式(1)为圆柱谐振腔的谐振频率，对于腔长为l，半径为a的圆柱谐振腔，未填充介质状态(腔体为真空状态)，其TEmnp模式的谐振频率为：
其中，f0为谐振腔的谐振频率；
μmn为第一类m阶贝塞尔函数的导数Jm(x)＝0的第n个根；
ε为真空介电常数；
μ为真空磁导率；
p为电磁场沿腔长l方向的半周期数；
圆锥(台)波导，如图2。θ较小时，满足sin(θ)≈θ，在该条件下，给出了截止波长的简化计算模型，如图3所示，圆锥(台)谐振腔频率设计原理：圆锥(台)谐振腔截面为梯形，谐振腔截面在Z向大小为渐变，设计电磁场在Z1处截止，以该处的截止频率f01为谐振腔工作频率，计算公式为(2)和(3)：
其中，λc为Z1截止波长，θ为张角，r为圆锥半径，z为轴向位置，f01为Y1处的截止频率，umn为设计参数(umn为贝塞尔函数在Jmn＝0(或J'mn＝0取决于TE模还是TM模)下的第n个非零根,该参数为微波谐振腔设计领域公认知识，C为常数。根据公式(2)和(3)计算出梯形截面的谐振腔在Y1处的所需的截止频率f01后，以该频率为梯形截面谐振腔的设计工作频率。
如图2所示谐振腔结构，在其内部区域全部填充介质后，其谐振频率变化Δf为；
其中，n1和n2为真空和介质的折射率，f0为未填充介质状态该模式的谐振频率，ε1和ε2为真空和介质的介电常数，μ1和μ2为真空和介质的磁导率；
如图2所示，谐振腔结构，在其内部区域部分填充介质后(图4)，其谐振频率变化Δf为：
其中，ε2为介质的介电常数，Vs为填充介质体积，V0为谐振腔内部体积。
如图2所示，设计未填充介质的圆锥(台)谐振腔，计算其谐振模式和频率，使用3维有限元电磁场仿真软件(如HFSS)计算。计算过程：在高频电磁场仿真软件HFSS内建立圆锥(台)谐振腔的三维电磁场模型，材质边界选用铜等良导体，使用电磁仿真软件的本征模式求解器，将公式(1)以有限元数值计算的方式计算其数值解，可以直接计算得到未填充介质谐振腔的模式分布、品质因数Q、电场分布和磁场分布，根据电磁仿真软件HFSS计算其TE01模式的频率为1.781GHz。
如图4、图5所示，有介质材料2填充的圆锥(台)波导，谐振腔设计与计算过程为：根据图2所示设计结果基础上，在高频电磁场仿真软件HFSS内建立介质谐振腔的三维电磁场模型，在腔体内安装聚四氟乙烯介质材料(不限于聚四氟乙烯，也可以为其它介质材料)，材质边界选用铜等良导体，将公式(1)、(2)、(3)以有限元数值计算的方式计算其数值解，得到模式分布、其品质因数Q、电场分布和磁场分布，根据电磁仿真软件计算梯形介质谐振腔TE01模式的谐振频率为1.489GHz。
如图5所示，采用多端口馈源实现圆极化，在腔体设计空间位置相差一定90角度的两个耦合装置(探针)，两个耦合口的输入信号之间保持90度相位差。使用电磁仿真软件HFSS计算其TE01模式的电磁场Poynting矢量分布，两个耦合口的输入信号之间谐振频率设置为1.489GHz，两个耦合口的输入信号保持90度相位差，设计计算结果如图6所示，其电磁场Poynting矢量分布为一个涡旋，表示电磁场为圆极化。
本发明设计模式可适用于其它形状(包括且不限于矩形、梯形、圆柱形、角锥形、球形、椭球形)及其它介质材料填充的谐振腔设计。
本发明说明书中未作详细描述内容属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种改进的无质损电磁推力器，其特征在于，包括谐振腔(1)、介质材料(2)、正交功率耦合孔(3)，所述谐振腔(1)内的部分空间设有介质材料(2)，谐振腔(1)壳体上安装正交的功率耦合孔(3)。
2.根据权利要求1所述的一种改进的无质损电磁推力器，其特征在于，所述介质材料(2)的介电常数大于真空的介电常数，所述介质材料(2)的磁导率大于真空的磁导率。
3.根据权利要求2所述的一种改进的无质损电磁推力器，其特征在于，谐振腔(1)的部分电磁场进入介质材料(2)。
4.根据权利要求3所述的一种改进的无质损电磁推力器，其特征在于，呈现圆极化特性的电磁场能，同时分布在介质材料(2)内部、谐振腔(1)内部真空空间、以及介质材料(2)与真空的分界面。
5.根据权利要求4所述的一种改进的无质损电磁推力器，其特征在于，所述电磁推力器的电磁场在介质材料(2)内和介质材料(2)表面的分布呈现圆极化特性，具体为：在谐振腔(1)的截面上，合成场矢量端点的轨迹是在平面内的一个圆，也可表示为空间相互垂直、振幅相等、具有90度时间相位差的两个线极化波之和；电磁场按其旋向，为左旋圆极化波或右旋圆极化波。
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