CN114934883A - 一种离子推力器曲面形栅极组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子推力器曲面形栅极组件，包括屏栅极、屏栅极支撑环、绝缘支撑组件、加速栅极、加速栅极支撑环；屏栅极支撑环、屏栅极、加速栅极、加速栅极支撑环依次同轴设置；屏栅极与所述加速栅极的球面均凸出于所述屏栅极支撑环的中心孔；屏栅极的第一外环体与屏栅极支撑环的支撑圆环体圆周端面通过螺钉一固定连接。屏栅极为旋转椭球面形或比加速栅半径更大的球面形，从而实现栅极组件冷态下各径向位置处栅间距虽不相等，但推力器工作时(热态)由于栅极热变形，达到各处栅间距一致的目的，从而降低束流密度峰值，提高束流均匀性，解决制约大功率离子推力器由于较大热形变造成的放电问题，并延长栅极寿命。

Description

一种离子推力器曲面形栅极组件

技术领域

本发明涉及电推进技术领域，具体涉及一种离子推力器曲面形栅极组件。

背景技术

电推进技术作为一种先进空间推进技术，已经在空间各个应用领域得到了广泛应用，包括姿态控制、南北位置保持、轨道转移、大气阻尼补偿、深空探测主推进等。尤其在深空探测任务中，电推进技术以其高比冲、长寿命等特点，可以大大节省推进剂携带量，增加航天器有效载荷比例，具有很强的优势。

随着航天器太阳能功率的提高以及航天器重量的增加，对离子推力器工作功率的需求越来越大。离子推力器功率的增加，不仅由于放电损耗造成的自身温度越来越高，而且由于束流值的增加而栅极组件直径也越来越大。较大的栅极组件直径和较高的工作温度，使栅极热变形造成的束流不均匀和栅极间放电已成为制约大功率离子推力器研制和应用的关键技术。

小功率离子推力器由于栅极组件直径小和工作温度低缘故，可以采用平面栅极组件。中功率离子推力器随栅极组件直径和工作温度的增加，由于平面栅极组件栅极热变形方向不可控，易出现屏栅极和加速栅极互朝对方凸起，造成两栅短路离子推力器失效。为了解决该问题，发明了同心或同半径球面形栅极组件。球面形栅极组件使屏栅极和加速栅极热变形沿栅极中心轴方向，解决了栅极热变形方向不可控造成的栅间短路问题。但是，同心或同半径球面形栅极组件由于球面的固有属性使屏栅极与加速栅极之间栅间距在当推力器不工作时(即冷态)各处几乎一致，而推力器工作用时(即热态)，由于屏栅极距离放电室等离子体更近，屏栅极热形变大于加速栅极，造成屏栅极与加速栅间栅间距总体上减小。再由于栅极组件采用的是边缘固定，以及栅极上游从中心到边缘等离子密度逐步降低的径向不均匀性，造成屏栅极和加速栅从边缘到中心热变形量逐步增大。以上二者结果是，热态栅间距小于冷态栅间距，冷态下各处一致的栅间距，而在热态下从中心到边缘栅间距逐步增大。

栅极组件栅间距对栅极离子光学系统引出能力存在较大的影响，栅间距越小引出能力越强。离子推力器由于其单阴极放电特性，栅极上游一般中心等离子体密度高于边缘。又由于推力器工作时(热态)栅间距中心小而边缘大，中心较大的束流引出能力造成束流更为不均匀，中心束流密度高，而边缘束流密度低。不均匀的束流不仅能造成栅极中心欠聚焦，边缘过聚焦，而且由于栅极寿命取决于栅极束流密度峰值，中心较高的束流密度峰值造成栅极寿命不足。另外，受栅极最高束流密度峰值限制，不均匀的束流造成其总束流值偏低，影响离子推力器可实现的最大推力。此外，在离子推力器启动过程中(即从冷态到热态的过程)由于栅极热变形大，中心小而边缘大的栅间距，极易造成栅极间放电，造成供电电源保护，离子推力器推力输出中断、束流加载时间(束流加载到额定值的时长)变长。

以上同心或同半径球面形栅极由于热态时栅间距不一致带来的问题，在中功率离子推力器中尚可接受，但对大功率离子推力器由于较大的栅极组件直径和较高的工作温度，使栅极热变形造成的束流不均匀和栅极间放电已成为制约大功率离子推力器研制和应用的关键技术，所以亟待解决。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的大功率离子推力器由于栅极热变形造成的束流不均匀、栅极间放电缺陷，从而提供一种离子推力器曲面形栅极组件。

本发明的技术方案是：离子推力器曲面形栅极组件，包括：

屏栅极，所述屏栅极包括第一内屏体以及与所述第一内屏体外周一体连接的第一外环体，所述屏栅极的第一内屏体表面布满多个栅孔一，其中，所述屏栅极的所述第一内屏体为旋转椭球面形或比加速栅极的球面体一半径更大的球面形；

屏栅极支撑环，所述屏栅极支撑环包括设置在内圈的支撑圆环体和设置在外圈与所述支撑圆环体一体连接的阶梯型定位台阶；

加速栅极，所述加速栅极包括球面体一以及与所述球面体一外圆周一体连接的圆环体一，所述加速栅极的球面体一表面布满多个栅孔二；

绝缘支撑组件；

加速栅极支撑环，所述加速栅极支撑环为圆环形；

所述屏栅极支撑环、屏栅极、加速栅极、加速栅极支撑环依次同轴设置；

所述屏栅极与所述加速栅极的球面均凸出于所述屏栅极支撑环的中心孔；

所述屏栅极的所述第一外环体与所述屏栅极支撑环的支撑圆环体圆周端面通过螺钉一固定连接；

所述加速栅极的所述圆环体一与所述加速栅极支撑环的内圈圆周端面通过螺钉二固定连接；

所述屏栅极支撑环的定位台阶与所述加速栅极支撑环之间通过多个绝缘支撑组件连接固定，将所述屏栅极与所述加速栅极间隔安装固定。

上述技术方案中，所述绝缘支撑组件包括定位销轴、第一定位轴套、第二定位轴套、定位螺母；所述定位销轴依次穿过所述加速栅极支撑环外圈圆周端面设置的第一调节通孔、所述屏栅极支撑环的所述定位台阶设置的第二调节通孔后通过定位螺母将所述屏栅极支撑环与所述加速栅极支撑环沿轴向紧固。

上述技术方案中，所述屏栅极支撑环与所述加速栅极支撑环之间的所述定位销轴上同轴套设第一定位轴套，所述屏栅极支撑环与所述定位螺母之间的所述定位销轴上同轴套设第二定位轴套。

上述技术方案中，所述屏栅极的所述第一外环体内圈圆与外圈圆的半径差为10～30mm，所述第一内屏体与第一外环体的壁厚均为0.3～1.5mm。

上述技术方案中，所述加速栅极的所述圆环体一的内圈圆与外圈圆的半径差为10～30mm，所述球面体一与圆环体一的壁厚均为0.3～2mm。

上述技术方案中，所述加速栅极的球面体一拱顶高为10～20mm；所述屏栅极的所述第一内屏体拱顶高为所对应加速栅极的球面体一拱顶高减去当内屏体与球面体一相同半径的球面体时热态下栅极中心与边缘间距差后所得值。

上述技术方案中，每个所述栅孔一均在轴向上对应连通一个所述栅孔二。

上述技术方案中，所述屏栅极的第一内屏体为球面时，其球半径大于所述加速栅极的球面体一的球面半径，使冷态下，第一内屏体与球面体一中心间距大，边缘下，而热态下各处间距相等；当屏栅极的第一内屏体为旋转椭球面时，垂直于第一外环体中心轴方向的两个半轴长相等，且大于球面体一的球半径，第一外环体中心轴方向的半轴长小于球面体一的球半径，使冷态下第一内屏体与球面体一中心间距大，边缘下，而热态下各处间距相等。

上述技术方案中，所述圆环体一的内圈圆与所述第一外环体内圈圆直径相同。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明所述一种离了推力器曲面形栅极组件，创新性地将屏栅极设计为旋转椭球面形或比加速栅球面半径更大的球面形，实现离子推力器工作时(热态时)各处栅间距一致的设计目标，各处一致的栅间距不仅可以降低束流密度峰值，提高束流均匀性，从而提高推力器寿命或引出较高束流实现更大推力，而且可以解决推力器启动过程中由于热变形造成的栅极中心栅间距较小导致的推力中断和束流加载时间较长问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明的第一种实施方式中提供的整体机构剖视示意图；

图2为图1所示的30cm束直径加速栅极示意图；

图3为图1所示的30cm束直径旋转椭球面形屏栅极示意图；

图4为图1所示的30cm束直径球面形屏栅极示意图；

图5为本发明30cm束直径栅极组件冷态时栅间距分布。

附图标记说明：

1-屏栅极；11-第一内屏体；12-第一外环体；111-栅孔一；

2-屏栅极支撑环；21-支撑圆环体；22-定位台阶；

3-螺钉一；

4-绝缘支撑组件；41-定位销轴；42-第一定位轴套；43-第二定位轴套；44-定位螺母；

5-加速栅极；51-球面体一；52-圆环体一；511-栅孔二；

6-加速栅极支撑环；

7-螺钉二。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示的30cm束直径离子推力器曲面形栅极组件的一种具体实施方式，包括屏栅极1、屏栅极支撑环2、绝缘支撑组件4、加速栅极5、加速栅极支撑环6；所述屏栅极1包括第一内屏体11以及与所述第一内屏体11外周一体连接的第一外环体12，所述屏栅极1的第一内屏体11表面布满多个栅孔一111，所述屏栅极1的所述第一内屏体11为旋转椭球面形；所述屏栅极支撑环2包括设置在内圈的支撑圆环体21和设置在外圈与所述支撑圆环体21一体连接的阶梯型定位台阶22；所述加速栅极5包括球面体一51以及与所述球面体一51外圆周一体连接的圆环体一52，所述加速栅极5的球面体一51表面布满多个栅孔二511；所述加速栅极支撑环6为圆环形；所述屏栅极支撑环2、屏栅极1、加速栅极5、加速栅极支撑环6依次同轴设置；所述屏栅极1与所述加速栅极5的球面均凸出于所述屏栅极支撑环2的中心孔；所述屏栅极1的所述第一外环体12与所述屏栅极支撑环2的支撑圆环体21圆周端面通过螺钉一3固定连接；所述加速栅极5的所述圆环体一52与所述加速栅极支撑环6的内圈圆周端面通过螺钉二7固定连接；所述屏栅极支撑环2的定位台阶22与所述加速栅极支撑环6之间通过多个绝缘支撑组件4连接固定，将所述屏栅极1与所述加速栅极5间隔安装固定，用于提高栅极固定强度；同时，实现两栅极之间按一定的栅间距绝缘固定。

上述离子推力器曲面形栅极组件，请参见附图1，所述绝缘支撑组件4包括定位销轴41、第一定位轴套42、第二定位轴套43、定位螺母44；所述定位销轴依次穿过所述加速栅极支撑环6外圈圆周端面设置的第一调节通孔、所述屏栅极支撑环2的所述定位台阶22设置的第二调节通孔后通过定位螺母44将所述屏栅极支撑环2与所述加速栅极支撑环6沿轴向紧固。

具体地，请参见附图1，所述屏栅极支撑环2与所述加速栅极支撑环6之间的所述定位销轴41上同轴套设第一定位轴套42，所述屏栅极支撑环2与所述定位螺母44之间的所述定位销轴41上同轴套设第二定位轴套43，具体请参见附图1。

上述实施例中，请参见附图3、4，所述屏栅极1的所述第一外环体12内圈圆与外圈圆的半径差为10～30mm，在本实施例中加工成18mm；所述第一内屏体11与第一外环体12的壁厚均设置为0.5mm。所述屏栅极1的所述第一内屏体11拱顶高为14.5mm。

上述实施例中，请参见附图2，所述加速栅极5的所述圆环体一52的内圈圆与外圈圆的半径差为10～30mm，在本实施例中加工成19mm，所述球面体一51与圆环体一52的壁厚均设置为0.5mm。

所述加速栅极5的球面体一51为球面形，球面半径为757.5mm，布满栅孔，其拱底圆直径为300mm，拱高为15.5mm(即球面半锥角为11.42°)。

其中，每个所述栅孔一111均在轴向上对应连通一个所述栅孔二511，实现离子光学透镜作用。

上述实施例中，所述屏栅极1的所述第一内屏体11为旋转椭球面形，第一内屏体11外表面在离子推力器中心轴方向的半轴长为加速栅极外表面球面半径与加速栅极厚度和栅极中心屏栅极与加栅极间栅间距之差。这里根据30cm离子推力器工作时栅极热变形量仿真得到当30cm束直径栅极组件冷态中心和边缘栅间距分别为2mm和1mm时，热态时栅间距各处一致。则旋转椭球面形屏栅极推力器中心轴方向的半轴长为755mm。根据椭球面在中心和边缘的位置，利用椭圆方程计算得到另外两个半轴长度为782.5mm。这使栅极组件在冷态时屏栅极与加栅极间栅间距从边缘到中心逐步从1mm增加到2mm，见图5所示，而热态时由于栅极热形变中心大于边缘，从而实现在热态下栅间距各处一致的目标。

作为上述实施例的一种改进实施方式，在其他结构不变的情况下，所述的屏栅极1的所述第一内屏体11也可以为比加速栅极5球面半径更大的球面形，见图4所示，同样，根据30cm离子推力器工作时栅极热变形量仿真得到当30cm束直径栅极组件冷态中心和边缘栅间距分别为2mm和1mm时，热态时栅间距各处一致的依据，根据冷态时中心和边缘的栅极组件栅间距，利用圆方程计算得到屏栅极1的所述第一内屏体11球面半径为810.6mm，显然大于加速栅极球面半径。

上述改进实施例中，所述的比加速栅极5球面半径更大的球面形屏栅极1球面半径大于加速栅球面半径，这使栅极组件在冷态时屏栅极与加速栅极间栅间距从边缘到中心逐步从1mm增加到2mm，见图5所示，而热态时由于栅极热形变中心大于边缘，从而实现在热态下栅间距各处一致的目标。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种离子推力器曲面形栅极组件，其特征在于，包括：

屏栅极(1)，所述屏栅极(1)包括第一内屏体(11)以及与所述第一内屏体(11)外周一体连接的第一外环体(12)，所述屏栅极(1)的第一内屏体(11)表面布满多个栅孔一(111)，其中，所述屏栅极(1)的所述第一内屏体(11)为旋转椭球面形或比加速栅极(5)的球面体一(51)半径更大的球面形；

屏栅极支撑环(2)，所述屏栅极支撑环(2)包括设置在内圈的支撑圆环体(21)和设置在外圈与所述支撑圆环体(21)一体连接的阶梯型定位台阶(22)；

加速栅极(5)，所述加速栅极(5)包括球面体一(51)以及与所述球面体一(51)外圆周一体连接的圆环体一(52)，所述加速栅极(5)的球面体一(51)表面布满多个栅孔二(511)；

绝缘支撑组件(4)；

加速栅极支撑环(6)，所述加速栅极支撑环(6)为圆环形；

所述屏栅极支撑环(2)、屏栅极(1)、加速栅极(5)、加速栅极支撑环(6)依次同轴设置；

所述屏栅极(1)与所述加速栅极(5)的球面均凸出于所述屏栅极支撑环(2)的中心孔；

所述屏栅极(1)的所述第一外环体(12)与所述屏栅极支撑环(2)的支撑圆环体(21)圆周端面通过螺钉一(3)固定连接；

所述加速栅极(5)的所述圆环体一(52)与所述加速栅极支撑环(6)的内圈圆周端面通过螺钉二(7)固定连接；

所述屏栅极支撑环(2)的定位台阶(22)与所述加速栅极支撑环(6)之间通过多个绝缘支撑组件(4)连接固定，将所述屏栅极(1)与所述加速栅极(5)间隔安装固定。

2.根据权利要求1所述的一种离子推力器曲面形栅极组件，其特征在于，

所述绝缘支撑组件(4)包括定位销轴(41)、第一定位轴套(42)、第二定位轴套(43)、定位螺母(44)；所述定位销轴依次穿过所述加速栅极支撑环(6)外圈圆周端面设置的第一调节通孔、所述屏栅极支撑环(2)的所述定位台阶(22)设置的第二调节通孔后通过定位螺母(44)将所述屏栅极支撑环(2)与所述加速栅极支撑环(6)沿轴向紧固。

3.根据权利要求2所述的一种离子推力器曲面形栅极组件，其特征在于，所述屏栅极支撑环(2)与所述加速栅极支撑环(6)之间的所述定位销轴(41)上同轴套设第一定位轴套(42)，所述屏栅极支撑环(2)与所述定位螺母(44)之间的所述定位销轴(41)上同轴套设第二定位轴套(43)。

4.根据权利要求1所述的一种离子推力器曲面形栅极组件，其特征在于，所述屏栅极(1)的所述第一外环体(12)内圈圆与外圈圆的半径差为10～30mm，所述第一内屏体(11)与第一外环体(12)的壁厚均为0.3～1.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种离子推力器曲面形栅极组件，其特征在于，所述加速栅极(5)的所述圆环体一(52)的内圈圆与外圈圆的半径差为10～30mm，所述球面体一(51)与圆环体一(52)的壁厚均为0.3～2mm。

6.根据权利要求4所述的一种离子推力器曲面形栅极组件，其特征在于，所述加速栅极(5)的球面体一(51)拱顶高为10～20mm；所述屏栅极(1)的所述第一内屏体(11)拱顶高为所对应加速栅极(5)的球面体一(51)拱顶高减去当内屏体(11)与球面体一(51)相同半径的球面体时热态下栅极中心与边缘间距差后所得值。

7.根据权利要求1所述的一种离子推力器曲面形栅极组件，其特征在于，每个所述栅孔一(111)均在轴向上对应连通一个所述栅孔二(511)。

8.根据权利要求1所述的一种离子推力器曲面形栅极组件，其特征在于，所述屏栅极(1)的第一内屏体(11)为球面时，其球半径大于所述加速栅极(5)的球面体一(51)的球面半径，使冷态下，第一内屏体(11)与球面体一(51)中心间距大，边缘下，而热态下各处间距相等；当屏栅极(1)的第一内屏体(11)为旋转椭球面时，垂直于第一外环体(12)中心轴方向的两个半轴长相等，且大于球面体一(51)的球半径，第一外环体(12)中心轴方向的半轴长小于球面体一(51)的球半径，使冷态下第一内屏体(11)与球面体一(51)中心间距大，边缘下，而热态下各处间距相等。

9.根据权利要求1所述的一种离子推力器曲面形栅极组件，其特征在于，所述圆环体一(52)的内圈圆与所述第一外环体(12)内圈圆直径相同。

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