CN115492736A - 无磁路微波同轴谐振离子推力器及推力形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出无磁路微波同轴谐振离子推力器及推力形成方法。所述离子推力器包括绝缘底板、屏蔽外壳、谐振腔体、屛栅、加速栅、微波馈入接头、谐振腔室、放电室和微波接线开口。本发明所述的微波同轴谐振离子推力器，是通过同轴谐振器，利用馈入的微波在谐振腔的一端形成强驻波电场，从而电离工质形成等离子体，进而用栅极引出形成推力。
Description
技术领域
本发明属于空间电推进技术领域，特别是涉及无磁路微波同轴谐振离子推力器及推力形成方法。
背景技术
离子推力器是空间电推进应用最广的两种电推力器之一(另一种为霍尔推力器)。离子推力器具备比冲高、寿命长的显著优势，广泛应用于轨道保持、深空探测、卫星组网、太空科学探测等多种空间任务中。其采用电离与加速分离的设计，主要结构包括电离室和栅极两个部分。在电离室通过多种手段形成等离子体后，等离子体通过多孔栅极进行轴向加速喷出形成推力。通常而言，就放电室内的电离手段不同，离子推力器被划分为多个类型，而微波离子推力器是其中极具潜力的一种。
微波离子推力器由于其结构复杂度低，无电极放电，形成等离子体中性且稳定性高等优势，成为离子推力器目前研究的热点之一。由于其适用于小尺度放电室，其在中小推力需求的任务中具备相当大的应用前景。目前，国际上常见的几款微波离子推力器均为电子回旋共振(ECR)电离源，其使用线圈或永磁体在放电室内形成电子回旋共振区，使用波导、天线等器件将微波馈入放电室中引发微波放电。然而，由于磁场的介入，微波离子推力器面临着多个无法解决的问题，包括磁路带来的航天器磁矩干扰、器件干扰，耐高温能力显著降低(永磁体、线圈的工作温度很难超过300℃)、推力器放电室内等离子体不均匀、可靠性降低等。
为了彻底解决微波离子推力器磁路带来的影响，采用了一种同轴谐振器等离子体源，来代替传统的ECR等离子体源。其可以在无磁路的情况下，通过同轴谐振原理在放电区形成驻波强电场，从而电离气体形成等离子体。
发明内容
本发明目的是为了解决传统ECR微波离子推力器中磁路带来的磁矩/器件干扰、可靠性降低等问题，提出了无磁路微波同轴谐振离子推力器及推力形成方法。本发明所述的微波同轴谐振离子推力器，是通过同轴谐振器，利用馈入的微波在谐振腔的一端形成强驻波电场，从而电离工质形成等离子体，进而用栅极引出形成推力。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出无磁路微波同轴谐振离子推力器，所述离子推力器包括绝缘底板1、屏蔽外壳2、谐振腔体3、屛栅4、加速栅5、微波馈入接头6、谐振腔室7、放电室8和微波接线开口9；所述屏蔽外壳2与谐振腔体3同轴，二者之间存在间隙，所述屏蔽外壳2与谐振腔体3固定在绝缘底板1上；所述屛栅4固定在谐振腔体3上；所述加速栅5与所述屛栅4平行设置，二者之间存在间隙；所述谐振腔体3的外层结构与中心结构之间的同轴镂空形成了谐振腔室7，所述谐振腔室7的开口端为放电室8，谐振腔体3的中心结构上存在通孔，作为气体工质的进气口，所述微波馈入接头6安装在谐振腔体3侧面，与谐振腔体3垂直；所述屏蔽外壳2侧面的微波接线开口9与微波馈入接头6同轴。
进一步地，所述微波馈入接头6的内芯与谐振腔体3的中心结构相连，而微波馈入接头6的屏蔽极与谐振腔体3的外层结构相连。
进一步地，所述屛栅4与加速栅5之间绝缘，其之间通过垫片陶瓷连接结构实现绝缘。
进一步地，所述谐振腔室7的长度为奇数倍的微波1/4波长。
进一步地，所述谐振腔体3采用高电导率的金属材料，其内表面进行光滑处理。
进一步地，所述屛栅4和加速栅5均采用耐溅射金属材料，所述放电室8采用陶瓷材料包裹来提高放电室性能。
进一步地，所述微波馈入接头6选用SMA接头或N-type接头。
进一步地，各结构之间通过螺栓方式进行固定安装。
进一步地，所述微波同轴谐振离子推力器通过绝缘底板1与航天器整体相连接；微波馈入接头6为标准接头，与微波同轴传输线连接，传输线通过微波接线开口9穿过屏蔽外壳2与航天器上的微波源相连；所述屏蔽外壳2通过导线连接电源系统的公共负极，所述屛栅4通过导线与屛栅电源的正极连接，所述加速栅5通过导线与加速栅电源的负极连接；所述导线通过绝缘底板1上的开孔进入推力器。
本发明还提出一种基于无磁路微波同轴谐振离子推力器的推力形成方法，所述微波同轴谐振离子推力器在运行时，工质气体通过谐振腔体3末端的进气口进入推力器放电室8内，微波功率通过微波馈入接头6进入谐振腔室7中；在谐振腔室7中，微波在短路端和开路端均会发生反射，当谐振腔室7长度为奇数倍的微波波长时，在谐振腔室7内会产生驻波，从而在开路端形成强驻波电场；该驻波电场将放电室8内的工质气体电离，形成等离子体，所述等离子体在屛栅4与加速栅5产生的电场作用下，离子被轴向加速，形成羽流喷射出推力器，从而形成推力。
本发明的有益效果为：
本发明提出的无磁路微波同轴谐振离子推力器及推力形成方法，通过采用同轴谐振器作为离子推力器的等离子体源，免除了传统微波离子推力器需要采用的磁路结构，大幅提升推力器可靠性的同时，避免了磁性元件带来的对航天器磁矩干扰、器件影响，使推力器的耐高温能力大幅提升。同时，由于没有磁场的约束，放电室内形成的等离子体更加均匀，各向同性大大提升，使放电模型更为简化，有利于控制模型的建立，从而提升推进系统的可调可控性。以上工作特性使本发明的推力器应用范围更加广泛，在高精度探测任务应用的可能性进一步提高。
附图说明
图1是本发明所述推力器正面示意图。
图2是本发明所述推力器侧面剖面结构示意图。
图3是本发明所述推力器侧面外观示意图。
图4是本发明所述推力器结构立体外观示意图。
图5是本发明所述推力器整体的工作原理示意图。
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。
结合图1-图5，本发明提出无磁路微波同轴谐振离子推力器，所述离子推力器包括绝缘底板1、屏蔽外壳2、谐振腔体3、屛栅4、加速栅5、微波馈入接头6、谐振腔室7、放电室8和微波接线开口9；所述屏蔽外壳2与谐振腔体3同轴，二者之间存在间隙，所述屏蔽外壳2与谐振腔体3固定在绝缘底板1上；所述屛栅4固定在谐振腔体3上；所述加速栅5与所述屛栅4平行设置，二者之间存在间隙；所述谐振腔体3的外层结构与中心结构之间的同轴镂空形成了谐振腔室7，所述谐振腔室7的开口端为放电室8，谐振腔体3的中心结构上存在通孔，作为气体工质的进气口，所述微波馈入接头6安装在谐振腔体3侧面，与谐振腔体3垂直；所述屏蔽外壳2侧面的微波接线开口9与微波馈入接头6同轴。
所述微波馈入接头6的内芯与谐振腔体3的中心结构相连，而微波馈入接头6的屏蔽极与谐振腔体3的外层结构相连。
所述屛栅4与加速栅5之间绝缘，其之间通过垫片陶瓷等连接结构实现绝缘。屏蔽外壳2与其他结构之间应绝缘。
所述谐振腔室7的长度为奇数倍的微波1/4波长。如2.45GHz微波下，腔室长度可选为3.06mm。
所述谐振腔体3采用高电导率的金属材料，如铝、铜等。其内表面进行光滑处理。
所述屛栅4和加速栅5均采用耐溅射金属材料，如钼等。所述放电室8采用陶瓷材料包裹来提高放电室性能，如氮化硼、氧化铝等。
所述微波馈入接头6选用SMA接头或N-type接头。
各结构之间通过螺栓方式或其他方式进行固定安装。
所述微波同轴谐振离子推力器通过绝缘底板1与航天器整体相连接；微波馈入接头6为标准接头，与微波同轴传输线连接，传输线通过微波接线开口9穿过屏蔽外壳2与航天器上的微波源相连；所述屏蔽外壳2通过导线连接电源系统的公共负极，所述屛栅4通过导线与屛栅电源的正极连接，所述加速栅5通过导线与加速栅电源的负极连接；所述导线通过绝缘底板1上的开孔进入推力器。其中，屛栅4与加速栅5上的孔相互对正，之间存在狭小的间隙，通过绝缘陶瓷等结构进行精密定位。谐振腔体3的末端进气口通过管道与工质供给系统相连。
本发明还提出一种基于无磁路微波同轴谐振离子推力器的推力形成方法，所述微波同轴谐振离子推力器在运行时，工质气体通过谐振腔体3末端的进气口进入推力器放电室8内，微波功率通过微波馈入接头6进入谐振腔室7中；在谐振腔室7中，微波在短路端和开路端均会发生反射，如图5所示，当谐振腔室7长度为奇数倍的微波波长时，在谐振腔室7内会产生驻波，从而在开路端形成强驻波电场；该驻波电场将放电室8内的工质气体电离，形成等离子体，所述等离子体在屛栅4与加速栅5产生的电场作用下，离子被轴向加速，形成羽流喷射出推力器，从而形成推力。在羽流区，羽流应被中和器等设备进行中和。
本实施例的微波同轴谐振离子推力器在设计时，可以通过不同的谐振腔体3尺寸、材料进行设计，从而与不同频率的微波源进行匹配设计，或改善谐振腔体3与微波传输线路的匹配关系。也可以通过对不同孔径尺寸、不同栅极间隙和不同开孔数对屛栅4与加速栅5进行设计，以及改变放电室8的尺寸，从而针对不同推力量级的任务需求进行设计。具体实施方式以实际运行操作为准。
以上对本发明所提出的无磁路微波同轴谐振离子推力器及推力形成方法进行了详细介绍，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 (10)
1.无磁路微波同轴谐振离子推力器，其特征在于，所述离子推力器包括绝缘底板(1)、屏蔽外壳(2)、谐振腔体(3)、屛栅(4)、加速栅(5)、微波馈入接头(6)、谐振腔室(7)、放电室(8)和微波接线开口(9)；所述屏蔽外壳(2)与谐振腔体(3)同轴，二者之间存在间隙，所述屏蔽外壳(2)与谐振腔体(3)固定在绝缘底板(1)上；所述屛栅(4)固定在谐振腔体(3)上；所述加速栅(5)与所述屛栅(4)平行设置，二者之间存在间隙；所述谐振腔体(3)的外层结构与中心结构之间的同轴镂空形成了谐振腔室(7)，所述谐振腔室(7)的开口端为放电室(8)，谐振腔体(3)的中心结构上存在通孔，作为气体工质的进气口，所述微波馈入接头(6)安装在谐振腔体(3)侧面，与谐振腔体(3)垂直；所述屏蔽外壳(2)侧面的微波接线开口(9)与微波馈入接头(6)同轴。
2.根据权利要求1所述的离子推力器，其特征在于，所述微波馈入接头(6)的内芯与谐振腔体(3)的中心结构相连，而微波馈入接头(6)的屏蔽极与谐振腔体(3)的外层结构相连。
3.根据权利要求1所述的离子推力器，其特征在于，所述屛栅(4)与加速栅(5)之间绝缘，其之间通过垫片陶瓷连接结构实现绝缘。
4.根据权利要求1所述的离子推力器，其特征在于，所述谐振腔室(7)的长度为奇数倍的微波1/4波长。
5.根据权利要求1所述的离子推力器，其特征在于，所述谐振腔体(3)采用高电导率的金属材料，其内表面进行光滑处理。
6.根据权利要求1所述的离子推力器，其特征在于，所述屛栅(4)和加速栅(5)均采用耐溅射金属材料，所述放电室(8)采用陶瓷材料包裹来提高放电室性能。
7.根据权利要求1所述的离子推力器，其特征在于，所述微波馈入接头(6)选用SMA接头或N-type接头。
8.根据权利要求1所述的离子推力器，其特征在于，各结构之间通过螺栓方式进行固定安装。
9.根据权利要求1所述的离子推力器，其特征在于，所述微波同轴谐振离子推力器通过绝缘底板(1)与航天器整体相连接；微波馈入接头(6)为标准接头，与微波同轴传输线连接，传输线通过微波接线开口(9)穿过屏蔽外壳(2)与航天器上的微波源相连；所述屏蔽外壳(2)通过导线连接电源系统的公共负极，所述屛栅(4)通过导线与屛栅电源的正极连接，所述加速栅(5)通过导线与加速栅电源的负极连接；所述导线通过绝缘底板(1)上的开孔进入推力器。
10.一种基于无磁路微波同轴谐振离子推力器的推力形成方法，其特征在于，所述微波同轴谐振离子推力器在运行时，工质气体通过谐振腔体(3)末端的进气口进入推力器放电室(8)内，微波功率通过微波馈入接头(6)进入谐振腔室(7)中；在谐振腔室(7)中，微波在短路端和开路端均会发生反射，当谐振腔室(7)长度为奇数倍的微波波长时，在谐振腔室(7)内会产生驻波，从而在开路端形成强驻波电场；该驻波电场将放电室(8)内的工质气体电离，形成等离子体，所述等离子体在屛栅(4)与加速栅(5)产生的电场作用下，离子被轴向加速，形成羽流喷射出推力器，从而形成推力。
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