CN117341993A - 一种惯性静电约束吸气式电推力器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种惯性静电约束吸气式电推力器，其特征在于：由阳极栅网、阴极栅网、栅网固定件、外壳、传动组以及气体分配器组成；其中，阳极栅网和阴极栅网通过栅网固定件连接在一起；外壳由外壳前端、外壳后端和推力器固定件组成，对推力器进行封闭，通过推力器固定组件使推力器固定在卫星上；传动组是推力器外壳的开启结构，通过电机控制，当需要吸气时电机驱动两个连杆打开推力器外壳，需要供气时则关闭外壳；气体分配器将通入的气体均匀运输进推力器中。本发明增加了惯性静电约束推力器的工作模式，使推力器更好的应用于低轨道卫星，增加了推力器的使用范围与工作寿命。
Description
技术领域
本发明属于航天电推进技术领域，涉及一种惯性静电约束吸气式电推力器。
背景技术
轨道卫星在观测、通信、定位、物联网等方面都具有重要作用，低轨道卫星因其距离地面更近，在光学观测方面分辨率更高，器材制作更简单，微波或电子观测时更容易发现弱小目标，实现精细化识别，实用价值很高，因此美国、日本等很多国家都在研究低轨道和超低轨道卫星。但由于低轨道(300km以下)上仍残留有大气，空气阻尼作用较为明显，卫星轨道高度衰减较快，卫星寿命较短，因此研究适合低轨道卫星的推进系统帮助卫星保持在轨对延长卫星寿命，更好的进行观测活动有很大意义。电推进比冲高、控制精度高、体积小、质量小，是合适的解决方案，国内外已有很多相关研究。在更高的高度空间内大气气压低于惯性静电约束推力器的工作条件，可以搭配气体收集装置，收集环境中的大气加压后提供给推力器，为低轨卫星推进提供一种初步的方案。惯性静电约束推力器同样适用于深空推进，满足深空推进高效率、长寿命的需求，在深空推进中没有大气环境，因此可以携带贮箱向推力器提供所需的工质气体。
电推进是一种通过电离推进剂，再将电离后的推进剂加速喷出产生推力的推进方式，最初由美国科学家在1906年提出，后经各国研究人员研究取得了非常大的进展，其拥有高比冲、高效率、高控制精度、长寿命等优势，可以应用于临近空间推进、深空推进等许多传统推进方式不能满足的领域，具有很大发展前景，如今电推进的理论和应用发展已经较为成熟，但仍面临电离率较低、阴极烧蚀损耗等问题。
惯性静电约束推力器是将原本用于核聚变的惯性静电约束装置应用在空间推进系统中，具有结构简单，抗烧蚀，无空心阴极，长寿命等优点。惯性静电约束推力器的概念由伊利诺伊大学香槟分校的George H.Miley在1993年提出，装置结构简单，一般为球形。工作时阳极栅网接地，阴极栅网接负几百到负几千伏的电压，装置中充入工质气体。装置主要的放电方式是阴极和阳极之间的辉光放电，气体微弱自发电离产生的离子在电场力的作用下向阴极加速移动，因为阴极栅网具有很高离子的通过率，高能离子可以穿过阴极栅网，轰击更多的中性粒子引发二次电子发射，阳离子会在阴极栅网中心减速并聚集形成虚拟阳极，二次电子将被约束在阴极栅网内部持续放电，形成稳定的等离子体。
惯性静电约束推力器既可以用于低轨道飞行器，又可以用于深空推进，因此可以设计一种适用于两种空间环境的推力器。CN 116101516 A中所述的惯性静电约束推力器有一个供气装置，可以满足推力器的使用需求，但由于惯性静电约束推力器在低轨道的大气压下也可以使用，若使用CN 116101516A中的推力器，在低轨道时无法以空气为推进剂，会继续消耗贮箱中的推进剂，降低推力器的使用时间。
发明内容
本发明提供了一种惯性静电约束吸气式电推力器，由阳极栅网(1)、阴极栅网(2)、栅网固定件(3)、外壳(4)、传动组(5)以及气体分配器(6)组成。其中，
阳极栅网(1)、阴极栅网(2)是球形网状的栅网结构，但并非中心对称，其中一端的栅网放大成圆形，形成通道方便离子喷出。在安装时两栅网的圆形通道同侧安装，栅网使用导电的金属材料制作而成。
栅网固定件(3)是一个固定结构，用于固定阳极栅网(1)和阴极栅网(2)，具有两个相同的固定组件(3-1)和(3-2)，安装时两部分互相嵌合在一起。两个栅网固定件是圆柱体纵切外形，在连接两栅网处安装有凹槽，固定栅网时将凹槽嵌入到栅网中进行固定。固定件所用的材料为绝缘的塑料材料制成，要有一定的强度支撑栅网结构。
外壳(4)由外壳前端(4-1)、外壳后端(4-2)和推力器固定件(4-3)组成。基本功能是对推力器进行封闭，并通过推力器固定组件使推力器固定在卫星上。外壳前端(4-1)和外壳后端(4-2)是半圆形壳体，两结构合并可以将栅网套入其中，两外壳连接处设有螺栓孔，方便外壳固定在一起。外壳前端还有四个可开启和闭合的“天窗”，通过电机控制开关。推力器固定件(4-3)的一端是凹槽，可以和阳极栅网嵌合在一起，另一端是孔，用于推力器与卫星的连接。安装时推力器固定件一段连接阳极栅网，另一端穿过外壳，通过连接孔与卫星连接在一起。外壳使用石英材料制成。
传动组(5)由电机和连杆组成。连杆连接着电机和推力器外壳的可闭合窗口，基本功能是控制外壳的开启和关闭。
气体分配器(6)有一个气体入口以及多个气体出口，气体出口在推力器壳体内部，为环形排列，可以将通入的气体均匀运输进推力器壳体当中。
阳极栅网和阴极栅网通过栅网固定件连接在一起，栅网固定件是由两个相同的结构组成，一部分连接在阴极栅网，一部分连接在阳极栅网，通过嵌合结构固定。
要求阴极栅网的离子通过率大于90％，避免离子碰撞栅极而降低推力器的功率；栅极网孔除了推力器尾部为扩大网孔之外，其它网孔必须为完全对称分布，否则会由于等离子体鞘层无法限制离子造成束流侧漏；阴极栅网半径为阳极栅网半径的15％～50％，并且阳极接地，阴极接负几百到负几千伏的电压。
阳极栅网和外壳通过推力器固定件连接在一起，推力器固定件由两个相同的结构组成，可以和阳极栅网嵌合在一起，同时推力器固定件还有连接孔，便于推力器的固定。
传动组是推力器外壳的开启结构，通过电机控制，当需要吸气时电机驱动两个连杆打开推力器外壳，需要供气时则关闭外壳。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
本发明增加了惯性静电约束推力器的工作模式，使推力器更好的应用于低轨道卫星，增加了推力器的使用范围与工作寿命。
附图说明
图1是一种惯性静电约束吸气式电推力器的总体视图。
图2是阴极栅网-阳极栅网-栅网固定件装配示意图。
图3是阳极栅网-外壳装配示意图。
图中标号说明如下：
1：阳极栅网 2：阴极栅网 3：栅网固定件
4：外壳 5：传动组 6：气体分配器
3-1：固定组件 3-2：固定组件
4-1：外壳前端 4-2：外壳后端 4-3：推力器固定件
具体实施方式
使用直径200mm的阳极栅网和直径为98mm的阴极栅网作为推力器主体，选择铝作为材料，使用栅网固定件将阴极栅网和阳极栅网固定在一起，栅网固定件的一端连接阴极栅网，一端连接阳极栅网，固定件的两部分最终嵌合在一起，栅网固定件总长为64mm。再将推力器固定件安装在阳极栅网上，安装方式和栅网固定件类似，一端与阳极栅网连接，带有孔的一端朝外。外壳后端带有一个喷射孔，安装时将外壳和栅网的喷射孔对齐，气体分配器安装在外壳前端。传动组安装在外壳上，连杆的末端连接在可活动的外壳上，控制外壳的开启和关闭。在阳极栅网与阴极栅网之间加5KV的电压，当推力器处于低轨道(300km以下，气压在0.01Pa)时，外壳打开，空气从打开的外壳进入，此时气体分配器不工作；当推力器在更高的轨道(300km以上，0.01Pa以下)工作时，吸气状态的推力器射流逐渐消失,此时推力器外壳关闭，推力器的主动供气，从气体分配器向推力器供入气体。
所述推力器栅网采用铝合金，也可以使用不锈钢等其他金属材料，这取决于制作加工需求。
所述推力器外壳使用塑料材料，也可以使用其他不导电材料。
所述阳极栅网直径200mm，可以根据实际尺寸需求调整，但要满足阴极栅网半径为阳极栅网半径的15％～50％。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种惯性静电约束吸气式电推力器，其特征在于：由阳极栅网(1)、阴极栅网(2)、栅网固定件(3)、外壳(4)、传动组(5)以及气体分配器(6)组成；其中，阳极栅网和阴极栅网通过栅网固定件连接在一起；外壳(4)由外壳前端(4-1)、外壳后端(4-2)和推力器固定件(4-3)组成，对推力器进行封闭，通过推力器固定组件使推力器固定在卫星上；传动组是推力器外壳的开启结构，通过电机控制，当需要吸气时电机驱动两个连杆打开推力器外壳，需要供气时则关闭外壳；气体分配器(6)将通入的气体均匀运输进推力器中。
2.根据权利要求1所述的一种惯性静电约束吸气式电推力器，其特征在于：阳极栅网(1)、阴极栅网(2)是球形网状的栅网结构，但并非中心对称，其中一端的栅网放大成圆形，形成通道方便离子喷出；在安装时两栅网的圆形通道同侧安装。
3.根据权利要求1所述的一种惯性静电约束吸气式电推力器，其特征在于：栅网固定件(3)是一个固定结构，用于固定阳极栅网(1)和阴极栅网(2)，具有两个相同的固定组件，安装时两部分互相嵌合在一起；两个栅网固定件是圆柱体纵切外形，在连接两个栅网处安装有凹槽，固定栅网时将凹槽嵌入到栅网中进行固定。
4.根据权利要求1所述的一种惯性静电约束吸气式电推力器，其特征在于：外壳前端(4-1)和外壳后端(4-2)是半圆形壳体，合并将栅网套入其中，两外壳连接处设有螺栓孔，方便外壳固定在一起；外壳前端还有四个可开启和闭合的天窗，通过电机控制开关。
5.根据权利要求1所述的一种惯性静电约束吸气式电推力器，其特征在于：推力器固定件(4-3)的一端是凹槽，和阳极栅网嵌合在一起，另一端是孔，用于推力器与卫星的连接；安装时推力器固定件一段连接阳极栅网，另一端穿过外壳，通过连接孔与卫星连接在一起；外壳使用石英材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种惯性静电约束吸气式电推力器，其特征在于：气体分配器(6)有一个气体入口以及多个气体出口，气体出口在推力器壳体内部，为环形排列。
7.根据权利要求1或2所述的一种惯性静电约束吸气式电推力器，其特征在于：阴极栅网的离子通过率大于90％；栅极网孔除了推力器尾部为扩大网孔之外，其它网孔必须为完全对称分布；阴极栅网半径为阳极栅网半径的15％～50％，并且阳极接地，阴极接负电压。
8.根据权利要求7所述的一种惯性静电约束吸气式电推力器，其特征在于：阳极栅网(1)和阴极栅网(2)使用导电的金属材料制作而成。
9.根据权利要求1或3所述的一种惯性静电约束吸气式电推力器，其特征在于：栅网固定件所用的材料为绝缘的塑料材料制成。
10.根据权利要求1所述的一种惯性静电约束吸气式电推力器，其特征在于：所述推力器外壳使用塑料材料，或者使用其他不导电材料。
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