CN214577557U - 一种基于射频自偏压的离子推力器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于航天器推进技术领域，公开了一种基于射频自偏压的离子推力器，包括第一射频电源及匹配系统、第二射频电源及匹配系统、射频天线、放电腔体和栅极系统；在放电腔体的顶面开有进气口；栅极系统包括屏栅和加速栅；射频天线缠绕在放电腔体外壁；两套射频电源及匹配系统均设置在放电腔体外部，第一射频电源及匹配系统与射频天线连接，第二射频电源及匹配系统通过隔直电容与屏栅连接，加速栅接地；第一射频电源及匹配系统的电源频率低于第二射频电源及匹配系统的电源频率。通过向栅极系统施加较高频率的射频电压，可以保证离子束流的正常引出，同时越大的射频栅极电源频率将使离子束流越平滑，使推力器产生的推力越稳定。
Description
技术领域
本实用新型属于航天器推进技术领域，具体涉及一种基于射频自偏压的离子推力器。
背景技术
离子推力器是一种静电加速离子产生推力的等离子体设备，其具有比冲高、寿命长、推力小且控制精度高的特点，广泛应用于航天器的姿态控制、位置保持、阻力补偿、轨道修正、深空探索等任务。为使喷射到空间中的羽流呈电中性，离子推力器必须安装中和器发出电子与正离子中和。但是，中和器作为离子推力器的关键部件，相对脆弱且需要额外的电能及推进剂供给，其使用寿命及功率损耗成为制约推进器总体工作性能的重要因素，很大程度上制约了推力器的进一步发展。因此，设计具有长寿命高运行稳定性的离子推力器对空间推进领域具有重要意义。
避免中和器使用的方式之一是利用射频自偏压效应同时从放电腔体内引出正离子和电子达到自中和。例如，公告号为CN109162882A的中国发明专利，公开了“一种基于射频自偏压的离子推力器”，其通过一套射频电源和匹配系统实现同时向射频天线和栅极系统供电，从而产生射频自偏压，避免中和器的使用，此种通过一套射频电源供电的方式存在着缺陷，使用同一套射频电源供电的方式将无法同时兼顾放电腔体的电离效率的栅极系统的引出效率。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种采用双频率供电方式的基于射频自偏压效应的离子推力器，解决了在使用单一射频电源和匹配系统供电的方式中，无法同时兼顾放电腔体的电离效率的栅极系统的引出效率的问题。
本实用新型是通过以下技术方案来实现：
一种基于射频自偏压的离子推力器，包括第一射频电源及匹配系统、第二射频电源及匹配系统、射频天线、放电腔体和栅极系统；
在放电腔体的顶面开有用于注入电离所需工质的进气口；栅极系统设置在与放电腔体的底面，包括由内至外依次平行设置的屏栅和加速栅；射频天线缠绕在放电腔体外壁；
第一射频电源及匹配系统和第二射频电源及匹配系统均设置在放电腔体外部，第一射频电源及匹配系统与射频天线连接，第二射频电源及匹配系统通过隔直电容与屏栅连接，加速栅接地；
第一射频电源及匹配系统的电源频率低于第二射频电源及匹配系统的电源频率。
进一步，射频天线为螺线圈结构。
进一步，在射频天线外设有铁氧体。
进一步，在铁氧体外还设有金属外层以及设置在金属外层内侧的绝缘层。
进一步，第一射频电源及匹配系统的频率为13.56MHz，第二射频电源及匹配系统的频率为40.68MHz。
进一步，屏栅与加速栅由均采用不锈钢制成。
进一步，屏栅与加速栅的中心区域均匀分布有若干引出孔。
进一步，屏栅上引出孔直径1.8mm，加速栅上引出孔直径1.4mm。
进一步，屏栅与加速栅的栅极间距为1mm。
进一步，放电腔体由石英玻璃制成。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型公开的一种基于射频自偏压原理的离子推力器，包括第一射频电源及匹配系统、第二射频电源及匹配系统两套频率不一样的射频源，且第一射频电源及匹配系统的电源频率低于第二射频电源及匹配系统的电源频率，第二射频电源及匹配系统与栅极系统连接，采用向栅极施加较高频率的射频电压，形成射频自偏压效应，在栅极间产生直流偏置，以此实现正离子的持续引出与电子的脉冲式引出，在无需中和器的情况下使羽流保持电中性，有效地消除了中和器对离子推力器运行稳定性及使用寿命的限制。通过采用两套不同频率的射频电源供电的方式，可同时保证放电腔体的电离效率和栅极系统的引出效率。通过向射频天线施加较低频率的射频电压，可以产生较大的趋肤效应深度，增大放电腔体内部的电离效率；通过向栅极系统施加较高频率的射频电压，可以保证离子束流的正常引出，同时越大的射频栅极电源频率将使离子束流越平滑，使推力器产生的推力越稳定。
进一步，射频天线为螺线管结构，相比于平面线圈结构，能够更均匀的将射频能量耦合至圆柱形的放电腔体中，提高了放电均匀性。
进一步，在射频天线外设有铁氧体，可增强射频天线的耦合系数，进而提升推力器的总效率。
附图说明
图1为本实用新型基于射频自偏压原理的离子推力器的结构示意图；
图2为本实用新型的射频天线的结构示意图；
图3为本实用新型的栅极系统的屏栅的结构示意图；
图4为本实用新型的栅极系统的加速栅的结构示意图。
其中，1为第一射频电源及匹配系统，2为隔直电容，3为第二射频电源及匹配系统，4为屏栅，5为加速栅，6为射频天线，7为铁氧体，8为进气口，9为放电腔体。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。
如图1所示，本实用新型提供的一种基于射频自偏压原理的离子推力器，包括第一射频电源及匹配系统1、第二射频电源及匹配系统3、射频天线6、放电腔体9和栅极系统。放电腔体9为石英玻璃制成的空心圆柱体结构，顶面开有进气口8。栅极系统置于放电腔体9底面，包括由内至外依次平行设置的屏栅4和加速栅5，第一射频电源及匹配系统1连接射频天线6，第二射频电源及匹配系统3通过隔直电容2与屏栅4相连。
第一射频电源及匹配系统1频率为13.56MHz，第二射频电源及匹配系统3的频率为40.68MHz。
工作时，工质经进气口8持续输入放电腔体中，同时第一射频电源及匹配系统1将射频能量输送至射频天线6，射频天线6将能量耦合至工质，使其电离，生成低气压高密度等离子体(主要有正离子和电子组成)，第二射频电源及匹配系统3将射频能量通过隔直电容2输送至屏栅4，在屏栅4和加速栅5之间形成射频自偏压，栅极系统将持续加速正离子从而产生推力，同时在每一射频周期内脉冲式引出电子，实现羽流中和。
射频天线6缠绕在放电腔体9外壁，布局更方便。
更优地，如图2所示，射频天线6为螺线管结构，相比于平面线圈结构，能够更均匀的将射频能量耦合至圆柱形的放电腔体9中，提高了放电均匀性，同时在射频天线6外设有铁氧体7，铁氧体7可增强射频天线的耦合系数，进而提升推力器的总效率。
射频天线6与放电腔体9间通过石英玻璃隔离，石英玻璃具有耐高温、膨胀系数低、耐热震性、化学特性稳定和电绝缘性能良好等优点，能够避免射频天线6与等离子体直接接触造成腐蚀，影响使用寿命。
栅极系统分为屏栅4和加速栅5，均由不锈钢制成，为圆形多孔状结构，直径为80mm，栅极间距1mm，如图3所示，屏栅4表面均匀分布有直径1.8mm的引出孔，如图4所示，加速栅5表面均匀分布有直径1.4mm的引出孔。
第二射频电源及匹配系统3输出的射频能量通过隔直电容2输送至屏栅4上，加速栅5接地。由于加速栅5的部分区域被屏栅4挡住，导致加速栅5与等离子体的有效接触面积小于屏栅4与等离子体的有效接触面积，形成于屏栅4和加速栅5前的空间电荷鞘层也具有较大差异，导致几乎全部射频电压都施加在加速栅5的前鞘层上，同时在栅极间形成直流偏置电压，因此屏栅4和加速栅5之间的电压值可表示为V＝Vdc+V0sin(ωt)，Vdc为栅极间直流偏置电压，V0为施加的射频电压幅值，ω为射频电压角频率，栅极间电压的直流分量持续加速正离子向加速栅5上的引出孔运动。由于射频电压振荡，栅极间电压在每个射频周期内存在一极小值，此时空间电荷鞘层厚度小于引出孔径和栅极间距，电子在这段时间内漂移至加速栅5引出孔。上述过程通过持续加速正离子喷出产生推力，并脉冲式引出电子保证羽流准中性。
综上，本实用新型可以很大程度提高离子推力器的寿命与稳定性，整体提高推力器性能，可广泛应用于位置保持、阻力补偿及无人深空探测等任务。
综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于射频自偏压的离子推力器，其特征在于，包括第一射频电源及匹配系统(1)、第二射频电源及匹配系统(3)、射频天线(6)、放电腔体(9)和栅极系统；
在放电腔体(9)的顶面开有用于注入电离所需工质的进气口(8)；栅极系统设置在与放电腔体(9)的底面，包括由内至外依次平行设置的屏栅(4)和加速栅(5)；射频天线(6)缠绕在放电腔体(9)外壁；
第一射频电源及匹配系统(1)和第二射频电源及匹配系统(3)均设置在放电腔体(9)外部，第一射频电源及匹配系统(1)与射频天线(6)连接，第二射频电源及匹配系统(3)通过隔直电容(2)与屏栅(4)连接，加速栅(5)接地；
第一射频电源及匹配系统(1)的电源频率低于第二射频电源及匹配系统(3)的电源频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于射频自偏压的离子推力器，其特征在于，射频天线(6)为螺线圈结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于射频自偏压的离子推力器，其特征在于，在射频天线(6)外设有铁氧体(7)。
4.根据权利要求3所述的一种基于射频自偏压的离子推力器，其特征在于，在铁氧体(7)外还设有金属外层以及设置在金属外层内侧的绝缘层。
5.根据权利要求1所述的一种基于射频自偏压的离子推力器，其特征在于，第一射频电源及匹配系统(1)的频率为13.56MHz，第二射频电源及匹配系统(3)的频率为40.68MHz。
6.根据权利要求1所述的一种基于射频自偏压的离子推力器，其特征在于，屏栅(4)与加速栅(5)由均采用不锈钢制成。
7.根据权利要求1所述的一种基于射频自偏压的离子推力器，其特征在于，屏栅(4)与加速栅(5)的中心区域均匀分布有若干引出孔。
8.根据权利要求7所述的一种基于射频自偏压的离子推力器，其特征在于，屏栅(4)上引出孔直径1.8mm，加速栅(5)上引出孔直径1.4mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于射频自偏压的离子推力器，其特征在于，屏栅(4)与加速栅(5)的栅极间距为1mm。
10.根据权利要求1所述的一种基于射频自偏压的离子推力器，其特征在于，放电腔体(9)由石英玻璃制成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202120400417.2U CN214577557U (zh) | 2021-02-23 | 2021-02-23 | 一种基于射频自偏压的离子推力器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202120400417.2U CN214577557U (zh) | 2021-02-23 | 2021-02-23 | 一种基于射频自偏压的离子推力器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN214577557U true CN214577557U (zh) | 2021-11-02 |
Family
ID=78351276
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202120400417.2U Active CN214577557U (zh) | 2021-02-23 | 2021-02-23 | 一种基于射频自偏压的离子推力器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN214577557U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4271144A1 (en) * | 2022-04-29 | 2023-11-01 | Vassilios Horozoglou | Synchronous polyphase alternating current electrostatic ion thruster (space-it) for propulsion of spacecraft, such as for example satellites, mini-rockets, etc |
-
2021
- 2021-02-23 CN CN202120400417.2U patent/CN214577557U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4271144A1 (en) * | 2022-04-29 | 2023-11-01 | Vassilios Horozoglou | Synchronous polyphase alternating current electrostatic ion thruster (space-it) for propulsion of spacecraft, such as for example satellites, mini-rockets, etc |
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