CN111622911A - 一种螺旋波开口系静电离子推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋波开口系静电离子推力器，属于长寿命深空探测器和卫星动力***航天推进技术领域。所述的螺旋波开口系静电离子推力器包括储气罐、供气管道、放电腔、螺旋波天线、交流电极和环形电极板。储气罐中的工质气体经过供气管道进入到放电腔内部，同时外接射频源向天线供电，在放电内部将氦气电离生产螺旋波等离子体，由于螺旋波等离子体特有的双层电势差，可以使工质气体加速，工质其他离开放电腔进入到环形电极板区域，在环形电极板产生的电场区域再次加速。本发明具有能耗降、寿命长、生产难度低等优点。

Description

一种螺旋波开口系静电离子推力器

技术领域

本发明属于长寿命深空探测器和卫星动力***航天推进技术领域，涉及一种螺旋波开口系静电离子推力器。

背景技术

螺旋波等离子体推力器因其电离率高、无电极烧蚀、寿命长、比冲高等优势受到国内外学者的广泛关注，该新型推力器在未来长寿命深空探测器和卫星的动力***中具有广阔的运用前景。螺旋波等离子体推力器是通过内部产生的双层电势来加速喷出等离子体产生推力，但现有技术下的双层电势较弱，产生的推力有限，导致整体的工作效率极低。应对这一问题，目前提出的解决方案有：旋转电场加速、旋转磁场加速、磁喷管加速、有质动力离子回旋共振加速等方案，这些方案都是将螺旋波等离子体推力器做为等离子体源，添加新的设备并需要更大功率的电源向推力器内部发射电磁波用以提升推力和性能，但是这些方案仍然存在诸多理论问题有待解决。另外还有栅极加速方案，该方案需要将原本中性的等离子体流经过引出栅将离子引出通过加速栅加速排出提升推力，但是栅极的抗腐蚀是一个关键技术仍有待解决。

本发明使用开口系结构通过静电场对双流体做功，对阳离子加速、电子减速，利用阳离子质量远大于电子质量引起的动量差，可以在原有的基础上进一步提升推力和比冲，并且对电源性能要求降低，仍然可以保持推进剂的电中性无需中和器，另外电极板不存在栅极那样的孔结构可以很好地抗腐蚀延长使用寿命。

发明内容

本发明针对现有技术中航天推力器推力和比冲低、推力器寿命短的问题，本发明提出一种螺旋波开口系静电离子推力器，以增加推力器的推力和比冲，并延长在轨寿命。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种螺旋波开口系静电离子推力器，包括储气罐1、供气管道2、放电腔3、螺旋波天线4、交流电极5和环形电极板7。

所述储气罐1为圆柱形罐体结构，用于储存工质气体。

所述的放电腔3为圆筒形结构，放电腔3的两端分别为入口端和出口端，入口端设置有收敛形的进气口。

所述的供气管道2一端与储气罐1连接，另一端与放电腔3的进气口连接，用于将储存在储气罐1的工质气体导入放电腔3。

所述的螺旋波天线4为螺旋型，套装在放电腔3外部；

所述的交流电极5共有两个，分别安装在螺旋波天线4的两个射频输入端上。

外接的射频源与两个交流电极5连接；射频源通过交流电极5和螺旋波天线4在放电腔3内电离工质气体，激发螺旋波等离子体，并利用螺旋波等离子体的双层电势差加速工质气体。

所述的环形电极板7包括位于上游电极板A701和位于下游的电极板B702(上游和下游是相对工质气体流动方向)，二者结构相同，均是变截面的圆筒形结构，即一端截面积大，另一端截面积小；电极板A701和电极板B702通过固定板6安装在放电腔3的出口端，放电腔3、电极板A701和电极板B702三者的轴线重合；电极板A701和电极板B702截面大的端面相对设置但不导通；电极板A701和电极板B702之间的电场方向与工质气体的流动方向相同；电极板A701的电势低于放电腔3出口端螺旋波等离子体的电势。

电极板A和电极板B之间的最高电势低于放电腔3出口端螺旋波等离子体的电势。

本发明的有益效果：

一、能耗降低：使用静电场对等离子体作用，加速离子减速电子，利用动量差进一步提升推力和比冲，并非使用交变电磁场提升推力的方式，因此能耗降低，同时对电源的要求大大降低。

二、寿命长、抗腐蚀性能优异：栅极加速过程中无法避免部分高能粒子对栅极孔的腐蚀，造成栅极变形影响推力器的性能，而本发明结构的设计尺度远远大于粒子尺度，因此尽管出现腐蚀现象，却几乎不影响原有的电场分布，继而不会影响推力器的性能。

三、生产难度低：现有设计在理论研发中存在较为困难的理论问题，如交表电磁场加速的电磁压力问题、磁喷管的等离子体分离问题、栅极加速的电压匹配问题和栅极抗腐蚀问题，而本发明仅存在电场，且不需要考虑腐蚀问题，性能研究更为容易。

附图说明

图1为本发明螺旋波开口系静电离子推力器三视图；

图2为本发明螺旋波开口系静电离子推力器剖面三视图；

图中：1储气罐；2供气管道；3放电腔；4螺旋波天线；5交流电极；6固定板；7环形电极板；701电极板A；702电极板B。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述本发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种如图1和2所示的螺旋波开口系静电离子推力器，包括储气罐1、供气管道2、放电腔3、螺旋波天线4、交流电极5和环形电极板7。

所述储气罐1为圆柱形罐体结构，用于储存工质气体，如氦气。

所述的放电腔3为圆筒形结构，由石英材料制成，放电腔3的两端分别为入口端和出口端，入口端设置有收敛形的进气口。

所述的供气管道2一端与储气罐1连接，另一端与放电腔3的进气口连接，用于将储存在储气罐1的工质气体导入放电腔3。

所述的螺旋波天线4为螺旋型，套装在放电腔3外部；

所述的交流电极5共有两个，分别安装在螺旋波天线4的两个射频输入端上。

外接的射频源与两个交流电极5连接；外接的射频源通过交流电极5和螺旋波天线4在放电腔3内电离工质气体，激发螺旋波等离子体，并利用螺旋波等离子体的双层电势差加速工质气体。

所述的环形电极板7包括电极板A701和电极板B702，二者结构相同，均是变截面的圆筒形结构，即一端截面积大，另一端截面积小；电极板A701和电极板B702通过固定板6安装在放电腔3的出口端，放电腔3、电极板A701和电极板B702三者的轴线重合；电极板A701和电极板B702截面大的端面相对设置但不导通；电极板A701和电极板B702之间的电场方向与工质气体的流动方向相同；电极板A701的电势低于放电腔3出口端螺旋波等离子体的电势。

电极板A和电极板B之间的最高电势低于放电腔3出口端螺旋波等离子体的电势。

本发明的工作原理是：

储气罐1中的氦气(工质气体)经过供气管道2进入到放电腔3内部，同时外接的射频源向天线供电，在放电腔3内部将氦气电离生产螺旋波等离子体，由于螺旋波等离子体特有的双层电势差，可以使工质气体加速(不需要额外的加速栅极)，工质气体离开放电腔3进入到环形电极板7区域，在环形电极板7产生的电场区域再次加速。

Claims (2)

1.一种螺旋波开口系静电离子推力器，其特征在于，所述的螺旋波开口系静电离子推力器包括储气罐(1)、供气管道(2)、放电腔(3)、螺旋波天线(4)、交流电极(5)和环形电极板(7)；

所述储气罐(1)用于储存工质气体；

所述的放电腔(3)为圆筒形结构，放电腔(3)的两端分别作为入口端和出口端，入口端设置有收敛形的进气口；

所述的供气管道(2)一端与储气罐(1)连接，另一端与放电腔(3)的进气口连接，用于将储存在储气罐(1)的工质气体导入放电腔(3)；

所述的螺旋波天线(4)为螺旋型，套装在放电腔(3)外部；

所述的交流电极(5)共有两个，分别安装在螺旋波天线(4)的两个射频输入端上；

所述的环形电极板(7)包括位于上游的电极板A(701)和位于下游的电极板B(702)，二者结构相同，均是变截面的圆筒形结构，即一端截面积大，另一端截面积小；电极板A(701)和电极板B(702)通过固定板(6)安装在放电腔(3)的出口端，放电腔(3)、电极板A(701)和电极板B(702)三者的轴线重合；电极板A(701)和电极板B(702)截面大的端面相对设置但不导通；电极板A(701)和电极板B(702)之间的电场方向与工质气体的流动方向相同；电极板A(701)的电势低于放电腔(3)出口端螺旋波等离子体的电势。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋波开口系静电离子推力器，其特征在于，所述的放电腔(3)由石英材料制成。

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