本發(fā)明所述的離子碰撞加速式電推力器裝置，涉及低軌道航天器的吸氣式電推進(jìn)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著國(guó)際航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，低軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，如銥(Iridium)系統(tǒng)、白羊(Arics)系統(tǒng)、低軌衛(wèi)星(Leo-Set)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)(Teledesic)系統(tǒng)，低軌道地球觀測(cè)衛(wèi)星，低軌道科學(xué)平臺(tái)、低軌道軍事偵察衛(wèi)星和間諜衛(wèi)星以及空間站及空間實(shí)驗(yàn)室等低軌道飛行器也逐漸成為航天器家族的重要成員。

為了提高衛(wèi)星壽命，節(jié)約衛(wèi)星發(fā)射成本，實(shí)現(xiàn)成本降低，能減少推進(jìn)工質(zhì)消耗的高比沖電推進(jìn)技術(shù)在航天器上得到了廣泛應(yīng)用。近40年來(lái)，數(shù)百臺(tái)載有電推力器的航天器發(fā)射升空。這些電推力器主要為GEO衛(wèi)星系統(tǒng)提供控制力矩，完成姿態(tài)與軌道控制等任務(wù)，并有部分作為深空探測(cè)器的主發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，如歐空局的SMART-1月球探測(cè)器、美國(guó)的DS-1深空探測(cè)器和日本的HAYABUSA小行星探測(cè)器。

由于低軌道空間仍然存在一定的大氣，收集并充分利用低軌道空間的殘留氣體作為電推力器工質(zhì)可以更有效的降低成本，延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命。目前，在大部分使用和研制的電推進(jìn)系統(tǒng)中，推進(jìn)工質(zhì)通過(guò)與高能電子的碰撞產(chǎn)生等離子體，電離效率較低，而且由于尖端電極的存在，推力器的壽命受到尖端電極燒蝕的限制，特別是低軌道大氣環(huán)境中氧對(duì)尖端電極腐蝕尤為嚴(yán)重，對(duì)于尖端電極的電推力器無(wú)法應(yīng)用。因此，為了滿足低軌道航天器應(yīng)用吸氣式電推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，申請(qǐng)人提出了一種新型的離子碰撞電離加速式電推力器。

電推力器可分為三種類型，分別為電熱式、電磁式和靜電式?，F(xiàn)有技術(shù)條件下，分析認(rèn)為作為低軌道航天器的吸氣式電推進(jìn)系統(tǒng)均存在明顯不足，具體闡述如下：

對(duì)于電熱式電推力器，大多數(shù)的電阻和電弧推力器采用氫氣、肼或者氨氣作為工質(zhì)氣體，若采用氧氣作為推進(jìn)工質(zhì)，研究表明噴管喉部由于受到高溫氧氣流的沖刷燒蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重，大大限制了電推力器的壽命，因此無(wú)法利用低軌道殘余大氣中的氧氣作為推進(jìn)工質(zhì)。

對(duì)于電磁式電推力器，磁等離子體動(dòng)力推力器同樣面臨電極燒蝕的嚴(yán)重問(wèn)題。脈沖等離子體推力器廣泛采用固體推進(jìn)工質(zhì)，目前缺少大氣組成氣體作為工質(zhì)的明確評(píng)估。霍爾推力器雖然具有較高的推力密度，但比沖相對(duì)較低，對(duì)于霍爾推力器的實(shí)驗(yàn)研究表明，以氮?dú)饣蛘叩獨(dú)?氧氣混合氣體為工質(zhì)，工作幾百小時(shí)后，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重，在氧氣放電條件下環(huán)形通道壁面腐蝕非常嚴(yán)重，無(wú)法滿足低軌道吸氣式電推進(jìn)應(yīng)用需求。

對(duì)于靜電式電推力器，無(wú)論是微波離子推力器還是射頻離子推力器，由于推力器結(jié)構(gòu)包含離子光學(xué)系統(tǒng)而相對(duì)復(fù)雜，作為低軌道航天器吸氣式電推進(jìn)，大大降低了整體系統(tǒng)的可靠性，且加速離子噴出的離子光學(xué)系統(tǒng)在以大氣組分作為推進(jìn)工質(zhì)時(shí)存在明顯腐蝕，因此無(wú)法滿足吸氣式電推進(jìn)系統(tǒng)的工作環(huán)境和要求。

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)一種新型的離子碰撞加速式電推力器裝置，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問(wèn)題是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是研究設(shè)計(jì)一種新型的離子碰撞加速式電推力器裝置。采用陽(yáng)極柵和陰極柵間離子碰撞電離產(chǎn)生高密度等離子體的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，在放電自身形成的電勢(shì)差下產(chǎn)生離子束定向噴射，并通過(guò)永磁環(huán)在石英管出口處形成的發(fā)散磁場(chǎng)進(jìn)一步加速離子束噴出，由于永磁環(huán)在放電區(qū)間形成近似軸向方向的磁場(chǎng)，電子在繞磁力線螺旋旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中可自由擴(kuò)散至石英管出口，與被加速噴出的離子自行中和呈電中性，故無(wú)空心陰極和中和器等影響電推力器壽命的組部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單高效，可獲得更高的比沖性能，并且該裝置無(wú)尖端電極燒蝕，可應(yīng)用于低軌道空間作為吸氣式電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用，此外該裝置的出口為開(kāi)放式，離子通過(guò)率超過(guò)90％，可有效降低濺射侵蝕，保證推力器的長(zhǎng)壽命。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明所述的離子碰撞加速式電推力器裝置，其特征在于所述的離子碰撞加速式電推力器裝置包括：石英管、陽(yáng)極柵網(wǎng)、陰極柵網(wǎng)、陰極支撐架、電氣入口及永磁環(huán)；

本發(fā)明所述的石英管為圓柱形結(jié)構(gòu)；包括管筒部、半球部、導(dǎo)孔部；半球部裝于管筒部的一端；導(dǎo)孔部裝于半球部的頂部，并與管筒部保持同軸；

本發(fā)明所述的陽(yáng)極柵網(wǎng)貼附于石英管的內(nèi)壁設(shè)置；

本發(fā)明所述的陰極柵網(wǎng)通過(guò)陰極支撐架裝于石英管的內(nèi)部；陰極柵網(wǎng)、陽(yáng)極柵網(wǎng)及石英管保持同軸設(shè)置；

本發(fā)明所述的電氣入口固定連接在導(dǎo)孔部上；

本發(fā)明所述的永磁環(huán)裝于導(dǎo)孔部的外部，并與陽(yáng)極柵網(wǎng)和陰極柵網(wǎng)同軸裝配。

本發(fā)明所述的管筒部的內(nèi)徑為47.13～14.138mm，外徑為50～150mm，管筒部長(zhǎng)度小于300mm；所述的半球部的內(nèi)圓直徑為47.13～14.138mm，外圓直徑為50～150mm；所述的導(dǎo)孔部的內(nèi)徑為4.93～14.80mm；外徑為6.57～19.70mm；長(zhǎng)度為11.67～35.00mm。

本發(fā)明所述的陽(yáng)極柵網(wǎng)的長(zhǎng)度為264.81mm；陽(yáng)極柵網(wǎng)的前端呈半球形，半球的外徑為47.13～14.138mm；中間呈筒型，直徑為47.13～14.138mm；后端呈球缺形，球缺型的外徑為47.13～14.138mm，長(zhǎng)度為32.44mm。

本發(fā)明所述的陰極柵網(wǎng)的外徑為12.17～36.5mm，長(zhǎng)度為167.5mm。

本發(fā)明所述的陰極支撐架由聚四氟乙烯制成；陰極支撐架包括支撐環(huán)和支撐桿；支撐環(huán)的內(nèi)徑為12.17～36.5mm，外徑為14.67～44mm，長(zhǎng)度為10mm；支撐桿均布于支撐環(huán)的外部，支撐桿的自由端抵在石英管的內(nèi)壁上，將陰極支撐架固定在石英管內(nèi)。

本發(fā)明所述的電氣入口由聚四氟乙烯制成；內(nèi)徑為6.57～19.70mm，外徑為10～30mm。

本發(fā)明所述的永磁環(huán)的材質(zhì)為釤鈷；永磁環(huán)呈圓環(huán)形，內(nèi)徑為33.33～100mm，外徑為60～180mm，長(zhǎng)度為75mm。

通常氣體放電形成等離子體由電子碰撞電離所致，而本發(fā)明的放電產(chǎn)生原理為離子在陰極柵網(wǎng)和陽(yáng)極柵網(wǎng)之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)碰撞中性氣體而發(fā)生電離。對(duì)于核等離子體而言，陰極柵網(wǎng)施加幾萬(wàn)伏的負(fù)電壓，離子能量相當(dāng)高，因此發(fā)生離子碰撞電離的幾率很大，對(duì)于開(kāi)放式的柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由于外部為陽(yáng)極柵網(wǎng)，且電子碰撞后能量很快損失，因此電子不易約束而容易溢出。當(dāng)應(yīng)用于電推進(jìn)裝置時(shí)，陰極柵網(wǎng)施加幾百伏到幾千伏的負(fù)電壓相當(dāng)于離子可獲得幾百到幾千電子伏特的能量，離子仍然處于比較高的能量值而產(chǎn)生碰撞電離。

在本發(fā)明中，陽(yáng)極柵網(wǎng)電壓為零，陰極柵網(wǎng)電壓為負(fù)的幾百到幾千伏，具體所需電壓大小與陽(yáng)極柵網(wǎng)的孔尺寸有關(guān)，放電室內(nèi)的等離子體與陽(yáng)極柵之間形成等離子體鞘層，鞘層厚度必須大于陽(yáng)極柵網(wǎng)孔特征尺寸的二分之一才能有效的將電子和離子約束，而鞘層厚度由陰極柵網(wǎng)施加電壓決定。所述電推力器由等離子體定向噴射而產(chǎn)生推力，在設(shè)計(jì)上需采用特定的陽(yáng)極柵網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，通常推力器尾部網(wǎng)孔尺寸較大，由于陽(yáng)極柵網(wǎng)孔中心的電勢(shì)比導(dǎo)線電勢(shì)低很多，則位于陰極柵網(wǎng)內(nèi)部的離子聚集區(qū)域(虛擬陽(yáng)極)的電勢(shì)比陽(yáng)極柵網(wǎng)孔中心的電勢(shì)高，形成加速電壓，加速離子噴出而產(chǎn)生推力，由于形成束流時(shí)，離子噴射會(huì)拉動(dòng)電子一同噴出，因此束流呈中性，無(wú)需中和器。如果陽(yáng)極柵網(wǎng)具有完全對(duì)稱的孔結(jié)構(gòu)，則所有的孔中心電勢(shì)相同，當(dāng)鞘層厚度小于陽(yáng)極柵網(wǎng)孔特征尺寸的二分之一時(shí)，束流不可控，可從任意陽(yáng)極柵網(wǎng)噴出。陰極柵網(wǎng)電壓越高，粒子間的碰撞幾率越高，致使等離子體密度越高。等離子體的半徑取決于陽(yáng)極柵網(wǎng)與陰極柵網(wǎng)半徑之比，比值越大，產(chǎn)生的等離子體束流越細(xì)。理論上所述電推力器可達(dá)到離子推力器相近的比沖，比沖與柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和最終的等離子體密度有關(guān)。所述電推力器無(wú)尖端電極燒蝕、無(wú)空心陰極和中和器等影響電推力器壽命的組部件，出口為開(kāi)放式，離子通過(guò)率大于90％，可有效降低濺射侵蝕，保證推力器的長(zhǎng)壽命。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，主要表現(xiàn)在：

1、比沖高：該裝置由陽(yáng)極柵和陰極柵產(chǎn)生等離子體，并在放電自身形成的電勢(shì)差下產(chǎn)生離子束定向噴射，再通過(guò)永磁環(huán)的發(fā)散磁場(chǎng)進(jìn)一步加速離子束噴出，從而獲得更高的比沖性能；

2、壽命長(zhǎng)：該裝置無(wú)尖端電極燒蝕、無(wú)空心陰極和中和器等影響電推力器壽命的組部件，且該裝置的出口為開(kāi)放式，離子通過(guò)率超過(guò)90％，可有效降低濺射侵蝕，保證推力器的長(zhǎng)壽命。

基于上述理由本發(fā)明可在低軌道航天器的吸氣式電推進(jìn)領(lǐng)域廣泛推廣。

本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)新穎、生產(chǎn)加工簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定、安全可靠、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，其大批量投入市場(chǎng)必將產(chǎn)生積極的社會(huì)效益和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明共有5幅附圖,其中：

附圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為陽(yáng)極柵網(wǎng)和陰極柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3為陰極支撐架結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖4為電氣入口結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖5為離子在本發(fā)明中的運(yùn)行軌跡。

在圖中：1、石英管 1.1、半球部 1.2、管筒部 1.3、導(dǎo)孔部 2、陽(yáng)極柵網(wǎng) 3、陰極柵網(wǎng) 4、陰極支撐架 4.1、支撐環(huán)支撐桿 4.2、支撐桿 5、電氣入口 6、永磁環(huán) a、離子 b、離子軌跡。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具體實(shí)施例如附圖所示，離子碰撞加速式電推力器裝置包括：石英管1、陽(yáng)極柵網(wǎng)2、陰極柵網(wǎng)3、陰極支撐架4、電氣入口5及永磁環(huán)6；

石英管1為圓柱形結(jié)構(gòu)；包括管筒部1.2、半球部1.1、導(dǎo)孔部1.3；半球部1.1裝于管筒部1.2的一端；導(dǎo)孔部1.3裝于半球部1.1的頂部，并與管筒部保持同軸；

陽(yáng)極柵網(wǎng)2貼附于石英管1的內(nèi)壁設(shè)置；

陰極柵網(wǎng)3通過(guò)陰極支撐架4裝于石英管1的內(nèi)部；陰極柵網(wǎng)3、陽(yáng)極柵網(wǎng)2及石英管1保持同軸設(shè)置；

電氣入口5固定連接在導(dǎo)孔部1.3上；

永磁環(huán)6裝于導(dǎo)孔部1.3的外部，并與陽(yáng)極柵網(wǎng)2和陰極柵網(wǎng)3同軸裝配。

管筒部1.2的內(nèi)徑為14.138mm，外徑為150mm,管筒部長(zhǎng)度小于300mm；所述的半球部1.1的內(nèi)圓直徑為14.138mm，外圓直徑為150mm；所述的導(dǎo)孔部1.3的內(nèi)徑為14.80mm；外徑為19.70mm；長(zhǎng)度為35.00mm。

陽(yáng)極柵網(wǎng)2的長(zhǎng)度為264.81mm；陽(yáng)極柵網(wǎng)2的前端呈半球形，半球的外徑為14.138mm；中間呈筒型，直徑為14.138mm；后端呈球缺形，球缺型的外徑為14.138mm，長(zhǎng)度為32.44mm。

陰極柵網(wǎng)3的外徑為36.5mm，長(zhǎng)度為167.5mm。

陰極支撐架4由聚四氟乙烯制成；陰極支撐架4包括支撐環(huán)4.1和支撐桿4.2；支撐環(huán)4.1的內(nèi)徑為36.5mm，外徑為44mm，長(zhǎng)度為10mm；支撐桿4.2均布于支撐環(huán)4.1的外部，支撐桿4.2的自由端抵在石英管1的內(nèi)壁上，將陰極支撐架4固定在石英管1內(nèi)。

電氣入口5由聚四氟乙烯制成；內(nèi)徑為19.70mm，外徑為30mm。

永磁環(huán)6的材質(zhì)為釤鈷；永磁環(huán)呈圓環(huán)形，內(nèi)徑為100mm，外徑為180mm，長(zhǎng)度為75mm。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，所有熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其本發(fā)明的構(gòu)思加以等同替換或改變均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。