階梯柵極射頻離子推進裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明實施例涉及航空航天電推進技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種階梯柵極射頻離子推進裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]電推進技術(shù)是太空飛行器和人造衛(wèi)星最理想的推進系統(tǒng)。利用能量源(如射頻功率源)將工質(zhì)氣體電離產(chǎn)生等離子體，然后通過各種加速方式加速等離子體中帶正電的離子使其獲得較高的速度，加速后的離子再與帶負電的電子中和后噴出，產(chǎn)生推力，推動飛行器。電推進技術(shù)因其具有高比沖，低能耗，污染小等特點，正逐步取代小推力化學能推進器；并且，對于人類未來的深空探測計劃，電推進系統(tǒng)是唯一可行的推進方案。
[0003]在眾多的電推進器中，離子推進器屬于靜電式電推進器。目前已被世界各航天大國作為絕大部分太空飛行器的主、輔推進系統(tǒng)；其中最具代表性的推進器有XIPS-13、NATRA-30等。離子光學系統(tǒng)是離子推進器最重要的部件之一，由屏柵和加速柵組成，承擔著加速離子的重要使命。
[0004]但是，由于柵極直接暴露在等離子體環(huán)境中，所以等離子體會對柵極產(chǎn)生腐蝕，如何延長柵極的使用壽命是目前各航天大國急需解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實施例提供一種階梯柵極射頻離子推進裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)中等離子體對柵極產(chǎn)生腐蝕，柵極的壽命過短的問題。
[0006]本發(fā)明實施例提供了一種階梯柵極射頻離子推進裝置，包括:
[0007]射頻天線、電離室、屏柵、加速柵、中和器；
[0008]所述射頻天線環(huán)繞在電離室外部，用于激發(fā)等離子體，所述電離室提供所述等離子體發(fā)生區(qū)域，并限制所述等離子體在所述區(qū)域內(nèi)，所述電離室的一端用于輸入工質(zhì)氣體，所述屏柵、所述加速柵和所述中和器位于所述電離室的另一端，所述屏柵用于引出正離子，所述加速柵用于加速所述正離子，并且所述加速柵的截面為階梯型結(jié)構(gòu)，所述中和器用于發(fā)射中和所述正尚子的電子。
[0009]進一步地，所述電離室的材料為氮化硼。
[0010]進一步地，所述柵極的材料為鍺。
[0011]本發(fā)明實施例階梯柵極射頻離子推進裝置，射頻天線環(huán)繞在電離室外部激發(fā)等離子體，該電離室的一端用于輸入工質(zhì)氣體，屏柵、加速柵和中和器位于該電離室的另一端，所述屏柵用于引出正離子，所述加速柵極用于加速所述正離子，并且該加速柵的截面為階梯型結(jié)構(gòu)，所述中和器用于發(fā)射中和所述正離子的電子，本發(fā)明實施例階梯柵極射頻離子推進裝置，階梯型加速柵極可以降低離子撞擊柵極的機率，減少柵極腐蝕，進而大大延長推進器的壽命。
【附圖說明】
[0012]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0013]圖1為本發(fā)明階梯柵極射頻離子推進裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明階梯柵極射頻離子推進裝置中加速柵局部放大圖；
[0015]圖3為本發(fā)明階梯柵極射頻離子推進裝置與傳統(tǒng)離子加速通道發(fā)散角數(shù)值模擬的結(jié)果對比圖；
[0016]圖4A為本發(fā)明階梯柵極射頻離子推進裝置中離子加速通道與傳統(tǒng)離子加速通道徑向電場數(shù)值模擬的結(jié)果對比圖；
[0017]圖4B為本發(fā)明階梯柵極射頻離子推進裝置中離子加速通道與傳統(tǒng)離子加速通道徑向電場數(shù)值模擬的結(jié)果對比圖；
[0018]圖5A為本發(fā)明階梯柵極射頻離子推進裝置中離子加速通道與傳統(tǒng)離子加速通道離子數(shù)密度數(shù)值模擬結(jié)果對比圖；
[0019]圖5B為本發(fā)明階梯柵極射頻離子推進裝置中離子加速通道與傳統(tǒng)離子加速通道離子數(shù)密度數(shù)值模擬結(jié)果對比圖；
[0020]圖6為本發(fā)明階梯柵極射頻離子推進裝置中加速柵極局部截面尺寸示意圖。
【具體實施方式】
[0021]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0022]圖1為本發(fā)明階梯柵極射頻離子推進裝置結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本實施例的裝置可以包括:
[0023]射頻天線101、電離室102、屏柵103、加速柵104、中和器105 ；
[0024]所述射頻天線101環(huán)繞在電離室102外部，用于激發(fā)等離子體，所述電離室102提供所述等離子體發(fā)生區(qū)域，并限制所述等離子體在所述區(qū)域內(nèi)，所述電離室101的一端用于輸入工質(zhì)氣體，所述屏柵103、所述加速柵104和所述中和器105位于所述電離室101的另一端，所述屏柵103用于引出正離子，所述加速柵104用于加速所述正離子，并且所述加速柵104截面為階梯型結(jié)構(gòu)，所述中和器105用于發(fā)射中和所述正離子的電子。
[0025]進一步地，所述電離室的材料為氮化硼。
[0026]進一步地，所述柵極的材料為鍺。
[0027]具體來說，工作時由射頻功率源產(chǎn)生射頻能量輸送給環(huán)繞在電離室外部的螺旋型的射頻天線，同時，氣體供應(yīng)系統(tǒng)開始工作，工質(zhì)氣體源源不斷的輸入到放電室內(nèi)，并在射頻天線的作用下電離成高密度等離子體。等離子體中帶正電的離子進入柵極系統(tǒng)后，本實施中屏柵電壓為1500V，加速柵電壓為-200V，離子沿軸向電場方向加速，獲得較高的軸向速度，噴出后產(chǎn)生推力推動飛行器。在本實施例中電離室的材料采用氮化硼，柵極的材料采用鍺。圖2為本發(fā)明階梯柵極射頻離子推進裝置中加速柵局部放大圖，如圖2所示，該加速柵截面為階梯型結(jié)構(gòu)，在屏柵和加速柵組成的離子光學系統(tǒng)中，存在多個由該屏柵和加速柵所構(gòu)成的離子加速通道，每個通道均采用這種結(jié)構(gòu)。
[0028]如圖3所示，發(fā)散角損失ε div是離子推力器的推力損失的重要組成部分，加速柵極結(jié)構(gòu)的改變會對推力發(fā)散角損失造成一定的影響。階梯狀結(jié)構(gòu)柵極系統(tǒng)和普通結(jié)構(gòu)柵極系統(tǒng)的發(fā)散角損失均隨著J的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。這是因為階梯狀結(jié)構(gòu)加速柵未明顯改變系統(tǒng)的聚焦過程，仍遵循普通結(jié)構(gòu)柵極系統(tǒng)的“欠聚焦”、“聚焦”到“過聚焦”的演變過程。階梯狀結(jié)構(gòu)柵極系統(tǒng)的發(fā)散角損失明顯小于普通結(jié)構(gòu)柵極系統(tǒng)。造成這種現(xiàn)象的原因是階梯狀加速柵結(jié)構(gòu)設(shè)計使得下游區(qū)域的徑向電場強度變?nèi)?，離子速度沿徑向偏轉(zhuǎn)減弱。
[0029]如圖4A和圖4B所示，圖4A所示的未傳統(tǒng)柵極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的徑向電場，圖4B為本實施例中階梯型加速柵極產(chǎn)生的徑向電場，比傳統(tǒng)柵極產(chǎn)生更小的徑向電場，這意味著更高的能源利用率，和更低的羽流污染。階梯狀結(jié)構(gòu)柵極系統(tǒng)中，加速柵極在氣體流動方向的下游的徑向電場比傳統(tǒng)柵極小，故其對離子束流的非軸向加速也更少，離子的發(fā)散角損失更小，這樣能提高離子的軸向噴出速度，提高能量利用效率。
[0030]如圖5A和圖5B所示，圖5A為傳統(tǒng)柵極結(jié)構(gòu)對應(yīng)的脫離主束流區(qū)域的離子數(shù)量，相比于傳統(tǒng)柵極結(jié)構(gòu)，圖5B所示的本實施例中階梯形結(jié)構(gòu)加速柵極系統(tǒng)內(nèi)脫離主束流區(qū)域的離子更少些，減少了系統(tǒng)離子損失，提高能量利用效率。
[0031]圖6為階梯型柵極局部橫截面尺寸圖，如圖6所示，本實施例中加速柵的每一級階梯的寬度和長度相同。
[0032]本發(fā)明實施例階梯柵極射頻離子推進裝置，射頻天線環(huán)繞在電離室外部激發(fā)等離子體，該電離室的一端用于輸入工質(zhì)氣體，屏柵、加速柵和中和器位于該電離室的另一端，所述屏柵用于引出正離子，所述加速柵極用于加速所述正離子，并且該加速柵的截面為階梯型結(jié)構(gòu)，所述中和器用于發(fā)射中和所述正離子的電子，本發(fā)明實施例階梯柵極射頻離子推進裝置，階梯型加速柵極可以降低離子撞擊柵極的機率，減少柵極腐蝕，進而大大延長推進器的壽命。
[0033]最后應(yīng)說明的是:以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種階梯柵極射頻離子推進裝置，其特征在于，包括: 射頻天線、電離室、屏柵、加速柵、中和器； 所述射頻天線環(huán)繞在電離室外部，用于激發(fā)等離子體，所述電離室提供所述等離子體發(fā)生區(qū)域，并限制所述等離子體在所述區(qū)域內(nèi)，所述電離室的一端用于輸入工質(zhì)氣體，所述屏柵、所述加速柵和所述中和器位于所述電離室的另一端，所述屏柵用于引出正離子，所述加速柵用于加速所述正離子，并且所述加速柵截面為階梯型結(jié)構(gòu)，所述中和器用于發(fā)射中和所述正離子的電子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述加速柵的每一級階梯的寬度和長度相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述電離室的材料為氮化硼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述柵極的材料為鉬。
【專利摘要】本發(fā)明實施例提供一種階梯柵極射頻離子推進裝置。本發(fā)明裝置，包括：射頻天線、電離室、屏柵、加速柵、中和器；所述射頻天線環(huán)繞在電離室外部，用于激發(fā)等離子體，所述電離室提供所述等離子體發(fā)生區(qū)域，并限制所述等離子體在所述區(qū)域內(nèi)，所述電離室的一端用于輸入工質(zhì)氣體，所述屏柵、所述加速柵和所述中和器位于所述電離室的另一端，所述屏柵用于引出正離子，所述加速柵用于加速所述正離子，并且所述加速柵截面為階梯型結(jié)構(gòu)，所述中和器用于發(fā)射中和所述正離子的電子。本發(fā)明實施例提供了一種階梯型加速柵極結(jié)構(gòu)，階梯型加速柵極可以降低離子撞擊柵極的機率，減少柵極腐蝕，進而大大延長推進器的壽命。
【IPC分類】F03H1-00
【公開號】CN104595140
【申請?zhí)枴緾N201510037134
【發(fā)明人】夏廣慶, 郝劍昆, 王鵬, 鄒存祚, 徐宗琦
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月23日