本發(fā)明所述的表面等離子體共振與電子回旋共振雙激勵式微波推力器涉及航天器動力技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于低溫非平衡等離子體即表面等離子體共振與電子回旋共振等離子體應(yīng)用于微小衛(wèi)星動力系統(tǒng)、執(zhí)行衛(wèi)星編隊和深空探測等任務(wù)的推力器。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星和空間探測器對于電推進的需求不斷增長。等離子體推力器具有高比沖的特性能夠大幅度減少推進劑消耗量從而提高有效載荷質(zhì)量?？梢哉f未來的深空探測器將依靠等離子體推力器來實現(xiàn)。

過去幾年，準(zhǔn)中性無電極等離子體推力器的研究熱度不斷升溫，其不需要外部中和器，節(jié)省了推力器的部組件。無電極推力器通?；诖艊姽茉恚涸诘入x子體源中發(fā)散狀的磁場約束等離子體并且同時加速羽流區(qū)中的電子和離子。在這些推進系統(tǒng)中，螺旋波雙層推力器和基于其他等離子體源的推力器已經(jīng)持續(xù)研發(fā)，由于其能夠產(chǎn)生的離子動能高于100eV，已經(jīng)提出一些模型用以解釋離子的加速機制：在螺旋波雙層推力器等離子體擴張的過程中產(chǎn)生雙層電勢的驟降，并且電子熱能在發(fā)散磁場下轉(zhuǎn)換為離子的動能。另一種無電極推進系統(tǒng)GDM基于兩磁鏡之間對等離子體的約束，伴隨來自右手圓偏振波(RHCP)的電子回旋加熱。隨著離子獲得動能、等離子體密度增加，離子與離子平均自由路徑很小以至于等離子體可視為流體?？勺儽葲_磁等離子體火箭(VASIMR)結(jié)合了在螺旋波等離子體源和離子回旋共振加熱，并采用磁噴管進一步加速，其實驗原理樣機VX-200等離子體推力器采用氬氣工質(zhì)顯示出該推力器的效率高于50％、總功率100kW。

現(xiàn)有技術(shù)中單獨由微波能量饋入到放電腔室內(nèi)會存在電場能量不足而導(dǎo)致工質(zhì)氣體擊穿電壓不穩(wěn)定、等離子體形成效率低等缺點，特別是對于微小衛(wèi)星而言，由于所提供的電功率較少，低功率下單獨由微波能量產(chǎn)生放電形成等離子體的密度和效率更低，此外高密度等離子區(qū)域小會影響推力器的推力從而直接導(dǎo)致推力器的穩(wěn)定性較低。

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，研究設(shè)計一種新型的表面等離子體共振與電子回旋共振雙激勵式微波推力器，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題是十分必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明的目的是研究設(shè)計一種新型的表面等離子體共振與電子回旋共振雙激勵式微波推力器。用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的單獨由微波能量，特別是低功率饋入到放電腔室內(nèi)會存在電場能量不足而導(dǎo)致工質(zhì)氣體擊穿電壓不穩(wěn)定、等離子體形成效率低、高密度等離子區(qū)域小導(dǎo)致推力器的穩(wěn)定性較低等技術(shù)問題。

表面等離子體共振與電子回旋共振雙激勵式推力器一方面通過電子回旋共振吸收微波功率而產(chǎn)生高密度的等離子體，另一方面結(jié)合表面等離子體共振機制可實現(xiàn)低功率條件下可穩(wěn)定放電，進而通過永磁環(huán)和尾部噴管構(gòu)成的磁噴管加速等離子體噴出而產(chǎn)生推力。當(dāng)微波場的角頻率與通過外加磁場誘導(dǎo)的電子回旋角頻率相一致時，產(chǎn)生電子回旋共振，使得電子通過微波右旋偏振而持續(xù)獲得加熱，吸收微波場的能量迅速增加。若微波頻率采用2.45GHz，則產(chǎn)生條件需滿足磁感應(yīng)強度為875G。外加磁場既形成電子回旋共振所需的磁感應(yīng)強度，又因其軸向發(fā)散位形與尾部噴管結(jié)合作為磁噴管。被磁化的電子通過能量轉(zhuǎn)換和磁矩守恒沿著發(fā)散的磁感線加速，致使形成雙極電場，該雙極電場加速離子噴出，充足且具有高能量的電子逃離勢壘確保了羽流的準(zhǔn)中性。中性的等離子體再經(jīng)由尾部噴管加速噴出產(chǎn)生推力。該推力器具有無電極燒蝕、產(chǎn)生等離子體密度高且無需中和器的特點；表面等離子體共振與電子回旋共振雙激勵式推力器另一方面促使推力器腔室內(nèi)更容易激發(fā)放電、可產(chǎn)生更高密度的等離子體、形成更大區(qū)域的高密度等離子體，通過表面等離子體共振即由于外來電磁波誘導(dǎo)金屬表面自由電子的集體振蕩，它是金屬與介質(zhì)分界面處存在的一種局域電磁模式，具有表面電磁場的傳播性能，即電場強度在金屬與介質(zhì)的界面上具有最大值，隨著垂直于金屬表面的距離增大，場強呈指數(shù)衰減。因此表面等離子激元被約束在金屬表面，覆蓋金屬環(huán)片表面的微小金屬尖端可使放電局部增強，即增強了金屬表面的電場，同時為了延長推力器壽命，避免等離子體對金屬天線的濺射作用，在金屬天線表面鍍上了50微米具有透波特性的氮化硼陶瓷薄膜。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實現(xiàn)的：

本發(fā)明所述的表面等離子體共振與電子回旋共振雙激勵式微波推力器，其特征在于所述的表面等離子體共振與電子回旋共振雙激勵式微波推力器通過推力器支撐架固定在真空環(huán)境內(nèi)；

本發(fā)明所述的表面等離子體共振與電子回旋共振雙激勵式微波推力器包括：永磁環(huán)、放電腔室、金屬天線及尾部噴管；

本發(fā)明所述的永磁環(huán)套裝在放電腔室的外部；

本發(fā)明所述的金屬天線嵌裝于放電腔室的內(nèi)部；

本發(fā)明所述的永磁環(huán)嵌裝在推力器支撐架上；

本發(fā)明所述的尾部噴管與放電腔室出口對接。

本發(fā)明所述的金屬天線包括：金屬圓柱、金屬環(huán)片及天線固定座；金屬環(huán)片裝于金屬圓柱的中部位置；金屬圓柱的一端裝于天線固定座上；天線固定座裝于放電腔室的中心孔上。

本發(fā)明所述的金屬圓柱與金屬環(huán)片的材料為鎢。

本發(fā)明所述的金屬環(huán)片表面上覆蓋有微小的金屬尖端。

本發(fā)明所述的金屬圓柱的長度為15mm。

本發(fā)明所述的天線固定座的材料為聚四氟乙烯。

本發(fā)明所述的金屬圓柱與金屬環(huán)片表面鍍有50微米的氮化硼陶瓷薄膜。

本發(fā)明所述的永磁環(huán)的材料為釤鈷材料，并保證有875G的磁感應(yīng)強度的電子回旋共振面。

本發(fā)明所述的放電腔室嵌裝于永磁環(huán)的環(huán)內(nèi)，確保放電腔室的出口與永磁環(huán)的一個端面平齊。

本發(fā)明的工作過程為：頻率為2.45GHz的微波源(0～1500W功率可調(diào))經(jīng)由波導(dǎo)和波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器通過同軸電纜將微波能量饋入到推力器，推力器通過同軸轉(zhuǎn)接頭將微波能量通過金屬天線將微波能量傳遞到放電腔室，工質(zhì)氣體(氬氣或氙氣等)在微波能量下通過金屬天線產(chǎn)生表面等離子體共振與電子回旋共振雙激勵模式將工質(zhì)氣體激發(fā)和電離形成高密度、大區(qū)域等離子體，在永磁環(huán)和尾部噴管作用下通過磁噴管原理將等離子體加速噴出形成所需推力。

本發(fā)明的優(yōu)點是顯而易見的，主要表現(xiàn)在：

1.采用圓柱形放電腔室與永磁環(huán)內(nèi)套的形式代替以往波導(dǎo)傳輸微波能量的結(jié)構(gòu)，減小了推力器尺寸并使推力器結(jié)構(gòu)更簡單。

2.本發(fā)明不需要攜帶離子中和器，降低微小衛(wèi)星動力系統(tǒng)自身質(zhì)量和體積，提高了微小衛(wèi)星動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.金屬天線的金屬圓柱和金屬環(huán)片表面覆蓋微小金屬尖端結(jié)構(gòu)通過表面等離子體共振機理增強了局部電場，使工質(zhì)氣體容易激發(fā)電離，提高了推力器的穩(wěn)定性。

4、金屬天線的金屬圓柱和金屬環(huán)片表面鍍有50微米的氮化硼陶瓷薄膜避免等離子體對天線的濺射作用，從而延長了推力器的壽命。

5.永磁環(huán)的結(jié)構(gòu)通過電子回旋共振理論為推力器提供所需要的磁感應(yīng)強度，并且永磁環(huán)下游與尾部噴管結(jié)合作為磁噴管加速等離子體噴出推力器，進而獲得足夠的推力。

綜上所述本發(fā)明在微小衛(wèi)星動力系統(tǒng)、執(zhí)行衛(wèi)星編隊和深空探測等任務(wù)中具有潛在的應(yīng)用前景。

本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)新穎、加工簡便、體積小、穩(wěn)定性高、比沖強、推力器壽命長等優(yōu)點，其大批量投入市場必將產(chǎn)生積極的社會效益和顯著的經(jīng)濟效益。

附圖說明

本發(fā)明共有4幅附圖,其中：

附圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為附圖1的仰視圖；

附圖3為附圖1的側(cè)視圖；

附圖4為金屬天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

在圖中：1、永磁環(huán) 2、放電腔室 3、金屬天線 301、金屬圓柱 302、金屬環(huán)片 303、天線固定座 4、推力器支撐架 5、尾部噴管。

具體實施方式

本發(fā)明的具體實施例如附圖所示，表面等離子體共振與電子回旋共振雙激勵式微波推力器通過推力器支撐架4固定在真空環(huán)境內(nèi)；

表面等離子體共振與電子回旋共振雙激勵式微波推力器包括：永磁環(huán)1、放電腔室2及金屬天線3；

永磁環(huán)1套裝在放電腔室2的外部；

金屬天線3嵌裝于放電腔室2的內(nèi)部；

永磁環(huán)1嵌裝在推力器支撐架4上；

尾部噴管5與放電腔室2出口對接。

金屬天線3包括：金屬圓柱301、金屬環(huán)片302及天線固定座303；金屬環(huán)片302裝于金屬圓柱301的中部位置；金屬圓柱301的一端裝于天線固定座303上；天線固定座303裝于放電腔室2的中心孔上。

金屬圓柱301與金屬環(huán)片302的材料為鎢。

金屬環(huán)片302表面上覆蓋有微小的金屬尖端。

金屬圓柱301的長度為15mm。

天線固定座303的材料為聚四氟乙烯。

金屬圓柱301與金屬環(huán)片302表面鍍有50微米的氮化硼陶瓷薄膜。

永磁環(huán)1的材料為釤鈷材料，并保證有875G的磁感應(yīng)強度的電子回旋共振面。

放電腔室2嵌裝于永磁環(huán)1的環(huán)內(nèi)，確保放電腔室的出口與永磁環(huán)1的一個端面平齊。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，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)明的保護范圍之內(nèi)。