雙階柵極螺旋波離子推進裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙階柵極螺旋波離子推進裝置，包括放電室、螺旋波激發(fā)天線、金屬套筒、電磁線圈和雙階柵極系統(tǒng)，所述螺旋波激發(fā)天線與射頻功率源相連，且套設于放電室外部，所述螺旋波激發(fā)天線和放電室均設于金屬套筒內部，所述電磁線圈套設于金屬套筒外部，所述放電室的末端設有雙階柵極系統(tǒng)，所述雙階柵極系統(tǒng)包括距離放電室由近及遠依次設置的屏柵、引出柵、加速柵和減速柵，所述屏柵、引出柵、加速柵和減速柵上均設有柵極孔。本發(fā)明采用螺旋波等離子體源與雙階柵極結合的方式可以實現(xiàn)推進器在高功率下工作，實現(xiàn)高比沖、高推進能力的可靠性能。
【專利說明】雙階柵極螺旋波離子推進裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及航天器發(fā)動機和空間推進【技術領域】，具體涉及一種雙階柵極螺旋波離子推進裝置。
【背景技術】
[0002]目前，空間推進用于航天器在太空飛行階段，其功能是為航天器姿態(tài)控制、南北位置保持、軌道機動和離軌等任務提供動力?？臻g推進技術一般可以分為化學推進和電推進，以及一些其它的推進技術(如核能推進，太陽帆推進技術)。目前，電推進技術因其高比沖的優(yōu)勢已逐漸成為空間小推力推進裝置的首選方案，而長壽命衛(wèi)星和遙遠星體探測飛行器的任務特點是飛行時間漫長、長期受到微擾，因此應用具有長壽命、高可靠性、高效率、高比沖特點的等離子體推進對未來長壽命衛(wèi)星和空間探測器的可靠飛行將具有舉足輕重的作用。
[0003]在目前大部分使用和研制的等離子體推進系統(tǒng)中，推進工質通過與高能電子的碰撞產(chǎn)生等離子體，電離效率較低，而且由于電極的存在，推進器的壽命受到電極燒蝕的限制，為了避免電極腐蝕，推進工質的選擇范圍也大大縮小。因此，為了克服目前等離子體推進系統(tǒng)的這些缺點，一種基于無電極燒蝕、高等離子體密度和高電離率的螺旋波等離子體源的推進裝置得到了迅速發(fā)展，稱為螺旋波雙層推進器(簡稱HDLT)或螺旋波等離子體推進器(簡稱HPT) ο
[0004]進一步的實驗研宄表明，僅源于螺旋波等離子體雙層效應加速離子而作為推進方式的效果并不明顯，現(xiàn)有技術條件下，HPT的比沖與傳統(tǒng)化學推進相當，推進能力不足，無法滿足未來長壽命衛(wèi)星平臺、空間站和深空探測器的需求。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明針對以上提出的推進裝置比沖和推力性能不足的問題，而研宄設計一種雙階柵極螺旋波離子推進裝置。本發(fā)明采用的技術手段如下:
[0006]一種雙階柵極螺旋波離子推進裝置，包括放電室、螺旋波激發(fā)天線、金屬套筒、電磁線圈和雙階柵極系統(tǒng)，所述螺旋波激發(fā)天線與射頻功率源相連，且套設于放電室外部，所述螺旋波激發(fā)天線和放電室均設于金屬套筒內部，所述電磁線圈套設于金屬套筒外部，所述放電室的末端設有雙階柵極系統(tǒng)，所述雙階柵極系統(tǒng)包括距離放電室由近及遠依次設置的屏柵、引出柵、加速柵和減速柵，所述屏柵、引出柵、加速柵和減速柵上均設有柵極孔。
[0007]進一步地，所述金屬套筒為鈦合金套筒。鈦合金質量輕、物理化學性能穩(wěn)定、強度高，是用于航天領域的優(yōu)選材料。
[0008]進一步地，所述電磁線圈由金屬銅制成。
[0009]進一步地，所述柵極孔呈同心圓式排布，即柵極孔的中心位于同心圓或同心圓的中心上，以產(chǎn)生較高的離子透過率。
[0010]進一步地，所述屏柵、引出柵、加速柵和減速柵由鉬或碳基復合材料制成。
[0011]與現(xiàn)有技術比較，本發(fā)明所述的一種雙階柵極螺旋波離子推進裝置結合螺旋波等離子體無電極的優(yōu)勢以及可產(chǎn)生高密度等離子體的特點，采用雙階柵極高效加速離子而產(chǎn)生推力，可以實現(xiàn)推進器在高功率下工作，實現(xiàn)高比沖、高推進能力的可靠性能，可作為一種大功率等離子體推進裝置而滿足未來長壽命衛(wèi)星平臺、空間站和深空探測器等大型航天器的在比沖和推力性能方面的需求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明實施例雙階柵極螺旋波離子推進裝置結構示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明實施例中所述的雙階柵極系統(tǒng)結構原理示意圖。
[0014]圖3是本發(fā)明實施例中柵極板結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]如圖1所示，一種雙階柵極螺旋波離子推進裝置，包括放電室102、螺旋波激發(fā)天線101、金屬套筒105、電磁線圈103和雙階柵極系統(tǒng)104，且套設于放電室102外部，所述螺旋波激發(fā)天線101和放電室102均設于金屬套筒105內部，與金屬套筒105同軸設置，所述電磁線圈103套設于金屬套筒105外部，電磁線圈103主要起到提供磁場的作用，金屬套筒105在作為繞線箍的同時起到屏蔽作用，即屏蔽螺旋波激發(fā)天線101向外部空間輻射能量，而使射頻產(chǎn)生的功率全部約束在放電室102內。所述放電室頂部設有工質氣體入口 106，工質氣體供應系統(tǒng)主要提供中性工質氣體，工質氣體從工質氣體入口進入放電室102，放電室102的末端設有雙階柵極系統(tǒng)104。
[0016]所述螺旋波激發(fā)天線101與射頻功率源相連，電流流過螺旋波激發(fā)天線101激發(fā)了隨時間變化的磁場，進而產(chǎn)生電場，電場加速氣體中的自由電子直至發(fā)生電離，形成等離子體，基于螺旋波等離子體在膨脹磁場中存在的無電流雙層效應加速離子能夠產(chǎn)生一定的推力。
[0017]如圖2所示，所述雙階柵極系統(tǒng)104包括距離放電室由近及遠依次設置的柵極板:屏柵201、引出柵202、加速柵203和減速柵204，所述屏柵201、引出柵202、加速柵203和減速柵204上均設有柵極孔205。對于傳統(tǒng)柵極的離子推進器，推力密度的限制在于屏柵和加速柵之間離子的引出和加速過程相互耦合所致。解決該問題的思路便是將離子的引出和加速過程分離，需在屏柵和加速柵之間增置一個引出柵，即為雙階柵極，從而實現(xiàn)離子的引出和加速過程分離，進而滿足大功率等離子體推進裝置的設計和性能要求。離子運動出柵極系統(tǒng)時，會與中性原子發(fā)生偶然的電荷交換(CEX)碰撞。這些碰撞的結果會產(chǎn)生低能量的離子，低能量離子被電場加速向加速柵撞擊，引起柵極的濺射侵蝕。所以，在下游經(jīng)常會設置一個減速柵，用以保護加速柵免受CEX離子的撞擊。
[0018]所述金屬套筒105為鈦合金套筒。鈦合金質量輕、物理化學性能穩(wěn)定、強度高，是用于航天領域的優(yōu)選材料。
[0019]所述電磁線圈103由金屬銅制成，銅具有良好的導電性電磁線圈103的長度大于螺旋波激發(fā)天線101的長度。
[0020]如圖3所示，所述柵極孔205呈同心圓式排布，位于中間的柵極孔205的圓心為柵極板的中心，其余柵極孔的中心均位于以柵極板中心為圓心的同心圓上，以此方式排布在柵極板上，以便于離子引出，產(chǎn)生較高的離子透過率。
[0021]所述屏柵201、引出柵202、加速柵203和減速柵204由鉬或碳基復合材料制成。
[0022]本實施例采用螺旋波等離子體源與雙階柵極結合的方式可以實現(xiàn)推進器在高功率下工作，實現(xiàn)高比沖、高推進能力的可靠性能。
[0023]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種雙階柵極螺旋波離子推進裝置，其特征在于:包括放電室、螺旋波激發(fā)天線、金屬套筒、電磁線圈和雙階柵極系統(tǒng)，所述螺旋波激發(fā)天線與射頻功率源相連，且套設于放電室外部，所述螺旋波激發(fā)天線和放電室均設于金屬套筒內部，所述電磁線圈套設于金屬套筒外部，所述放電室的末端設有雙階柵極系統(tǒng)，所述雙階柵極系統(tǒng)包括距離放電室由近及遠依次設置的屏柵、引出柵、加速柵和減速柵，所述屏柵、引出柵、加速柵和減速柵上均設有柵極孔。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙階柵極螺旋波離子推進裝置，其特征在于:所述金屬套筒為鈦合金套筒。
3.根據(jù)權利要求1所述的雙階柵極螺旋波離子推進裝置，其特征在于:所述電磁線圈由金屬銅制成。
4.根據(jù)權利要求1所述的雙階柵極螺旋波離子推進裝置，其特征在于:所述柵極孔呈同心圓式排布。
5.根據(jù)權利要求1所述的雙階柵極螺旋波離子推進裝置，其特征在于:所述屏柵、引出柵、加速柵和減速柵由鉬或碳基復合材料制成。
【文檔編號】F03H1/00GK104454417SQ201410597251
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權日:2014年10月29日
【發(fā)明者】夏廣慶, 徐宗琦, 郝劍昆, 薛偉華, 王鵬, 鄒存祚, 吳秋云, 周念東 申請人:大連理工大學