本發(fā)明涉及一種空間衛(wèi)星的電推進(jìn)系統(tǒng)，具體涉及一種分辨力為微牛級(jí)的半橢球型射頻離子微推力器。

背景技術(shù)：

隨著中國(guó)空間引力波探測(cè)計(jì)劃的啟動(dòng)，急需研制微型電推進(jìn)系統(tǒng)用以執(zhí)行衛(wèi)星等太空飛行器高精度姿態(tài)控制、軌道轉(zhuǎn)移以及無(wú)拖曳控制等任務(wù)。因射頻離子推力器原理簡(jiǎn)單、推力范圍寬、調(diào)制能力強(qiáng)、無(wú)內(nèi)置陰極和易小型化等特點(diǎn)，被選為重點(diǎn)研究對(duì)象。

射頻離子微推進(jìn)系統(tǒng)一般包含七個(gè)部分，即微推力器、中和器、電源處理單元、射頻發(fā)生器、流量控制器、減壓閥和Xe貯罐，而微推力器是微推進(jìn)系統(tǒng)的核心，其工作原理如圖1所示。工質(zhì)Xe氣通過氣體分配器01進(jìn)入電離室03。當(dāng)射頻天線02通上射頻電流時(shí)，在電離室03內(nèi)部產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，繼而感生出渦流電場(chǎng)E。這種電磁場(chǎng)對(duì)中性原子和離子的作用可以忽略不計(jì)，而電子獲得足夠能量后撞擊中性原子，使其電離，形成射頻自持放電，無(wú)需額外的電子源。電離室03中的離子被離子光學(xué)系統(tǒng)04加速噴出，形成羽流并產(chǎn)生推力。僅需調(diào)節(jié)射頻功率大小即可實(shí)現(xiàn)推力快速調(diào)節(jié)和高精度控制。此外，中和器05發(fā)射電子流，中和推力器的離子流，使整個(gè)系統(tǒng)維持電中性。

射頻離子微推進(jìn)技術(shù)是未來微、小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)高精度姿態(tài)與軌道控制的希望之一，如何提高電推進(jìn)系統(tǒng)的效率和壽命一直以來都是國(guó)際電推進(jìn)行業(yè)的研究主題。傳統(tǒng)的射頻離子推力器電離室多為圓柱形，近些年有人提出將其改為半圓形或錐形，以期望提高推力器的放電效率，取得了一定效果，但微推力器的效率還是偏低。在國(guó)內(nèi)，之前并沒有相關(guān)單位開展過射頻離子微推進(jìn)技術(shù)的研究工作，為了滿足空間引力波探測(cè)和重力場(chǎng)測(cè)量等空間科學(xué)任務(wù)的微推進(jìn)需求，亟需一種高精度、低噪聲、長(zhǎng)壽命和高效率的射頻離子微推力器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高精度、低噪聲、長(zhǎng)壽命和高效率的射頻離子微推力器。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種分辨力為微牛級(jí)的半橢球型射頻離子微推力器，包括：電離室、射頻天線、進(jìn)氣系統(tǒng)、屏蔽罩、離子光學(xué)系統(tǒng)、電纜夾頭；所述電離室為半橢球形。

進(jìn)一步，所述射頻天線繞制在半橢球形電離室外側(cè)，采用LC諧振及調(diào)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

進(jìn)一步，所述進(jìn)氣系統(tǒng)包括依次連接的Xe氣儲(chǔ)罐、減壓閥、流量控制器、進(jìn)氣鋼管、軟管、氣體分配器；所述氣體分配器為前置環(huán)形氣體分配器。

進(jìn)一步，所述屏蔽罩為鋁合金殼體，用于屏蔽射頻天線向外發(fā)射的電磁波，以免干擾衛(wèi)星其他電子系統(tǒng)，同時(shí)起到固定、支撐其他部件的作用，所述電纜夾頭用以固定正、負(fù)高壓電纜及射頻電纜。

進(jìn)一步，所述離子光學(xué)系統(tǒng)由從內(nèi)至外的屏柵、碟形加速柵、碟形減速柵三柵極組成，其中屏柵的材料為鉬，接正高壓(900V～1800V)；碟形加速柵材料為高分子石墨，接負(fù)高壓(-100V～-300V)；碟形減速柵材料為殷鋼并接地。

進(jìn)一步，所述電離室的材質(zhì)為氧化鋁陶瓷，外表面具有螺旋形凹槽，所述射頻天線繞在所述凹槽內(nèi)。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果：

1、電離室設(shè)計(jì)成半橢球形，有效降低離子生成能；

2、射頻天線繞制在半橢球形電離室外側(cè)，采用LC諧振及調(diào)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；

3、設(shè)計(jì)前置氣體分配器，相較于后置氣體分配器，可有效提高氣體電離效率及等離子體均勻度。

本發(fā)明提供的一種分辨力為微牛級(jí)的半橢球型射頻離子微推力器性能良好，當(dāng)推力量程在百微牛級(jí)時(shí)，推力分辨力可達(dá)微牛級(jí)。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的射頻離子微推力器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例射頻離子微推力器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例射頻離子微推力器的工作狀態(tài)照片。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例射頻離子微推力器的離子束流與功率的關(guān)系圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例射頻離子微推力器的比沖、推力與功率的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。

實(shí)施例一：

如圖2所示，本發(fā)明提供一種分辨力為微牛級(jí)的半橢球型射頻離子微推力器，包括：電離室09、射頻天線10、進(jìn)氣系統(tǒng)、屏蔽罩12、離子光學(xué)系統(tǒng)11、電纜夾頭13，14；電離室09為半橢球形。

射頻天線2繞制在半橢球形電離室1外側(cè)，采用LC諧振及調(diào)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

進(jìn)氣系統(tǒng)包括依次連接的Xe氣儲(chǔ)罐(圖中未示出)、減壓閥(圖中未示出)、流量控制器(圖中未示出)、進(jìn)氣鋼管06、軟管07、氣體分配器08；氣體分配器為前置環(huán)形氣體分配器。

電離室09的材質(zhì)為氧化鋁陶瓷，外表面具有螺旋形凹槽，射頻天線10繞在凹槽內(nèi)。

電離室09設(shè)計(jì)成半橢球形，并選用絕緣材料氧化鋁陶瓷制成，相較于傳統(tǒng)的圓柱形電離室，可以節(jié)省10％-15％的射頻功率，從而有效提高推力器的電效率。

射頻天線10使用外徑為2mm的鍍銀紫銅管繞在半橢球形電離室外表面凹槽內(nèi)，兩端分別穿過電纜固定件，并聯(lián)電容器后再連接到射頻發(fā)生器(此為微推進(jìn)系統(tǒng)的一部分，不屬于微推力器內(nèi)容)。由于在空間引力波探測(cè)和重力場(chǎng)測(cè)量等空間科學(xué)項(xiàng)目中要求無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因此射頻匹配器不可能采用可變電容，所以射頻天線10的匹配在此采用LC諧振及調(diào)頻技術(shù)，這是與地面射頻離子源研制不同的地方之一(地面射頻離子源一般是采用L型、T型或π型可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò))。

屏蔽罩12為鋁合金殼體，用于屏蔽射頻天線10向外發(fā)射的電磁波，以免干擾衛(wèi)星其他電子系統(tǒng)，同時(shí)起到固定、支撐其他部件的作用。

如圖2所示，離子光學(xué)系統(tǒng)11由從內(nèi)至外分別為平面屏柵、碟形加速柵、碟形減速柵三柵極組成，其中屏柵的材料為鉬，接正高壓900V～1800V；碟形加速柵材料為高分子石墨，接負(fù)高壓-100V～-300V；碟形減速柵材料為殷鋼并接地。

柵極系統(tǒng)主要功能是抽取電離室內(nèi)的Xe離子并將其加速噴出，產(chǎn)生反向推力。三柵極系統(tǒng)與兩柵極系統(tǒng)相比，其使用壽命更長(zhǎng)，聚焦性能更好。

電纜夾頭13，14用以固定正、負(fù)高壓電纜及射頻電纜。

工質(zhì)Xe氣從儲(chǔ)罐流經(jīng)減壓閥、流量控制器和進(jìn)氣鋼管06，然后分三路流經(jīng)軟管07和前置環(huán)形氣體分配器08后進(jìn)入電離室。相較于后置氣體分配器(圖1所示)，此種前置環(huán)形氣體分配器08的優(yōu)點(diǎn)在于氣體分配均勻、單個(gè)Xe原子在電離室09內(nèi)的逗留時(shí)間較長(zhǎng)，從而提高了等離子體的均勻性和工質(zhì)利用率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本發(fā)明的分辨力為微牛級(jí)的半橢球型射頻離子微推力器的工作狀態(tài)如圖3所示，從圖中可以看出其離子聚焦性能良好，羽流基本對(duì)稱分布。此外，通過優(yōu)化射頻頻率(4.5MHz)，提高了射頻功率耦合效率，在最大推力500μN(yùn)時(shí)，比沖約為2200s，總效率接近20％。在固定氣流量和柵極電壓，僅通過調(diào)節(jié)射頻功率的情況下，可獲得1.5mA-8mA的離子束流，如圖4所示。在7mA以內(nèi)，推力器功率與離子束流成線性關(guān)系。當(dāng)離子束流超過7mA時(shí)，加速柵電流急劇增加，這會(huì)嚴(yán)重影響離子光學(xué)系統(tǒng)的使用壽命。圖5為根據(jù)束流和加速電壓估算得出地推力與比沖范圍，其最小推力還可以通過調(diào)節(jié)加速電壓和工質(zhì)流量下降到約40μN(yùn)。總功率在12.3W-31.4W內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)可獲得96μN(yùn)-503μN(yùn)的連續(xù)可調(diào)推力，其比沖為416s～2190s。

本實(shí)施例的推力器目前能達(dá)到1μN(yùn)分辨力和噪聲水平，這主要受電源處理單元和射頻電源的影響，理論上如果更換成超穩(wěn)電源處理單元及射頻電源后將能實(shí)現(xiàn)0.1μN(yùn)的分辨力和噪聲水平。

以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。