一种电弧加热式螺旋波等离子体电推进装置，包括：螺旋波等离子体激发天线、石英放电室、套筒、喷管、空心阴极和阳极；套筒是一段直圆管，一端封闭并开孔，用于连接射频功率源，另一端连接阳极；石英放电室位于套筒内，一端紧贴套筒开孔端，另一端与空心阴极连接；螺旋波等离子体激发天线缠绕，在石英放电室外表面；空心阴极位于套筒内，一端连接石英放电室，另一端伸入阳极的空腔内，与阳极形成放电电极；阳极一端与套筒相连接；阳极另一端连接喷管。本装置在现有螺旋波等离子体电推进装置中增加了阳极和空心阴极这对电极，利用其放电产生的电弧对推进工质进行二次电离和对等离子体进行加热，进一步提高推进工质的电离率和等离子体的内能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及等离子体领域，尤其是一种高离子喷出速度、高推进能力的等离子体电推进装置。
技术介绍
目前的电推进技术产生的推力较小，已经实际应用的电推进装置产生的推力在几十到几百毫牛量级，并不能完全取代传统的化学推进装置完成大冲量航天飞行任务，如频繁变轨、快速机动和载人深空飞行等。未来的航天任务对于推进装置的要求是高比冲、大推力，因此发展大推力高比冲电推进技术是将来的必然趋势。要想提高电推进装置的比冲和推力，装置内离子浓度及离子喷出速度是决定因素。在目前大部分使用和研制的等离子体推进装置中，等离子体主要是通过推进工质与高能电子的碰撞而产生，这种方式的电离效率较低，推进工质选择范围很窄。为了克服该缺点，螺旋波双层推进器或螺旋波等离子体推进器得到了迅速发展，这类推进装置具有高等离子体密度和高电离率的螺旋波等离子体源，依靠螺旋波等离子体双层效应加速离子。通过进一步的实验研究表明，仅依靠螺旋波等离子体双层效应加速离子而作为推进方式的效果并不好，目前，螺旋波等离子体推进器加速离子的能力也显不足，无法满足未来长寿命卫星平台、空间站和深空探测器的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电弧加热式螺旋波等离子体电推进装置，解决电离效率低、推进工质选择范围窄的问题。具体的，本专利技术提供了一种电弧加热式螺旋波等离子体电推进装置，包括：螺旋波等离子体激发天线、石英放电室、套筒、喷管、空心阴极和阳极；所述套筒是一段直圆管，一端封闭并开孔，用于连接射频功率源，另一端连接所述阳极；所述石英放电室位于所述套筒内，靠近开孔端，一端紧贴所述套筒的开孔端，另一端与空心阴极连接；所述螺旋波等离子体激发天线缠绕并固定在所述石英放电室外表面；所述空心阴极位于所述套筒内，一端连接所述石英放电室，另一端伸入所述阳极的空腔内，与阳极形成放电电极；所述阳极一端与套筒相连接；所述阳极另一端连接喷管。进一步地，还包括电磁线圈a和电磁线圈b；所述电磁线圈a由铜芯导线单股多层缠绕而成，固定在所述套筒外圆周面；所述电磁线圈b由铜芯导线单股多层缠绕而成，环绕固定在所述阳极的斜锥段外表面；所述电磁线圈a和电磁线圈b材质为耐高温铜芯导线。进一步地，所述套筒材质为碳纤维复合材料。进一步地，所述石英放电室为两端开口的空腔形玻璃筒，一端紧贴所述套筒的开孔端，另一端与空心阴极连接。进一步地，所述螺旋波等离子体激发天线由一根铜芯导线绕制而成，缠绕在所述石英放电室外围圆周面上并固定，两端头连接外部射频功率源形成回路。进一步地，所述空心阴极材料选用钨合金，为空心直棒，一端螺纹连接并固定于所述石英放电室的螺纹端，另一端伸入所述阳极的空腔。进一步地，所述阳极整体结构形式为法兰形，内部为通孔，材料选用金属钼，并与外部高压电相连。进一步地，所述喷管为圆锥扩张形，喉部连接阳极末端，另一端为扩张的锥形段，材质为钛合金，内表面镶嵌一层保护陶瓷。特别地，本专利技术提供了一种使用所述的电弧加热式螺旋波等离子体电推进装置的方法。本专利技术在现有螺旋波等离子体电推进装置中增加了阳极和空心阴极这对电极，利用其放电产生的电弧对推进工质进行二次电离和对等离子体进行加热，进一步提高推进工质的电离率和等离子体的内能，同时本装置结构简单，便于安装及维修。缩略语和关键术语螺旋波等离子体：螺旋波是一种在与磁场平行的等离子体柱中传播的哨声波，属于右旋圆偏振电磁波，其频率介于电子回旋频率和离子回旋频率之间。螺旋波激发中性气体产生等离子体的放电模式具有很高的电离效率。双层效应：双层是指在等离子体中，出现正负电荷分离，在一定的空间尺度内，等离子体准中性状态被破坏，形成正、负电荷层，电势发生突变，具有一定的电势降的现象。广泛认为等离子体中的离子是通过等离子体中形成的双层电势降而被加速。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1是本专利技术的电弧加热式螺旋波等离子体电推进装置结构示意图。图中：1-螺旋波等离子体激发天线、2-石英放电室、3-套筒、4-空心阴极、5-阳极、6-电磁线圈a、7-电磁线圈b、8-喷管。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术提供了一种电弧加热式螺旋波等离子体电推进装置，包括：螺旋波等离子体激发天线1、石英放电室2、套筒3、电磁线圈a6、电磁线圈b7和喷管8，还包括：空心阴极4和阳极5。套筒3是一段直圆管，用于形成外部结构，支撑和固定电推进装置各个组成部分，材质为碳纤维复合材料，碳纤维复合材料具有良好的加工特性且轻质、强度高、耐高温，是理想的支撑结构材料，内直径为φ100mm，一端封闭并开孔φ10mm，用于连接射频功率源，另一端为通孔φ100mm，用于连接阳极5。石英放电室2位于套筒3内，靠近φ10mm开孔端，石英放电室2为两端开口的空腔形玻璃筒，用于提供等离子体生成空间，直径φ80，一端紧贴套筒3的φ10开孔端，另一端与空心阴极4螺纹连接，便于形成的等离子体流经空心阴极4到达阳极5处。螺旋波等离子体激发天线1由一根铜芯导线绕制而成，缠绕在石英放电室2外围圆周面上并固定，两端头连接外部射频功率源形成回路，这样可将外部射频电源产生的螺旋波引入到石英放电室2内，作用于工质上用于激发推进工质形成等离子体。螺旋波等离子体激发天线1可增加趋肤深度，感应场能够穿透整个等离子体区，有助于约束电子从而获得更长电离时间，可提供额外的操作参数用来改变等离子体参数，例如密度均匀性等。空心阴极4位于套筒3内，材料选用耐高温、耐烧蚀的钨合金，为外径φ80mm、内腔φ60mm的空心直棒，长度为300mm，一端螺纹连接并固定于石英放电室2的螺纹端，并与外加低压电相连，另一端伸入阳极5的空腔内，与阳极5形成放电电极。电磁线圈a6由铜芯导线单股多层缠绕而成，环绕固定在套筒外圆周面，为耐高温铜芯导线，用于形成轴向磁场约束螺旋波的传播方向，实现石英放电室2内的电离。阳极5安装于套筒3的φ100mm开孔端，整体结构形式为法兰形，内部通孔直径为φ100mm，材料选用耐高温、高强度的金属钼，并与外部高压电相连接。阳极5和空心阴极4形成放电电极，在电压差作用下放电形成电弧，用于对石英放电室2输送过来的推进工质进行二次电离，进一步提高推进工质的电离率，同时可对形成的等离子体进行加热，提高其能量。阳极5末端连接圆锥形扩张喷管8，喉部内径为φ100mm，连接阳极5末端，另一端为扩张的锥形段，内径最大为φ200mm，喷管8材质为钛合金，内表面镶嵌一层保护陶瓷，钛合金具有质量轻的特点，可减轻装置的重量。电磁线圈b7为耐高温铜芯导线，由铜芯导线单股多层缠绕而成，环绕固定在阳极5的斜锥段外表面，形成的径向磁场可以对等离子体进行约束，使其停留时间长，电离更加充分，同时形成的轴向磁场对带正电的离子产生洛伦茨力的作用，可加速带正电离子的轴向运动，提高其喷射速度，从而增加整体产生的推力。工作时，空心阴极4与外加低压电相连，阳极5与与外部高压电相连，由外部射频功率源产生固定频率的推进工质，并输送到石英放电室2，由螺旋波等离子体激发天线1外部射频功率源和电磁线圈a6共同的作用下产生的工质等离子体化过程，形成的等离子体和未被等离子体化的工质一起通过空心阴极4进入阳极5和空心阴极本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电弧加热式螺旋波等离子体电推进装置，其特征在于，包括：螺旋波等离子体激发天线、石英放电室、套筒、喷管、空心阴极和阳极；所述套筒是一段直圆管，一端封闭并开孔，用于连接射频功率源，另一端连接所述阳极；所述石英放电室位于所述套筒内，靠近开孔端，一端紧贴所述套筒的开孔端，另一端与空心阴极连接；所述螺旋波等离子体激发天线缠绕并固定在所述石英放电室外表面；所述空心阴极位于所述套筒内，一端连接所述石英放电室，另一端伸入所述阳极的空腔内，与阳极形成放电电极；所述阳极一端与套筒相连接；所述阳极另一端连接喷管。
【技术特征摘要】
1.一种电弧加热式螺旋波等离子体电推进装置，其特征在于，包括：螺旋波等离子体激发天线、石英放电室、套筒、喷管、空心阴极和阳极；所述套筒是一段直圆管，一端封闭并开孔，用于连接射频功率源，另一端连接所述阳极；所述石英放电室位于所述套筒内，靠近开孔端，一端紧贴所述套筒的开孔端，另一端与空心阴极连接；所述螺旋波等离子体激发天线缠绕并固定在所述石英放电室外表面；所述空心阴极位于所述套筒内，一端连接所述石英放电室，另一端伸入所述阳极的空腔内，与阳极形成放电电极；所述阳极一端与套筒相连接；所述阳极另一端连接喷管。2.根据权利要求1所述的一种电弧加热式螺旋波等离子体电推进装置，其特征在于，还包括电磁线圈a和电磁线圈b；所述电磁线圈a由铜芯导线单股多层缠绕而成，固定在所述套筒外圆周面；所述电磁线圈b由铜芯导线单股多层缠绕而成，环绕固定在所述阳极的斜锥段外表面；所述电磁线圈a和电磁线圈b材质为耐高温铜芯导线。3.根据权利要求1所述的一种电弧加热式螺旋波等离子体电推进装置，其特征在于，所述套筒材质为碳纤维复合材料。4.根据权利要求1至3任一所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗杨，葛晓飞，王忠晶，刘宇航，王清正，李贺军，
申请(专利权)人：北京机械设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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