无磁路微波同轴谐振离子推力器及推力形成方法技术

本发明专利技术提出无磁路微波同轴谐振离子推力器及推力形成方法。所述离子推力器包括绝缘底板、屏蔽外壳、谐振腔体、屛栅、加速栅、微波馈入接头、谐振腔室、放电室和微波接线开口。本发明专利技术所述的微波同轴谐振离子推力器，是通过同轴谐振器，利用馈入的微波在谐振腔的一端形成强驻波电场，从而电离工质形成等离子体，进而用栅极引出形成推力。极引出形成推力。极引出形成推力。

【技术实现步骤摘要】
无磁路微波同轴谐振离子推力器及推力形成方法


[0001]本专利技术属于空间电推进
，特别是涉及无磁路微波同轴谐振离子推力器及推力形成方法。

技术介绍

[0002]离子推力器是空间电推进应用最广的两种电推力器之一(另一种为霍尔推力器)。离子推力器具备比冲高、寿命长的显著优势，广泛应用于轨道保持、深空探测、卫星组网、太空科学探测等多种空间任务中。其采用电离与加速分离的设计，主要结构包括电离室和栅极两个部分。在电离室通过多种手段形成等离子体后，等离子体通过多孔栅极进行轴向加速喷出形成推力。通常而言，就放电室内的电离手段不同，离子推力器被划分为多个类型，而微波离子推力器是其中极具潜力的一种。
[0003]微波离子推力器由于其结构复杂度低，无电极放电，形成等离子体中性且稳定性高等优势，成为离子推力器目前研究的热点之一。由于其适用于小尺度放电室，其在中小推力需求的任务中具备相当大的应用前景。目前，国际上常见的几款微波离子推力器均为电子回旋共振(ECR)电离源，其使用线圈或永磁体在放电室内形成电子回旋共振区，使用波导、天线等器件将微波馈入放电室中引发微波放电。然而，由于磁场的介入，微波离子推力器面临着多个无法解决的问题，包括磁路带来的航天器磁矩干扰、器件干扰，耐高温能力显著降低(永磁体、线圈的工作温度很难超过300℃)、推力器放电室内等离子体不均匀、可靠性降低等。
[0004]为了彻底解决微波离子推力器磁路带来的影响，采用了一种同轴谐振器等离子体源，来代替传统的ECR等离子体源。其可以在无磁路的情况下，通过同轴谐振原理在放电区形成驻波强电场，从而电离气体形成等离子体。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是为了解决传统ECR微波离子推力器中磁路带来的磁矩/器件干扰、可靠性降低等问题，提出了无磁路微波同轴谐振离子推力器及推力形成方法。本专利技术所述的微波同轴谐振离子推力器，是通过同轴谐振器，利用馈入的微波在谐振腔的一端形成强驻波电场，从而电离工质形成等离子体，进而用栅极引出形成推力。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出无磁路微波同轴谐振离子推力器，所述离子推力器包括绝缘底板1、屏蔽外壳2、谐振腔体3、屛栅4、加速栅5、微波馈入接头6、谐振腔室7、放电室8和微波接线开口9；所述屏蔽外壳2与谐振腔体3同轴，二者之间存在间隙，所述屏蔽外壳2与谐振腔体3固定在绝缘底板1上；所述屛栅4固定在谐振腔体3上；所述加速栅5与所述屛栅4平行设置，二者之间存在间隙；所述谐振腔体3的外层结构与中心结构之间的同轴镂空形成了谐振腔室7，所述谐振腔室7的开口端为放电室8，谐振腔体3的中心结构上存在通孔，作为气体工质的进气口，所述微波馈入接头6安装在谐振腔体3侧面，与谐振腔体3垂直；所述屏蔽外壳2侧面的微波接线开口9与微波馈入接头6同轴。
[0007]进一步地，所述微波馈入接头6的内芯与谐振腔体3的中心结构相连，而微波馈入接头6的屏蔽极与谐振腔体3的外层结构相连。
[0008]进一步地，所述屛栅4与加速栅5之间绝缘，其之间通过垫片陶瓷连接结构实现绝缘。
[0009]进一步地，所述谐振腔室7的长度为奇数倍的微波1/4波长。
[0010]进一步地，所述谐振腔体3采用高电导率的金属材料，其内表面进行光滑处理。
[0011]进一步地，所述屛栅4和加速栅5均采用耐溅射金属材料，所述放电室8采用陶瓷材料包裹来提高放电室性能。
[0012]进一步地，所述微波馈入接头6选用SMA接头或N
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type接头。
[0013]进一步地，各结构之间通过螺栓方式进行固定安装。
[0014]进一步地，所述微波同轴谐振离子推力器通过绝缘底板1与航天器整体相连接；微波馈入接头6为标准接头，与微波同轴传输线连接，传输线通过微波接线开口9穿过屏蔽外壳2与航天器上的微波源相连；所述屏蔽外壳2通过导线连接电源系统的公共负极，所述屛栅4通过导线与屛栅电源的正极连接，所述加速栅5通过导线与加速栅电源的负极连接；所述导线通过绝缘底板1上的开孔进入推力器。
[0015]本专利技术还提出一种基于无磁路微波同轴谐振离子推力器的推力形成方法，所述微波同轴谐振离子推力器在运行时，工质气体通过谐振腔体3末端的进气口进入推力器放电室8内，微波功率通过微波馈入接头6进入谐振腔室7中；在谐振腔室7中，微波在短路端和开路端均会发生反射，当谐振腔室7长度为奇数倍的微波波长时，在谐振腔室7内会产生驻波，从而在开路端形成强驻波电场；该驻波电场将放电室8内的工质气体电离，形成等离子体，所述等离子体在屛栅4与加速栅5产生的电场作用下，离子被轴向加速，形成羽流喷射出推力器，从而形成推力。
[0016]本专利技术的有益效果为：
[0017]本专利技术提出的无磁路微波同轴谐振离子推力器及推力形成方法，通过采用同轴谐振器作为离子推力器的等离子体源，免除了传统微波离子推力器需要采用的磁路结构，大幅提升推力器可靠性的同时，避免了磁性元件带来的对航天器磁矩干扰、器件影响，使推力器的耐高温能力大幅提升。同时，由于没有磁场的约束，放电室内形成的等离子体更加均匀，各向同性大大提升，使放电模型更为简化，有利于控制模型的建立，从而提升推进系统的可调可控性。以上工作特性使本专利技术的推力器应用范围更加广泛，在高精度探测任务应用的可能性进一步提高。
附图说明
[0018]图1是本专利技术所述推力器正面示意图。
[0019]图2是本专利技术所述推力器侧面剖面结构示意图。
[0020]图3是本专利技术所述推力器侧面外观示意图。
[0021]图4是本专利技术所述推力器结构立体外观示意图。
[0022]图5是本专利技术所述推力器整体的工作原理示意图。
具体实施方式
[0023]下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0024]结合图1
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图5，本专利技术提出无磁路微波同轴谐振离子推力器，所述离子推力器包括绝缘底板1、屏蔽外壳2、谐振腔体3、屛栅4、加速栅5、微波馈入接头6、谐振腔室7、放电室8和微波接线开口9；所述屏蔽外壳2与谐振腔体3同轴，二者之间存在间隙，所述屏蔽外壳2与谐振腔体3固定在绝缘底板1上；所述屛栅4固定在谐振腔体3上；所述加速栅5与所述屛栅4平行设置，二者之间存在间隙；所述谐振腔体3的外层结构与中心结构之间的同轴镂空形成了谐振腔室7，所述谐振腔室7的开口端为放电室8，谐振腔体3的中心结构上存在通孔，作为气体工质的进气口，所述微波馈入接头6安装在谐振腔体3侧面，与谐振腔体3垂直；所述屏蔽外壳2侧面的微波接线开口9与微波馈入接头6同轴。
[0025]所述微波馈入接头6的内芯与谐振腔体3的中心结构相连，而微波馈入接头6的屏蔽极与谐振腔体3的外层结构相连。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.无磁路微波同轴谐振离子推力器，其特征在于，所述离子推力器包括绝缘底板(1)、屏蔽外壳(2)、谐振腔体(3)、屛栅(4)、加速栅(5)、微波馈入接头(6)、谐振腔室(7)、放电室(8)和微波接线开口(9)；所述屏蔽外壳(2)与谐振腔体(3)同轴，二者之间存在间隙，所述屏蔽外壳(2)与谐振腔体(3)固定在绝缘底板(1)上；所述屛栅(4)固定在谐振腔体(3)上；所述加速栅(5)与所述屛栅(4)平行设置，二者之间存在间隙；所述谐振腔体(3)的外层结构与中心结构之间的同轴镂空形成了谐振腔室(7)，所述谐振腔室(7)的开口端为放电室(8)，谐振腔体(3)的中心结构上存在通孔，作为气体工质的进气口，所述微波馈入接头(6)安装在谐振腔体(3)侧面，与谐振腔体(3)垂直；所述屏蔽外壳(2)侧面的微波接线开口(9)与微波馈入接头(6)同轴。2.根据权利要求1所述的离子推力器，其特征在于，所述微波馈入接头(6)的内芯与谐振腔体(3)的中心结构相连，而微波馈入接头(6)的屏蔽极与谐振腔体(3)的外层结构相连。3.根据权利要求1所述的离子推力器，其特征在于，所述屛栅(4)与加速栅(5)之间绝缘，其之间通过垫片陶瓷连接结构实现绝缘。4.根据权利要求1所述的离子推力器，其特征在于，所述谐振腔室(7)的长度为奇数倍的微波1/4波长。5.根据权利要求1所述的离子推力器，其特征在于，所述谐振腔体(3)采用高电导率的金属材料，其内表面进行光滑处理。6.根据权利要求1所述的离子推力器，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾明，刘辉，于达仁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：