一种基于分段阳极的混合效应环型离子推力器的制作方法

本发明属于电推进技术领域，更具体地说是一种基于分段阳极的混合效应环型离子推力器。

背景技术：

2020年初，我国探月计划“嫦娥工程三期”顺利完成，初步建立了深空探测网，火星探测计划提上议事日程。而开展火星探测任务的首要难题是探测器的运载问题，探测器要摆脱地球引力进入火星轨道，其飞行速度需超过第二宇宙速度。与此同时，探测器要经过极长的飞行时间，期间还要经受各种力、热和辐射的干扰。因此，开展火星探测任务对探测器推力器的推力、功率、比冲、效率和使用寿命等性能提出了更高的要求。研发更大推力和更高功率的电推力器将对我国未来的航天任务起到至关重要的作用。

环型离子推力器正是面向未来大功率乃至超大功率推进需求的新型电推进器。通过改变放电室的结构环型离子推力器突破了典型离子推力器的尺寸和输入功率限制，可大幅提升离子推力器的推力等性能，同时具备许多其他潜在优势。但同时，由于其放电阴极偏置导致存在放电困难、粒子分布周向不均等问题。这一问题大大限制了环型离子推力器的进一步发展及应用。

技术实现要素：

为了提高现有环型离子推力器的放电性能，提高其放电室内粒子分布均匀性，并提高电离率和等离子体密度，本发明基于分段阳极思路，提出了一种耦合多种效应的新型环型离子推力器。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于分段阳极的混合效应环型离子推力器，所述的环型离子推力器包括分段阳极、环形栅极、环形永磁体组、外环环形工质分配器、偏置放电阴极和中和器。

所述的分段阳极包括分段上外环阳极101、分段底面阳极102、分段上内环阳极103、分段下外环阳极104、分段下内环阳极105、绝缘体a101、绝缘体a102、绝缘体a103、绝缘体a104、绝缘体a105、绝缘体a106；所述的分段上外环阳极101为薄壁圆筒形结构，分段上外环阳极101的上端面上安装有厚壁圆筒形结构的绝缘体a101，下端面上安装有厚壁圆筒形结构的绝缘体a102；所述的分段底面阳极102为薄壁圆板形结构，分段底面阳极102的外圆边安装有厚壁圆筒形结构的绝缘体a103，内圆边安装有厚壁圆筒形结构的绝缘体a104；所述的分段上内环阳极103为薄壁圆筒形结构，分段上内环阳极103的上端面上安装有厚壁圆筒形结构的绝缘体a105，下端面上安装有厚壁圆筒形结构的绝缘体a106；所述的分段下外环阳极104为薄壁圆筒形结构，分段下外环阳极104的上端面上安装有厚壁圆筒形结构的绝缘体a102，下端面上安装有厚壁圆筒形结构的绝缘体a103；所述的分段下内环阳极105为薄壁圆筒形结构，分段下内环阳极105的上端面上安装有厚壁圆筒形结构的绝缘体a106，下端面上安装有厚壁圆筒形结构的绝缘体a104；所述的绝缘体a101为厚壁圆筒形结构，绝缘体a101安装在分段上外环阳极101的上游端部；所述的绝缘体a102为厚壁圆筒形结构，绝缘体b102安装在分段上外环阳极101的下游端部和分段下外环阳极104上游端部并连接分段上外环阳极101和分段下外环阳极104；所述的绝缘体a103为厚壁圆筒形结构，绝缘体a103安装在分段底面阳极102的外圆边和分段下外环阳极104的下游端部并连接分段底面阳极102和分段下外环阳极104；所述的绝缘体a104为厚壁圆筒形结构，绝缘体b104安装在分段底面阳极102的内圆边和分段下内环阳极的下游端部并连接分段底面阳极102和分段下内环阳极105；所述的绝缘体a105为厚壁圆筒形结构，绝缘体a105安装在分段上内环阳极103的上游端部；所述的绝缘体a106为厚壁圆筒形结构，绝缘体b106安装在分段上内环阳极103的下游端部和分段下内环阳极105的上游端部并连接分段上内环阳极103和分段下内环阳极105；所述的分段上外环阳极101、分段底面阳极102、分段上内环阳极103、分段下外环阳极104、分段下内环阳极105、绝缘体a101、绝缘体a102、绝缘体a103、绝缘体a104、绝缘体a105、绝缘体a106轴向重合、相互之间绝缘。

所述的环形栅极2包括加速栅极201、屏栅极202、绝缘体b201、绝缘体b202、绝缘体b203和绝缘体b204；所述的绝缘体b201为厚壁圆筒形，绝缘体b201的内外径与绝缘体a101的内外径相同，绝缘体b201与绝缘体a101同轴；所述的绝缘体b202为厚壁圆筒形，绝缘体b202的内外径与绝缘体a105的内外径相同，绝缘体b202与绝缘体a105同轴；所述的绝缘体b203为厚壁圆筒形，绝缘体b203的内外径与绝缘体b202的内外径相同，绝缘体b203与绝缘体b202同轴；所述的绝缘体b204为圆板形，绝缘体b204的外径与绝缘体b203的内径相同，绝缘体b204安装在绝缘体b203内部，并与绝缘体b203同轴；所述的加速栅极201为环形板结构，加速栅极201的内外径尺寸与屏栅极202结构相同；所述的屏栅极202为环形板结构，屏栅极202上分布多个直径相同的圆形通孔，屏栅极202的内径与分段上内环阳极103的内径相同，屏栅极202的外径与分段上外环阳极101的外径相同，屏栅极202安装在绝缘体a101和绝缘体a105的上游端面和绝缘体b201和绝缘体b202的下游端面上，屏栅极202与绝缘体b201同轴；所述的加速栅极201上开有多个直径相同的圆形通孔，通孔的位置与屏栅极202通孔的位置相同，加速栅极201上通孔的直径小于屏栅极202通孔的直径；所述的加速栅极201安装在绝缘体b201和绝缘体b202的上游端面和绝缘体b203的下游端面上，加速栅极201与屏栅极202同轴；安装后屏栅极202和加速栅极201相对应的通孔轴线重合。

所述的环形永磁体组包括环形永磁体401、环形永磁体402、环形永磁体403、环形永磁体404、环形永磁体405；所述的环形永磁体401、环形永磁体402、环形永磁体403、环形永磁体404和环形永磁体405；所述的环形永磁体401和环形永磁体403内表面为n级；所述的环形永磁体405上表面为n级；所述的环形永磁体402和环形永磁体404内表面为s级；所述的环形永磁体401和环形永磁体402安装在分段上外环阳极101外表面，环形永磁体401位于上游，环形永磁体402位于下游；所述的环形永磁体403安装在分段上内环阳极103内表面与环形永磁体401对应的位置处；所述的环形永磁体404安装在分段上内环阳极103内表面与环形永磁体402对应的位置处；所述的环形永磁体401、所述的环形永磁体402、所述的环形永磁体403和环形永磁体404为径向冲刺的环形永磁体，环形永磁体405为轴向充磁的永磁体；所述的环形永磁体405安装在分段底面阳极102的下游端面上。

所述的外环环形工质分配器包括细圆管501和进气孔502；细圆管501为环形安装在分段上外环阳极101上并位于屏栅极202下游；进气孔502位于细圆管501内测，各进气孔间隔10°，在细圆管501均匀分布；推进工质可以从进气孔502向环型离子推力器内部发射工质气体。

所述的偏置放电阴极301为圆柱形安装在分段底面阳极102上并位于分段下外环阳极104与分段下内环阳极105中间，且与分段底面阳极102相互绝缘，偏置放电阴极301可以向环型离子推力器内部发射电子。

所述的中和器302为圆柱形安装在绝缘体d204上，中和器302可以向环型离子推力器外部发射电子。

进一步的，所述的分段上外环阳极101、分段底面阳极102、分段上内环阳极103、分段下外环阳极104和分段下内环阳极105接电源正极，偏置放电阴极301和屏栅极202接电源负极；所述的分段上外环阳极101、分段底面阳极102、分段上内环阳极103、分段下外环阳极104和分段下内环阳极105电势可独立调节，分段下外环阳极104和分段下内环阳极105不相等以产生径向电场；所述的分段上外环阳极101、分段底面阳极102、分段上内环阳极103、分段下外环阳极104和分段下内环阳极105电势可独立调节，分段下外环阳极104和分段下内环阳极105的电势大于偏置放电阴极301和屏栅极202的电势；偏置放电阴极301和屏栅极202的电势相等。

进一步的，所述的加速栅极201和中和器302接电源负极，且二者的电势相同。

进一步的，所述的中和器301的发射体由六硼化镧制成，外壳由金属钼制成。

进一步的，所述的分段上外环阳极101、分段底面阳极102、分段上内环阳极103、分段下外环阳极104和分段下内环阳极105由金属材料制成。

进一步的，所述的绝缘体a101、绝缘体a102、绝缘体a103、绝缘体a104、绝缘体a105、绝缘体a106、绝缘体b201、绝缘体b202、绝缘体b203和绝缘体b204由绝缘材料制成。

一种基于分段阳极的混合效应环型离子推力器的工作原理如下：

首先，中性推进工质气体从进气口502进入由分段阳极和环形栅极构成的放电室内部，在放电室内部形成密度自上而下减小的背景气体，以减弱阴极附近中性工质气体对原子周向漂移的影响。在屏栅极202的限流作用下，仅有较少的中性推进工质可以流出放电室。

其次，分段下外环阳极104与分段下内环阳极105之间形成径向电场，环形永磁体402与环形永磁体404与环形永磁体405形成以平行于偏置放电阴极301轴线的轴向分量为主的磁场，并与径向电场在偏置放电阴极301的下游区域形成e×b交叉场，同时环形永磁体401、环形永磁体402、环形永磁体403、环形永磁体404和环形永磁体405形成环尖形磁拓扑结构。

再次，偏置放电阴极301发射高能电子进入放电室内部。高能电子首先在偏置放电阴极301下游区域的e×b交叉场中进行圆周方向的霍尔漂移，当这些电子扩散出e×b交叉场区域，又在环尖形磁拓扑结构中被磁镜效应约束，所以在非e×b交叉场区域，这些电子的漂移运动将被限制在放电室内的弱磁场区(磁场强度小于50-60gauss的区域)。由于这些电子具有极高能量所以可以电离放电室内的中性推进工质气体，产生等离子体。由于电离产生的二次电子可以继续在e×b交叉场中被电场加速或能，因而可以继续电离中性推进工质。在e×b交叉场的霍尔效应和磁镜效应的相互耦合作用下，电子与中性原子碰撞的概率可得到极大的加强。由于离子的拉莫尔半径远大于电子的拉莫尔半径，所以离子在放电室内的运动主要由电场驱动。

随后，由于屏栅极202的电压远小于分段上外环阳极101和分段上内环阳极103的电压，所以放电室内流向屏栅极202的电子将在屏栅极负电压的作用下被反弹回放电室内。而放电室内的离子则被屏栅极202的负电位吸引并逐渐流向屏栅极。然后，流向屏栅极的离子被屏栅极202聚焦引出，继而在屏栅极202和加速栅极201间的高电势差作用下加速喷出，从而形成束流并产生推力。由于屏栅极202和加速栅极201可以聚焦离子，所以离子在栅极上的损耗很低。同时，由于加速栅极201与中和器301电位相等，所以离子在中和器301上的损失也很低。因此，绝大多数离子可以从栅极喷出并产生推力，而放电室内的电子则主要在阳极上损失。

最后，由栅极系统加速喷出的离子被中和器301喷出的电子中和形成羽流。

本发明的有益效果是：首先继承了现有环型离子推力器的优势，包括中和器与推力器一体化，整体结构简洁节省空间；双阳极增大了电离面积可进一步提高放电室输入功率；环形结构解决了栅极跨度过大的问题，可降低栅极制造难度。在此基础上，本发明还具有更显著的优势：其一进入放电过程耦合了霍尔效应和磁镜效应，既可以促进电子在圆周方向的运动又可以有效的约束电子，同时使放电过程及放电室内的粒子分布更加均匀，同时又可以增大栅极的使用寿命；其二由于采用了霍尔效应进行放电，推力器的放电过程更加高效稳定；其三由于耦合了磁镜效应和霍尔效应，可进一步提高电离率，增加推力器内等离子体密度。

附图说明

图1本发明基于分段阳极的混合效应环型离子推力器二分之一剖体图；

图2本发明基于分段阳极的混合效应环型离子推力器过轴线截面图；

图中：101分段上外环阳极；102分段底面阳极；103分段上内环阳极；104分段下外环阳极；105分段下内环阳极；a101第一绝缘体；a102第二绝缘体；a103第三绝缘体；a104第四绝缘体；a105第五绝缘体；a106第六绝缘体；201加速栅极；202屏栅极；b201第七绝缘体；b202第八绝缘体；b203第九绝缘体；b204绝缘体；401第一环形永磁体；402第二环形永磁体；403第三环形永磁体；404第四环形永磁体；405第五环形永磁体；501细圆管；502进气孔；1磁场线拓扑结构示意；2电场线拓扑结构示意。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述本发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示的一种基于分段阳极的混合效应环型离子推力器，包括分段阳极、环形栅极、环形永磁体组、外环环形工质分配器、偏置放电阴极301和中和器；

所述的分段阳极包括分段上外环阳极101、分段底面阳极102、分段上内环阳极103、分段下外环阳极104、分段下内环阳极105、第一绝缘体a101、第二绝缘体a102、第三绝缘体a103、第四绝缘体a104、第五绝缘体a105和第六绝缘体a106；所述的分段上外环阳极101为薄壁圆筒形结构，其上端面和下端面上分别安装有厚壁圆筒形结构的第一绝缘体a101和第二绝缘体a102；所述的分段底面阳极102为薄壁圆板形结构，其外圆边和内圆边分别安装有厚壁圆筒形结构的第三绝缘体a103和第四绝缘体a104；所述的分段上内环阳极103为薄壁圆筒形结构，其上端面和下端面分别安装有厚壁圆筒形结构的第五绝缘体a105和第六绝缘体a106；所述的分段下外环阳极104为薄壁圆筒形结构，其上端面安装有与分段上外环阳极101共用的第二绝缘体a102，其下端面安装有与分段底面阳极102共用的第三绝缘体a103；所述的分段下内环阳极105为薄壁圆筒形结构，其上端面安装与分段上内环阳极103共用的第六绝缘体a106，其下端面安装有与分段底面阳极102共用的第四绝缘体a104；所述的分段上外环阳极101、分段底面阳极102、分段上内环阳极103、分段下外环阳极104、分段下内环阳极105、第一绝缘体a101、第二绝缘体a102、第三绝缘体a103、第四绝缘体a104、第五绝缘体a105和第六绝缘体a106的轴向重合，并且相互之间绝缘；

所述的环形栅极2包括加速栅极201、屏栅极202、第七绝缘体b201、第八绝缘体b202、第九绝缘体b203和第十绝缘体b204；所述的第七绝缘体b201为厚壁圆筒形，其内外径与第一绝缘体a101的内外径相同并同轴；所述的第八绝缘体b202为厚壁圆筒形，其内外径与第五绝缘体a105的内外径相同并同轴；所述的第九绝缘体b203为厚壁圆筒形，其内外径与第八绝缘体b202的内外径相同并同轴；所述的第十绝缘体b204为圆板形，其外径与第九绝缘体b203的内径相同，其安装在第九绝缘体b203内部，并与第九绝缘体b203同轴；所述的加速栅极201和屏栅极202为环形板结构，二者的结构和尺寸相同、同轴，屏栅极202和加速栅极201相对应的通孔轴线重合；所述的加速栅极201和屏栅极202上分布多个直径相同的圆形通孔，加速栅极201上圆形通孔的直径小于屏栅极202圆形通孔的直径，位置一一对应；所述的屏栅极202的内径与分段上内环阳极103的内径相同，屏栅极202的外径与分段上外环阳极101的外径相同，屏栅极202的外边缘夹在第一绝缘体a101和第七绝缘体b201之间，屏栅极202的内边缘夹在第五绝缘体a105和第八绝缘体b202之间；所述的加速栅极201的内边缘夹在第八绝缘体b202和第九绝缘体b203之间，加速栅极201的外边缘安装在第七绝缘体b201上；

所述的环形永磁体组包括第一环形永磁体401、第二环形永磁体402、第三环形永磁体403、第四环形永磁体404和第五环形永磁体405；所述的第一环形永磁体401和第二环形永磁体402安装在分段上外环阳极101外表面，第一环形永磁体401位于上游，第二环形永磁体402位于下游；所述的第三环形永磁体403安装在分段上内环阳极103内表面，与第一环形永磁体401对应的位置处；所述的第四环形永磁体404安装在分段上内环阳极103内表面，与第二环形永磁体402对应的位置处；所述的第五环形永磁体405安装在分段底面阳极102的下游端面上；所述的第一环形永磁体401、所述的第二环形永磁体402、所述的第三环形永磁体403和第四环形永磁体404为径向充磁的环形永磁体，第五环形永磁体405为轴向充磁的永磁体；

所述的外环环形工质分配器包括细圆管501和进气孔502；细圆管501为环形，其安装在分段上外环阳极101上并位于屏栅极202下游；进气孔502均匀分布于细圆管501内侧，各进气孔间隔10°；推进工质从进气孔502向环型离子推力器内部发射工质气体；

所述的偏置放电阴极301为圆柱体，其安装在分段底面阳极102上并与分段底面阳极102相互绝缘，偏置放电阴极301用于向环型离子推力器内部发射电子；

所述的中和器302为圆柱体，其安装在绝缘体d204上，中和器302用于向环型离子推力器外部发射电子。

所述的分段上外环阳极101、分段底面阳极102、分段上内环阳极103、分段下外环阳极104和分段下内环阳极105接电源正极，偏置放电阴极301和屏栅极202接电源负极；所述的分段上外环阳极101、分段底面阳极102、分段上内环阳极103、分段下外环阳极104和分段下内环阳极105电势独立调节，分段下外环阳极104和分段下内环阳极105电势不相等以产生径向电场；所述的分段上外环阳极101、分段底面阳极102、分段上内环阳极103、分段下外环阳极104和分段下内环阳极105的电势大于偏置放电阴极301和屏栅极202的电势；偏置放电阴极301和屏栅极202的电势相等；所述的加速栅极201和中和器302接电源负极，且二者的电势相同。

所述的第一环形永磁体401和第三环形永磁体403内表面为n级；所述的第五环形永磁体405上表面为n级；所述的第二环形永磁体402和第四环形永磁体404内表面为s级。

所述的中和器301的发射体由六硼化镧制成，外壳由金属钼制成；

所述的分段上外环阳极101、分段底面阳极102、分段上内环阳极103、分段下外环阳极104和分段下内环阳极105由金属材料制成。

所述的第一绝缘体a101、第二绝缘体a102、第三绝缘体a103、第四绝缘体a104、第五绝缘体a105、第六绝缘体a106、第七绝缘体b201、第八绝缘体b202、第九绝缘体b203和第十绝缘体b204由绝缘材料制成。

一种基于分段阳极的混合效应环型离子推力器的工作原理如下：

首先，中性推进工质气体从进气口502进入由分段阳极和环形栅极构成的放电室内部，在放电室内部形成密度自上而下减小的背景气体，以减弱阴极附近中性工质气体对原子周向漂移的影响。在屏栅极202的限流作用下，仅有较少的中性推进工质可以流出放电室。

其次，如图2所示，分段下外环阳极104与分段下内环阳极105之间形成径向电场1，环形永磁体402与环形永磁体404与环形永磁体405形成以平行于偏置放电阴极301轴线的轴向分量为主的磁场，并与径向电场在偏置放电阴极301的下游区域形成e×b交叉场，同时环形永磁体401、环形永磁体402、环形永磁体403、环形永磁体404和环形永磁体405形成环尖形磁拓扑结构2。

再次，偏置放电阴极301发射高能电子进入放电室内部。高能电子首先在偏置放电阴极301下游区域的e×b交叉场中进行圆周方向的霍尔漂移，当这些电子扩散出e×b交叉场区域，又在环尖形磁拓扑结构中被磁镜效应约束，所以在非e×b交叉场区域，这些电子的漂移运动将被限制在放电室内的弱磁场区(磁场强度小于50-60gauss的区域)。由于这些电子具有极高能量所以可以电离放电室内的中性推进工质气体，产生等离子体。由于电离产生的二次电子可以继续在e×b交叉场中被电场加速或能，因而可以继续电离中性推进工质。在e×b交叉场的霍尔效应和磁镜效应的相互耦合作用下，电子与中性原子碰撞的概率可得到极大的加强。由于离子的拉莫尔半径远大于电子的拉莫尔半径，所以离子在放电室内的运动主要由电场驱动。

随后，由于屏栅极202的电压远小于分段上外环阳极101和分段上内环阳极103的电压，所以放电室内流向屏栅极202的电子将在屏栅极负电压的作用下被反弹回放电室内。而放电室内的离子则被屏栅极202的负电位吸引并逐渐流向屏栅极。然后，流向屏栅极的离子被屏栅极202聚焦引出，继而在屏栅极202和加速栅极201间的高电势差作用下加速喷出，从而形成束流并产生推力。由于屏栅极202和加速栅极201可以聚焦离子，所以离子在栅极上的损耗很低。同时，由于加速栅极201与中和器301电位相等，所以离子在中和器301上的损失也很低。因此，绝大多数离子可以从栅极喷出并产生推力，而放电室内的电子则主要在阳极上损失。

最后，由栅极系统加速喷出的离子被中和器301喷出的电子中和形成羽流。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。