阶梯栅极射频离子推进装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明实施例涉及航空航天电推进技术领域，尤其涉及一种阶梯栅极射频离子推进装置。
【背景技术】
[0002]电推进技术是太空飞行器和人造卫星最理想的推进系统。利用能量源(如射频功率源)将工质气体电离产生等离子体，然后通过各种加速方式加速等离子体中带正电的离子使其获得较高的速度，加速后的离子再与带负电的电子中和后喷出，产生推力，推动飞行器。电推进技术因其具有高比冲，低能耗，污染小等特点，正逐步取代小推力化学能推进器；并且，对于人类未来的深空探测计划，电推进系统是唯一可行的推进方案。
[0003]在众多的电推进器中，离子推进器属于静电式电推进器。目前已被世界各航天大国作为绝大部分太空飞行器的主、辅推进系统；其中最具代表性的推进器有XIPS-13、NATRA-30等。离子光学系统是离子推进器最重要的部件之一，由屏栅和加速栅组成，承担着加速离子的重要使命。
[0004]但是，由于栅极直接暴露在等离子体环境中，所以等离子体会对栅极产生腐蚀，如何延长栅极的使用寿命是目前各航天大国急需解决的技术难题。
【发明内容】
[0005]本发明实施例提供一种阶梯栅极射频离子推进装置，以克服现有技术中等离子体对栅极产生腐蚀，栅极的寿命过短的问题。
[0006]本发明实施例提供了一种阶梯栅极射频离子推进装置，包括:
[0007]射频天线、电离室、屏栅、加速栅、中和器；
[0008]所述射频天线环绕在电离室外部，用于激发等离子体，所述电离室提供所述等离子体发生区域，并限制所述等离子体在所述区域内，所述电离室的一端用于输入工质气体，所述屏栅、所述加速栅和所述中和器位于所述电离室的另一端，所述屏栅用于引出正离子，所述加速栅用于加速所述正离子，并且所述加速栅的截面为阶梯型结构，所述中和器用于发射中和所述正尚子的电子。
[0009]进一步地，所述电离室的材料为氮化硼。
[0010]进一步地，所述栅极的材料为锗。
[0011]本发明实施例阶梯栅极射频离子推进装置，射频天线环绕在电离室外部激发等离子体，该电离室的一端用于输入工质气体，屏栅、加速栅和中和器位于该电离室的另一端，所述屏栅用于引出正离子，所述加速栅极用于加速所述正离子，并且该加速栅的截面为阶梯型结构，所述中和器用于发射中和所述正离子的电子，本发明实施例阶梯栅极射频离子推进装置，阶梯型加速栅极可以降低离子撞击栅极的机率，减少栅极腐蚀，进而大大延长推进器的寿命。
【附图说明】
[0012]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0013]图1为本发明阶梯栅极射频离子推进装置结构示意图；
[0014]图2为本发明阶梯栅极射频离子推进装置中加速栅局部放大图；
[0015]图3为本发明阶梯栅极射频离子推进装置与传统离子加速通道发散角数值模拟的结果对比图；
[0016]图4A为本发明阶梯栅极射频离子推进装置中离子加速通道与传统离子加速通道径向电场数值模拟的结果对比图；
[0017]图4B为本发明阶梯栅极射频离子推进装置中离子加速通道与传统离子加速通道径向电场数值模拟的结果对比图；
[0018]图5A为本发明阶梯栅极射频离子推进装置中离子加速通道与传统离子加速通道离子数密度数值模拟结果对比图；
[0019]图5B为本发明阶梯栅极射频离子推进装置中离子加速通道与传统离子加速通道离子数密度数值模拟结果对比图；
[0020]图6为本发明阶梯栅极射频离子推进装置中加速栅极局部截面尺寸示意图。
【具体实施方式】
[0021]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]图1为本发明阶梯栅极射频离子推进装置结构示意图，如图1所示，本实施例的装置可以包括:
[0023]射频天线101、电离室102、屏栅103、加速栅104、中和器105 ；
[0024]所述射频天线101环绕在电离室102外部，用于激发等离子体，所述电离室102提供所述等离子体发生区域，并限制所述等离子体在所述区域内，所述电离室101的一端用于输入工质气体，所述屏栅103、所述加速栅104和所述中和器105位于所述电离室101的另一端，所述屏栅103用于引出正离子，所述加速栅104用于加速所述正离子，并且所述加速栅104截面为阶梯型结构，所述中和器105用于发射中和所述正离子的电子。
[0025]进一步地，所述电离室的材料为氮化硼。
[0026]进一步地，所述栅极的材料为锗。
[0027]具体来说，工作时由射频功率源产生射频能量输送给环绕在电离室外部的螺旋型的射频天线，同时，气体供应系统开始工作，工质气体源源不断的输入到放电室内，并在射频天线的作用下电离成高密度等离子体。等离子体中带正电的离子进入栅极系统后，本实施中屏栅电压为1500V，加速栅电压为-200V，离子沿轴向电场方向加速，获得较高的轴向速度，喷出后产生推力推动飞行器。在本实施例中电离室的材料采用氮化硼，栅极的材料采用锗。图2为本发明阶梯栅极射频离子推进装置中加速栅局部放大图，如图2所示，该加速栅截面为阶梯型结构，在屏栅和加速栅组成的离子光学系统中，存在多个由该屏栅和加速栅所构成的离子加速通道，每个通道均采用这种结构。
[0028]如图3所示，发散角损失ε div是离子推力器的推力损失的重要组成部分，加速栅极结构的改变会对推力发散角损失造成一定的影响。阶梯状结构栅极系统和普通结构栅极系统的发散角损失均随着J的增大呈现出先减小后增大的趋势。这是因为阶梯状结构加速栅未明显改变系统的聚焦过程，仍遵循普通结构栅极系统的“欠聚焦”、“聚焦”到“过聚焦”的演变过程。阶梯状结构栅极系统的发散角损失明显小于普通结构栅极系统。造成这种现象的原因是阶梯状加速栅结构设计使得下游区域的径向电场强度变弱，离子速度沿径向偏转减弱。
[0029]如图4A和图4B所示，图4A所示的未传统栅极结构产生的径向电场，图4B为本实施例中阶梯型加速栅极产生的径向电场，比传统栅极产生更小的径向电场，这意味着更高的能源利用率，和更低的羽流污染。阶梯状结构栅极系统中，加速栅极在气体流动方向的下游的径向电场比传统栅极小，故其对离子束流的非轴向加速也更少，离子的发散角损失更小，这样能提高离子的轴向喷出速度，提高能量利用效率。
[0030]如图5A和图5B所示，图5A为传统栅极结构对应的脱离主束流区域的离子数量，相比于传统栅极结构，图5B所示的本实施例中阶梯形结构加速栅极系统内脱离主束流区域的离子更少些，减少了系统离子损失，提高能量利用效率。
[0031]图6为阶梯型栅极局部横截面尺寸图，如图6所示，本实施例中加速栅的每一级阶梯的宽度和长度相同。
[0032]本发明实施例阶梯栅极射频离子推进装置，射频天线环绕在电离室外部激发等离子体，该电离室的一端用于输入工质气体，屏栅、加速栅和中和器位于该电离室的另一端，所述屏栅用于引出正离子，所述加速栅极用于加速所述正离子，并且该加速栅的截面为阶梯型结构，所述中和器用于发射中和所述正离子的电子，本发明实施例阶梯栅极射频离子推进装置，阶梯型加速栅极可以降低离子撞击栅极的机率，减少栅极腐蚀，进而大大延长推进器的寿命。
[0033]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【主权项】
1.一种阶梯栅极射频离子推进装置，其特征在于，包括: 射频天线、电离室、屏栅、加速栅、中和器； 所述射频天线环绕在电离室外部，用于激发等离子体，所述电离室提供所述等离子体发生区域，并限制所述等离子体在所述区域内，所述电离室的一端用于输入工质气体，所述屏栅、所述加速栅和所述中和器位于所述电离室的另一端，所述屏栅用于引出正离子，所述加速栅用于加速所述正离子，并且所述加速栅截面为阶梯型结构，所述中和器用于发射中和所述正离子的电子。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加速栅的每一级阶梯的宽度和长度相同。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述电离室的材料为氮化硼。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述栅极的材料为钼。
【专利摘要】本发明实施例提供一种阶梯栅极射频离子推进装置。本发明装置，包括：射频天线、电离室、屏栅、加速栅、中和器；所述射频天线环绕在电离室外部，用于激发等离子体，所述电离室提供所述等离子体发生区域，并限制所述等离子体在所述区域内，所述电离室的一端用于输入工质气体，所述屏栅、所述加速栅和所述中和器位于所述电离室的另一端，所述屏栅用于引出正离子，所述加速栅用于加速所述正离子，并且所述加速栅截面为阶梯型结构，所述中和器用于发射中和所述正离子的电子。本发明实施例提供了一种阶梯型加速栅极结构，阶梯型加速栅极可以降低离子撞击栅极的机率，减少栅极腐蚀，进而大大延长推进器的寿命。
【IPC分类】F03H1-00
【公开号】CN104595140
【申请号】CN201510037134
【发明人】夏广庆, 郝剑昆, 王鹏, 邹存祚, 徐宗琦
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月23日