一种基于射频自偏压原理的离子推力器的制作方法

本发明属于航天器推进技术领域，具体涉及一种用于空间的基于射频自偏压原理的离子推力器。

背景技术：

栅极离子推力器是一种静电加速离子产生推力的等离子体设备，其具有比冲高、寿命长、推力小且控制精度高的特点，广泛应用于航天器的姿态控制、位置保持、阻力补偿、轨道修正、深空探索等任务。为使喷射到空间中的羽流呈电中性，栅极离子推力器必须安装中和器发出电子与正离子中和，因此中和器的特性及寿命很大程度上制约了推力器的进一步发展。设计具有长寿命高运行稳定性的栅极离子推力器对空间推进领域具有重要意义。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明提供了一种用于空间推进的基于射频自偏压原理的离子推力器，其通过射频自偏压效应同时引出离子和电子并保证羽流电中性，解决了使用中和器的局限性，从而大幅度提高离子推力器的寿命和运行稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于射频自偏压原理的离子推力器，包括射频源、射频天线、功率分配及匹配系统、电离室和加速栅极装置；其中，

电离室为圆柱形放电腔体，用于为气体工质电离及等离子体形成提供密闭区域，射频源与功率分配及匹配系统设置于电离室外部，射频天线设置于电离室顶面，并通过石英玻璃与电离室内部隔离，电离室侧面上均匀分布有若干工质输入通道，加速栅极装置设置于电离室底面，包括由内至外依次平行设置的屏栅和加速栅，射频源与功率分配及匹配系统的一端与射频天线相连接，另一端通过隔离电容与加速栅极装置的屏栅相连接。

本发明进一步的改进在于，还包括铁氧体，其与射频天线配合使用，用于增强射频天线的平面感应线圈。

本发明进一步的改进在于，射频源的频率为4mhz，其施加在加速栅极装置上的射频电压最大峰峰值为700v。

本发明进一步的改进在于，屏栅与加速栅由均采用不锈钢制成，且呈圆形形状，其直径为80mm，均匀分布有若干直径1.5mm的引出孔，两栅极间距为2mm。

本发明进一步的改进在于，电离室包括金属外层以及设置在金属外层内侧的绝缘层。

本发明进一步的改进在于，绝缘层为聚四氟乙烯绝缘层。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明射频自偏压离子推力器，采用向栅极施加射频电压形成自偏压效应，以此实现正离子的持续引出与电子的脉冲式引出，在无需中和器的情况下即使羽流保持电中性，有效地消除了中和器对离子推力器运行稳定性及使用寿命的限制。

附图说明

图1为本发明基于射频自偏压原理的离子推力器的结构示意图。

图中：1-功率分配及匹配装置，2-铁氧体，3-射频天线，4-石英玻璃，5-绝缘层，6-工质输入通道，7-金属外层，8-屏栅，9-加速栅，10-隔离电容。

图2为本发明的射频天线示意图。

图3为本发明的加速栅极装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于射频自偏压原理的离子推力器，包括射频源、射频天线3、功率分配及匹配系统1、电离室和加速栅极装置。电离室为圆柱体放电腔体，用于为气体工质电离及等离子体形成提供密闭区域，电离室侧面均匀分布有若干工质输入通道6，使电离室内均匀充入工质气体，提高放电效率，射频源与功率分配及匹配系统1固定于电离室外部，射频天线3固定于圆柱体电离室顶面，经石英玻璃4与放电室内部隔离，所述圆柱体电离室底面设置有加速栅极装置，包括由内至外依次平行设置的屏栅8和加速栅9。

工作时，工质气体经工质输入通道6持续输入电离室，同时射频功率源通过功率分配与匹配系统1将射频能量分别输送至平面射频天线3和栅极加速装置，射频天线3将射频能量耦合至工质气体从而使其电离，生成低气压高密度等离子体(主要由正离子和电子组成)，在栅极加速装置上施加射频电压后，将在屏栅8和加速栅9间形成射频自偏压持续加速正离子从而产生推力，同时在每一射频周期内脉冲式引出电子，实现羽流中和。

射频自偏压离子推力器使用的平面射频天线3示意图如图2所示，该射频天线3为铁氧体增强多匝平面感应线圈。感应耦合等离子体主要有平面式、圆柱式和凹腔式三种耦合方式，本发明由于结构原因，使用圆柱式或凹腔式感应线圈将增加推力器复杂度，因此使用平面式感应线圈作为射频天线3传输射频能量，同时通过铁氧体2增强射频天线耦合系数，进而提高推力器总效率。射频天线与电离室通过石英玻璃4隔离，石英玻璃4具有耐高温、膨胀系数低、耐热震性、化学稳定性和电绝缘性能良好，能够避免天线3与等离子体直接接触造成腐蚀影响使用寿命。

电离室采用圆柱形腔体，有利于提高输入工质气体均匀度，从而提高工质利用效率。射频天线3(平面式感应线圈)耦合至圆柱形腔体横截面的射频能量较为均匀，即整体提高了放电均匀性，从而实现该离子推力器运行的稳定性。

栅极加速装置分为屏栅8与加速栅9，由不锈钢制成，均为圆形形状，直径为80mm，两栅极间距为2mm，其实均匀分布直径1.5mm的引出孔，如图3所示。射频电压通过隔离电容10施加到屏栅8上，加速栅9接地。(加速原理)由于屏栅8和加速栅9与等离子体有效接触面积不同(加速栅9有效接触面积小于屏栅8)，形成于屏栅8和加速栅9前的空间电荷鞘层也具有较大差异，导致几乎全部射频电压施加在加速栅9前鞘层上，同时在栅极间形成直流偏置电压，因此屏栅8与加速栅9之间电压值表示为v=vdc+v0sin(ωt)(vdc为栅极间直流偏置电压，v0为施加的射频电压幅值，ω为射频电压角频率)，栅极间的直流电场加速正离子向加速栅9引出孔运动。由于射频电压振荡，栅极间电压在每射频周期内存在一极小值，此时空间电荷鞘层厚度小于引出孔径和栅极间距，电子在这段时间内漂移至加速栅9引出孔。上述过程通过持续加速正离子喷出产生推力，并脉冲式引出电子保证羽流准中性。

综上，本发明可以很大程度提高离子推力器的寿命与稳定性，整体提高推力器性能，可广泛应用于位置保持、阻力补偿及无人深空探测等任务。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于射频自偏压原理的离子推力器，包括电离室、射频天线、和加速栅极装置等；电离室用于为气体工质电离及等离子体形成提供密闭区域，射频源与功率分配及匹配系统设置于电离室外部，射频天线设置于电离室顶面，并通过石英玻璃与电离室内部隔离，电离室侧面上均匀分布有若干工质输入通道，加速栅极装置设置于电离室底面，包括由内至外依次平行设置的屏栅和加速栅，射频源与功率分配及匹配系统的一端与射频天线相连接，另一端通过隔离电容与加速栅极装置的屏栅相连接。本发明通过射频自偏压效应进行正离子加速与电子引出，无需中和器即可保证羽流准中性并减小空间电荷对推力器作用，提高了推力器的整体性能与运行稳定性。

技术研发人员：孙安邦;许鹏;李昊霖;张冠军;沈岩;耿金越
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2018.10.09
技术公布日：2019.01.08