一种无中和器的螺旋波等离子体推进装置的制作方法

本发明涉及一种无中和器的螺旋波等离子体推进装置，属于航天器推进技术领域。

背景技术：

传统的卫星平台等类型的航天器姿态调整主要是通过化学推进，化学推进在应用中存在很多问题，目前在该领域主要发展电推进，电推进相对于化学推进来说主要优点是高比冲，高推力精度等；电推进常用的是等离子体推力器，目前的等离子体推力器中，大部分都采用加速正离子的方式产生推力，其需要安装中和器发射电子对喷出的正离子进行中和，否则导致航天器自充电，对其通信及电子器件造成损害，而这类结构的等离子体推力器的中和器性能成为制约电推力器工作状态和寿命的重要因素，因此，需要一种无中和器的等离子推进装置。

技术实现要素：

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种无中和器的螺旋波等离子体推进装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种无中和器的螺旋波等离子体推进装置，包括工质供应单元和螺旋波等离子体源，所述螺旋波等离子体源包括放电室、电磁线圈、陶瓷套筒和螺旋波激发天线，所述螺旋波激发天线与射频功率源相连且套设于放电室前部外侧，所述螺旋波激发天线和其所在位置的放电室位于陶瓷套筒内部，所述电磁线圈套设于陶瓷套筒外部；所述放电室前端设有与工质供应单元相连通的气体入口，放电室后端依次设有加速栅极和减速栅极，所述加速栅极和减速栅极上均设有栅极孔；所述加速栅极通过电容与射频电源串联，射频电源和减速栅极接地。

优选的，所述射频电源的频率在电子等离子体频率和离子等离子体频率之间。

本申请的工作原理为：工质供应单元(一般为氩气储箱)将气体通过气体入口输送至放电室内，在放电室经螺旋波激发天线激发形成包含电子和离子的等离子体，等离子体经抽取和加速至放电室的外部，形成等离子体束流。本申请的加速栅极采用串联电容和射频电源，利用双栅极抽取系统中的自偏压效应，离子和电子从等离子体中抽出，并且加速到很高的速度。当射频电压仅仅加在两个和等离子体紧密接触的栅极之间时，其等效的电路和轴对称电容放电的电路相似。

离子和电子对于振荡电场响应的时间不同，从而产生自偏压效应。因此，质量大的离子被加速。在减速栅极板前面的孔里，存在一个正的均电势差，并且以高速离开推进装置，从而产生推力。同时，更轻的电子，在一个短的脉冲串内，对几乎同时产生的电场作出响应，同时从等离子体中抽出。当振荡等离子体电势趋于零时，在系统中不存在任何直流电流，因此，抽取的总的离子和电子的数量是平均相等，从而能很好的补偿由连续加速的离子和脉冲电子束流。

本申请的有益效果为：提出了一种无中和器的等离子体推进装置，其中等离子体的产生采用的螺旋波等离子体源具有无电极烧蚀、等离子体密度高和电离率高的优点。同时其喷出的束流为电子和离子构成的准中性束流。可以避免航天器自带电，提高推力器的可靠性，从而可以延长航天器的寿命。等离子体的产生和加速均没有电极烧蚀，同时兼顾了等离子体电离度高的优点，并且和传统的磁喷管式推力器相比，比冲更高，推力更大，性能更好

经实验证明，本申请的技术方案和传统的直流加速具有同样的效率。但是在射频电压的加速下，电子被定向抽取。束流的浮动电势比使用中和器的直流加速栅极的更低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的加速栅极的等效射频电路。

图3为本发明的加速栅极和减速栅极结构示意图。

图4为本发明的等离子体电势波形图。

具体实施方式

下面将对本发明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，都属于本发明保护的范围。

如图1-图4所示的一种无中和器的螺旋波等离子体推进装置，包括工质供应单元4和螺旋波等离子体源，所述螺旋波等离子体源包括放电室100、电磁线圈1、陶瓷套筒2和螺旋波激发天线3，所述螺旋波激发天线3与射频功率源相连且套设于放电室100前部外侧，所述螺旋波激发天线3和其所在位置的放电室100位于陶瓷套筒2内部，所述电磁线圈1套设于陶瓷套筒2外部；所述放电室100前端设有与工质供应单元4相连通的气体入口，放电室100后端依次设有加速栅极51和减速栅极54，所述加速栅极51和减速栅极54上均设有栅极孔；所述加速栅极51通过电容53与射频电源52串联，射频电源52和减速栅极54接地55。对于特定的情况，参考电势可能是地。但是对于其它的情况，例如在空间领域，参考电势可能是相关的卫星和探测器；

射频电源rf52提供的信号的频率，在几mhz和几百mhz，其频率在电子等离子体频率和离子等离子体频率之间。

在图2中，电容53与射频电源52和地55相连。字母p表示等离子体。

cint表示加速栅极51和减速栅极54之间的电容。

b1表示在等离子体和加速栅极51之间形成的鞘层，可以用一个与电容平行的二极管表示，b2表示等离子体与减速栅极54之间形成的鞘层，用一个与电容平行的二极管表示。

二极管的存在，是因为离子不能跟随栅极之间的外加的射频电源52提供的信号的电场的连续的改变，而电子可能跟随电场的连续的改变。这是因为与离子的质量相比，电子的质量很小，并且外加的射频电源52的频率在电子等离子体频率和离子等离子体频率之间，因此，射频电源52作用的的时候，电容53充电。

电容53的充电在电容的末端产生了一个直流电压(dc)。最后，获得一个电压vrf+dc，在射频源52形成的装置的末端，与电容串联。

电压vrf+dc的固定分量dc，使栅极51和54之间有电场存在。信号vrf的平均值为0。dc的值因此用于抽取和加速栅极51和54之间的正离子。

同时，电容和是不同的，因为栅极51,54在装置中的布局不同。确实，从等离子体中的正离子和电子的观点来看，位于栅极51下游的栅极54，相对于束流60的方向，有一个有效的表面面积比加速栅极51的有效的表面面积要小，因为减速栅极54，

当射频电压vrf通过射频电源52外加上的时候，电压由与电容53相串联的射频电源52形成的装置的末端电压因为这里表示等离子体和加速栅极51之间形成的电势差，而表示在等离子体和第二个鞘层之间形成的电势差。

加速栅极51外加射频电源52提供的射频信号，通过电容53与等离子体相连，并且和等离子体相互作用。等离子体电势为加速栅极的电势vrf+dc。

对于减速栅极54，也与等离子体相互作用，但是仅在很短的时间间隔内。在这个间隔内，电子和正离子被抽取，也就是当vrf+dc低于一个门槛电势φcr的时候,低于门槛电势的时候，鞘层消失。

图4表明了一个等离子体电势随时间发展的例子，通过在加速栅极51上的电容53与外加的射频电压52相连。

虚线表示固定的dc分量，这里为550v，这里与电容53的存在有关。这个分量定义了等离子体中的由加速栅极51,减速栅极54抽取和加速的正离子的能量。

等离子体电势变化在极大值(+1050v；50v)，绕着固定的分量(550v)，因为这是由射频电源52提供的射频信号。

当等离子体电势获得关键的可以使鞘层消失的电势以后，电子和正离子被从加速栅极51和减速栅极54抽取和加速。这里门槛电势φcr＝200v。等离子体的频率为13.56mhz。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。