一种微牛级推力ECR离子推力器栅极组件

一种微牛级推力ecr离子推力器栅极组件
【技术领域】
1.本发明属于航天空间推进技术领域，具体涉及一种微牛级推力ecr离子推力器栅极组件。


背景技术：

2.空间引力波探测计划要求卫星平台提供超低干扰的微重力环境，采用无拖曳控制技术依靠微推力器产生推力可以补偿太阳光压、大气阻尼等外部环境扰动和卫星结构振动、姿态调节等自身扰动的限制。微推力器是无拖曳控制技术的主要执行机构，在满足高推力精度和低推力噪声的同时，还需要提供1-100μn的可调推力范围。微型ecr离子推力器具有寿命长、羽流准直无污染、集成性好、易控制等特点，是一种极具优势的微推力器。但现有微型电子回旋共振离子推力器推力在数百微牛，难以满足无拖曳控制技术的低推力任务需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种微牛级推力ecr离子推力器栅极组件，并与现有的ecr离子源配合使用，以解决现有技术中推力器推力较高的问题，将推力控制在1-100μn之间。
4.所述一种微牛级推力ecr离子推力器栅极组件主要包括屏栅和加速栅，其栅孔按正六边形环状均布。通过选择特定的开孔位置(放电室腔体等离子体高密度区对应位置开孔，低密度区对应位置不开孔)，在保证离子源大推力工况下离子正常引出的同时可以进一步降低推力下限，进而有效的实现了推力范围的精准调控。并且，该栅孔分布方式可以有效减小离子源放电室腔体内工质气体泄漏，进而改善其放电性能。
5.进一步的，加速栅通过螺纹结构与屏栅连接，并通过定位孔进行对齐。其中，屏栅和加速栅在工作时需要保证相互绝缘，二者可以通过螺纹连接、焊接等方式进行连接。
6.进一步的，屏栅通过螺纹结构与离子源连接。
7.进一步的，离子源主要包含气管、推力器定位螺钉、微波接头、微波接头安装螺钉、屏蔽罩、底座、放电室腔体、栅极安装件、外磁环、内磁环、环形微波天线、磁轭、垫片。
8.进一步的，外磁环充磁方向为轴向充磁，磁场方向为外s内n，内磁环充磁方向为轴向充磁，磁场方向为外n内s，内外磁环安装在磁轭上，在放电室腔体内形成磁场，在内外磁环端部形成磁镜场，有效约束电子在ecr区以提高电子获能。磁轭固定在底座上，垫片用于提高放电室气密性。微波接头通过微波接头安装螺钉固定在底座上，其前端安装环形微波天线，用于馈送微波至放电室。
9.屏栅、加速栅通过栅极安装件固定在放电室腔体上，其中栅极安装件不仅用于固定栅极和控制栅极间距，还起到绝缘的作用。
10.工作时，内外磁环在放电室腔体内产生特定磁场，微波经由微波接头、微波天线馈送至放电室腔体内，在ecr区附近形成较强的微波电场。工质气体通过气管、底座进入放电室内，经电子回旋共振效应获能后电离形成等离子体，最后通过屏栅、加速栅将离子引出，
形成推力。
11.本发明的有益效果是，通过对ecr离子推力器栅极组件进行优化改进，在保证离子源大推力工况下离子可以正常引出的同时，进一步降低了推力下限，进而实现推力的精确控制，同时，通过对栅极孔分布的改进，还能够有效的减小离子源放电室腔体内工质气体的泄漏，改善其放电性能。
【附图说明】
12.图1为本发明的一种微牛级推力ecr离子推力器栅极组件栅孔分布方式示意图；
13.图2为屏栅组件的具体结构示意图；
14.图3为加速栅组件的具体结构示意图；
15.图4为ecr离子源结构示意图；
16.图5为实施例中离子源的推力性能曲线。
17.其中：1.气管；2.推力器定位螺钉；3.微波接头；4.微波接头安装螺钉；5.屏蔽罩；6.底座；7.放电室腔体；8.栅极安装件；9.屏栅；10.加速栅；11.外磁环；12.内磁环；13.环形微波天线；14.磁轭；15.垫片。
【具体实施方式】
18.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
19.所述一种微牛级推力ecr离子推力器栅极组件主要包括屏栅(9)和加速栅(10)，其栅孔按正六边形环状均布。通过选择特定的开孔位置(放电室腔体(7)等离子体高密度区对应位置开孔，低密度区对应位置不开孔)，在保证离子源大推力工况下离子正常引出的同时可以进一步降低推力下限，进而有效的实现了推力范围的精准调控。并且，该栅孔分布方式可以有效减小离子源放电室腔体(7)内工质气体泄漏，进而改善其放电性能。
20.进一步的，加速栅(10)通过螺纹结构与屏栅(9)连接，并通过定位孔进行对齐。其中，屏栅(9)和加速栅(10)在工作时需要保证相互绝缘，二者可以通过螺纹连接、焊接等方式进行连接。
21.进一步的，屏栅(9)通过螺纹结构与离子源连接。
22.进一步的，离子源主要包含气管(1)、推力器定位螺钉(2)、微波接头(3)、微波接头安装螺钉(4)、屏蔽罩(5)、底座(6)、放电室腔体(7)、栅极安装件(8)、外磁环(11)、内磁环(12)、环形微波天线(13)、磁轭(14)、垫片(15)。
23.进一步的，外磁环(11)充磁方向为轴向充磁，磁场方向为外s内n，内磁环(12)充磁方向为轴向充磁，磁场方向为外n内s，内外磁环(11、12)安装在磁轭(14)上，在放电室腔体(7)内形成磁场，在内外磁环(11、12)端部形成磁镜场，有效约束电子在ecr区以提高电子获能。磁轭(14)固定在底座(6)上，垫片(15)用于提高放电室气密性。微波接头(3)通过微波接头安装螺钉(4)固定在底座(6)上，其前端安装环形微波天线(13)，用于馈送微波至放电室。
24.屏栅(9)、加速栅(10)通过栅极安装件(8)固定在放电室腔体(7)上，其中栅极安装件(8)不仅用于固定栅极和控制栅极间距，还起到绝缘的作用。
25.工作时，内外磁环(11、12)在放电室腔体(7)内产生特定磁场，微波经由微波接头(3)、微波天线(13)馈送至放电室腔体(7)内，在ecr区附近形成较强的微波电场，工质气体
通过气管(1)、底座(6)进入放电室内，经电子回旋共振效应获能后电离形成等离子体，最后通过屏栅(9)、加速栅(10)将离子引出，形成推力。
26.实施例：
27.下面围绕一个真实的微牛级推力ecr离子推力器展开实验研究，对本发明所涉及的一种微牛级推力ecr离子推力器栅极组件所带来的性能提升进行验证。
28.所述一种微牛级推力ecr离子推力器栅极组件主要包括屏栅(9)和加速栅(10)，其栅孔按正六边形环状均布。通过选择特定的开孔位置(放电室腔体(7)等离子体高密度区对应位置开孔，低密度区对应位置不开孔)，在保证离子源大推力工况下离子正常引出的同时可以进一步降低推力下限，进而有效的实现了推力范围的精准调控。并且，该栅孔分布方式可以有效减小离子源放电室腔体(7)内工质气体泄漏，进而改善其放电性能。
29.进一步的，加速栅(10)厚度ta＝0.25mm，引出孔按正六边形均布，孔数n＝108，孔直径ds＝0.34mm，孔间距th＝1.25mm。4个连接孔圆周均布，通过螺纹结构与屏栅(9)连接，并通过定位孔进行对齐。其中，屏栅(9)和加速栅(10)在工作时需要保证相互绝缘且控制栅极间距t＝0.3mm，二者可以通过螺纹连接、焊接等方式进行连接，仅在本实施例采用螺纹连接的方式。
30.进一步的，屏栅(9)厚度ts＝0.25mm，引出孔按正六边形均布，孔数n＝108，孔直径ds＝0.6mm，孔间距th＝1.25mm。4个连接孔圆周均布，通过螺纹结构与离子源连接。
31.进一步的，离子源主要包含气管(1)、推力器定位螺钉(2)、微波接头(3)、微波接头安装螺钉(4)、屏蔽罩(5)、底座(6)、放电室腔体(7)，栅极安装件(8)、外磁环(11)、内磁环(12)、环形微波天线(13)、磁轭(14)、垫片(15)。
32.进一步的，外磁环(11)充磁方向为轴向充磁，磁场方向为外s内n；内磁环(12)充磁方向为轴向充磁，磁场方向为外n内s，内外磁环(11、12)安装在磁轭(14)上，在放电室腔体(7)内形成磁场；在内外磁环(11、12)端部形成磁镜场，有效约束电子在ecr区以提高电子获能。磁轭(14)固定在底座(6)上，垫片(15)用于提高放电室气密性。微波接头(3)通过微波接头安装螺钉(4)固定在底座(6)上，其前端安装环形微波天线(13)，用于馈送微波至放电室。
33.屏栅(9)、加速栅(10)通过栅极安装件(8)固定在放电室腔体(7)上，其中栅极安装件(8)不仅用于固定栅极和控制栅极间距，还起到绝缘的作用。
34.工作时，内外磁环(11、12)在放电室腔体(7)内产生特定磁场，微波经由微波接头(3)、微波天线(13)馈送至放电室腔体(7)内，在ecr区附近形成较强的微波电场，工质气体通过气管(1)、底座(6)进入放电室内，经电子回旋共振效应获能后电离形成等离子体；最后通过屏栅(9)、加速栅(10)将离子引出，形成推力。
35.通过计算引出离子束流获得推力性能曲线，发现采用本发明的栅极组件，通过调节微波输入功率和施加在栅极上的加速电压，离子源可以获得1-100μn的推力范围。