表面等离子体共振与电子回旋共振双激励式微波推力器的制作方法

本发明所述的表面等离子体共振与电子回旋共振双激励式微波推力器涉及航天器动力技术领域，尤其涉及一种基于低温非平衡等离子体即表面等离子体共振与电子回旋共振等离子体应用于微小卫星动力系统、执行卫星编队和深空探测等任务的推力器。

背景技术：

卫星和空间探测器对于电推进的需求不断增长。等离子体推力器具有高比冲的特性能够大幅度减少推进剂消耗量从而提高有效载荷质量。可以说未来的深空探测器将依靠等离子体推力器来实现。

过去几年，准中性无电极等离子体推力器的研究热度不断升温，其不需要外部中和器，节省了推力器的部组件。无电极推力器通常基于磁喷管原理：在等离子体源中发散状的磁场约束等离子体并且同时加速羽流区中的电子和离子。在这些推进系统中，螺旋波双层推力器和基于其他等离子体源的推力器已经持续研发，由于其能够产生的离子动能高于100eV，已经提出一些模型用以解释离子的加速机制：在螺旋波双层推力器等离子体扩张的过程中产生双层电势的骤降，并且电子热能在发散磁场下转换为离子的动能。另一种无电极推进系统GDM基于两磁镜之间对等离子体的约束，伴随来自右手圆偏振波(RHCP)的电子回旋加热。随着离子获得动能、等离子体密度增加，离子与离子平均自由路径很小以至于等离子体可视为流体。可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)结合了在螺旋波等离子体源和离子回旋共振加热，并采用磁喷管进一步加速，其实验原理样机VX-200等离子体推力器采用氩气工质显示出该推力器的效率高于50％、总功率100kW。

现有技术中单独由微波能量馈入到放电腔室内会存在电场能量不足而导致工质气体击穿电压不稳定、等离子体形成效率低等缺点，特别是对于微小卫星而言，由于所提供的电功率较少，低功率下单独由微波能量产生放电形成等离子体的密度和效率更低，此外高密度等离子区域小会影响推力器的推力从而直接导致推力器的稳定性较低。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的表面等离子体共振与电子回旋共振双激励式微波推力器，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术中所存在的问题，本发明的目的是研究设计一种新型的表面等离子体共振与电子回旋共振双激励式微波推力器。用以解决现有技术中存在的单独由微波能量，特别是低功率馈入到放电腔室内会存在电场能量不足而导致工质气体击穿电压不稳定、等离子体形成效率低、高密度等离子区域小导致推力器的稳定性较低等技术问题。

表面等离子体共振与电子回旋共振双激励式推力器一方面通过电子回旋共振吸收微波功率而产生高密度的等离子体，另一方面结合表面等离子体共振机制可实现低功率条件下可稳定放电，进而通过永磁环和尾部喷管构成的磁喷管加速等离子体喷出而产生推力。当微波场的角频率与通过外加磁场诱导的电子回旋角频率相一致时，产生电子回旋共振，使得电子通过微波右旋偏振而持续获得加热，吸收微波场的能量迅速增加。若微波频率采用2.45GHz，则产生条件需满足磁感应强度为875G。外加磁场既形成电子回旋共振所需的磁感应强度，又因其轴向发散位形与尾部喷管结合作为磁喷管。被磁化的电子通过能量转换和磁矩守恒沿着发散的磁感线加速，致使形成双极电场，该双极电场加速离子喷出，充足且具有高能量的电子逃离势垒确保了羽流的准中性。中性的等离子体再经由尾部喷管加速喷出产生推力。该推力器具有无电极烧蚀、产生等离子体密度高且无需中和器的特点；表面等离子体共振与电子回旋共振双激励式推力器另一方面促使推力器腔室内更容易激发放电、可产生更高密度的等离子体、形成更大区域的高密度等离子体，通过表面等离子体共振即由于外来电磁波诱导金属表面自由电子的集体振荡，它是金属与介质分界面处存在的一种局域电磁模式，具有表面电磁场的传播性能，即电场强度在金属与介质的界面上具有最大值，随着垂直于金属表面的距离增大，场强呈指数衰减。因此表面等离子激元被约束在金属表面，覆盖金属环片表面的微小金属尖端可使放电局部增强，即增强了金属表面的电场，同时为了延长推力器寿命，避免等离子体对金属天线的溅射作用，在金属天线表面镀上了50微米具有透波特性的氮化硼陶瓷薄膜。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

本发明所述的表面等离子体共振与电子回旋共振双激励式微波推力器，其特征在于所述的表面等离子体共振与电子回旋共振双激励式微波推力器通过推力器支撑架固定在真空环境内；

本发明所述的表面等离子体共振与电子回旋共振双激励式微波推力器包括：永磁环、放电腔室、金属天线及尾部喷管；

本发明所述的永磁环套装在放电腔室的外部；

本发明所述的金属天线嵌装于放电腔室的内部；

本发明所述的永磁环嵌装在推力器支撑架上；

本发明所述的尾部喷管与放电腔室出口对接。

本发明所述的金属天线包括：金属圆柱、金属环片及天线固定座；金属环片装于金属圆柱的中部位置；金属圆柱的一端装于天线固定座上；天线固定座装于放电腔室的中心孔上。

本发明所述的金属圆柱与金属环片的材料为钨。

本发明所述的金属环片表面上覆盖有微小的金属尖端。

本发明所述的金属圆柱的长度为15mm。

本发明所述的天线固定座的材料为聚四氟乙烯。

本发明所述的金属圆柱与金属环片表面镀有50微米的氮化硼陶瓷薄膜。

本发明所述的永磁环的材料为钐钴材料，并保证有875G的磁感应强度的电子回旋共振面。

本发明所述的放电腔室嵌装于永磁环的环内，确保放电腔室的出口与永磁环的一个端面平齐。

本发明的工作过程为：频率为2.45GHz的微波源(0～1500W功率可调)经由波导和波导同轴转换器通过同轴电缆将微波能量馈入到推力器，推力器通过同轴转接头将微波能量通过金属天线将微波能量传递到放电腔室，工质气体(氩气或氙气等)在微波能量下通过金属天线产生表面等离子体共振与电子回旋共振双激励模式将工质气体激发和电离形成高密度、大区域等离子体，在永磁环和尾部喷管作用下通过磁喷管原理将等离子体加速喷出形成所需推力。

本发明的优点是显而易见的，主要表现在：

1.采用圆柱形放电腔室与永磁环内套的形式代替以往波导传输微波能量的结构，减小了推力器尺寸并使推力器结构更简单。

2.本发明不需要携带离子中和器，降低微小卫星动力系统自身质量和体积，提高了微小卫星动力系统的稳定性。

3.金属天线的金属圆柱和金属环片表面覆盖微小金属尖端结构通过表面等离子体共振机理增强了局部电场，使工质气体容易激发电离，提高了推力器的稳定性。

4、金属天线的金属圆柱和金属环片表面镀有50微米的氮化硼陶瓷薄膜避免等离子体对天线的溅射作用，从而延长了推力器的寿命。

5.永磁环的结构通过电子回旋共振理论为推力器提供所需要的磁感应强度，并且永磁环下游与尾部喷管结合作为磁喷管加速等离子体喷出推力器，进而获得足够的推力。

综上所述本发明在微小卫星动力系统、执行卫星编队和深空探测等任务中具有潜在的应用前景。

本发明具有结构新颖、加工简便、体积小、稳定性高、比冲强、推力器寿命长等优点，其大批量投入市场必将产生积极的社会效益和显著的经济效益。

附图说明

本发明共有4幅附图,其中：

附图1为本发明结构示意图；

附图2为附图1的仰视图；

附图3为附图1的侧视图；

附图4为金属天线的结构示意图。

在图中：1、永磁环 2、放电腔室 3、金属天线 301、金属圆柱 302、金属环片 303、天线固定座 4、推力器支撑架 5、尾部喷管。

具体实施方式

本发明的具体实施例如附图所示，表面等离子体共振与电子回旋共振双激励式微波推力器通过推力器支撑架4固定在真空环境内；

表面等离子体共振与电子回旋共振双激励式微波推力器包括：永磁环1、放电腔室2及金属天线3；

永磁环1套装在放电腔室2的外部；

金属天线3嵌装于放电腔室2的内部；

永磁环1嵌装在推力器支撑架4上；

尾部喷管5与放电腔室2出口对接。

金属天线3包括：金属圆柱301、金属环片302及天线固定座303；金属环片302装于金属圆柱301的中部位置；金属圆柱301的一端装于天线固定座303上；天线固定座303装于放电腔室2的中心孔上。

金属圆柱301与金属环片302的材料为钨。

金属环片302表面上覆盖有微小的金属尖端。

金属圆柱301的长度为15mm。

天线固定座303的材料为聚四氟乙烯。

金属圆柱301与金属环片302表面镀有50微米的氮化硼陶瓷薄膜。

永磁环1的材料为钐钴材料，并保证有875G的磁感应强度的电子回旋共振面。

放电腔室2嵌装于永磁环1的环内，确保放电腔室的出口与永磁环1的一个端面平齐。

以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所有熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明的构思加以等同替换或改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。