本发明专利技术公开了一种提高空间电推力器内离子密度的装置及方法，包括空间推力器本体、空心阴极、永磁体、线圈、朗缪尔探针和相机；空间推力器本体包括放电室，能作为放电阳极；空心阴极同轴插设在气体入口端，且与外接电源的负极相连接，其中心能向放电室输入工质气体；永磁体嵌设在放电室壁面中；线圈沿轴向均匀绕设在放电室外壁面，且外接直流电源；朗缪尔探针设在放电室的出口，能检测放电室出口处离子束的电流值大小；相机设置在放电室的出口外侧，用于拍摄并判断放电室出口处离子束的颜色。本发明专利技术通过控制线圈中电流的大小，进而控制放电室内磁场的变化，使得大幅提升电子与工质气体的碰撞概率，并使产生的比冲达到最有效值。并使产生的比冲达到最有效值。并使产生的比冲达到最有效值。
【技术实现步骤摘要】
一种提高空间电推力器内离子密度的装置及方法
[0001]本专利技术涉及空间电推进
，特别是一种提高空间电推力器内离子密度的装置及方法。
技术介绍
[0002]空间推进技术是保证航天器实施轨道和姿态控制的核心，产生推力的装置也称为推力器，现在大多数空间推力器都是采用化学燃料，由于其比冲较低，导致推进剂的携带量庞大，影响了航天器的有效载荷占比，也不利于航天器的长期在轨工作。空间电推进装置具有比冲高，推力范围易于调节、可靠性高等优点，可以满足航天器的轨道与姿态控制需求。值得注意的是对于空间电推力器，其推力大小取决于推力器出口离子的喷射速度和密度，其喷射速度由位于推力器出口的光学加速系统所决定，并受限于栅极电压，离子密度则在一定条件下由放电室中的电离度所决定，理论上提升电子的密度会提高电子与中性粒子的碰撞概率，从而提高离子密度。
[0003]当气体工质流量不同时，放电室内的压强和温度等将会不同。故而，电子和气体工质在放电室内的运动是不同的。然而，电推力器的磁场目前均采用永恒磁铁产生，所以磁场大小是不变的。此时，因存在着如下原因，使得电子与工质气体的碰撞概率降低，产生离子密度低，从而产生的比冲不能达到最有效值。
[0004]A、当电子在放电室内的运动半径过大，将会使得电子过早到达阳极，使得电子与工质气体的碰撞概率降低。
[0005]B、当电子在放电室内的运动半径过小，会使得电子与工质气体的碰撞概率降低。
[0006]C、进气口处碰撞电离产生的电子在电场作用下直接碰撞到进气壁上，使得电子整体运行时间大幅度减小，电子与工质气体的碰撞概率降低。
[0007]由于上述原因，电子与工质气体的碰撞概率降低，产生的离子密度低，从而产生的比冲不能达到最有效值。
技术实现思路
[0008]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种提高空间电推力器内离子密度的装置及方法，该提高空间电推力器内离子密度的装置和方法通过控制放电室内磁场的变化，使得大幅提升电子与工质气体的碰撞概率，并使产生的比冲达到最有效值。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种提高空间电推力器内离子密度的装置，包括空间推力器本体、空心阴极、永磁体、线圈、朗缪尔探针和相机。
[0010]空间推力器本体包括放电室，放电室采用金属材质制成，且与外接电源的正极相连接，形成放电阳极；放电室的一端为气体入口端，放电室的另一端为离子出口端。
[0011]空心阴极同轴插设在气体入口端，空心阴极与外接电源的负极相连接；空心阴极
的中心具有气体入口通道，用于向放电室输入工质气体。
[0012]永磁体嵌设在放电室壁面中，用于向放电室提供恒定磁场。
[0013]线圈沿轴向均匀且同轴绕设在放电室的外壁面，且与外接直流电源相连接。
[0014]朗缪尔探针设置在放电室的出口，用于检测放电室出口处离子束的电流值大小。
[0015]相机设置在放电室的出口外侧，用于拍摄并判断放电室出口处离子束的颜色。
[0016]通过朗缪尔探针和相机的组合，能够判断放电室中的判断放电室内电子与工质气体的碰撞概率是否达到最大值，进而判断空间推力器本体产生的比冲是否达到最有效值。
[0017]针对低压工况下不同类型和不同流量的工质气体，通过控制线圈中的直流电流大小，均能使得放电室中电子与工质气体的碰撞概率达到最大值，进而使得空间推力器本体产生的比冲达到最有效值。
[0018]朗缪尔探针位于放电室的中心轴线上，且与放电室出口的距离为5cm。
[0019]当相机拍摄的放电室出口处离子束的颜色为紫色，且朗缪尔探针检测的放电室出口处离子束的电流值处于拐点最大值，则判断为放电室内电子与工质气体的碰撞概率达到最大值。
[0020]当放电室直径不超过30cm时，放电室出口处离子束的拐点最大电流值所对应的放电室中心磁场强度在20—50Gs的范围之内。
[0021]外接直流电源的功率为60W。
[0022]工质气体的进气流量范围为10sccm
‑
30sccm，低压工况是指工质气体的进气压力范围为5*10
‑3Pa
‑
5*10
‑2Pa，工质气体的进气环境温度范围为25℃到50℃。
[0023]一种提高空间电推力器内离子密度的方法，包括如下步骤。
[0024]步骤1、放电室调整为低压工况。
[0025]步骤2、产生初始电子，采用空心阴极产生初始电子。
[0026]步骤3、放电室输入工质气体：工质气体通过进气管和空心阴极的气体入口通道，沿放电室的中心轴线进入放电室内。
[0027]步骤4、初始电子进入放电室：放电室通电，形成放电阳极，在电场作用下，将步骤2产生的初始电子吸入放电室内，并在放电室内进行扩展。
[0028]步骤5、电子与工质气体碰撞：步骤4进入放电室内的电子，与步骤3进入放电室内的工质气体发生碰撞，并形成正离子。
[0029]步骤6、线圈通电：将线圈沿放电室的轴向紧密排列，在步骤4初始电子进入放电室的同时，线圈通入直流电。
[0030]步骤7、碰撞概率检测，具体包括如下步骤。
[0031]步骤7A、放电室出口处离子束颜色检测：相机按照设定时间间隔，对放电室出口处离子束进行连续拍摄，并通过拍摄的图片，判断放电室出口处离子束的颜色。
[0032]步骤7B、放电室出口处离子束电流值检测：采用朗缪尔探针对放电室出口处离子束的电流值进行实时检测并记录。
[0033]步骤8、线圈电流调整，具体包括如下步骤。
[0034]步骤8A、电流逐渐增加：当步骤7判断为放电室出口处离子束的颜色为蓝色等非紫色时，说明放电室内电子与工质气体的碰撞概率低；此时，线圈中的电流按照设定增幅A进行逐渐增加。
[0035]步骤8B、碰撞概率检测：重复步骤7，继续进行碰撞检测，当放电室出口处离子束的颜色变为紫色，说明放电室出口处离子束的电流值已接近拐点最大值。
[0036]步骤8C、电流细微增加：线圈中的电流按照设定增幅B进行逐渐增加，B＜A。
[0037]步骤9、寻找放电室出口处离子束的拐点最大电流值：在步骤8C电流细微增加的同时，朗缪尔探针继续对放电室出口处离子束的电流值进行实时检测并记录；当放电室出口处离子束的电流值开始减小时，记录放电室出口处离子束的拐点最大电流值以及对应的线圈电流A；与此同时，停止增加线圈中电流并将线圈中电流值调整为线圈电流A。
[0038]步骤1中，放电室调整为低压工况的具体方法为：将放电室放置在真空舱内，启动真空泵，使得真空舱中压强在5*10
‑3Pa
‑
5*10
‑2Pa内，同时，使真空舱内的环境温度调整为25℃到50℃，从而使得放电室处于典型的低压工况。
[0039]在采用空心阴极产生初始电子的同时，还采用设置在放电室出口外侧的中和器产生初始电子。...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种提高空间电推力器内离子密度的装置，其特征在于：包括空间推力器本体、空心阴极、永磁体、线圈、朗缪尔探针和相机；空间推力器本体包括放电室，放电室采用金属材质制成，且与外接电源的正极相连接，形成放电阳极；放电室的一端为气体入口端，放电室的另一端为离子出口端；空心阴极同轴插设在气体入口端，空心阴极与外接电源的负极相连接；空心阴极的中心具有气体入口通道，用于向放电室输入工质气体；永磁体嵌设在放电室壁面中，用于向放电室提供恒定磁场；线圈沿轴向均匀且同轴绕设在放电室的外壁面，且与外接直流电源相连接；朗缪尔探针设置在放电室的出口，用于检测放电室出口处离子束的电流值大小；相机设置在放电室的出口外侧，用于拍摄并判断放电室出口处离子束的颜色；通过朗缪尔探针和相机的组合，能够判断放电室中的判断放电室内电子与工质气体的碰撞概率是否达到最大值，进而判断空间推力器本体产生的比冲是否达到最有效值；针对低压工况下不同类型和不同流量的工质气体，通过控制线圈中的直流电流大小，均能使得放电室中电子与工质气体的碰撞概率达到最大值，进而使得空间推力器本体产生的比冲达到最有效值。2.根据权利要求1所述的提高空间电推力器内离子密度的装置，其特征在于：朗缪尔探针位于放电室的中心轴线上，且与放电室出口的距离为5cm。3.根据权利要求1所述的提高空间电推力器内离子密度的装置，其特征在于：当相机拍摄的放电室出口处离子束的颜色为紫色，且朗缪尔探针检测的放电室出口处离子束的电流值处于拐点最大值，则判断为放电室内电子与工质气体的碰撞概率达到最大值。4.根据权利要求3所述的提高空间电推力器内离子密度的装置，其特征在于：当放电室直径不超过30cm时，放电室出口处离子束的拐点最大电流值所对应的放电室中心磁场强度在20—50Gs的范围之内。5.根据权利要求1所述的提高空间电推力器内离子密度的装置，其特征在于：外接直流电源的功率为60W。6.根据权利要求1所述的提高空间电推力器内离子密度的装置，其特征在于：工质气体的进气流量范围为10sccm
‑
30sccm，低压工况是指工质气体的进气压力范围为5*10
‑3Pa
‑
5*10
‑2Pa，工质气体的进气环境温度范围为25℃到50℃。7.一种提高空间电推力器内离子密度的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、放电室调整为低压工况；步骤2、产生初始电子，采用空心阴极产生初始电子；步骤3、放电室输入工质气体：工质气体通过进气管和空心阴极的气体入口通道，沿放电室的中心轴线进入放电室内；步骤4、初始电子进入...
【专利技术属性】
技术研发人员：聂万胜，周思引，闫康，马利民，刘翔，杨云帆，朱浩然，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：
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