用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置及控制方法，加速装置包括屏栅、加速栅、绝缘垫和中和放电针，加速栅间隔设置在屏栅的下游，绝缘垫设置在加速栅的下游端面，中和放电针垂直设置在绝缘垫的下游端面上，屏栅上开有第一圆形通孔，加速栅开有对应第一圆形通孔的第二圆形通孔，绝缘垫上开有与第一圆形通孔一致的第三圆形通孔，中和放电针位于相邻的两个第三圆形通孔圆心连线的中点上。向屏栅施加正电压，加速栅施加负电压，中和放电针施加脉冲负电压，且负电压低于加速栅的电压从而实现加速装置的正常工作。本发明专利技术零组件减少，推力器质量减轻，中和电子束流更均匀，羽流污染更小，比冲性能更优，理论研发与仿真模型更简单。模型更简单。模型更简单。

【技术实现步骤摘要】
用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置及控制方法


[0001]本专利技术涉及服役于轨道转移、深空探测的静电离子推力器，尤其是一种用于静电离子推力器的场发射自中和栅极加速装置及控制方法。

技术介绍

[0002]航天事业的每一次突破都依赖于推进技术的发展，而电推力器因其比冲高、寿命长、结构紧凑、体积小和污染轻等优势，因此逐渐受到航天界的青睐。目前，静电离子推力器是最具成熟度的离子电推进技术之一，其比冲性能更优异，更适合于深空探测任务。
[0003]静电离子推力器主要包括电离室、栅极加速系统以及中和电子枪三大部件。推进剂进入电离室电离形成等离子体，栅极加速系统从等离子体中吸出阳离子并加速离子束排出产生推力，中和电子枪向离子束发射等量电荷的电子用以中和离子束维持推力器的电中性。
[0004]一方面，传统的中和电子枪不仅增大了推力器的包落尺寸，而且限制了静电离子推力器的使用寿命。
[0005]另一方面，现有技术采用在加速栅上施加射频或交变电压，通过在射频或交变电压的正电位周期内加速阴离子或电子，而在负电位周期内加速阳离子，继而维持推力器的电中性。例如，能够实现自中和的离子推力器目前有“离子
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离子推力器”以及“自中和射频离子推力器”两种电推进装置。其中，两者的自中和工作原理相同，都是在加速栅上施加交变电压，在交变电压的正电压半个周期内引出负离子或电子，在交变电压的负电压半个周期内引出正离子，通过满足一个周期内引出的正负离子数目相等继而实现电中性。由此可知，上述二者的自中和并非同时排出正负离子或正离子与电子，因为交变电压的周期很短，可以认为其是同时的，但严格意义并不是。
[0006]进一步，由于“离子
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离子推力器”与“自中和射频离子推力器”在交变电压下加速离子和电子，交变电压与等离子体电势的耦合关系以及等离子体的引出加速情况都是极其复杂且难以解释的，在研发过程中需要求解“泊松方程”与“亥姆霍兹方程”，这不利于研发与设计工作。此外，对射频电源的控制也需要进行相应的技术攻关。
[0007]然而，这种技术不仅提高了推力器对电源系统与控制技术的要求，而且还增加了理论研发模型的难度。

技术实现思路

[0008]为了解决上述问题，本专利技术旨在提供一种用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置及控制方法，减少推力器零组件并减轻推力器质量，且中和电子束流更均匀，羽流污染更小，比冲性能更优，理论研发与仿真模型更简单。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]一种用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置，包括，
[0011]屏栅，所述屏栅与电离室连接，将等离子体中的阳离子引出，屏栅上开设有多个第
一圆形通孔；
[0012]加速栅，所述加速栅位于屏栅的下游，将屏栅引出的阳离子加速并产生推力，加速栅上开设有多个与第一圆形通孔一一对应的第二圆形通孔，第二圆形通孔的孔径小于第一圆形通孔的孔径，加速栅与屏栅之间有一段间隔距离，且该间隔距离小于第一圆形通孔的孔径；
[0013]绝缘垫，所述绝缘垫设置在加速栅的下游端面，绝缘垫上开设有多个第三圆形通孔，第三圆形通孔与第一圆形通孔一一对应且孔径相等；
[0014]所述第一圆形通孔、第二圆形通孔和第三圆形通孔同轴；
[0015]中和放电针，多根所述中和放电针垂直设置在绝缘垫的下游端面上，中和放电针位于相邻的两个第三圆形通孔圆心连线的中点上，中和放电针为圆锥体结构，中和放电针的针尖曲率半径小于第二圆形通孔半径，中和放电针通过场发射效应释放电子束用于中和离子束以实现离子推力器电中性平衡。
[0016]作为一种方案，所述绝缘垫的厚度小于屏栅的厚度，且屏栅的厚度小于加速栅的厚度。
[0017]作为一种方案，所述屏栅、加速栅和绝缘垫均为圆饼状。
[0018]作为一种方案，所述第一圆形通孔、第二圆形通孔和第三圆形通孔均按照六边形阵列分布，包括分布在正六边形六个顶点以及中心位置的7个孔位。
[0019]作为一种方案，所述屏栅上第一圆形通孔的孔径为1.8～2mm，屏栅的厚度为0.3～0.5mm；
[0020]所述加速栅上第二圆形通孔的孔径为1.2～1.5mm，加速栅的厚度为0.7～1mm；
[0021]所述绝缘垫上第三圆形通孔的孔径为1.8～2mm，绝缘垫的厚度为0.05～0.1mm。
[0022]作为一种方案，所述加速栅与屏栅之间的间隔距离为1～1.2mm。
[0023]作为一种方案，所述中和放电针的针尖曲率半径大于0.1倍第二圆形通孔半径。
[0024]采用前述的用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置的控制方法，包括，
[0025]采用直流电源；
[0026]向屏栅施加正电压；
[0027]向加速栅施加负电压，且电压值远小于屏栅上的电压值；
[0028]向中和放电针施加脉冲负电压，且负电压低于加速栅电压。
[0029]作为一种方案，施加在屏栅上的正电压为1000V以上，施加在加速栅上的负电压为
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100V。
[0030]进一步，当电离室处于大功率工作模式时，调节脉冲负电压至更低电压，以增强中和放电针的针尖电场强度与中和电子束流密度。
[0031]与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：
[0032](1)零组件减少，推力器质量减轻。中和器与加速栅一体化设计，减少了零组件数量继而取消其配套的电路与连接系统，进而减轻了质量。
[0033](2)中和电子束流更均匀，羽流污染更小。中和放电针均匀分布在加速栅下游面的加速栅孔一周，其发射的电子束流相比于传统设计的中和电子枪更加均匀，有利于离子与电子的中和。
[0034](3)比冲性能更优。因为电子的荷质比远大于离子，所以中和放电针释放的电子会
领先于离子的运动，并集中在离子的下游，在离子下游形成了一个虚拟阴极，继而延缓了离子束向空间零位电势运动的减速趋势，从而使比冲性能获得提升。(4)理论研发与仿真模型更简单。本专利技术在仿真数值分析时，仅需要求解静电场分布的泊松方程；而采用射频或交变电位实现自中和方式的模型需求解复杂电磁场分布的泊松方程与亥姆霍兹方程，求解难度与边界条件更为复杂。
附图说明
[0035]图1为本专利技术场发射自中和栅极加速系统的正视图；
[0036]图2为本专利技术场发射自中和栅极加速系统的侧视图；
[0037]图3为本专利技术场发射自中和栅极加速系统的立体图；
[0038]图4为本专利技术场发射自中和栅极加速系统的细节图；
[0039]图5为本专利技术的工作原理图；
[0040]图中，1
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屏栅；2
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加速栅；3
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绝缘垫；4
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中和放电针。
具体实施方式
[0041]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但不应就此理解为本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置，其特征在于：包括，屏栅(1)，所述屏栅(1)与电离室连接，将等离子体中的阳离子引出，屏栅(1)上开设有多个第一圆形通孔；加速栅(2)，所述加速栅(2)位于屏栅(1)的下游，将屏栅(1)引出的阳离子加速并产生推力，加速栅(2)上开设有多个与第一圆形通孔一一对应的第二圆形通孔，第二圆形通孔的孔径小于第一圆形通孔的孔径，加速栅(2)与屏栅(1)之间有一段间隔距离，且该间隔距离小于第一圆形通孔的孔径；绝缘垫(3)，所述绝缘垫(3)设置在加速栅(2)的下游端面，绝缘垫(3)上开设有多个第三圆形通孔，第三圆形通孔与第一圆形通孔一一对应且孔径相等；所述第一圆形通孔、第二圆形通孔和第三圆形通孔同轴；中和放电针(4)，多根所述中和放电针(4)垂直设置在绝缘垫(3)的下游端面上，中和放电针(4)位于相邻的两个第三圆形通孔圆心连线的中点上，中和放电针(4)为圆锥体结构，中和放电针(4)的针尖曲率半径小于第二圆形通孔半径，中和放电针(4)通过场发射效应释放电子束用于中和离子束以实现离子推力器电中性平衡。2.根据权利要求1所述的一种用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置，其特征在于：所述绝缘垫(3)的厚度小于屏栅(1)的厚度，且屏栅(1)的厚度小于加速栅(2)的厚度。3.根据权利要求1所述的一种用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置，其特征在于：所述屏栅(1)、加速栅(2)和绝缘垫(3)均为圆饼状。4.根据权利要求1所述的一种用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置，其特征在于：所述第一圆形通孔、第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宗，陈永华，任站阳，谢彪，丁洋，
申请(专利权)人：贵州航天朝阳科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：