一种发动机天线异常放电抑制装置及磁等离子体发动机的制作方法

1.本发明涉及磁等离子体发动机，具体涉及一种设置有发动机天线异常放电抑制装置的磁等离子体发动机。


背景技术：

2.现代空间技术的发展对推进系统性能提出了更高要求，尤其是深空探测、载人航天、空间站等航天任务中的大型飞行器平台，对大推力、高比冲、长寿命推进系统提出了迫切需求。传统的化学推进受到化学能和壁面温度的限制，推进系统的喷气速度只能达到2km/s～3km/s量级，导致推进系统比冲较低。电推力器又称电火箭，是指通过电能作用工质，使工质电离并加速，形成高速射流从而产生推力的动力系统。由于突破了推进剂内能的约束，推进系统喷气速度可达30km/s～40km/s甚至更高的量级。因此完成相同任务需携带的推进剂就可以大大减少，从而增加了航天器的有效载荷比、延长了工作寿命并且节约了发射成本。
3.磁等离子体发动机采用电离天线将射频功率源的电能转化为高频电磁场能量，对放电室内的工质进行电离，采用加速天线将射频功率源的电能转化为高频电磁场能量，对电离产生的等离子体进行加速；但是，目前电离天线及加速天线一般采用导电率、导热性较好的纯铜材质，随着射频功率的增加，电离天线及加速天线周围的电磁场会逐渐增强，经常导致放电室外部引起高压击穿，产生异常放电，破坏发动机的稳定工作。因此，抑制电离天线及加速天线异常放电已成为磁等离子体发动机研制急需突破的关键技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种发动机天线异常放电抑制装置及发动机，以解决现有技术中随着射频功率的增加，电离天线及加速天线周围会产生较强的电磁场，经常导致放电室外部引起高压击穿，产生异常放电，破坏发动机稳定工作的技术问题。
5.为了达到上述目的，本发明提供了一种发动机天线异常放电抑制装置，用于磁等离子体发动机；所述磁等离子体发动机包括放电室以及套设在放电室外的电离天线和加速天线；
6.其特殊之处在于：包括真空壳体；
7.所述真空壳体套装在所述放电室、电离天线以及加速天线外，并与放电室密封连接，其内部为真空。
8.进一步地，所述真空壳体的内壁与电离天线以及加速天线外壁之间的距离大于50mm。
9.进一步地，还包括辅助真空单元；
10.所述辅助真空单元与真空壳体连通，用于将真空壳体内部的真空度控制在1
×
10-5
pa～2
×
10-3
pa范围内。
11.进一步地，所述真空壳体的泄露率低于1
×
10-6
pa
·
m3/s。
12.进一步地，所述真空壳体包括壳本体和盖装在壳本体两端的前法兰端盖和后法兰端盖；所述壳本体侧壁上设有第一连接口、第二连接口和第三连接口；所述第一连接口、第二连接口和第三连接口处分别设有第一法兰、第二法兰和第三法兰；
13.所述前法兰端盖位于放电室进气口外侧，用于向通气管、第一进水管和第一出水管提供安装通孔；所述通气管用于连通放电室和位于真空壳体外的供气单元；所述第一进水管和第一出水管用于连通电离天线和位于真空壳体外的第一冷却水单元；
14.所述后法兰端盖套设在放电室上，且与放电室外壁之间设有密封圈；
15.所述第一法兰用于向第一连接线提供安装通孔，所述第一连接线用于连通电离天线和位于真空壳体外的电离射频源；
16.所述第二法兰用于向辅助真空单元和壳本体内部的连通提供抽气孔；
17.所述第三法兰用于向第二连接线、第二进水管和第二出水管提供安装通孔，所述第二连接线用于连通加速天线和位于真空壳体外的加速射频源；所述第二进水管和第二出水管用于连通加速天线和位于真空壳体外的第二冷却水单元。
18.进一步地，所述第一连接线上还设有电离匹配器；
19.所述第二连接线上还设有加速匹配器。
20.进一步地，还包括监控单元；
21.所述监控单元与辅助真空单元连接，通过辅助真空单元监控壳本体内的真空度以及泄露率；
22.所述第一冷却水单元、供气单元、电离射频源、加速射频源、第二冷却水单元均与监控单元连接。
23.同时，本发明还提供了一种磁等离子体发动机，其特殊之处在于：包括放电室、与放电室连通的试验真空舱、并排套设在放电室外的电离天线和加速天线，以及上述的发动机天线异常放电抑制装置。
24.进一步地，所述试验真空舱上连通有环境真空单元，用于将试验真空舱内的真空度控制在5
×
10-2
pa以下。
25.本发明的有益效果：
26.1、本发明将电离天线和加速天线共同设计在真空壳体内工作，使其处于真空环境下，使得电离天线及加速天线附近工作真空度不受发动机电离气体工质流量的影响，降低了电离天线及加速天线附近维持高真空的成本，且有效抑制了电离天线及加速天线的异常放电现象，提高了磁等离子体发动机工作稳定性。
27.2、本发明将真空壳体内的真空度控制在2
×
10-3
pa以下，绝缘距离在50mm以上，进一步实现了磁等离子体发动机在高功率下电离天线及加速天线的稳定工作。
附图说明
28.图1是本发明一种磁等离子体发动机实施例的结构示意图。
29.附图标号：
30.1－第一冷却水单元；2－供气单元；3－电离匹配器；4－电离射频源；5－辅助真空单元；6－监控单元；7－加速射频源；8－加速匹配器；9－第二冷却水单元；10－试验真空舱；11－环境真空单元；12－密封圈；13－加速天线；14－放电室；15－电离天线；16－真空
壳体。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
32.本发明实施例提供的一种发动机天线异常放电抑制装置，用于抑制磁等离子体发动机中电离天线15及加速天线13的异常放电现象，如图1所示，该异常放电抑制装置包括真空壳体16，真空壳体16外设有第一冷却水单元1、供气单元2、电离匹配器3、电离射频源4、辅助真空单元5、监控单元6、加速射频源7、加速匹配器8、第二冷却水单元9、试验真空舱10以及环境真空单元11。电离射频源4通过第一连接线与电离天线15连接，电离匹配器3设置在第一连接线中部，电离射频源4将功率通过电离匹配器3传递给电离天线15，激发产生电磁场，将放电室14内的气体工质电离产生等离子体；加速射频源7通过第二连接线与加速天线13连接，加速匹配器8设置在第二连接线中部，加速射频源7将功率通过加速匹配器8传递给加速天线13，将电离的等离子体注入能量并加速喷出到试验真空舱10内，形成发动机推力；放电室14为石英或陶瓷等透波材料，可以将电离天线15及加速天线12激发的电磁能量无衰减的传递给放电室14内的气体工质和电离产生的等离子体；电离天线15及加速天线13一般采用导电率、导热性较好的纯铜材质的螺旋结构，套在放电室14外，其周围为真空环境，由辅助真空单元5保证电离天线15及加速天线13附近较高真空环境，一般压力低于2
×
10-3
pa；辅助真空单元5是一套独立的高真空机组，抽速为百升每秒量级；环境真空单元11为大型真空机组，抽速为十万升每秒量级，环境真空单元11与试验真空舱10连接，用于为产生的高速等离子体提供较好的真空环境，使试验真空舱10内压力低于5
×
10-2
pa；电离射频源4及加速射频源7为频率兆赫兹量级，用于激发产生等离子体和提升等离子体能量的功率源；电离匹配器3及加速匹配器8用于将电离天线15及加速天线13调节成标准射频源输出阻抗的匹配网络；供气单元2是能够通过通气管向放电室14稳定供给气体放电工质的装置，一般由质量流量控制器、减压器、阀门、连接管路等组成；第一冷却水单元1及第二冷却水单元9用于冷却电离天线15及加速天线13；其中，第一冷却水单元1通过第一进水管和第一出水管与电离天线15连通，第二冷却水单元9通过第二进水管和第二出水管与加速天线13连通；监控单元6是为发动机试验系统提供参数监测及控制功能的机构。
33.具体的，真空壳体16包括壳本体和盖装在壳本体两端的前法兰端盖和后法兰端盖；壳本体侧壁上设有第一连接口、第二连接口和第三连接口；第一连接口、第二连接口和第三连接口处分别设有第一法兰、第二法兰和第三法兰；前法兰端盖位于放电室14进气口外侧，用于向通气管、第一进水管和第一出水管提供安装通孔；后法兰端盖套设在放电室14上；第一法兰用于向第一连接线提供安装通孔；第二法兰用于向辅助真空单元5和壳本体提供抽气孔；第三法兰用于向第二连接线、第二进水管和第二出水管提供安装通孔。
34.电离天线15及加速天线13所处的环境气压为真空负压环境，根据帕邢放电曲线，真空度越高越难高压击穿，当发动机稳定工作时，电离天线15及加速天线13附近的压力低于2
×
10-3
pa，由辅助真空系统5的高真空机组保证，极限真空度为1
×
10-5
pa，抽速为100～
1000l/s，且真空壳体16与试验真空舱10相互独立，放电室14尾部外壁与后法兰端盖之间设有径向的密封圈12，保证两空间环境相互隔离，放电室14内部为气体工质与环境真空单元11贯通；放电室14外部与辅助真空单元5贯通。电离天线15及加速天线13周围为密封且内壁光滑无尖点的金属真空壳体16，真空壳体16的泄露率低于1
×
10-6
pa
·
m3/s，电离天线15及加速天线13与真空壳体16内壁之间的最小绝缘距离分别大于50mm，能有效抑制耦合电离天线15及加速天线13产生的高压击穿放电现象，保证发动机稳定工作。
35.本发明将电离天线15及加速天线13在一种独立的封闭的真空壳体16内工作，对比常规大气压环境下，不存在异常击穿放电的技术优势；对比整体放在试验真空舱10中，电离天线15及加速天线13附近工作真空度不受发动机电离气体工质流量的影响，降低电离天线15及加速天线13附近维持高真空的系统成本，提高磁等离子体发动机的工作稳定性。可广泛应用于各种磁等离子体发动机、螺旋波等离子体源、射频离子推力器等的结构设计中。
36.本发明实施例还提供了一种磁等离子体发动机，包括上述的发动机天线异常放电抑制装置。
37.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明披露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种发动机天线异常放电抑制装置，用于磁等离子体发动机；所述磁等离子体发动机包括放电室(14)以及套设在放电室(14)外的电离天线(15)和加速天线(13)；其特征在于：包括真空壳体(16)；所述真空壳体(16)套装在所述放电室(14)、电离天线(15)以及加速天线(13)外，并与放电室(14)密封连接，其内部为真空。2.根据权利要求1所述的发动机天线异常放电抑制装置，其特征在于：所述真空壳体(16)的内壁与电离天线(15)以及加速天线(13)外壁之间的距离大于50mm。3.根据权利要求1或2所述的发动机天线异常放电抑制装置，其特征在于：还包括辅助真空单元(5)；所述辅助真空单元(5)与真空壳体(16)连通，用于将真空壳体(16)内部的真空度控制在1
×
10-5
pa～2
×
10-3
pa范围内。4.根据权利要求3所述的发动机天线异常放电抑制装置，其特征在于：所述真空壳体(16)的泄露率低于1
×
10-6
pa
·
m3/s。5.根据权利要求4所述的发动机天线异常放电抑制装置，其特征在于：所述真空壳体(16)包括壳本体和盖装在壳本体两端的前法兰端盖和后法兰端盖；所述壳本体侧壁上设有第一连接口、第二连接口和第三连接口；所述第一连接口、第二连接口和第三连接口处分别设有第一法兰、第二法兰和第三法兰；所述前法兰端盖位于放电室(14)进气口外侧，用于向通气管、第一进水管和第一出水管提供安装通孔；所述通气管用于连通放电室(14)和位于真空壳体(16)外的供气单元(2)；所述第一进水管和第一出水管用于连通电离天线(15)和位于真空壳体(16)外的第一冷却水单元(1)；所述后法兰端盖套设在放电室(14)上，且与放电室(14)外壁之间设有密封圈(12)；所述第一法兰用于向第一连接线提供安装通孔，所述第一连接线用于连通电离天线(15)和位于真空壳体(16)外的电离射频源(4)；所述第二法兰用于向辅助真空单元(5)和壳本体内部的连通提供抽气孔；所述第三法兰用于向第二连接线、第二进水管和第二出水管提供安装通孔，所述第二连接线用于连通加速天线(13)和位于真空壳体(16)外的加速射频源(7)；所述第二进水管和第二出水管用于连通加速天线(13)和位于真空壳体(16)外的第二冷却水单元(9)。6.根据权利要求5所述的发动机天线异常放电抑制装置，其特征在于：所述第一连接线上还设有电离匹配器(3)；所述第二连接线上还设有加速匹配器(8)。7.根据权利要求6所述的发动机天线异常放电抑制装置，其特征在于：还包括监控单元(6)；所述监控单元(6)与辅助真空单元(5)连接，通过辅助真空单元(5)监控壳本体内的真空度以及泄露率；所述第一冷却水单元(1)、供气单元(2)、电离射频源(4)、加速射频源(7)、第二冷却水单元(9)均与监控单元(6)连接。8.一种磁等离子体发动机，其特征在于：包括放电室(14)、与放电室(14)连通的试验真
空舱(10)、套设在放电室(14)外的电离天线(15)和加速天线(13)，以及权利要求1-7任一所述的发动机天线异常放电抑制装置。9.根据权利要求8所述的磁等离子体发动机，其特征在于：所述试验真空舱(10)上连通有环境真空单元(11)，用于将试验真空舱(10)内的真空度控制在5
×
10-2
pa以下。

技术总结
本发明公开了一种发动机天线异常放电抑制装置及磁等离子体发动机，以解决现有技术中随着射频功率的增加，电离天线及加速天线周围会产生较强的电磁场，经常导致放电室外部引起高压击穿，产生异常放电，破坏发动机稳定工作的问题。具体包括真空壳体；所述真空壳体套装在所述放电室、电离天线以及加速天线外，并与放电室密封连接，其内部为真空。其内部为真空。其内部为真空。


技术研发人员：范威 方吉汉 谭畅 韩先伟 鲁海峰 张元哲 杨振宇
受保护的技术使用者：西安航天动力研究所
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/10/6