一种均匀放电环型离子推力器

1.本发明涉及电推进技术领域，更具体涉及一种均匀放电环型离子推力器。


背景技术：

2.离子推力器，又称离子发动机，为空间电推进技术中的一种，其特点是推力小、比冲高，广泛应用于空间推进，如航天器姿态控制、位置保持、轨道机动和星际飞行等。其原理是先将气态工质电离，并在强电场作用下将离子加速喷出，通过反作用力推动卫星进行姿态调整或者轨道转移任务与传统的化学推进方式相比，离子推力器需要的工质质量小，是已经实用化的推进技术中最为适合长距离航行的。
3.环型离子推力器是未来大功率电推力器中一个极具潜力的发展方向，将来有望广泛用于探月与载人航天、火星探测等深空探测任务。不同于传统离子推力器，环型离子推力器具有环型的放电室和栅极结构，能够有效的解决放电室等离子体密度沿径向梯度大和大尺寸长寿命栅极组件稳定性差等技术难题。环型离子推力器设计概念为离子推力器的功率水平和运行寿命的大幅提升提供了有效的途径，也为新一代高比冲、长寿命和高功率的电推进发展提供较好的平台。
4.传统环型离子推力器，由于环型离子推力器的放电室阴极偏置于放电室一侧，又使得放电室为非轴对称结构，导致现有的环型离子推力器尚存在放电困难；传统磁场会切场如附图6所示，该磁场构型仅在轴向形成会切磁场，使放电室内部沿轴向磁力线运动的电子较多，因此电子难以分布均匀。
5.因此，亟需一种均匀放电环型离子推力器。


技术实现要素：

6.本发明需要解决的技术问题是提供一种均匀放电环型离子推力器，以解决背景技术中的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
8.一种均匀放电环型离子推力器，包括呈圆柱体型、前端面设为开口的本体外壳；本体外壳内设置有放电室；所述放电室底端面的外侧设置有进气柱和阴极，进气柱和阴极位于与放电室底端面同心的圆的上，且进气柱和阴极位于同一个直径两端；所述放电室底端面的外壁上设置有同轴的底部外磁环、底部内磁环，所述放电室侧壁设置有外环磁极组，放电室底端面上设置有轴向设置的内环阳极圆筒，内环阳极圆筒内设置有内环磁极组；所述本体外壳的开口处设置有栅极系统、中和器，栅极系统、中和器组成本体外壳的后端面并通过螺栓与本体外壳连接。
9.进一步优化技术方案，所述外环磁极组与内环磁极组各由12个形状相同的约四分之一圆弧形的磁块条组成，且位于同一圆周的相邻磁块的南北磁极交差分布；所述外环磁极组均匀分布在放电室的外壁，内环磁极组均匀分布在内环阳极圆筒内壁。
10.进一步优化技术方案，所述外环磁极组中磁块通过外环磁极扣安装在放电室的外
壁上，外环磁极扣包括若干与外环磁极组位置对应的凹槽；所述外环磁极组上相邻凹槽之间设置有螺栓孔，外环磁极组通过螺栓安装在放电室上；所述内环磁极组的磁块通过内环磁极扣安装在内环阳极圆筒内壁，内环磁极扣呈圆筒形，外壁上设置有若干与内环磁极组位置对应的凹槽，且内环磁极扣通过螺栓与内环阳极圆筒连接。
11.进一步优化技术方案，所述底部外磁环、底部内磁环分别通过若干个底部外环磁极扣和底部内环磁极扣安装，底部外环磁极扣和底部内环磁极扣均通过螺栓与放电室底部连接。
12.进一步优化技术方案，所述本体外壳设置有使结构更稳固的加强肋。
13.进一步优化技术方案，所述栅极系统包括依次层叠在一起的栅极安装环、栅极安装内环、栅极安装外环，栅极安装环的内环连接有加速栅；所述加速栅中间设置屏栅，屏栅的内环设置有栅极边缘内环、栅极边缘外环。
14.进一步优化技术方案，所述进气柱伸进放电室且进气柱的设置方向与轴向平行，进气柱的侧壁上开均匀设有若干径向设置的气孔，以实现径向进气。
15.由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
16.本发明提供的一种均匀放电环型离子推力器，通过改变磁场构型，形成轴向与周向交叉的网状磁场，增强对电子的限制作用，提高电离效率，并通过设置外环磁极扣、内环磁极扣实现对外环磁极组、内环磁极组的便利安装；通过设置进气柱实现径向进气，减少了阴极的使用数量。本发明具有结构简单、安装方便、电离效率高、气体利用率高的优点。
附图说明
17.图1为本发明的爆炸图；
18.图2为本发明中栅极系统的部分结构示意图；
19.图3为本发明的外部结构示意图；
20.图4为本发明的剖视图；
21.图5为本发明的周向的磁场示意图；
22.图6为传统离子推力器中磁场会切场示意图。
23.其中：1.本体外壳，2.底部外磁环，3.底部内磁环，4.底部外环磁极扣，5.放电室，6.外环磁极组，7.外环磁极扣，8.内环磁极扣，9.内环磁极组，10.栅极系统，101.栅极安装环，102.栅极安装外环，103.栅极边缘外环，104.加速栅，105.屏栅，106.栅极边缘内环，107.栅极安装内环，11.中和器，12.底部内环磁极扣，13.进气柱，14.阴极。
具体实施方式
24.下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
25.一种均匀放电环型离子推力器，结合图1至图5所示，包括本体外壳1、底部外磁环2、底部内磁环3、底部外环磁极扣4、放电室5、外环磁极组6、外环磁极扣7、内环磁极扣8、内环磁极组9、栅极系统10、中和器11、底部内环磁极扣12、进气柱13、阴极14。其中，栅极系统10包括栅极安装环101、栅极安装外环102、栅极边缘外环103、加速栅104、屏栅105、栅极边缘内环106、栅极安装内环107。
26.本体外壳1呈圆柱体型，本体外壳1前端面设为开口的。本体外壳1设置有使结构更
稳固的加强肋。
27.本体外壳1内设置有放电室5，放电室5底端面的外侧设置有进气柱13和阴极14，进气柱13和阴极14位于一个与放电室5同心的圆的上，且进气柱13和阴极14位于同一个直径两端。进气柱13伸进放电室，且进气柱的设置方向与轴向平行，进气柱13的侧壁上开均匀设有若干径向设置的气孔，以实现径向进气。
28.放电室5底端面的内壁上设置有底部外磁环2、底部内磁环3，底部外磁环2、底部内磁环3与放电室5同轴。底部外磁环2、底部内磁环3分别通过若干个底部外环磁极扣4和底部内环磁极扣12安装，底部外环磁极扣4和底部内环磁极扣12均通过螺栓与放电室5底部连接。
29.放电室5侧壁设置有外环磁极组6。放电室5底端面上设置有同轴设置的内环阳极圆筒，内环阳极圆筒内设置有内环磁极组9。
30.外环磁极组6均匀分布在放电室5的外壁，内环磁极组9均匀分布在内环阳极圆筒内壁。外环磁极组6与内环磁极组9各由12个形状相同的约四分之一圆弧形的磁块条组成，且位于同一圆周的相邻磁块的南北磁极交差分布，可形成轴向和周向平面的磁场(周向的磁场附图5所示)，使电子不仅能沿轴向运动，同时沿周向磁力线运动进而使得周向的电子分布均匀，此状态下，该磁场构型能够形成轴向与周向交叉的网状磁场，增强对电子的限制作用，进而延长电子的运动轨迹，增加碰撞频率，提高电离效率。底部磁极仍采用环型磁铁，减弱底部附近磁场更有利于电子沿轴向的扩散。
31.外环磁极组6中磁块通过外环磁极扣7安装在放电室5的外壁上，外环磁极扣7包括若干与外环磁极组6位置对应的凹槽。外环磁极组6上相邻凹槽之间设置有螺栓孔，外环磁极组6通过螺栓安装在放电室5上。内环磁极组9的磁块通过内环磁极扣8安装在内环阳极圆筒内壁，内环磁极扣8呈圆筒形，外壁上设置有若干与内环磁极组9位置对应的凹槽，且内环磁极扣8通过螺栓与内环阳极圆筒连接。
32.本体外壳1的开口处设置有栅极系统10、中和器11，栅极系统10、中和器11组成本体外壳1的后端面并通过螺栓与本体外壳1连接。
33.栅极系统10包括依次层叠在一起的栅极安装环101、栅极安装内环107、栅极安装外环102，栅极安装环101的内环连接有加速栅104。加速栅104中间设置屏栅105，屏栅105的内环设置有栅极边缘内环106、栅极边缘外环103。
34.本发明中，放电室5、外环磁极组6、内环磁极组9和底部磁环通正电，栅极系统10的电位用来引出正离子，上游的屏栅105极通正电亦可用来限制电子的流失，下游加速栅104用于引出正离子。
35.本发明在实际使用时，由于该磁场构型可使电子均匀充满放电室5通道，可采用径向进气方式，相较于环型进气分配器可减少壁面损失面积。阴极14产生电子束，电子在放电室5内受到磁场和电场的作用下可均匀充满整个放电室5通道内，并与进气柱13通入的工质发生碰撞、电离产生等离子体，再由栅极系统10引出正离子与中和器11产生的电子中和形成束流产生推力。

技术特征：
1.一种均匀放电环型离子推力器，其特征在于：包括呈圆柱体型、前端面设为开口的本体外壳(1)；本体外壳(1)内设置有放电室(5)；所述放电室(5)底端面的外侧设置有进气柱(13)和阴极(14)，进气柱(13)和阴极(14)位于与放电室(5)底端面同心的圆的上，且进气柱(13)和阴极(14)位于同一个直径两端；所述放电室(5)底端面的外壁上设置有同轴的底部外磁环(2)、底部内磁环(3)，所述放电室(5)侧壁设置有外环磁极组(6)，放电室(5)底端面上设置有轴向设置的内环阳极圆筒，内环阳极圆筒内设置有内环磁极组(9)；所述本体外壳(1)的开口处设置有栅极系统(10)、中和器(11)，栅极系统(10)、中和器(11)组成本体外壳(1)的后端面并通过螺栓与本体外壳(1)连接。2.根据权利要求1所述的一种均匀放电环型离子推力器，其特征在于：所述外环磁极组(6)与内环磁极组(9)各由12个形状相同的约四分之一圆弧形的磁块条组成，且位于同一圆周的相邻磁块的南北磁极交差分布；所述外环磁极组(6)均匀分布在放电室(5)的外壁，内环磁极组(9)均匀分布在内环阳极圆筒内壁。3.根据权利要求2所述的一种均匀放电环型离子推力器，其特征在于：所述外环磁极组(6)中磁块通过外环磁极扣(7)安装在放电室(5)的外壁上，外环磁极扣(7)包括若干与外环磁极组(6)位置对应的凹槽；所述外环磁极组(6)上相邻凹槽之间设置有螺栓孔，外环磁极组(6)通过螺栓安装在放电室(5)上；所述内环磁极组(9)的磁块通过内环磁极扣(8)安装在内环阳极圆筒内壁，内环磁极扣(8)呈圆筒形，外壁上设置有若干与内环磁极组(9)位置对应的凹槽，且内环磁极扣(8)通过螺栓与内环阳极圆筒连接。4.根据权利要求3所述的一种均匀放电环型离子推力器，其特征在于：所述底部外磁环(2)、底部内磁环(3)分别通过若干个底部外环磁极扣(4)和底部内环磁极扣(12)安装，底部外环磁极扣(4)和底部内环磁极扣(12)均通过螺栓与放电室(5)底部连接。5.根据权利要求1所述的一种均匀放电环型离子推力器，其特征在于：所述本体外壳(1)设置有使结构更稳固的加强肋。6.根据权利要求1所述的一种均匀放电环型离子推力器，其特征在于：所述栅极系统(10)包括依次层叠在一起的栅极安装环(101)、栅极安装内环(107)、栅极安装外环(102)，栅极安装环(101)的内环连接有加速栅(104)；所述加速栅(104)中间设置屏栅(105)，屏栅(105)的内环设置有栅极边缘内环(106)、栅极边缘外环(103)。7.根据权利要求1所述的一种均匀放电环型离子推力器，其特征在于：所述进气柱(13)伸进放电室且进气柱(13)的设置方向与轴向平行，进气柱(13)的侧壁上开均匀设有若干径向设置的气孔，以实现径向进气。

技术总结
本发明公开了一种均匀放电环型离子推力器，包括本体外壳；本体外壳内设置有放电室；放电室底端面的外侧设置有进气柱、阴极和同轴的底部外磁环、底部内磁环，放电室侧壁设置有外环磁极组，放电室底端面上设置有内环阳极圆筒，内环阳极圆筒内设置有内环磁极组；本体外壳的开口处设置有栅极系统、中和器，栅极系统、中和器组成本体外壳的后端面并通过螺栓与本体外壳连接。本发明具有结构简单、安装方便、电离效率高、气体利用率高的优点。气体利用率高的优点。气体利用率高的优点。


技术研发人员：康会峰 鹿畅 高梓涵 周兰英 王晓光 夏广庆
受保护的技术使用者：北华航天工业学院
技术研发日：2023.08.09
技术公布日：2023/10/15