[发明专利]螺旋波等离子体感应式推力器

说明书

技术领域

本发明涉及空间探测领域，特别地，涉及一种用于空间探测的螺旋波等离子体感应式推力器。

背景技术

电推进在空间探测中具有广阔应用前景，与传统化学推进相比，其具有高比冲、长寿命、精确推力控制等特点。电推力器按推力形成方式的不同可以分为电热式推力器、静电式推力器以及电磁式推力器等，目前经过在轨运行的主要是静电式推力器，但电磁式推力器由于不受空间朗缪尔电荷效应限制而具有较高能量密度，成为非常具有潜力的新型推进方式。

离子推力器是一种较为成熟的静电式推力器，它利用空心阴极发射热电子使工质气体电离，再通过栅格电场使离子加速喷出形成推力。在离子推力器工作过程中不可避免地存在电极腐蚀，电极的寿命制约了推力器寿命，在深空探测等长寿命任务中的应用受到制约。另一方面，粒子通过静电场加速，推力器的能量密度较低。

另一种感应式脉冲等离子体推力器(Inductive Pulsed Plasma Thruster，IPPT，或者在较早期的资料中称为Pulsed Inductive Thruster，PIT)属于高功率高效率的电磁式推力器，它是一种电离-加速一体式的结构：通过平板式感应线圈使气体电离，利用感应线圈在等离子中诱导电流所受到的洛伦兹力对等离子体进行加速，具有高比冲、高效率的优点。但是IPPT所需电功率为数十kW量级，其应用受到现阶段星载电源功率水平的制约；同时，IPPT的结构中需要较大规模的高压电容组(数十kV)，很难实现小型化、轻量化。

发明内容

本发明提供了一种螺旋波等离子体感应式推力器，以解决现有的离子推力器由于存在电极腐蚀导致的工作寿命受限和IPPT所需电功率高，导致现有的星载电源功率无法匹配及其结构难以小型化、轻量化的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种螺旋波等离子体感应式推力器，包括用于在其内腔形成螺旋波等离子体的放电腔，放电腔的外部依次设置用于在放电腔内形成轴向磁场的第一磁体、用于在放电腔内形成径向磁场的第二磁体；放电腔的外壁沿轴向依次设置用于将导入的工质气体在轴向磁场中电离生成螺旋波等离子体的螺旋波放电天线、用于将螺旋波等离子体在径向磁场中加速推出的感应加速线圈；螺旋波等离子体感应式推力器还包括：

螺旋波放电电路，与螺旋波放电天线连接且为其提供工作电源；

脉冲感应放电电路，与感应加速线圈连接且为其提供脉冲放电电压以驱动螺旋波等离子体加速推出；

时序控制电路，连接螺旋波放电电路及脉冲感应放电电路，以触发螺旋波放电电路及脉冲感应放电电路的工作时序。

进一步地，螺旋波放电电路包括射频功率电源及阻抗匹配网络，射频功率电源经阻抗匹配网络连接螺旋波放电天线，其中，阻抗匹配网络用于使射频功率电源的输出阻抗与螺旋波放电天线的负载阻抗匹配。

进一步地，阻抗匹配网络包括连接于射频功率电源两端的第一可变电容、连接于螺旋波放电天线两端的第二可变电容及设于第一可变电容与第二可变电容之间的定值电感。

进一步地，脉冲感应放电电路包括：

直流电源，直流电源的正极依次经第一固态开关、第二固态开关、感应加速线圈连接至直流电源的负极，第一固态开关与第二固态开关的连接处和直流电源的负极之间设置电容，电容与感应加速线圈并联以对感应加速线圈进行放电控制。

进一步地，时序控制电路包括：

逻辑控制电路，用于生成时序控制信号；

信号发生器，连接逻辑控制电路，用于根据时序控制信号生成高低电平的时序信号；

射频电源触发电路，连接信号发生器及螺旋波放电电路，用于接收时序信号以触发螺旋波放电电路为螺旋波放电天线提供工作电源；

脉冲感应触发电路，连接信号发生器及脉冲感应放电电路，用于接收时序信号以触发脉冲感应放电电路为感应加速线圈提供脉冲放电电压。

进一步地，第一磁体及第二磁体均为永磁体，采用N35EH钕铁硼烧结成型，剩余磁通密度不小于1.2T，耐受温度不低于200℃。

进一步地，第一磁体及第二磁体的内表面均经绝热材料包覆。

进一步地，放电腔采用石英熔融成型，且放电腔在螺旋波放电天线与感应加速线圈之间的区域设置为扩张型面，其扩张线型与内部对应的磁力线线型一致。

进一步地，放电腔的入口处设有用于注入工质气体的法兰输入结构。

进一步地，螺旋波放电天线采用双臂半波长螺旋形天线。

本发明具有以下有益效果：