CN116771622A - 一种毫牛量级的射频离子推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫牛量级的射频离子推力器，包括陶瓷底座，陶瓷底座的外层设置电磁屏蔽层，上端固定有加速栅极，在加速栅极的上端设置有栅极绝缘陶瓷块，在栅极绝缘陶瓷块的上端固定有用于离子加速的屏栅极，屏栅极面对放电室，放电室的外层围有射频线圈，该射频线圈由线圈支架固定支撑，放电室的上端设置有气体分配器，该气体分配器的内部设置有与气体分配器一体焊接的气体绝缘器，上端设置有进气管，所述进气管的上端设置有用于整体固定和安装的法兰。本发明通过气体分配器使得放电室内气体分布均匀，具有结构合理、安装简单方便、产品整体结构紧凑、散热良好、高性能和长寿命的特点。

Description

一种毫牛量级的射频离子推力器

技术领域

本发明涉及航天推力器领域，尤其涉及一种毫牛量级的射频离子推力器。

背景技术

人类频繁的空间领域活动增加了对航天推进技术的需求，电推进由于具有比冲高、寿命长、结构紧凑等优势逐渐引起了航天界的关注与重视。随着人们对太空探索需求的丰富以及商业航天的发展，人们对电推进系统的技术要求逐渐走向了轻型化、长寿命、高总冲等方面。对于立方星、板星等微小卫星，其对推进系统的质量和体积要求更加苛刻。

目前市场上主流的霍尔推力器虽然有着较为成熟的工程应用经验和在轨验证，但是在小型化电推进领域并没有明显的性能优势，甚至由于其复杂的磁路限制导致其在小型化后存在效率低、工作不稳定的问题，因此，国内外多数研究机构都在寻找一种新原理的电推进技术以满足市场需求。

公开号为CN114837910A，名称为“一种一体式高效电离超高比冲射频离子推力器放电结构”的中国专利申请公布了一种射频离子推力器，包括一般射频离子推力器常见的组成部分：屏栅、屏栅安装环、陶瓷放电室、陶瓷安装环、线圈绝缘支架、后外壳、气体工质管道、多个射频线圈、金属气路接头、超高压气路绝缘器、绝缘器固定环、后盖，在该专利申请中，所述气体工质管道为一长管，深入到放电室内部，其侧壁及顶壁开设多个出气孔。根据该申请文件，这样的结构能够到底工质气体分布均匀，强化气体电离，而且清理方便，但是依本发明人来看，在管壁和顶部开孔的技术措施并没有达到把气体均布的技术效果。

公开号为CN113404658A，名称为”一种自中和射频离子推力器“的中国专利公开了一种自中和射频离子推力器，在该发明中，发明人通过增加了一个副电离室，主电离室连接离子引出系统，副电离室连接电子引出系统，主电离室和副电离室共用一套射频功率源和阻抗匹配网络，电子引出系统和离子引出系统共用一个直流高压源，电子引出系统引出的电子中和离子引出系统引出的离子。该发明的发明人强调该结构简化了射频离子推力器的结构，取得了有益效果。然而，依本发明人来看，由于增加了副电离室，显然增加了射频离子推进器的体积，而在航天器中，空间无比珍贵，另外，增加一个副电离室，会增加很多结构和部件，不可能简化射频离子推力器的结构。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种毫牛量级的射频离子推力器，用以解决现有技术中存在的问题。

本发明提供一种毫牛量级的射频离子推力器，包括：陶瓷底座、设置在陶瓷底座外面的屏蔽层，固定安装在陶瓷底座上的加速栅极、设置在加速栅极上的绝缘陶瓷块、固定安装在绝缘陶瓷块上的屏栅极、安装在底座上线圈支架、安装在线圈支架上射频线圈，气体分配器、进气管，安装在进气管和气体分配器之间的气体绝缘器，以及封盖法兰。其中，加速栅极、线圈支架、封盖法兰围成放电室，屏蔽层从底座边缘处折成直角向上，最后与封盖法兰固定连接，形成一个圆形笼状体，进气管从法兰中央穿入放电室，然后与气体分配器连接相通，气体分配器内部设置有气体绝缘器。所述气体分配器是锥形结构，圆锥顶部与进气管连通，底部为平板，平板上设置有均匀分布通孔。

优选地，所述栅极绝缘陶瓷块通过自身的异性圆弧与陶瓷底座配合安装，所述屏栅极嵌入栅极绝缘陶瓷块上表面，所述屏栅极和加速栅极的定位方式均由底座陶瓷提供。

优选地，所述的进气管、气体绝缘器、气体分配器、以及放电室是一体化焊接结构。

本发明采用叠加的方式，使得产品的安装更加简单方便，进气管、气体绝缘器、气体分配器、和放电室一体化焊接设计使得产品具有更好的气密性，而且组装更加容易；产品在绝缘、定位等优化布局设计下具有更紧凑的结构，而且安装简便，采用本发明的气体分配器，气体在放电室内分布非常均匀，从而使得产品性能稳定。

通常情况下射频频率和线圈匝数会随着推力器的尺寸发生变化，推力器越小，频率越高，而线圈匝数也会有所增加。因此，可以根据实际需要，对本发明射频离子推力器的射频频率和线圈匝数进行调整，使得本发明射频离子推力器具有相当大的灵活性，适应不同的条件要求。

附图说明

图1为本发明毫牛量级的射频离子推力器的剖视图；

图2为本发明毫牛量级的射频离子推力器栅极系统组件的结构图；

图3为本发明毫牛量级的射频离子推力器离子加速示意图；

图4为本发明毫牛量级的射频离子推力器立体结构示意图。

图中标号分别为：1屏蔽层、2陶瓷底座、3加速栅极、4栅极绝缘陶瓷块、5屏栅极、6放电室、7射频线圈、8线圈支架、9气体分配器、10气体绝缘器、11法兰、12进气管。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种毫牛量级的射频离子推力器，该射频离子推力器包括屏蔽层1、陶瓷底座2、加速栅极3、栅极绝缘陶瓷块4、屏栅极5、放电室6、射频线圈7、线圈支架8、气体分配器9、气体绝缘器10、法兰11、和进气管12，其中屏蔽层1设置在陶瓷底座2外面，并在陶瓷底座2边缘处折成直角向上，在上面与法兰11固定连接，构成射频离子推力器的基本结构，从图4可以看出，本发明射频离子推力器为圆形笼状体；加速栅极3固定在陶瓷底座2上，并在上面设置有用于栅极间绝缘的栅极绝缘陶瓷块4；用于离子加速的屏栅极5固定在栅极绝缘陶瓷块4上；线圈支架8安装在陶瓷底座2上；射频线圈7安装在线圈支架8上，进气管12从法兰11孔插入先与气体绝缘器10连接，穿过气体绝缘器10后与气体分配器9连接并连通，气体分配器9为圆锥状结构，内部设置有气体绝缘器10，圆锥顶部与进气管12相连通，底部为一平板，平板上均匀分布有通透孔，加速栅极3、线圈支架8、和封盖法兰11围成放电室6。在本实施方式中，栅极绝缘陶瓷块4安装在加速栅极3上表面，通过自身的异性圆弧与陶瓷底座2配合安装，屏栅极5嵌入栅极绝缘陶瓷块4上表面，可以看出，屏栅极5和加速栅极3的定位方式均由底座陶瓷2提供；放电室6表面设计有与射频线圈7等螺距的旋槽；进气管12、气体绝缘器10、气体分配器8、以及放电室6焊接成一体。

如图2所示，为本发明所属的栅极系统组件，在本实施方式中，栅极系统的安装顺序依次是陶瓷底座2、加速栅极3、栅极绝缘陶瓷块4，屏栅极5。当加速栅极安装在陶瓷底座上后，使用螺钉、螺母通过上方位孔将其固定。固定好加速栅极3后，将栅极绝缘陶瓷块4嵌入陶瓷底座2内并与加速栅极3紧密接触，最后将屏栅极5安装到栅极绝缘陶瓷块4上表面，对齐屏栅极5孔和加速栅极3孔，最后用螺钉通过定位孔将屏栅极5固定，线圈支架8也通过螺钉和螺母固定在陶瓷底座2上。

具体使用过程中，本发明毫牛量级的射频离子推力器先通电射频线圈7电离工质后加速离子的方式形成推力，离子的加速过程主要发生在栅极系统部分，双栅极系统原理如图3所示，在特定的屏栅极5电压下，屏栅极5孔处形成的等离子体鞘层内的离子会被引出并加速，聚焦形成离子束流。屏栅极5用正高压加速离子，加速栅极3接负高压来防止电子回流，从而产生射频离子的推动力。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本发明的保护范围显然不局限于本具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种毫牛量级射频离子推力器，包括陶瓷底座，设置在所述陶瓷底座外部的屏蔽层、固定在所述陶瓷底座上的加速栅极、安装在所述加速栅极上的栅极绝缘陶瓷块、固定在所述栅极绝缘陶瓷快的屏栅极、射频线圈、用于固定支撑所述射频线圈的线圈支架、法兰和进气管；所述射频线圈、屏栅极、和法兰围成放电室；所述进气管穿过所述法兰进入所述放电室内，所述线圈支架固定安装在所述陶瓷底座上，所述屏蔽层在所述底座边缘处折成直角向上，最后与所述法兰封盖固定连接，其特征在于：所述射频离子推力器还包括气体分配器，所述气体分配器与所述进气管连通，所述分配器之内置有气体绝缘器，所述气体绝缘器在法兰封盖下面。

2.根据权利要求1所述的一种毫牛射频离子推力器，其特征在于：所述气体分配器为圆锥形，圆锥顶端与所述进气管相通，底部为平板，所述平板上均匀分布有通孔。

3.根据权利要求1所述的一毫牛种射频离子推力器，其特征在于：所述进气管、气体绝缘器、气体分配器和所述放电室一体焊接连接。

4.根据权利要求1所述的一毫牛种射频离子推力器，其特征在于：所述线圈支架通过螺钉螺母固定在所述陶瓷底座的孔中。

5.根据权利要求1所述的一毫牛种射频离子推力器，其特征在于：所述栅极绝缘陶瓷块安装在加速栅极上表面，通过自身的异性圆弧与陶瓷底座配合安装，所述屏栅极嵌入栅极绝缘陶瓷块上表面。