专利摘要

本发明涉及一种基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置。离子风推力装置包括电离电极、中间电极、集电极、电离电源和加速电源，电离电极与电离电源连接，中间电极与加速电源连接，电离电极与中间电极之间形成电离区，中间电极与集电极之间形成加速区，通过调整电离电源输出电压的大小或电离区的距离改变电离区的带电粒子浓度，实现了电离区的单独控制，通过调整加速电源输出电压的大小或加速区的距离改变加速区的电场强度，实现了加速区的单独控制，即实现了电离与加速的解耦；并且通过电离区与加速区的控制匹配，使带电粒子在加速区的运动过程中完全与中性气体分子发生碰撞并进行能量交换，提高了离子风推力器的电‑动能转换效率。

权利要求

1.一种基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置，其特征在于，所述推力装置包括：电离电极、中间电极、集电极、电离电源和加速电源；

所述电离电极、所述中间电极和所述集电极沿着临近空间气体的流动方向依次设置；所述电离电极与所述中间电极之间的区域为电离区，所述中间电极与所述集电极之间的区域为加速区；所述电离区和所述加速区的距离均可调；

所述电离电极与所述电离电源连接，所述中间电极与所述加速电源连接，所述集电极接地；

所述电离电源的电压高于所述加速电源的电压，所述电离电极的针尖曲率半径小于所述中间电极的针尖曲率半径；

通过调整所述电离电源输出电压的大小或所述电离区的距离提高所述电离区的带电粒子浓度；通过调整所述加速电源输出电压的大小或所述加速区的距离改变所述加速区的电场强度，从而使所述带电粒子在加速区的运动过程中完全与所述加速电场所在区域的中性气体分子发生碰撞并进行能量交换，形成离子风。

2.根据权利要求1所述的基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置，其特征在于，所述电离电极和所述中间电极均为单针结构；

所述电离电极与所述中间电极位于同一直线上。

3.根据权利要求1所述的基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置，其特征在于，所述电离电极为第一多针结构，所述中间电极为第二多针结构；

所述第一多针结构和所述第二多针结构位于同一平面上，所述第一多针结构中的针电极平行排列，所述第二多针结构中的针电极平行排列，所述第一多针结构中的针电极与所述第二多针结构中的针电极分别一一对应设置。

4.根据权利要求1所述的基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置，其特征在于，所述电离电极为第一多针结构，所述中间电极为第二多针结构；

所述第一多针结构中的针电极平行排列构成第一正三角形结构，所述第二多针结构中的针电极平行排列构成第二正三角形结构，所述第一正三角形结构的中心线与所述第二正三角形结构的中心线重合。

5.根据权利要求1所述的基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置，其特征在于，所述集电极为网电极结构；

所述中间电极垂直于所述网电极结构所在平面。

6.根据权利要求1所述的基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置，其特征在于，所述集电极为环电极结构；

所述中间电极的中心线与所述环电极结构的中心线重合。

7.根据权利要求1所述的基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置，其特征在于，所述电离区可电离成带电粒子的气体为氮气、氧气、二氧化碳、臭氧中的一种或几种组合。

8.根据权利要求1所述的基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置，其特征在于，所述电离电源为高压直流电源、高压交流电源、高压脉冲电源中的一种或几种组合。

9.根据权利要求1所述的基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置，其特征在于，所述加速电源为正直流电源、正极性脉冲电源中的一种或几种组合。

10.根据权利要求1所述的基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置，其特征在于，所述推力装置还包括：电流互感器和示波器；

所述电流互感器的一次侧分别与所述集电极和地连接，所述电流互感器的二次侧与所述示波器连接；

所述示波器用于显示所述电流互感器的二次侧的电流。

说明书

技术领域

本发明涉及临近空间电推进领域，特别是涉及一种基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置。

背景技术

离子风推力器具有结构简单、可靠性高、无需自携带推进剂等特点，在临近空间电推进领域具有广泛的应用价值。离子风推力器工作包含粒子的电离过程及加速过程。然而，离子风推力器存在电离过程与加速过程无法分开控制、电-动能转换效率低的问题，该问题限制了离子风推力器的性能与应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置，实现了电离区与加速区的解耦控制，并提高了离子风推力器的电-动能转换效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置，所述推力装置包括：电离电极、中间电极、集电极、电离电源和加速电源；

所述电离电极、所述中间电极和所述集电极沿着临近空间气体的流动方向依次设置；所述电离电极与所述中间电极之间的区域为电离区，所述中间电极与所述集电极之间的区域为加速区；所述电离区和所述加速区的距离均可调；

所述电离电极与所述电离电源连接，所述中间电极与所述加速电源连接，所述集电极接地；

所述电离电源的电压高于所述加速电源的电压，所述电离电极的针尖曲率半径小于所述中间电极的针尖曲率半径；

通过调整所述电离电源输出电压的大小或所述电离区的距离提高所述电离区的带电粒子浓度；通过调整所述加速电源输出电压的大小或所述加速区的距离改变所述加速区的电场强度，从而使所述带电粒子在加速区的运动过程中完全与所述加速电场所在区域的中性气体分子发生碰撞并进行能量交换，形成离子风。

可选的，所述电离电极和所述中间电极均为单针结构；

所述电离电极与所述中间电极位于同一直线上。

可选的，所述电离电极为第一多针结构，所述中间电极为第二多针结构；

所述第一多针结构和所述第二多针结构位于同一平面上，所述第一多针结构中的针电极平行排列，所述第二多针结构中的针电极平行排列，所述第一多针结构中的针电极与所述第二多针结构中的针电极分别一一对应设置。

可选的，所述电离电极为第一多针结构，所述中间电极为第二多针结构；

所述第一多针结构中的针电极平行排列构成第一正三角形结构，所述第二多针结构中的针电极平行排列构成第二正三角形结构，所述第一正三角形结构的中心线与所述第二正三角形结构的中心线重合。

可选的，所述集电极为网电极结构；

所述中间电极垂直于所述网电极结构所在平面。

可选的，所述集电极为环电极结构；

所述中间电极的中心线与所述环电极结构的中心线重合。

可选的，所述电离区可电离成带电粒子的气体为氮气、氧气、二氧化碳、臭氧中的一种或几种组合。

可选的，所述电离电源为高压直流电源、高压交流电源、高压脉冲电源中的一种或几种组合。

可选的，所述加速电源为正直流电源、正极性脉冲电源中的一种或几种组合。

可选的，所述推力装置还包括：电流互感器和示波器；

所述电流互感器的一次侧分别与所述集电极和地连接，所述电流互感器的二次侧与所述示波器连接；

所述示波器用于显示所述电流互感器的二次侧的电流。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明将电离电极与电离电源连接，中间电极与加速电源连接，电离电极与中间电极之间形成电离区，中间电极与集电极之间形成加速区，通过调整电离电源输出电压的大小或电离区的距离改变电离区的带电粒子浓度，实现了电离区的单独控制，通过调整加速电源输出电压的大小或加速区的距离改变加速区的电场强度，实现了加速区的单独控制，即实现了电离与加速的解耦；并且通过电离区与加速区的控制匹配，使带电粒子在加速区的运动过程中完全与加速电场所在区域的中性气体分子发生碰撞并进行能量交换，提高了离子风推力器的电-动能转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置的原理结构示意图；

图2为本发明提供的多针-多针-环结构的示意图；

图3为本发明提供的三角多针-三角多针-环结构的示意图；

图4为本发明提供的单针-单针-网结构的示意图；

图5为本发明提供的多针-多针-网结构的示意图；

图6为本发明提供的三角多针-三角多针-网结构的示意图；

符号说明：1-电离电源，2-加速电源，3-电离电极，4-中间电极，5-集电极，6-示波器，7-电流互感器，8-风速仪，9-高压探头。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，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。

本发明的目的是提供一种离子风推力装置，克服了传统离子风推力器电离密度极限对离子风推力器性能的限制性，提高了离子风推力器的带电离子密度，进而提高了离子风推力器的性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的一种基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置的原理结构示意图。如图1所示，一种基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置包括：电离电极3、中间电极4、集电极5、电离电源1和加速电源2。

电离电极3、中间电极4和集电极5沿着临近空间气体的流动方向依次设置。电离电极3与中间电极4之间的区域为电离区，中间电极4与集电极5之间的区域为加速区。电离区和加速区的距离均可调。电离区处于加速区上游位置。

电离电极3与电离电源1的高压端连接，中间电极4与加速电源2的高压端连接，集电极5接地。电离电源1的低压端与加速电源2的低压端均接地。

电离电源1的电压高于加速电源2的电压，电离电极3的针尖曲率半径小于中间电极4的针尖曲率半径，使得电离过程产生的带电粒子能够输运至中间电极4区域。

通过增大电离电源1输出电压的大小或增加电离区的距离提高电离区的带电粒子浓度。由于针尖曲率半径的改变，能够改变电离区电场强度；在相同放电电压条件下，针尖曲率半径越大(针尖越尖锐)，电场强度越强，放电产生的带电粒子浓度也有所不同，因此，还可以通过改变电离电极3的针尖曲率或者中间电极4的针尖曲率提高电离区的带电粒子浓度，实现了电离区带电粒子浓度的单独控制。

通过调整加速电源2输出电压的大小或加速区的距离改变加速区的电场强度，带电粒子在加速区的电场作用下受到库仑力的作用，从而使带电粒子在加速区的运动过程中完全与加速电场所在区域的中性气体分子发生碰撞并进行能量交换，形成离子风。还可以通过调整中间电极4的结构或者集电极5的结构改变加速区的电场强度的分布，实现了加速区的单独控制，进而实现了电离与加速过程的解耦控制。

为了优化电-动能传递过程，提高离子风推力器电-动能转换效率，需要进行电离区与加速区的匹配，匹配主要包含带电粒子浓度的匹配优化以及时间尺度的匹配优化。在带电粒子浓度上，需要保证电离过程产生的带电粒子能够在加速过程被完全利用；在时间尺度上，需要保证电离过程与加速过程之间无时间间隔，电离过程产生带电粒子后就能够被加速过程立刻利用上，不存在时间差。

本发明提供了以下几种电离电极3、中间电极4和集电极5的结构：

1)如图1所示，电离电极3和中间电极4均为单针结构，集电极5为环电极结构，即单针-单针-环结构。电离电极3与中间电极4位于同一直线上。中间电极4的中心线与环电极结构的中心线重合。

2)如图2所示，电离电极3为第一多针结构，中间电极4为第二多针结构，集电极5为环电极结构，即多针-多针-环结构。第一多针结构和第二多针结构位于同一平面上，第一多针结构中的针电极平行排列，第二多针结构中的针电极平行排列，第一多针结构中的针电极与第二多针结构中的针电极分别一一对应设置。中间电极4的中心线与环电极结构的中心线重合。

3)如图3所示，电离电极3为第一多针结构，中间电极4为第二多针结构，集电极5为环电极结构，即三角多针-三角多针-环结构。第一多针结构中的针电极平行排列构成第一正三角形结构，第二多针结构中的针电极平行排列构成第二正三角形结构，第一正三角形结构的中心线与第二正三角形结构的中心线重合。中间电极4的中心线与环电极结构的中心线重合。

4)如图4所示，电离电极3和中间电极4均为单针结构，集电极5为网电极结构，即单针-单针-网结构。中间电极4垂直于网电极结构所在平面。

5)如图5所示，电离电极3为第一多针结构，中间电极4为第二多针结构，集电极5为网电极结构，即多针-多针-网结构。第一多针结构和第二多针结构位于同一平面上，第一多针结构中的针电极平行排列，第二多针结构中的针电极平行排列，第一多针结构中的针电极与第二多针结构中的针电极分别一一对应设置。中间电极4垂直于网电极结构所在平面。

6)如图6所示，电离电极3为第一多针结构，中间电极4为第二多针结构，集电极5为网电极结构，即三角多针-三角多针-网结构。第一多针结构中的针电极平行排列构成第一正三角形结构，第二多针结构中的针电极平行排列构成第二正三角形结构，第一正三角形结构的中心线与第二正三角形结构的中心线重合。中间电极4垂直于网电极结构所在平面。

电离区可电离成带电粒子的气体为氮气、氧气、二氧化碳、臭氧中的一种或几种组合。

电离电源1为高压直流电源(正高压、负高压)、高压交流电源、高压脉冲电源中的一种或几种组合。

加速电源2为正直流电源或正极性脉冲电源中的一种或几种组合，保证带电离子的定向加速。

推力装置还包括：电流互感器7和示波器6。电流互感器7的一次侧分别与集电极5和地连接，电流互感器7的二次侧与示波器6连接。示波器6用于显示电流互感器7的二次侧的电流。示波器6的两个高压探头9分别用于测量电离电极3的电压和中间电极4的电压。

推力装置还可以包括电流测量装置，电流测量装置连接在电离电源1和示波器6之间。由于电离电源1可以为多种形式的电源，针对电离电源1采用不同的电源，电流测量装置相应的选择合适的电流测量装置进行电流的测量，并在示波器6上显示电流测量值。

推力装置还包括：风速仪8。风速仪8用于测量离子风的风速。

本发明将电离电极与电离电源连接，中间电极与加速电源连接，电离电极与中间电极之间形成电离区，中间电极与集电极之间形成加速区，通过调整电离电源输出电压的大小或电离区的距离改变电离区的带电粒子浓度，实现了电离区的单独控制，通过调整加速电源输出电压的大小或加速区的距离改变加速区的电场强度，实现了加速区的单独控制，即实现了电离与加速的解耦；并且通过电离区与加速区的控制匹配，使带电粒子在加速区的运动过程中完全与加速电场所在区域的中性气体分子发生碰撞并进行能量交换，提高了离子风推力器的电-动能转换效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

一种基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。