专利摘要

专利摘要

一种脉冲电励磁微牛推进装置，属于等离子体微推进技术领域。本发明解决了现有的推力器电离调节手段单一，不能满足大范围调节的高效稳定工作，以及无法满足卫星无拖曳控制中对于快速响应需求的问题。放电室主体为筒形体结构，所述底座上同轴开设有通孔、第一环形通道与第二环形通道，所述内套筒插设在第一环形通道内且与底座固接，所述外套筒插设在第二环形通道内且与底座固接，每个套筒上位于放电室外部的外壁上均绕设有线圈，微波输入单元插设在通孔内且与底座固接，且微波输入单元上位于放电室内的一端同轴固设有环形微波天线，所述底座上还开设有数量与若干供气单元相同的若干供气孔，且若干所述供气单元与放电室对应通过若干供气孔连通。

权利要求

1.一种脉冲电励磁微牛推进装置，其特征在于：它包括放电室(1)、内套筒(2)、外套筒(3)、微波输入单元(4)及若干供气单元(5)，所述放电室(1)包括放电室主体(11)、固接在放电室主体(11)一端的底座(12)以及固接在放电室主体(11)另一端的栅极加速单元(13)，所述放电室主体(11)为筒形体结构，所述底座(12)上同轴开设有通孔、第一环形通道与第二环形通道，所述内套筒(2)插设在第一环形通道内且与底座(12)固接，所述外套筒(3)插设在第二环形通道内且与底座(12)固接，每个套筒上位于放电室(1)外部的外壁上均绕设有线圈(6)，微波输入单元(4)插设在通孔内且与底座(12)固接，且微波输入单元(4)上位于放电室(1)内的一端同轴固设有环形微波天线(41)，所述底座(12)上还开设有数量与若干供气单元(5)相同的若干供气孔(12-1)，且若干所述供气单元(5)与放电室(1)对应通过若干供气孔(12-1)连通。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲电励磁微牛推进装置，其特征在于：所述栅极加速单元(13)包括屏栅(13-1)及加速栅(13-2)，其中所述屏栅(13-1)靠近微波输入单元(4)设置，且屏栅(13-1)电位为正电位，加速栅(13-2)电位为负电位。

3.根据权利要求2所述的一种脉冲电励磁微牛推进装置，其特征在于：加速栅(13-2)上开设的若干第二引出孔(13-21)的直径小于屏栅(13-1)上开设的若干第一引出孔(13-11)的直径。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种脉冲电励磁微牛推进装置，其特征在于：内套筒(2)上缠绕线圈(6)的电流小于外套筒(3)上缠绕线圈(6)的电流，且两组线圈(6)的电流方向相反。

5.根据权利要求4所述的一种脉冲电励磁微牛推进装置，其特征在于：若干供气孔(12-1)均位于外套筒(3)的外侧设置。

6.根据权利要求5所述的一种脉冲电励磁微牛推进装置，其特征在于：若干所述供气孔(12-1)的数量为20个，且均布在底座(12)上。

7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的一种脉冲电励磁微牛推进装置，其特征在于：放电室主体(11)为不锈钢筒体，且其长度小于或等于20mm，底座(12)为钢材底座，内套筒(2)与外套筒(3)均采用DT4C型软铁材料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲电励磁微牛推进装置，属于等离子体微推进技术领域。

背景技术

电推进系统与化学系统相比，具有比冲高、推力小等优点，相同任务的完成需要更少的燃料，降低成本，速度增量更大，能工作更长的时间，使更远距离的航天任务成为现实。电推力器是电推进系统的核心子单元，按推进剂加速方式的不同，它可以分为电热式、静电式和电磁式三大类，静电式离子推力器是利用静电场来加速带电粒子，高速喷出的离子束流产生反作用力即为推力器的推力，而电子回旋共振推力器(ECRIT)即属于离子推力器，磁场的摆放策略实现了磁镜效应，当磁镜中心的带电粒子向两侧运动时，被磁镜力反射回中心，实现磁场对等离子体的约束，约束电子能力提高，工质电离率随之提高；ECRIT具有无阴极放电方案，避免了阴极烧蚀，所以具有寿命长、比冲高、结构简单等特点，适宜用作深空探测器主推进装置。

随着航天技术的不断进步，为满足未来科学研究、技术验证、卫星通讯、深空探测以及军事任务的要求，等离子体推进单元在未来航天中的应用将愈来愈广泛，对于航天器姿态控制，高度控制，入轨精度等方面的要求将会更高，微推进、变推力已是未来的发展方向之一。

原有电子回旋共振推力器结构存在以下问题：想要实现微推进，为达到推力下限，要求放电室尺寸小型化，进而面容比增大，带来了推力器内部等离子体电子壁面损失等问题，现有的推力器电离调节手段单一，不能满足大范围调节的高效稳定工作的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有的推力器电离调节手段单一，不能满足大范围调节的高效稳定工作，以及无法满足卫星无拖曳控制中对于快速响应需求的问题，进而提供了一种脉冲电励磁微牛推进装置。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种脉冲电励磁微牛推进装置，它包括放电室、内套筒、外套筒、微波输入单元及若干供气单元，所述放电室包括放电室主体、固接在放电室主体一端的底座以及固接在放电室主体另一端的栅极加速单元，所述放电室主体为筒形体结构，所述底座上同轴开设有通孔、第一环形通道与第二环形通道，所述内套筒插设在第一环形通道内且与底座固接，所述外套筒插设在第二环形通道内且与底座固接，每个套筒上位于放电室外部的外壁上均绕设有线圈，微波输入单元插设在通孔内且与底座固接，且微波输入单元上位于放电室内的一端同轴固设有环形微波天线，所述底座上还开设有数量与若干供气单元相同的若干供气孔，且若干所述供气单元与放电室对应通过若干供气孔连通。

进一步地，所述栅极加速单元包括屏栅及加速栅，其中所述屏栅靠近微波输入单元设置，且屏栅电位为正电位，加速栅电位为负电位。

进一步地，加速栅上开设的若干第二引出孔的直径小于屏栅上开设的若干第一引出孔的直径。

进一步地，内套筒上缠绕线圈的电流小于外套筒上缠绕线圈的电流，且两组线圈的电流方向相反。

进一步地，若干供气孔均位于外套筒的外侧设置。

进一步地，若干所述供气孔的数量为20个，且均布在底座上。

进一步地，放电室主体为不锈钢筒体，且其长度小于或等于20mm，底座为钢材底座，内套筒与外套筒均采用DT4C型软铁材料。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、在实现推力微小化的过程中，在磁路单元的作用下，充入的处于运动状态的少量电子受到洛伦兹力向心力，形成电子回旋运动，由于磁镜效应，电子被束缚在放电室中。微波输入单元直接接触放电区，将微波毫无保留地传入放电室，电磁波频率一旦达到回旋角频率，电子就可以最大程度吸收微波能量并与中性气体发生碰撞，中性气体发生电离，产生等离子体。在这个过程中，本申请可以实现在低气压小流量条件下稳定放电，放电机制基于微波与电子回旋耦合，满足卫星无拖曳控制中对于响应快的需求。放电腔体小，气压低，可以达到较现有推力器更低的推力下限，使微小卫星领域实现小功率电推进产品。

2、本申请中放电室采用小型化圆柱形腔体，进入到放电室内的线偏振电磁波可以分解为两个旋转方向相反的圆偏振波，其中电子回旋波处于右旋偏振波频率范围内。电子在垂直磁场的方向不停地通过无碰撞加热机制从电场获得能量。电子经微波加速后，若其能量高于中性离子的第一电离能，则电子碰撞中性气体使其电离形成等离子体。但由于腔体半径较小，据此计算出的各个传输模态中最大的截止波长(即基模截止波长)小于微波推力器的工作波长，此时电磁场呈现一种“原地振动”的正弦振荡波状态，电磁波不再向前传输，均处于截止状态，利用该特性，调整放电容积，可以对离子源束流产生有益影响。

3、本申请微波输入是由一根环形微波天线直接暴露在电子回旋共振腔中完成，环形微波天线产生的电场强度等势线与电子回旋共振区内的磁力线更好地平行，磁场与微波配合结果更接近计算结果，相应的电子获能指标最大。同时环形微波天线表面积更小，可有效减小等离子体在天线壁面的碰撞损失。另外，天线的裸露解决了微波传输困难的问题，能量直接被电子吸收，达到极高的微波等离子体吸收率。

4、本申请的磁路单元由脉冲式电励磁实现，伸入腔体中的铁套筒部分产生的磁场不均匀，形成磁镜效应，当磁镜中心的带电粒子向两侧运动时，被磁镜力约束反射回中心，带电粒子的运动区域就被限制在了磁镜之间，能够有效延长电子在放电室的滞留时间，减小电子与壁面碰撞的损失，提高工质电离率。

5、脉冲式电励磁通过调节电流，改变磁场强度，解除了现有技术中永磁铁带来的单一磁场强度的束缚，实现了变推力的调节模式。在供气流量大范围变化的情况下，改变电流大小，磁场强度与位型随之变化，与微波配合产生的电子回旋共振面的大小与位置发生变化。利用共振面的大小与位置衡量该装置的放电尺度。共振面变大，放电尺度明显增加，气体离子运动区域可调，可以有效提高工质利用率。电子回旋共振面位置的改变会影响离子束流的引出，共振面与栅极之间的距离越近，气体离子引出更容易，推力随之增大，同时也会引起较严重的侵蚀问题；反之，距离越短，气体离子引出变难，推力会随之减小，侵蚀问题也得到改善。

另外，本申请在进一步缩小放电室尺寸条件下表现了极大优越性，毫米级永磁装置再缩小的加工难度较大，而电励磁装置中的导磁套筒加工难度较小，筒壁可以做到更薄，达到更低的推力下限。

附图说明

图1为本申请的主剖视示意图；

图2为微波输入单元的右视示意图；

图3为内线圈电流为10A时产生的共振面位置模拟示意图；

图4为内线圈电流为4A时产生的共振面位置模拟示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～4说明本实施方式，一种脉冲电励磁微牛推进装置，它包括放电室1、内套筒2、外套筒3、微波输入单元4及若干供气单元5，所述放电室1包括放电室主体11、固接在放电室主体11一端的底座12以及固接在放电室主体11另一端的栅极加速单元13，所述放电室主体11为筒形体结构，所述底座12上同轴开设有通孔、第一环形通道与第二环形通道，所述内套筒2插设在第一环形通道内且与底座12固接，所述外套筒3插设在第二环形通道内且与底座12固接，每个套筒上位于放电室1外部的外壁上均绕设有线圈6，微波输入单元4插设在通孔内且与底座12固接，且微波输入单元4上位于放电室1内的一端同轴固设有环形微波天线41，所述底座12上还开设有数量与若干供气单元5相同的若干供气孔12-1，且若干所述供气单元5与放电室1对应通过若干供气孔12-1连通。

内、外套筒及其上缠绕的线圈6组成电励磁调节单元，位于放电室1前端，通过对线圈6供电，产生时变磁场；

栅极加速单元13位于放电区后端，离子加速喷出产生推力，并与推力器的中和器发出的电子中和；通过供气单元5向推力器提供稳定的工质气流；

微波供给单元，从微波电源获取一定频率脉冲微波，向推力器提供微波输入。

放电室1内的主要区域为电励磁调节单元与微波输入单元4配合产生的电子回旋共振区7。

为缠绕在内、外套筒上的线圈6供电产生的响应电励磁的时变磁场，组成的磁路单元位于放电区前端引导电子回旋运动，与微波输入单元4产生的微波配合形成电子回旋共振，微波输入单元4上的环形微波天线41直接暴露在电子回旋共振区7中，解决了微波传输困难的问题，能量直接被电子吸收，达到极高的微波等离子吸收率，所述电子回旋共振区7位于放电室1内。

位于放电室1外部的电励磁调节单元开关与微波电源并联，从微波电源获取一定频率脉冲微波，经微波输入单元4进入放电室1，置于放电室1中心位置的环形微波天线41发出相应的微波频率，在圆柱形的放电室1中形成一个较强的磁场区域，设置时变磁场变化频率与微波变化频率为一致，磁场强度调节到某一值后，通过供气单元5在内、外套筒之间聩入稀有气体，微波频率和电子回旋频率相等，伸入该区域的环形微波天线41产生的微波与该磁场共同作用下产生大量等离子体，栅极加速单元13共同作用将等离子体引出，阻止电子通过束流路径被加速出去。

内、外套筒上位于放电室1内的一侧产生磁力线8，微波输入单元4伸入放电室1中央输入微波，微波频率与电子回旋角频率相同时产生共振现象，形成电子回旋共振区7，加热电子吸收能量，碰撞由供气单元5送入的工质气体，产生等离子体被栅极加速单元13引出，所述栅极加速单元13包括同轴设置的屏栅13-1和加速栅13-2，屏栅13-1上开设的若干第一引出孔13-11的半径大于加速栅13-2上开设的若干第二引出孔13-21的半径，屏栅13-1电位为近千伏的正电位，加速栅13-2为负电位，两块栅极之间可以采用陶瓷垫片进行绝缘处理。

内套筒2上缠绕的线圈6为内线圈，外套筒3上缠绕的线圈6为外线圈，改变内、外线圈电流，形成共振面9的大小和位置均发生变化，在小型化腔体中尤为明显。例如，内线圈设置200匝，外线圈设置90匝时，内线圈电流为10A时，形成的共振面9位置如图3所示，内线圈电流为4A时，形成共振面9的位置如图4所示。

工作原理：

在磁路单元的作用下，充入的处于运动状态的少量电子受到洛伦兹力向心力，形成电子回旋运动，由于磁镜效应，电子被束缚在放电室1中。微波输入单元4是由一根环形微波天线41直接暴露在电子回旋共振腔中，将微波毫无保留地传入放电室1，电磁场呈现一种“原地振动”的正弦振荡波状态，电磁波不再向前传输，均处于截止状态，电磁波频率一旦达到回旋角频率，电子在垂直磁场的方向不停地通过无碰撞加热机制从电场获得能量，对缠绕在内、外套筒上的线圈6供电，通过调节电流，改变磁场强度与位型，不同的共振面9大小影响工质利用率，而不同的共振面9位置影响粒子束流的引出，两者共同作用下，气体电离发生极大改善。电子经微波加速后，若其能量高于中性离子的第一电离能，则电子碰撞中性气体使其电离形成等离子体，屏栅13-1-加速栅13-2单元共同作用将等离子体引出，阻止电子通过束流路径被加速出去。不同的磁场强度与位型，引导出数量不同的离子束流，实现了变推力的调节模式。但由于放电室1半径较小，据此计算出的各个传输模态中最大的截止波长(即基模截止波长)小于微波推力器的工作波长，此时电磁场呈现一种“原地振动”的正弦振荡波状态，电磁波不再向前传输，均处于截止状态，利用该特性，调整放电容积，可以对离子源束流产生有益影响。

电磁波频率一旦达到回旋角频率，电子就可以最大程度吸收微波能量并与中性气体发生碰撞，中性气体发生电离，产生等离子体。在这个过程中，电子回旋共振推力器可以实现在低气压小流量条件下稳定放电，放电机制基于微波与电子回旋耦合，满足卫星无拖曳控制中对于响应快的需求。使成为可能。

本发明放电腔体小，气压低，实现了较现有推力器更低的推力下限，使微小卫星领域实现小功率电推进产品。电离调节手段不再单一，实现在低气压小流量条件下稳定放电，大范围调节的高效稳定工作的问题。通过本申请的微波单元设计解决了微波传输困难的问题。

本申请采用的栅极微波单元包括一块搭载超千伏屏栅13-1以及抽取离子束流的加速栅13-2(屏栅13-1所搭载电压值的高低可调)，加速栅13-2加载负电位引出离子束流，产生反向推力，各栅极上开有数十个小孔。屏栅13-1-加速栅13-2单元共同作用将等离子体引出，阻止电子通过束流路径被加速出去。

所述栅极加速单元13包括屏栅13-1及加速栅13-2，其中所述屏栅13-1靠近微波输入单元4设置，且屏栅13-1电位为正电位，加速栅13-2电位为负电位。加速栅13-2加载负电位引出离子束流，产生反向推力，各栅极上开有数十个小孔。屏栅13-1-加速栅13-2单元共同作用将等离子体引出，阻止电子通过束流路径被加速出去。

加速栅13-2上开设的若干第二引出孔13-21的直径小于屏栅13-1上开设的若干第一引出孔13-11的直径。

内套筒2上缠绕线圈6的电流小于外套筒3上缠绕线圈6的电流，且两组线圈6的电流方向相反。

若干供气孔12-1均位于外套筒3的外侧设置。

若干所述供气孔的数量为20个，且均布在底座上。保证气体均匀进入放电室内。

放电室主体11为不锈钢筒体，且其长度小于或等于20mm，底座12为钢材底座12，内套筒2与外套筒3均采用DT4C。

一种脉冲电励磁微牛推进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》。