专利摘要

专利摘要

本发明公开了一种用于微小卫星的射频等离子体源，其特征在于，包括推进剂供给系统、射频放电装置和电磁加速装置，所述推进剂供给系统包括推进剂储箱、管路和流量控制器，所述射频放电装置包括放电腔、天线、DC/RF转换器、匹配器、卫星母线和Faraday屏蔽筒，所述电磁加速装置包括磁镜和磁喷管。本发明使用射频放电技术提高等离子体源推进剂的电离率和等离子体密度，使用磁镜和磁喷管对等离子体进行加速，提高等离子体源的等离子体喷出速度；整体结构设计紧凑、轻质，不需要电极、加速栅极、中和器等易腐蚀、严重制约等离子体源寿命的部件，进而提高等离子体源的性能和寿命。

权利要求

1.一种用于微小卫星的射频等离子体源，其特征在于，包括推进剂供给系统、射频放电装置和电磁加速装置，所述推进剂供给系统包括推进剂储箱(1)、管路(2)和流量控制器(3)，所述射频放电装置包括放电腔(4)、天线(5)、匹配器(6)、DC/RF转换器(7)、卫星母线(8)和Faraday屏蔽筒(9)，所述电磁加速装置包括磁镜(10)和磁喷管(11)；

所述放电腔(4)的一端为底部带有开孔的半封闭式圆筒结构，另一端为扩张型喷管结构；所述管路(2)的一端连接所述推进剂储箱(1)，另一端连接所述放电腔(4)的开孔；所述流量控制器(3)设置在所述管路(2)上；所述天线(5)绕置于所述放电腔(4)的半封闭式圆筒结构的外周；所述Faraday屏蔽筒(9)绝缘包围在所述天线(5)的外周；所述天线(5)的电感线圈的两端分别依次连接匹配器(6)、DC/RF转换器(7)和卫星母线(8)；所述磁镜(10)设置于所述Faraday屏蔽筒(9)的外部；所述磁喷管(11)设置在所述放电腔(4)的半封闭式圆筒结构的靠近扩张型喷管结构的位置外周。

2.根据权利要求1所述的射频等离子体源，其特征在于，所述磁镜(10)由钐钴永磁铁制成，中心磁场强度为0.01～0.1特斯拉。

3.根据权利要求1所述的射频等离子体源，其特征在于，所述磁喷管(11)由钐钴永磁铁制成，中心磁场强度为0.02～0.25特斯拉。

4.根据权利要求1所述的射频等离子体源，其特征在于，所述Faraday屏蔽筒(9)由金属导体制成。

5.根据权利要求4所述的射频等离子体源，其特征在于，所述金属导体为铜。

6.根据权利要求1所述的射频等离子体源，其特征在于，推进剂是水蒸气、富氧气体、惰性气体、混合气体中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的射频等离子体源，其特征在于，所述放电腔由内径1～10mm的石英玻璃制成，所述扩张型喷管结构的扩张角度为10～30°。

8.根据权利要求1所述的射频等离子体源，其特征在于，所述天线(5)为由外径0.1～1mm的导线绕置而成的电感线圈，绕置长度为1～10匝，电感线圈内径1.2～12mm，与所述放电腔(4)的外径相匹配。

说明书

技术领域

本发明属于等离子体源技术领域，特别涉及一种微小卫星用紧凑型射频等离子体源。

背景技术

微小卫星具有成本低、研发周期短、可扩展性强、技术门槛低等优势。近年来，以微小卫星(<100kg)为代表的小型化航天器已成为航天领域重要发展趋势。多达数百颗甚至上千颗的微小卫星星座蓬勃发展，给航天领域带来了新的技术能力，将为太空探索开辟新领域。然而，当前微小卫星的小型推进器技术远远落后于电子和传感器技术发展，正成为微小卫星实现大范围应用的一个主要障碍。

当前，国内外发射的绝大部分微小卫星是没有配备推进系统的。所以，这些发射入轨的微小卫星大多数仅仅能实现自主定向，并没有实现主动机动。这导致这些卫星在轨时间较短，一般只有几到几十天的寿命，然后就只能坠落到大气层中烧毁了。如果要进行有组织的协调飞行，微小卫星需要高效可靠的推进系统，才能够在编队内进行连续机动，才能够显著提高使用寿命，从而间接降低成本。

如前所述，大部分微小卫星是没有推进系统的，只有很少一部分微小卫星配备了推进系统。其配备的推进系统为冷气和肼推进系统，这种系统在应用于微小卫星后，仅能运行在数十瓦的低功率水平，由于系统表面与体积比极高，喷嘴处水力损失较大，导致比冲极低。

目前，现有的射频等离子体源可以作为推进器使用的一般尺寸较大，放电腔内径通常在10-200mm范围内，较容易实现气体的射频放电。然而，放电腔尺寸较大，相应的天线和屏蔽系统尺寸也会加大，体积和重量都会较大，推力较大，并不适合微小卫星系统所需求的小体积、轻质量、小推力、高比冲的任务需求。如果为了应用于微小卫星系统，只是将等离子源的尺寸缩小，来实现等离子体源的小型化，又将会导致射频放电的不成功。

哈尔滨工业大学的魏立秋等人提出了一种射频离子推力器及脉冲产生方法(申请号201910026143.2)，它属于一种离子推力器，结构尺寸较大，脉冲式工作，非稳态工作状态。该离子推力器添加了静电加速栅极，需要配备相应的高压加速电源(>500V)，这不仅增加了系统的复杂性、增加了系统的质量，而且加速栅极容易出现栅极腐蚀现象，严重制约推力器的寿命。

发明内容

为了至少解决上述现有技术中的小卫星推进系统推力大、比冲低、体积大、质量大、寿命低的问题，本发明提供了一种用于微小卫星的射频等离子体源，可以作为推进器使用。其中，使用射频放电等离子体作为等离子体源，不仅避免了使用放电电极、加速栅极、中和器等易腐蚀、严重制约推力器寿命的部件，也避免了中和器所带来的复杂结构和相关重量；同时使用磁镜和磁喷管结构对前期产生的高密度射频等离子体进行二阶加速，使射频等离子体高速喷出，形成推力。本发明的天线、磁镜、磁喷管装置设计紧凑，适合用于微小卫星的推进系统，可以适用于不同的空间任务需求，例如卫星姿态控制、低轨道阻力补偿、位置保持和轨道转移等。

根据本发明的一方面，提供了一种用于微小卫星的射频等离子体源，包括推进剂供给系统、射频放电装置和电磁加速装置，所述推进剂供给系统包括推进剂储箱、管路和流量控制器，所述射频放电装置包括放电腔、天线、DC/RF转换器、匹配器、卫星母线和Faraday屏蔽筒，所述电磁加速装置包括磁镜和磁喷管，

所述放电腔的一端为底部带有开孔的半封闭式圆筒结构，另一端为扩张型喷管结构；所述管路的一端连接所述推进剂储箱，另一端连接所述放电腔的开孔；所述流量控制器设置在所述管路上；所述天线绕置于所述放电腔的半封闭式圆筒结构的外周；所述Faraday屏蔽筒绝缘包围在所述天线的外周；所述天线的电感线圈的两端分别依次连接匹配器、DC/RF转换器和卫星母线；所述磁镜设置于所述Faraday屏蔽筒的外部，所述磁喷管设置在所述放电腔的半封闭式圆筒结构的靠近扩张型喷管结构的位置外周。

在一些实施例中，所述磁镜可以由钐钴永磁铁制成，中心磁场强度为0.01～0.1特斯拉。

在一些实施例中，所述磁喷管可以由钐钴永磁铁制成，中心磁场强度为0.02～0.25特斯拉。

在一些实施例中，所述Faraday屏蔽筒可以由金属导体制成。优选地，所述金属导体为铜。

在一些实施例中，推进剂可以包括水蒸气、富氧气体、惰性气体或混合气体。

在一些实施例中，所述放电腔可以由内径1～10mm的石英玻璃制成，所述扩张型喷管结构的扩张角度可以为10～30°。

在一些实施例中，所述天线为由外径0.1～1mm的导线绕置而成的电感线圈，绕置长度为1～10匝，电感线圈内径1.2～12mm，与所述放电腔的外径相匹配。

本发明的有益效果：

1)本发明的用于微小卫星的射频等离子体源，使用射频放电作为等离子体发生装置，具有电离率高、无电极设计、无中和器、工作模式多、推进剂多样、可控性强等特点，是性能优良的新型等离子体源；此外，随着射频功率的输入，射频等离子体推力器的放电模式会存在电容耦合、电感耦合和螺旋波放电三种不同的工作模式，不同工作模式下其等离子体特性和推力、比冲等性能参数也不一样，可以根据任务需求调节不同的工作模式。

2)本发明的用于微小卫星的射频等离子体源，使用导线绕制电感线圈作为射频天线，使用永磁铁作为磁镜和磁喷管装置，可以使等离子体源的结构紧凑，小型化设计，大大降低了源的体积和重量。

3)本发明的用于微小卫星的射频等离子体源，使用磁镜和磁喷管等离子体加速机制，在射频源产生的高密度等离子体的基础上，将等离子体进行进一步加速，提高离子的喷出速度。

4)本发明的用于微小卫星的射频等离子体源，放电腔采用半封闭式圆筒结构加扩张型喷管结构设计，可以利用气动加速增加源的等离子体速度。

5)将等离子体尺寸约束至mm/亚mm量级，将会显著改变等离子体的产生和输运特性，其能量耦合机理将会发生重大改变，本发明用内径1～10mm的石英玻璃制成放电腔，使其内径为1～10mm，同时配套设计相对应的天线、匹配器、电源转换系统、粒子加速系统等，最终实现了小尺寸条件下气体的射频放电。

附图说明

图1为本发明的用于微小卫星的射频等离子体源的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，本发明的用于微小卫星的射频等离子体源包括推进剂供给系统、射频放电装置和电磁加速装置，其中，推进剂供给系统包括推进剂储箱1、管路2和流量控制器3，射频放电装置包括放电腔4、天线5、匹配器6、直流/射频(DC/RF)转换器7、卫星母线8和Faraday屏蔽筒9，电磁加速装置包括磁镜10和磁喷管11。

放电腔4的一端为底部带有开孔的半封闭式圆筒结构，另一端为扩张型喷管结构。放电腔4采用圆筒结构加扩张型喷管结构设计，可以利用气动加速增加等离子体喷出速度。特别地，放电腔4由直径0.1～1cm的石英玻璃制成，右侧形成10～30°扩张型喷管结构。

管路2的一端连接推进剂储箱1，另一端连接放电腔4的半封闭式圆筒结构的开孔，以将推进剂供给到放电腔4内。流量控制器3设置在管路2上，用以调节推进剂的流量，从而实现源的等离子体密度可调。

天线5绕置于放电腔4的半封闭式圆筒结构的外周，其电感线圈的两端分别依次连接匹配器6、DC/RF转换器7和卫星母线8，卫星母线8上的直流电经过DC/RF转换器7转换成交流射频电，并且可以调节该射频电的功率，从而实现等离子体源的等离子体密度和速度可控，例如形成一定频率例如13.56MHz的射频电。该射频电通过匹配器6的自动匹配，与天线5的阻抗进行匹配，将射频能量最大效率的耦合进入等离子体。射频电通过天线5将能量耦合进入放电腔4内的中性推进剂中，当射频功率增加到一定阈值，中性气体就会被电离，形成等离子体。特别地，天线4为由外径0.1～1mm的导线绕置而成的电感线圈，绕置长度为1～10匝，电感线圈内径1.2～12mm，与放电腔4的外径相匹配。

Faraday屏蔽筒9绝缘包围在天线5的外周，可以大大降低射频电向外辐射的射频波，将向外辐射的射频波反射回放电腔内，增加射频波在等离子体中的沉积，提高等离子体的电离率。特别地，Faraday屏蔽筒9由铜材料或其他金属导体制成。

磁镜10设置于Faraday屏蔽筒9的外部，此处磁镜有两个作用：第一，在形成的稳定静态磁场，为螺旋波放电模式的形成提供必要条件；第二，能够将电子约束在一定能量阈值下，经过射频源的多次加热，获得更高的能量，突破磁镜，加速喷出。特别地，磁镜10可以由钐钴永磁铁制成，中心磁场强度为0.01～0.1特斯拉。

磁喷管11设置在放电腔4的半封闭式圆筒结构的靠近扩张型喷管结构的位置周围，用以约束等离子体，并将离子的径向速度分量向轴向转化，从而间接加速离子，提高等离子体源的轴向喷出速度。特别地，磁喷管11由钐钴永磁铁构成，中心磁场强度为0.02～0.25特斯拉。

本发明的射频等离子体源不需要放电电极，不需要中和器，从而消除了电极和中和器的腐蚀，延长了等离子体源的寿命，此外不需要加速栅极，从而可以不使用高压电源，降低系统的复杂性、体积和质量，不存在栅极的腐蚀问题，打破等离子体源的寿命制约因素。

此外，因为主放电是无电极结构，本发明可以使用惰性气体、水蒸气、富氧气体、混合气体等多组分气体进行放电，大大提高了等离子体源推进剂的多样性。

下面通过本发明的射频等离子体源的工作过程来进一步说明本发明，具体包括如下步骤：

对流量控制器3设定一个流量值，打开流量控制器3，将推进剂储箱1里面的推进剂经管路2引入放电腔4；打开DC/RF转换器7，将卫星母线8上的直流电转化成射频电；打开匹配器6，将射频电与天线5进行自动阻抗匹配，射频能量经天线5耦合到放电腔4内的中性推进剂中；利用Faraday屏蔽筒9减小射频功率向外的辐射，提高射频放电等离子体的形成效率，当射频功率的输入达到一定阈值的时候，开始放电，形成等离子体，当射频功率进一步提高，磁镜10形成的稳定静态磁场促使螺旋波放电模式形成，提高等离子体密度，同时磁镜10能够约束低能等离子体，使得等离子体能够持续加热形成较高能量的等离子体；磁喷管11能够约束等离子体的径向扩散，使其径向速度向轴向转化，从而间接加速等离子体，提高等离子体的轴向喷出速度，提高等离子体源的比冲和推力。其中，射频放电等离子体一般会经过电容耦合、电感耦合和螺旋波放电三种模式，电离率逐次增加，等离子体密度逐次增加，所形成的推力也会逐次增加。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

一种用于微小卫星的射频等离子体源专利购买费用说明

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》。