[发明专利]离子碰撞加速式电推力器装置

说明书

本发明所述的离子碰撞加速式电推力器装置，涉及低轨道航天器的吸气式电推进领域。包括：石英管、阳极栅网、阴极栅网、阴极支撑架、电气入口及永磁环；石英管为圆柱形结构；包括管筒部、半球部、导孔部；半球部装于管筒部的一端；导孔部装于半球部的顶部，并与管筒部保持同轴；阳极栅网贴附于石英管的内壁设置；阴极栅网通过阴极支撑架装于石英管的内部；阴极栅网、阳极栅网及石英管保持同轴设置；电气入口固定连接在导孔部上；永磁环装于导孔部的外部，并与阳极栅网和阴极栅网同轴装配。本发明具有结构新颖、生产加工简便、性能稳定、安全可靠、应用广泛等特点，故属于一种集经济性与实用性为一体的新型离子碰撞加速式电推力器装置。

技术领域

本发明所述的离子碰撞加速式电推力器装置，涉及低轨道航天器的吸气式电推进领域。

背景技术

近年来，随着国际航天技术的迅猛发展，低轨道卫星移动通信系统，如铱(Iridium)系统、白羊(Arics)系统、低轨卫星(Leo-Set)系统、卫星通信网络(Teledesic)系统，低轨道地球观测卫星，低轨道科学平台、低轨道军事侦察卫星和间谍卫星以及空间站及空间实验室等低轨道飞行器也逐渐成为航天器家族的重要成员。

为了提高卫星寿命，节约卫星发射成本，实现成本降低，能减少推进工质消耗的高比冲电推进技术在航天器上得到了广泛应用。近40年来，数百台载有电推力器的航天器发射升空。这些电推力器主要为GEO卫星系统提供控制力矩，完成姿态与轨道控制等任务，并有部分作为深空探测器的主发动机实现了轨道转移任务，如欧空局的SMART-1月球探测器、美国的DS-1深空探测器和日本的HAYABUSA小行星探测器。

由于低轨道空间仍然存在一定的大气，收集并充分利用低轨道空间的残留气体作为电推力器工质可以更有效的降低成本，延长卫星寿命。目前，在大部分使用和研制的电推进系统中，推进工质通过与高能电子的碰撞产生等离子体，电离效率较低，而且由于尖端电极的存在，推力器的寿命受到尖端电极烧蚀的限制，特别是低轨道大气环境中氧对尖端电极腐蚀尤为严重，对于尖端电极的电推力器无法应用。因此，为了满足低轨道航天器应用吸气式电推进系统的特点，申请人提出了一种新型的离子碰撞电离加速式电推力器。

电推力器可分为三种类型，分别为电热式、电磁式和静电式。现有技术条件下，分析认为作为低轨道航天器的吸气式电推进系统均存在明显不足，具体阐述如下：

对于电热式电推力器，大多数的电阻和电弧推力器采用氢气、肼或者氨气作为工质气体，若采用氧气作为推进工质，研究表明喷管喉部由于受到高温氧气流的冲刷烧蚀现象非常严重，大大限制了电推力器的寿命，因此无法利用低轨道残余大气中的氧气作为推进工质。

对于电磁式电推力器，磁等离子体动力推力器同样面临电极烧蚀的严重问题。脉冲等离子体推力器广泛采用固体推进工质，目前缺少大气组成气体作为工质的明确评估。霍尔推力器虽然具有较高的推力密度，但比冲相对较低，对于霍尔推力器的实验研究表明，以氮气或者氮气/氧气混合气体为工质，工作几百小时后，发现阳极腐蚀相当严重，在氧气放电条件下环形通道壁面腐蚀非常严重，无法满足低轨道吸气式电推进应用需求。

对于静电式电推力器，无论是微波离子推力器还是射频离子推力器，由于推力器结构包含离子光学系统而相对复杂，作为低轨道航天器吸气式电推进，大大降低了整体系统的可靠性，且加速离子喷出的离子光学系统在以大气组分作为推进工质时存在明显腐蚀，因此无法满足吸气式电推进系统的工作环境和要求。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的离子碰撞加速式电推力器装置，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容