[发明专利]一种圆板天线交叉磁场微波电子回旋共振离子推进器

说明书

本发明公开了一种圆板天线交叉磁场微波电子回旋共振离子推进器，属于微小卫星电推进技术领域。采用圆板天线馈入微波能量，降低了天线的微波功率密度，抑制了天线起弧，提高了截止功率密度，增加了共振区的横向微波电场强度，降低了击穿功率，提高了等离子体产生效率，同时提高了等离子体径向均匀性。用圆弧形磁钢块组成了闭合的永久磁钢柱体，与端面环形磁场构成交叉磁场，径向、轴向磁梯度力有效地约束、驱动离子，提高了离子产生效率。同时，闭合磁场降低了磁钢间隙弱磁场处的带电粒子泄露。在优化的共振区分布下，采用薄铝板即可覆盖前端面的电子回旋共振区，抑制该区域的局部强放电，提高等离子体产生效率，进一步提高了推进器的性能。

技术领域

本发明属于微小卫星电推进技术领域，尤其涉及一种圆板天线交叉磁场微波电子回旋共振离子推进器。

背景技术

随着卫星制造技术、卫星性能的提高，高性价比的微小卫星(群)得到了愈来愈多的应用。微小卫星的姿态控制、轨道保持需要小体积、小质量、高比冲的推进系统。拥有高比冲的电推进将逐渐取代低比冲的传统化学推进，成为微小卫星系统的主要推进方式。微波电子回旋共振离子推进器作为电推进的一种，兼具磁场约束和电子回旋共振加热的优点，可以在低气压下获得高电离率、高密度等离子体，因此具有高气体利用效率、高比冲的综合优势。

已有的微波电子回旋共振离子推进器的磁场位形多采用磁控场位形[H.Koizumi,and H.Kuninaka,“Miniature Microwave Discharge Ion Thruster Driven by1WattMicrowave Power,”Journal of Propulsion and Power,2010,26,pp:601-604]和磁镜场位形[Y.Takao,A.Kugimiya,S.Nagai,N.Yamamoto,Y.Kajimura,and H.Nakashima,“Studyof 2.5～10cm Size Microwave Discharge Ion Thruster,”Transactions of the JapanSociety for Aeronautical and Space Sciences,2009,7,26:155-158]。磁控场位形对带电粒子的约束好，击穿功率低，但横越磁场线的输运效率低。在小尺寸下的侧壁粒子损失大，离子推进器的离子引出流低。在磁镜场位形中，微波难以实现横波馈入，磁场对带电粒子的约束、输运同时存在问题，整体性能低。因此，本发明提出了一种采用圆板天线馈入微波电磁场、由永久磁钢构成交叉磁场位形的微波电子回旋共振离子推进器。在该位形下，微波天线的馈入端、放电腔室的侧壁处均为强磁场区，离子引出栅极处为弱磁场区，径向磁梯度降低侧壁粒子损失；轴向磁梯度力驱动等离子体由产生区高效地输运到离子引出栅，从而确保了推进器高整体性能。在交叉磁场位形下，将圆板天线的微波电场与永久磁钢的交叉磁场一体协同优化，在电子回旋共振层的强横向磁场区获得最高微波横向电场，降低微波击穿功率。优化了电子回旋共振区在放电腔室中轴向位置，便于消除前端低效的电子回旋共振区，优化了电子回旋共振区的径向位置，增加电子的电离效率，提高离子的引出流强。