[发明专利]一种基于电离与加速过程解耦的离子风推力装置

说明书

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。

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。