[发明专利]单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器

说明书

本发明公开了一种单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器，包括感应线圈模组、脉冲放电模组、调波模组与脉冲气团激发模组。在主放电回路中并联调波模组，可在不显著改变脉冲电流波形既电磁力大小的同时，显著提高电流陡度，从而增大感应电场强度水平，增强放电初始时刻的感应击穿与电离过程，最终有效降低IPPT工作电压水平、提升其推进性能；本方案可将IPPT的工作电压水平降低50％以上，从而减小空间应用环境中的绝缘防护要求；仅需在主放电回路中并联调波模组，无需提供额外电源或外部磁场，调波模组由主放电被动驱动，结构简单、重量较轻、工作可靠。

技术领域

本发明涉及电推进技术领域，具体是一种单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器。

背景技术

空间推进是指航天器获得环绕地球飞行的速度以后，用于轨道维持、轨道转移或者星际飞行的推进，可分为化学推进及电推进两类。相较于传统的化学推进，电推进通过电能加速推进剂以获得推力，其推进能量来自于推进剂之外，可获得更高的喷射速度，因而具有大比冲的优势。采用电推力器可有效减少推进剂消耗，从而增加有效载荷、缩短任务时间、延长工作寿命。目前，电推进技术在航天器上已经得到了广泛应用，高轨通信卫星上已有半数以上装备了电推进系统，并成为了卫星平台是否具有先进性的标志之一。

感应式脉冲等离子体推力器(Inductive Pulsed Plasma Thruster,IPPT)是一种无电极、脉冲式的电磁式电推力器，在保持电推力器高比冲特点的基础上又同时具备了更长寿命、更高功率、更大推力的新优势，适用于以载人/无人火星任务为代表的行星际深空探测任务。其基于感应涡流斥力原理产生推力：在特殊设计的平面螺旋形感应线圈中通过脉冲电流，从而激发出具备周向电场分量及径向磁场分量的强脉冲电磁场，其中的周向电场分量建立起环形的等离子体涡旋电流，径向磁场分量又与涡旋电流相互作用，产生轴向的洛伦兹力将等离子体压缩为片状并加速喷射，从而产生推进作用。

从工作原理上看，IPPT的推进性能主要取决于等离子体的初始电离及后续加速两个过程：(1)首先，为增强等离子体电流片与感应线圈的电磁耦合强度，要求气体工质在脉冲放电开始前或开始瞬间就达到较高电离度；(2)同时，由于等离子体电流片与感应线圈之间的电磁作用强度会伴随二者间隔距离的增大而迅速减小，为提高等离子体的全局加速效率，要求脉冲电流波形与等离子体加速过程的时间尺度满足特定动态匹配关系。在满足以上两点要求的基础上，结合太空应用环境的特殊性，还要求IPPT具体具备以下特点：(1)良好的绝缘防护性能；(2)结构简单、重量轻、体积小；(3)性能稳定且寿命长，以满足行星际深空探测要求。根据初始等离子体产生方式的不同，IPPT目前主要存在单级单脉冲直接电离、射频放电预先电离、直流辉光放电预先电离等三类技术方案。

单级单脉冲直接电离是IPPT类推力器最早采用也是目前应用较广的技术方案。该方案通过脉冲放电初期的周向感应电场击穿气体工质从而产生初始等离子体，仅依靠单级脉冲驱动电路所产生的单个电流脉冲既完成工质电离、涡电流建立、等离子体加速等全部过程，具备系统结构简单的优势。为了实现气体的快速、充分电离，该方案需要提高感应线圈表面的电场强度，相应地需要提高放电初始时刻脉冲电流陡度，因此，其工作电压相对较高，一般在数十千伏以上。在空间环境中应用高电压，对绝缘防护提出了极高要求；同时，高压电容的体积和重量都相对较大。该方案虽然结构较为简单，但在体积、重量及可靠性等方面都不具备优势。

为了降低IPPT的工作电压，近年来出现了以射频辅助放电法拉第推力器(RF-FARAD)为代表的多级IPPT方案。该方案通过射频(螺旋波)天线电离中性气体，再通过外部磁场将等离子体引导至感应线圈表面，最后通过脉冲感应放电进一步电离并加速等离子体。该方案有效降低了对放电初始时刻脉冲电流陡度的要求，便于针对后续加速过程优化脉冲电流波形，对绝缘防护的要求也有所降低。但是该方案需要增加额外的射频天线、射频电源及附加磁场线圈，导致系统复杂程度和体积、重量均大幅增加；射频放电本身存在电离稳定过程，难以与主放电的脉冲工作特性相互匹配，可能会对推力器性能造成负面影响。