[发明专利]用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置及控制方法

说明书

本发明公开了用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置及控制方法，加速装置包括屏栅、加速栅、绝缘垫和中和放电针，加速栅间隔设置在屏栅的下游，绝缘垫设置在加速栅的下游端面，中和放电针垂直设置在绝缘垫的下游端面上，屏栅上开有第一圆形通孔，加速栅开有对应第一圆形通孔的第二圆形通孔，绝缘垫上开有与第一圆形通孔一致的第三圆形通孔，中和放电针位于相邻的两个第三圆形通孔圆心连线的中点上。向屏栅施加正电压，加速栅施加负电压，中和放电针施加脉冲负电压，且负电压低于加速栅的电压从而实现加速装置的正常工作。本发明零组件减少，推力器质量减轻，中和电子束流更均匀，羽流污染更小，比冲性能更优，理论研发与仿真模型更简单。

技术领域

本发明涉及服役于轨道转移、深空探测的静电离子推力器，尤其是一种用于静电离子推力器的场发射自中和栅极加速装置及控制方法。

背景技术

航天事业的每一次突破都依赖于推进技术的发展，而电推力器因其比冲高、寿命长、结构紧凑、体积小和污染轻等优势，因此逐渐受到航天界的青睐。目前，静电离子推力器是最具成熟度的离子电推进技术之一，其比冲性能更优异，更适合于深空探测任务。

静电离子推力器主要包括电离室、栅极加速系统以及中和电子枪三大部件。推进剂进入电离室电离形成等离子体，栅极加速系统从等离子体中吸出阳离子并加速离子束排出产生推力，中和电子枪向离子束发射等量电荷的电子用以中和离子束维持推力器的电中性。

一方面，传统的中和电子枪不仅增大了推力器的包落尺寸，而且限制了静电离子推力器的使用寿命。

另一方面，现有技术采用在加速栅上施加射频或交变电压，通过在射频或交变电压的正电位周期内加速阴离子或电子，而在负电位周期内加速阳离子，继而维持推力器的电中性。例如，能够实现自中和的离子推力器目前有“离子-离子推力器”以及“自中和射频离子推力器”两种电推进装置。其中，两者的自中和工作原理相同，都是在加速栅上施加交变电压，在交变电压的正电压半个周期内引出负离子或电子，在交变电压的负电压半个周期内引出正离子，通过满足一个周期内引出的正负离子数目相等继而实现电中性。由此可知，上述二者的自中和并非同时排出正负离子或正离子与电子，因为交变电压的周期很短，可以认为其是同时的，但严格意义并不是。

进一步，由于“离子-离子推力器”与“自中和射频离子推力器”在交变电压下加速离子和电子，交变电压与等离子体电势的耦合关系以及等离子体的引出加速情况都是极其复杂且难以解释的，在研发过程中需要求解“泊松方程”与“亥姆霍兹方程”，这不利于研发与设计工作。此外，对射频电源的控制也需要进行相应的技术攻关。

然而，这种技术不仅提高了推力器对电源系统与控制技术的要求，而且还增加了理论研发模型的难度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明旨在提供一种用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置及控制方法，减少推力器零组件并减轻推力器质量，且中和电子束流更均匀，羽流污染更小，比冲性能更优，理论研发与仿真模型更简单。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于离子推力器的场发射自中和栅极加速装置，包括，

屏栅，所述屏栅与电离室连接，将等离子体中的阳离子引出，屏栅上开设有多个第一圆形通孔；

加速栅，所述加速栅位于屏栅的下游，将屏栅引出的阳离子加速并产生推力，加速栅上开设有多个与第一圆形通孔一一对应的第二圆形通孔，第二圆形通孔的孔径小于第一圆形通孔的孔径，加速栅与屏栅之间有一段间隔距离，且该间隔距离小于第一圆形通孔的孔径；

绝缘垫，所述绝缘垫设置在加速栅的下游端面，绝缘垫上开设有多个第三圆形通孔，第三圆形通孔与第一圆形通孔一一对应且孔径相等；

所述第一圆形通孔、第二圆形通孔和第三圆形通孔同轴；