一种提高空间电推力器内离子密度的装置及方法与流程

1.本发明涉及空间电推进技术领域，特别是一种提高空间电推力器内离子密度的装置及方法。


背景技术：

2.空间推进技术是保证航天器实施轨道和姿态控制的核心，产生推力的装置也称为推力器，现在大多数空间推力器都是采用化学燃料，由于其比冲较低，导致推进剂的携带量庞大，影响了航天器的有效载荷占比，也不利于航天器的长期在轨工作。空间电推进装置具有比冲高，推力范围易于调节、可靠性高等优点，可以满足航天器的轨道与姿态控制需求。值得注意的是对于空间电推力器，其推力大小取决于推力器出口离子的喷射速度和密度，其喷射速度由位于推力器出口的光学加速系统所决定，并受限于栅极电压，离子密度则在一定条件下由放电室中的电离度所决定，理论上提升电子的密度会提高电子与中性粒子的碰撞概率，从而提高离子密度。
3.当气体工质流量不同时，放电室内的压强和温度等将会不同。故而，电子和气体工质在放电室内的运动是不同的。然而，电推力器的磁场目前均采用永恒磁铁产生，所以磁场大小是不变的。此时，因存在着如下原因，使得电子与工质气体的碰撞概率降低，产生离子密度低，从而产生的比冲不能达到最有效值。
4.a、当电子在放电室内的运动半径过大，将会使得电子过早到达阳极，使得电子与工质气体的碰撞概率降低。
5.b、当电子在放电室内的运动半径过小，会使得电子与工质气体的碰撞概率降低。
6.c、进气口处碰撞电离产生的电子在电场作用下直接碰撞到进气壁上，使得电子整体运行时间大幅度减小，电子与工质气体的碰撞概率降低。
7.由于上述原因，电子与工质气体的碰撞概率降低，产生的离子密度低，从而产生的比冲不能达到最有效值。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种提高空间电推力器内离子密度的装置及方法，该提高空间电推力器内离子密度的装置和方法通过控制放电室内磁场的变化，使得大幅提升电子与工质气体的碰撞概率，并使产生的比冲达到最有效值。
9.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种提高空间电推力器内离子密度的装置，包括空间推力器本体、空心阴极、永磁体、线圈、朗缪尔探针和相机。
10.空间推力器本体包括放电室，放电室采用金属材质制成，且与外接电源的正极相连接，形成放电阳极；放电室的一端为气体入口端，放电室的另一端为离子出口端。
11.空心阴极同轴插设在气体入口端，空心阴极与外接电源的负极相连接；空心阴极
的中心具有气体入口通道，用于向放电室输入工质气体。
12.永磁体嵌设在放电室壁面中，用于向放电室提供恒定磁场。
13.线圈沿轴向均匀且同轴绕设在放电室的外壁面，且与外接直流电源相连接。
14.朗缪尔探针设置在放电室的出口，用于检测放电室出口处离子束的电流值大小。
15.相机设置在放电室的出口外侧，用于拍摄并判断放电室出口处离子束的颜色。
16.通过朗缪尔探针和相机的组合，能够判断放电室中的判断放电室内电子与工质气体的碰撞概率是否达到最大值，进而判断空间推力器本体产生的比冲是否达到最有效值。
17.针对低压工况下不同类型和不同流量的工质气体，通过控制线圈中的直流电流大小，均能使得放电室中电子与工质气体的碰撞概率达到最大值，进而使得空间推力器本体产生的比冲达到最有效值。
18.朗缪尔探针位于放电室的中心轴线上，且与放电室出口的距离为5cm。
19.当相机拍摄的放电室出口处离子束的颜色为紫色，且朗缪尔探针检测的放电室出口处离子束的电流值处于拐点最大值，则判断为放电室内电子与工质气体的碰撞概率达到最大值。
20.当放电室直径不超过30cm时，放电室出口处离子束的拐点最大电流值所对应的放电室中心磁场强度在20—50gs的范围之内。
21.外接直流电源的功率为60w。
22.工质气体的进气流量范围为10sccm-30sccm，低压工况是指工质气体的进气压力范围为5*10-3
pa-5*10-2
pa，工质气体的进气环境温度范围为25℃到50℃。
23.一种提高空间电推力器内离子密度的方法，包括如下步骤。
24.步骤1、放电室调整为低压工况。
25.步骤2、产生初始电子，采用空心阴极产生初始电子。
26.步骤3、放电室输入工质气体：工质气体通过进气管和空心阴极的气体入口通道，沿放电室的中心轴线进入放电室内。
27.步骤4、初始电子进入放电室：放电室通电，形成放电阳极，在电场作用下，将步骤2产生的初始电子吸入放电室内，并在放电室内进行扩展。
28.步骤5、电子与工质气体碰撞：步骤4进入放电室内的电子，与步骤3进入放电室内的工质气体发生碰撞，并形成正离子。
29.步骤6、线圈通电：将线圈沿放电室的轴向紧密排列，在步骤4初始电子进入放电室的同时，线圈通入直流电。
30.步骤7、碰撞概率检测，具体包括如下步骤。
31.步骤7a、放电室出口处离子束颜色检测：相机按照设定时间间隔，对放电室出口处离子束进行连续拍摄，并通过拍摄的图片，判断放电室出口处离子束的颜色。
32.步骤7b、放电室出口处离子束电流值检测：采用朗缪尔探针对放电室出口处离子束的电流值进行实时检测并记录。
33.步骤8、线圈电流调整，具体包括如下步骤。
34.步骤8a、电流逐渐增加：当步骤7判断为放电室出口处离子束的颜色为蓝色等非紫色时，说明放电室内电子与工质气体的碰撞概率低；此时，线圈中的电流按照设定增幅a进行逐渐增加。
35.步骤8b、碰撞概率检测：重复步骤7，继续进行碰撞检测，当放电室出口处离子束的颜色变为紫色，说明放电室出口处离子束的电流值已接近拐点最大值。
36.步骤8c、电流细微增加：线圈中的电流按照设定增幅b进行逐渐增加，b＜a。
37.步骤9、寻找放电室出口处离子束的拐点最大电流值：在步骤8c电流细微增加的同时，朗缪尔探针继续对放电室出口处离子束的电流值进行实时检测并记录；当放电室出口处离子束的电流值开始减小时，记录放电室出口处离子束的拐点最大电流值以及对应的线圈电流a；与此同时，停止增加线圈中电流并将线圈中电流值调整为线圈电流a。
38.步骤1中，放电室调整为低压工况的具体方法为：将放电室放置在真空舱内，启动真空泵，使得真空舱中压强在5*10-3
pa-5*10-2
pa内，同时，使真空舱内的环境温度调整为25℃到50℃，从而使得放电室处于典型的低压工况。
39.在采用空心阴极产生初始电子的同时，还采用设置在放电室出口外侧的中和器产生初始电子。
40.步骤6中，线圈通入直流电的初始电流值，需根据放电室直径，以及永磁体产生的放电室中心磁场强度进行确定；当放电室直径不超过30cm时，由于放电室出口处离子束的拐点最大电流值所对应的放电室中心磁场总强度在20—50gs的范围之内；故而，当放电室直径不超过30cm时，线圈的初始电流从零开始。
41.本发明具有如下有益效果：1、本发明中线圈电流稳定可调，产生稳定磁场，通过控制磁场的大小和磁场线，电子在磁场保持拉莫尔半径和碰撞概率耦合达到最优，适应于不同类型和不同流量的工质气体。
42.2、外加线圈的空间电推力器，加强了放电室的磁场强度和磁场均匀性，使得电子在放电室中与气体工质以及电离以后带正电荷的离子发生二次碰撞电离的碰撞概率加大，使得放电室内电子密度有较大幅度提升，从而提高放电效率和推力。
43.3、本发明能提高放电室的电子密度，最大值提升幅度超过8倍，放电室内绝大空间的电子密度均值提升达到20%，轴向提升幅度最大，达到2~6倍，放电室内电离率明显提升，离子密度提升几倍，在60w电源功率状态下稳定工作。
附图说明
44.图1显示了本发明一种提高空间电推力器内离子密度的装置的结构示意图。
45.图2显示了本发明设有线圈的放电室的立体仿真示意图。
46.图3显示了放电室出口离子束羽流在直流电流施加前后的颜色变化示意图。
47.图4显示了未施加线圈时放电室内电子密度示意图。
48.图5显示了施加线圈后放电室内电子密度示意图。
49.图6显示了采用单根朗缪尔探针测得的i-v曲线。
50.图7显示了采用双朗缪尔探针测得的i-v曲线。
51.其中有：1.线圈；2.永磁体；3.中和器；4.加速屏栅；5.屏栅；6.放电室；7.进气管；8.空心阴极；9. 空间推力器本体；10.绝缘层；11.朗缪尔探针；12.相机；13.气体入口通道。
具体实施方式
52.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
53.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
54.如图1和图2所示，一种提高空间电推力器内离子密度的装置，包括空间推力器本体9、空心阴极8、永磁体2、线圈1、中和器3、栅极、朗缪尔探针11和相机12。
55.空间推力器本体包括放电室6，放电室采用金属材质制成，且与外接电源的正极相连接，形成放电阳极；放电室的一端为气体入口端，放电室的另一端为离子出口端。
56.空心阴极同轴插设在气体入口端，空心阴极与外接电源的负极相连接，空心阴极与放电室之间优选通过陶瓷制成的绝缘层10进行绝缘。空心阴极的具体结构为现有技术，具体如中国专利申请cn202010654919.8所述。
57.空心阴极的中心具有气体入口通道13，气体入口通道13与进气管7相连接，用于向放电室输入工质气体。其中，工质气体优选为xe或ar等单原子分子。
58.上述工质气体的进气流量范围优选为10sccm-30sccm。
59.由于空间电推力器需在真空仓内才能运行，然而，真空仓在打开真空泵真空运行时，真空仓内压强需要达到3.7*10-4
torr左右以及更低压强可以进行正常实验。其中，1torr=133.3223pa。为模拟空间电推力器正常实验的典型低压工况，本发明中，将工质气体的进气压力范围调整为5*10-3
pa-3*10-2
pa，工质气体的进气环境温度范围调整为25℃到50℃。
60.永磁体嵌设在放电室壁面中，用于向放电室提供恒定磁场。永磁体优选为沿轴向均匀布设的若干个永磁体环，每个永磁体环采用若干个永磁体条沿周向拼接形成。
61.上述栅极布设在放电室出口，优选为屏栅5与加速栅4的组合。
62.上述中和器设置在放电室的出口外侧，能发射电子。线圈沿轴向均匀且同轴绕设在放电室的外壁面，且与外接直流电源相连接。
63.本发明中，外接直流电源的功率优选为60w。
64.本发明中，线圈优选为400匝，沿轴向均匀绕设放电室外壁紧密排列，外观看起来像套筒，能够产生稳定磁场。
65.朗缪尔探针设置在放电室的出口，用于检测放电室出口处离子束的电流值大小。进一步，朗缪尔探针位于放电室的中心轴线上，且与放电室出口的距离优选为5cm。
66.朗缪尔探针可以设置为一根，也可以设置为两根或多根。
67.相机设置在放电室的出口外侧，用于拍摄并判断放电室出口处离子束的颜色。
68.通过朗缪尔探针和相机的组合，能够判断放电室中的判断放电室内电子与工质气体的碰撞概率是否达到最大值，进而判断空间推力器本体产生的比冲是否达到最有效值。
69.针对低压工况下不同类型和不同流量的工质气体，通过控制线圈中的直流电流大小，均能使得放电室中电子与工质气体的碰撞概率达到最大值，进而使得空间推力器本体产生的比冲达到最有效值。
70.当相机拍摄的放电室出口处离子束的颜色为紫色，且朗缪尔探针检测的放电室出
口处离子束的电流值处于拐点最大值，则判断为放电室内电子与工质气体的碰撞概率达到最大值。
71.一种提高空间电推力器内离子密度的方法，包括如下步骤：步骤1、放电室调整为低压工况：将放电室放置在真空舱内，启动真空泵，使得真空舱中压强在5*10-3
pa-5*10-2
pa内，优选为 3.7*10-4
torr。同时，使真空舱内的环境温度调整为25℃到50℃，从而使得放电室处于典型的低压工况。
72.步骤2、产生初始电子，包括如下三种产生方式。
73.步骤2a、空心阴极产生电子：空心阴极通电，且空心阴极中的阴极发射体加热至1500 k
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2000k，点火，阴极发射体发射电子。在阴极发射体加热过程中，内部电子的能量随温度上升而上升，一部分电子的能量达到或者超过发射体材料逸出功，电子逸出，六硼化镧（lab6）的电子逸出功大约为2.66-2.91ev。
74.步骤2b、中和器产生电子，产生原理同空心阴极，这里不再详细赘述。
75.在实际使用中，可以单独采用空心阴极产生初始电子，也可以采用空心阴极与中和器的组合。
76.步骤3、放电室输入工质气体：工质气体通过进气管和空心阴极的气体入口通道，沿放电室的中心轴线进入放电室内。工质气体的进气流量范围优选为10sccm-30sccm。
77.步骤4、初始电子进入放电室：放电室通电，形成放电阳极，在电场作用下，将步骤2产生的初始电子吸入放电室内，并在放电室内进行扩展。
78.步骤5、电子与工质气体碰撞：步骤4进入放电室内的电子，与步骤3进入放电室内的工质气体发生碰撞，并形成正离子。
79.步骤6、线圈通电：将线圈沿放电室的轴向紧密排列，在步骤4初始电子进入放电室的同时，线圈通入功率为60w的直流电。
80.根据放电室直径，以及永磁体产生的放电室中心磁场强度，进而确定线圈的初始电流。当放电室直径不超过30cm时，放电室出口处离子束的拐点最大电流值所对应的放电室中心磁场总强度在20—50gs的范围之内。故而，当放电室直径不超过30cm时，线圈的初始电流从零开始即可。
81.步骤7、碰撞概率检测，具体包括如下步骤。
82.步骤7a、放电室出口处离子束颜色检测：相机按照设定时间间隔，对放电室出口处离子束进行连续拍摄，并通过拍摄的图片，判断放电室出口处离子束的颜色。
83.步骤7b、放电室出口处离子束电流值检测：采用朗缪尔探针对放电室出口处离子束的电流值进行实时检测并记录。
84.拉莫尔半径指的是电子拉莫尔半径。碰撞概率是指电子与气体工质碰撞的概率，也有与工质一次电离产生的离子二次碰撞的概率，这里在工程或者仿真中表达就是整体的离子密度达到最大值，这也是推力器提升推力想要的结果。最优表现形式就是用朗缪尔探针测得出口处的离子束电流值达到最大。实际工程中每次实验的温度压强气体工质以及流量等都不同，我们寻找碰撞概率最大值，一般在小型推力器（放电室直径30cm以下），放电室中心磁场强度在20—50gs，会找到密度的最大值拐点，不同实验工况略微调整即可。
85.由于电子拉莫尔半径r的计算公式为：r=mv/bq；其中，m为电子质量，v为电子速度，b为放电室出口中心的磁场强度，q为电子电荷。从计算公式可知：磁场强度增大时，电子拉
莫尔半径减小。通过控制磁场强度，进而控制电子拉莫尔半径，从而能使得进气口处碰撞电离产生的电子在电场作用下不与进气壁发生碰撞，提高电子与工质气体的碰撞概率。
86.碰撞频率达到有效值标准是通过朗缪尔探针测得的等离子体电流电压值以及观测羽流的颜色变化，测得等离子体电流值增大，则认为碰撞频率效果提高，如图3所示，左图是不加线圈的离子羽流是蓝色的，且在放电室出口有一团等离子体，形状很明显，而右图因加线圈和直流电流，羽流颜色变为紫色，朗缪尔探针测得的电流值增大。
87.步骤8、线圈电流调整，具体包括如下步骤：步骤8a、电流逐渐增加：当步骤7判断为放电室出口处离子束的颜色为蓝色等非紫色时，说明放电室内电子与工质气体的碰撞概率低；此时，线圈中的电流按照设定增幅a进行逐渐增加。
88.步骤8b、碰撞概率检测：重复步骤7，继续进行碰撞检测，当放电室出口处离子束的颜色变为紫色，说明放电室出口处离子束的电流值已接近拐点最大值。
89.步骤8c、电流细微增加：线圈中的电流按照设定增幅b进行逐渐增加，b＜a。
90.调节线圈中电流或匝数使得放电室内磁场相对均匀，从而达到放电室内电子密度达到最大值，放电室出口离子密度提升数倍。
91.步骤9、寻找放电室出口处离子束的拐点最大电流值：在步骤8c电流细微增加的同时，朗缪尔探针继续对放电室出口处离子束的电流值进行实时检测并记录；当放电室出口处离子束的电流值开始减小时，记录放电室出口处离子束的拐点最大电流值以及对应的线圈电流a；与此同时，停止增加线圈中电流并将线圈中电流值调整为线圈电流a。此时，放电室出口的等离子体密度最大，同时也是气体电离的最有效值。
92.步骤10、正离子中和：从放电室出口射出的正离子，与中和器发射的电子进行中和，防止带正电离子附着在飞行器表面对信号等产生影响。
93.如图4和图5所示，本发明通过仿真得到：线圈电流处于某值时，经过数值比对，发现线圈在不同电流大小下，电子密度和离子密度变化趋势和实验是一样的先增大后减小，存在拐点。
94.图4和图5为二维轴对称图，从上往下是进气口（中间偏上空白），放电室和出口。三个小正方形是永磁体，图5中右侧是纵排列的圆圈是线圈，这里除线圈外都是真实比例，线圈在仿真显示图5中与实际观看不符，是因为这个里面可以单独设置线圈横截面积，电导率等，以及设置为均匀多匝。
95.在图4和图5中，左侧纵坐标是相机拍摄图形纵向的大小尺度，单位为cm；右侧纵坐标是颜色的尺度；底部横坐标是相机拍摄图形横向的大小尺度，单位为cm；顶部横坐标为电子密度数，单位为m-3
。图4和图5中的颜色不同，只是对应刻度条上的值不同。
96.从图6和图7可以看出，无论单朗缪尔探针，还是双朗缪尔探针，通过测得的数据，进行分析发现：通过改变线圈电流的大小，朗缪尔探针测得的离子电流变化趋势是先增大后减小，存在一个拐点，也即为离子密度的最大理想点，也是我们提供离子密度方法的理论基础。
97.具体工作原理为：离子推力器推力在气体工质和栅极电压不变情况下，取决于栅极出口的离子密度，离子是由电子与气体工质碰撞产生的，电子在放电室中做霍尔漂移运动，拉莫尔半径和运动周期会影响与气体工质发生碰撞的概率。除离子推力器的阴极和阳
极外，磁场对电子运动起着关键作用，从而影响碰撞概率。永磁体的磁场是固定不变的，通过均匀多匝的线圈包裹在推力器的外围，产生一个最优磁场使得电子密度最大，同时离子密度也最大。
98.图6和图7中，横坐标为缪尔探针测得的放电室出口处离子束的电压值，纵坐标为朗缪尔探针测得的放电室出口处离子束的电流值。
99.在实验数据测量中，发现随着线圈电流增大，探针电流先增大后减小，与实验测得数据和趋势变化是一样的，由于在不同的线圈电流值测量探针的i-v曲线时间较长，真空舱内温度和压强有微小波动，探针在等离子体中由空间电荷影响而形成的鞘层，鞘层厚度会影响测得数据，导致数据有所偏差，但是随着线圈内电流增大，探针电流的整体趋势明细，还是先增大后减小，之后实验中不测探针的i-v曲线，只在短时间内改变线圈电流大小，以消除温度和压强带来的影响，发现探针电流整体趋势是先增大后减小。
100.此外，通过有限元仿真计算，证实在放电室外壁包裹均匀多匝线圈以后，放电室内电子密度最大值增大将近10倍，随着电流增大电子密度是先增大后减小，这个趋势和实验结果一致。
101.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。