一种提高空间电推力器内离子密度的装置及方法与流程

技术特征：
1.一种提高空间电推力器内离子密度的装置，其特征在于：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；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；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；永磁体嵌设在放电室壁面中，用于向放电室提供恒定磁场；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；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的提高空间电推力器内离子密度的装置，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的提高空间电推力器内离子密度的装置，其特征在于：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。4.根据权利要求3所述的提高空间电推力器内离子密度的装置，其特征在于：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。5.根据权利要求1所述的提高空间电推力器内离子密度的装置，其特征在于：外接直流电源的功率为60w。6.根据权利要求1所述的提高空间电推力器内离子密度的装置，其特征在于：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℃。7.一种提高空间电推力器内离子密度的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、放电室调整为低压工况；步骤2、产生初始电子，采用空心阴极产生初始电子；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；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；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；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；
步骤7、碰撞概率检测，具体包括如下步骤：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；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；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；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；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；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。8.根据权利要求7所述的提高空间电推力器内离子密度的方法，其特征在于：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。9.根据权利要求7所述的提高空间电推力器内离子密度的方法，其特征在于：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。10.根据权利要求7所述的提高空间电推力器内离子密度的方法，其特征在于：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。

技术总结
本发明公开了一种提高空间电推力器内离子密度的装置及方法，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；空间推力器本体包括放电室，能作为放电阳极；空心阴极同轴插设在气体入口端，且与外接电源的负极相连接，其中心能向放电室输入工质气体；永磁体嵌设在放电室壁面中；线圈沿轴向均匀绕设在放电室外壁面，且外接直流电源；朗缪尔探针设在放电室的出口，能检测放电室出口处离子束的电流值大小；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。本发明通过控制线圈中电流的大小，进而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。并使产生的比冲达到最有效值。并使产生的比冲达到最有效值。


技术研发人员：聂万胜 周思引 闫康 马利民 刘翔 杨云帆 朱浩然
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学
技术研发日：2021.11.04
技术公布日：2022/1/14