一种磁等离子体推力器射频加速装置和方法与流程

1.本发明属于空间电推力器领域，特别涉及一种磁等离子体推力器射频加速装置。


背景技术：

2.功率在兆瓦级以上的高功率电推进器在载人航天、深空探测、空间站等任务中具有重要的应用前景，相比于其他类型的高功率电推进系统，磁等离子体推力器(mpdt)具有功率密度高、体积小、质量轻等优势，然而，在兆瓦级以上功率条件下，该推力器存在较为严重的阴极烧蚀问题，影响推力器应用范围。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种磁等离子体推力器射频加速装置，包括推力器腔体，丝杠支架，恒定磁场线圈组和射频天线组；推力器腔体为圆台形；射频天线组设于推力器腔体外部，射频天线组包括四个沿推力器腔体周向排布的射频天线，按照排布顺序依次记为第一射频天线，第二射频天线，第三射频天线和第四射频天线；第一射频天线和第三射频天线中施加相位相同的射频电，第二射频天线和第四射频天线中施加相位相同的射频电，第一射频天线和第二射频天线中施加的射频电相位差为90
°
；恒定磁场线圈组设于射频天线组外部，包括若干个沿推力器腔体轴向排布的恒定磁场线圈，每个恒定磁场线圈为与推力器腔体同轴的圆环形；每个恒定磁场线圈中接入直流电；丝杠支架与恒定磁场线圈组固定连接，用于根据所需磁场位型实现恒定磁场线圈组沿推力器腔体轴向的位置调节。本发明还提供一种基于上述装置的磁等离子体推力器射频加速方法。本发明利用射频能量耦合机理，采用射频天线产生旋转磁场将能量注入mpdt的等离子体中，加速等离子体中的离子，实现能量的高效注入，避免了加速过程中的电极腐蚀。
4.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种磁等离子体推力器射频加速装置，包括推力器腔体，丝杠支架，恒定磁场线圈组和射频天线组；
6.推力器腔体为圆台形；
7.射频天线组设于推力器腔体外部，射频天线组包括四个沿推力器腔体周向排布的射频天线，按照排布顺序依次记为第一射频天线，第二射频天线，第三射频天线和第四射频天线；第一射频天线和第三射频天线中施加相位相同的射频电，第二射频天线和第四射频天线中施加相位相同的射频电，第一射频天线和第二射频天线中施加的射频电相位差为90
°
；
8.恒定磁场线圈组设于射频天线组外部，包括若干个沿推力器腔体轴向排布的恒定磁场线圈，每个恒定磁场线圈为与推力器腔体同轴的圆环形；每个恒定磁场线圈中接入直流电；
9.丝杠支架与恒定磁场线圈组固定连接，用于根据所需磁场位型实现恒定磁场线圈组沿推力器腔体轴向的位置调节。
10.进一步的，射频天线组中的四个射频天线均采用利兹线；
11.每个射频天线均采用鞍形天线构型；四个射频天线围成的圆台形空间与推力器腔体同轴；
12.第一射频天线和第三射频天线相对布置，第二射频天线和第四射频天线相对布置。
13.进一步的，恒定磁场线圈组中的每个恒定磁场线圈独立供电；
14.恒定磁场线圈组中包含≥5个恒定磁场线圈。
15.进一步的，还包括电磁线圈支架和电磁线圈定位盘；
16.恒定磁场线圈由电磁线圈绕线缠绕于电磁线圈支架上形成；恒定磁场线圈通过电磁线圈定位盘与丝杠支架固定连接。
17.进一步的，射频天线组中四个射频天线中施加射频电的幅值及频率相同。
18.进一步的，恒定磁场线圈的截面为矩形。
19.进一步的，还包括脉冲射频调制电源，脉冲直流电源和时序控制装置；
20.脉冲射频调制电源对射频天线组施加脉冲射频电；
21.脉冲直流电源对恒定磁场线圈组施加脉冲直流电；
22.时序控制装置用于根据等离子体的膨胀扩展和径向加速需求，对脉冲射频调制电源和脉冲直流电源进行时序控制。
23.进一步的，还包括前定位法兰和后定位法兰；
24.丝杠支架的前端与前定位法兰连接，丝杠支架的后端与后定位法兰连接。
25.进一步的，射频天线组在推力器腔体产生周向旋转的时变电场和时变磁场；
26.时变电场的电场强度矢量
27.时变磁场的磁感应强度矢量
28.其中，ω为射频电频率，分别为第一径向、第二径向、轴向的单位矢量，t为时间；所述第一径向和第二径向相互垂直。
29.一种磁等离子体推力器射频加速方法，采用上述一种磁等离子体推力器射频加速装置实现，包括如下步骤：
30.s1通过丝杠支架进行恒定磁场线圈组沿推力器腔体轴向的位置调节，在恒定磁场线圈组中的每个恒定磁场线圈中接入直流电，形成恒定磁场；
31.s2向射频天线组中的各射频天线中施加射频电，形成周向旋转的时变电场和时变磁场；
32.s3等离子体进入推力器腔体，在时变电场和时变磁场的作用下进行径向加速，同时形成角向电流；
33.s4角向电流与恒定磁场和时变磁场作用产生洛伦兹力，径向加速的等离子体在洛伦兹力的作用下进行轴向运动，等离子体喷出后推力器获得推力。
34.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
35.(1)本发明磁等离子体推力器射频加速装置中，创新性的利用可轴向移动的恒定磁场线圈组得到所需磁场位形，磁体分段结构设计，实现了对磁场的精准控制，有效优化了磁场位形，保证等离子体的高效加速排出，有效提高了推力器中离子能量和功率范围；
36.(2)本发明利用射频天线组形成旋转磁场和旋转电场，降低了射频供电的趋肤效应，提高了能量耦合效率，减小了射频能量传输系统的体积和质量；旋转电场能够有效替代mpdt电极产生的加速电场，实现对等离子体的加速，且在加速过程中不会产生电极腐蚀，延长了推力器的寿命；
37.(3)本发明采用脉冲电源和时序控制装置保障了等离子体的膨胀扩展、径向加速；
38.(4)本发明恒定磁场的分布可以通过为各恒定磁场线圈接入不同大小的电流、调整各恒定磁场线圈的位置灵活调整，为不同工况下推力器工作所需磁场位型的调整带来了极大的方便。
附图说明
39.图1为本发明一种优选的实施方式中磁等离子体推力器射频加速装置平面结构示意图；
40.图2为本发明一种优选的实施方式中磁等离子体推力器射频加速装置三维结构示意图；
41.图3为本发明一种优选的实施方式中磁等离子体推力器射频加速装置工作示意图；
42.图4为本发明一种优选的实施方式中磁等离子体推力器射频加速装置中恒定磁场线圈产生的推力器内部磁感应强度的分布图；
43.图5为本发明一种优选的实施方式中磁等离子体推力器射频加速装置中射频天线组中施加的射频电流变化曲线；
44.图6为本发明一种优选的实施方式中磁等离子体推力器射频加速装置中推力器腔体某一横截面处时变电场；其中(a)～(i)为随时间变化的一组具体样例；
45.图7为本发明一种优选的实施方式中磁等离子体推力器射频加速装置中推力器腔体某一横截面处时变磁场；其中(a)～(i)为随时间变化的一组具体样例；
46.图8为本发明一种优选的实施方式中射频天线示意图；
47.上述附图中，1-前定位法兰，2-推力器腔体，3-丝杠支架，4-电磁线圈支架，5-电磁线圈定位盘，6-电磁线圈绕线，7-后定位法兰，10-恒定磁场线圈组，101-第一恒定磁场线圈，102-第二恒定磁场线圈，103-第三恒定磁场线圈，104-第四恒定磁场线圈，105-第五恒定磁场线圈，106-第六恒定磁场线圈，107-第七恒定磁场线圈，108-第八恒定磁场线圈，201-第一射频天线，202-第二射频天线，203-第三射频天线，204-第四射频天线。
具体实施方式
48.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
49.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
50.本发明以高功率磁等离子体推力器的应用为目标，重点突破其在高功率状态下的阴极烧蚀问题，深入探索射频加速装置的能量耦合技术和高效加速技术。在本发明研制过
程中，静磁场、射频天线以及电源系统的研制尤为重要。静磁场是等离子体加速的核心部组件，不同于其他类型的推力器，磁等离子体射频加速装置中的静磁场区域较长，在整个磁场区域内不仅要一直保持对等离子体的加速作用，还要约束等离子体，减少高能粒子对推力器腔体的侵蚀，同时，要求在等离子体的加速过程中，不同位置的磁场随之发生变化，为等离子体加速提供所需的磁场位形。另外，射频天线是射频能量的耦合装置，天线位形对工质的电离率、离子能量的提升具有至关重要的作用。
51.本发明针对高功率磁等离子体推力器的阴级烧蚀问题，提出一种磁等离子体推力器射频加速装置，延长其在高功率状态下的寿命。在本发明加速装置研制过程中，采用磁体分段结构作为静磁场的产生装置，其由若干组独立供电的电磁线圈组成，共同产生等离子体加速所需磁场。磁体分段结构设计，实现了对磁场的精准控制，有效优化了磁场位形，保证等离子体的高效加速排出。本发明在研制过程中，射频天线采用鞍形天线构型，两对射频天线中通以相位相差90
°
的交流电，形成旋转磁场。本发明中的射频天线，降低了射频供电的趋肤效应，提高了能量耦合效率，减小了射频能量传输系统的体积和质量。本发明采用脉冲工作模式，电源系统主要包括脉冲射频调制电源、脉冲直流电源、时序控制装置，本发明采用由高速触发器构成的时序控制装置，通过控制出发电平及触发延时，实现对脉冲射频调制电源、脉冲直流电源之间的时序控制，保障等离子体的膨胀扩展、径向加速。
52.实施例1：
53.本发明一种磁等离子体推力器射频加速装置，如图1和图2所示，其中前定位法兰1和后定位法兰7为推力器定位法兰，用于固定推力器腔体2位置；恒定磁场线圈即电磁线圈与丝杠支架3固定连接，丝杠支架3用于电磁线圈位置调节，以获得满足推力器工作需要的磁场位型；电磁线圈绕线6缠绕于电磁线圈支架4上，形成截面为矩形的八个环形恒定磁场线圈，分别记为第一恒定磁场线圈101，第二恒定磁场线圈102，第三恒定磁场线圈103，第四恒定磁场线圈104，第五恒定磁场线圈105，第六恒定磁场线圈106，第七恒定磁场线圈107，第八恒定磁场线圈108；电磁线圈定位盘5用来连接电磁线圈支架4与丝杠支架3，从而固定各个恒定磁场线圈；电磁线圈绕线6用以接入直流电，形成电磁铁；射频天线组设于推力器腔体2外部，射频天线组包括四个沿推力器腔体2周向排布的射频天线，分别记为第一射频天线201，第二射频天线202，第三射频天线203和第四射频天线204，射频天线组采用鞍形天线构型，通以相同频率的相位相差90
°
的交流电，形成旋转磁场，即第一射频天线201，第二射频天线202，第三射频天线203和第四射频天线204中输入的交流电频率相同，第一射频天线201和第三射频天线203交流电相位相同，第二射频天线202和第四射频天线204交流电相位相同，第一射频天线201和第二射频天线202相位相差90
°
。本发明射频天线采用利兹线，共两对，即第一射频天线201和第三射频天线203为一对，第二射频天线202和第四射频天线204为一对，每个射频天线均采用鞍形天线构型(呈马鞍型形状轮廓)，如图8所示，每个射频天线包括长弧段、短弧段和两条直线段，两对射频天线“弧口”所在轴线与推力器腔体所在轴线重合，两对射频天线包覆在圆台状推力器腔体外，四个射频天线的长弧段，以及四个射频天线的短弧段分别呈类“口”字型分布，上下、左右分别为一组，将第一对射频天线中两个射频天线的短弧段(或长弧段)中点的连线记为直线a，将另一对射频天线中两个射频天线的短弧段(或长弧段)中点的连线记为直线b，直线a与直线b相互垂直。工作时为两组射频线圈通以相位相差90
°
的交流电，
54.如图3为本发明磁等离子体推力器的工作系统示意图，一种磁等离子体推力器射频加速方法如下：
55.1)通过高真空控制平台启动旋片泵、罗茨泵、分子泵，令真空舱真空度保持在10-3
pa量级以模拟真空环境；
56.2)启动脉冲直流电源(即图中恒定磁场线圈电源)为恒定磁场线圈组10通以直流电，形成如图4所示的推力器工作所需磁场位型，本实施例中八个恒定磁场线圈分别接入2.275ka，1ka，4.5ka，4ka，2ka，1.2ka，1ka，18.271ka直流电流，形成了较为光滑的磁力线，说明磁场位型下形成的磁喷效应更佳。磁感应强度在空间的分布满足：
[0057][0058]
其中，为磁感应强度矢量，分别为磁感应强度在径向、轴向的分量，分别为径向、轴向单位矢量。
[0059]
3)启动脉冲射频调制电源(即图中射频源)为两对射频天线通以如图5所示的幅值1.6ka、频率300khz、相位相差90
°
的射频电，用以产生周向旋转的时变电场和时变磁场。图6是本实施例射频加速装置中，推力器腔体某一横截面处时变电场一组具体样例，可以看到在推力器内形成了旋转电场，该旋转电场能够有效替代mpdt(磁等离子体)电极产生的加速电场，实现对等离子体的加速，且在此加速过程中不会产生电极腐蚀，延长了推力器的寿命。图7是本实施例射频加速装置中，推力器腔体某一横截面处时变磁场一组具体样例，可以看到时变磁场与时变电场类似也在旋转，磁场在带电粒子运动过程中不对粒子做功，该场在推力器工作时磁感应强度主要与恒定磁场(图3)下磁感应强度叠加后对等离子体运动方向改变起到一定作用。
[0060]
时变电场满足：
[0061][0062]
其中，为时变电场强度矢量，ω为射频电频率，为旋转磁场磁感应强度矢量，分别为x、y、z方向(即第一径向、第二径向、轴向)的单位矢量，t为时间。
[0063]
时变磁场满足：
[0064][0065]
其中，为旋转磁场形成的磁感应强度矢量，ω为射频电频率，分别为x、y方向的单位矢量，t为时间。
[0066]
4)输入等离子体源，进入推力器中的等离子体在前述旋转时变电、磁场的作用下获得能量，被径向加速，加速后的等离子体周向快速运动在推力器内形成角向电流：
[0067][0068]
其中，为角向电流矢量，e为电子电荷量(1.60218
×
10-19
c)，ne为电子数密度，ω为射频电频率，r为等离子角向电流形成时的半径，为角向单位矢量。
[0069]
等离子体角向电流与磁场相互作用产生轴向洛伦兹力：
[0070][0071]
其中，为轴向洛伦兹力，为角向电流矢量，为磁感应强度在径向的分量之和，该量包括恒定磁场磁感应强度在径向分量与时变磁场磁感应强度在径向分量。
[0072]
径向加速的等离子体在洛伦兹力的作用下运动方向由周向运动转换为轴向运动，等离子体喷出后推力器获得推力。
[0073]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0074]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。