[發(fā)明專利]一種離子推力器曲面形柵極組件

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210583853.7
• 申請日: 2022-05-25
• 公開（公告）號: CN114934883A
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙以德;汪忠;李建鵬;耿海;賈艷輝;郭寧;馬伊帆;王彥龍;郭德洲;李娟;張濤
• 申請（專利權(quán)）人: 蘭州空間技術(shù)物理研究所
• 主分類號: F03H1/00
• 分類號: F03H1/00
• 代理公司: 北京元理果知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11938
• 代理人: 饒小平

本發(fā)明公開了一種離子推力器曲面形柵極組件，包括屏柵極、屏柵極支撐環(huán)、絕緣支撐組件、加速柵極、加速柵極支撐環(huán)；屏柵極支撐環(huán)、屏柵極、加速柵極、加速柵極支撐環(huán)依次同軸設(shè)置；屏柵極與所述加速柵極的球面均凸出于所述屏柵極支撐環(huán)的中心孔；屏柵極的第一外環(huán)體與屏柵極支撐環(huán)的支撐圓環(huán)體圓周端面通過螺釘一固定連接。屏柵極為旋轉(zhuǎn)橢球面形或比加速柵半徑更大的球面形，從而實(shí)現(xiàn)柵極組件冷態(tài)下各徑向位置處柵間距雖不相等，但推力器工作時(shí)(熱態(tài))由于柵極熱變形，達(dá)到各處柵間距一致的目的，從而降低束流密度峰值，提高束流均勻性，解決制約大功率離子推力器由于較大熱形變造成的放電問題，并延長柵極壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種離子推力器曲面形柵極組件。

背景技術(shù)

電推進(jìn)技術(shù)作為一種先進(jìn)空間推進(jìn)技術(shù)，已經(jīng)在空間各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，包括姿態(tài)控制、南北位置保持、軌道轉(zhuǎn)移、大氣阻尼補(bǔ)償、深空探測主推進(jìn)等。尤其在深空探測任務(wù)中，電推進(jìn)技術(shù)以其高比沖、長壽命等特點(diǎn)，可以大大節(jié)省推進(jìn)劑攜帶量，增加航天器有效載荷比例，具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。

隨著航天器太陽能功率的提高以及航天器重量的增加，對離子推力器工作功率的需求越來越大。離子推力器功率的增加，不僅由于放電損耗造成的自身溫度越來越高，而且由于束流值的增加而柵極組件直徑也越來越大。較大的柵極組件直徑和較高的工作溫度，使柵極熱變形造成的束流不均勻和柵極間放電已成為制約大功率離子推力器研制和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

小功率離子推力器由于柵極組件直徑小和工作溫度低緣故，可以采用平面柵極組件。中功率離子推力器隨柵極組件直徑和工作溫度的增加，由于平面柵極組件柵極熱變形方向不可控，易出現(xiàn)屏柵極和加速柵極互朝對方凸起，造成兩柵短路離子推力器失效。為了解決該問題，發(fā)明了同心或同半徑球面形柵極組件。球面形柵極組件使屏柵極和加速柵極熱變形沿柵極中心軸方向，解決了柵極熱變形方向不可控造成的柵間短路問題。但是，同心或同半徑球面形柵極組件由于球面的固有屬性使屏柵極與加速柵極之間柵間距在當(dāng)推力器不工作時(shí)(即冷態(tài))各處幾乎一致，而推力器工作用時(shí)(即熱態(tài))，由于屏柵極距離放電室等離子體更近，屏柵極熱形變大于加速柵極，造成屏柵極與加速柵間柵間距總體上減小。再由于柵極組件采用的是邊緣固定，以及柵極上游從中心到邊緣等離子密度逐步降低的徑向不均勻性，造成屏柵極和加速柵從邊緣到中心熱變形量逐步增大。以上二者結(jié)果是，熱態(tài)柵間距小于冷態(tài)柵間距，冷態(tài)下各處一致的柵間距，而在熱態(tài)下從中心到邊緣柵間距逐步增大。

柵極組件柵間距對柵極離子光學(xué)系統(tǒng)引出能力存在較大的影響，柵間距越小引出能力越強(qiáng)。離子推力器由于其單陰極放電特性，柵極上游一般中心等離子體密度高于邊緣。又由于推力器工作時(shí)(熱態(tài))柵間距中心小而邊緣大，中心較大的束流引出能力造成束流更為不均勻，中心束流密度高，而邊緣束流密度低。不均勻的束流不僅能造成柵極中心欠聚焦，邊緣過聚焦，而且由于柵極壽命取決于柵極束流密度峰值，中心較高的束流密度峰值造成柵極壽命不足。另外，受柵極最高束流密度峰值限制，不均勻的束流造成其總束流值偏低，影響離子推力器可實(shí)現(xiàn)的最大推力。此外，在離子推力器啟動(dòng)過程中(即從冷態(tài)到熱態(tài)的過程)由于柵極熱變形大，中心小而邊緣大的柵間距，極易造成柵極間放電，造成供電電源保護(hù)，離子推力器推力輸出中斷、束流加載時(shí)間(束流加載到額定值的時(shí)長)變長。

以上同心或同半徑球面形柵極由于熱態(tài)時(shí)柵間距不一致帶來的問題，在中功率離子推力器中尚可接受，但對大功率離子推力器由于較大的柵極組件直徑和較高的工作溫度，使柵極熱變形造成的束流不均勻和柵極間放電已成為制約大功率離子推力器研制和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，所以亟待解決。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的大功率離子推力器由于柵極熱變形造成的束流不均勻、柵極間放電缺陷，從而提供一種離子推力器曲面形柵極組件。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：離子推力器曲面形柵極組件，包括：