[发明专利]一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置

说明书

本发明提供了一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，包括放电室、侧壁会切磁场单元、微波输入单元和气体供给单元，放电室包括放电腔体、底壁和栅极加速单元，底壁上布置气体供给单元及微波输入单元，侧壁会切磁场单元至少包括两个侧壁磁铁环，所有侧壁磁铁环均与放电腔体同轴布置，所有侧壁磁铁环采用同极相对方式布置在放电腔体的内壁面上，多个侧壁磁铁环布满放电腔体的内壁面，侧壁会切磁场单元在放电室内形成电子回旋共振面，微波输入单元伸入放电室的底壁中央为镂空锥笼型天线输入微波，镂空锥笼型天线位于电子回旋共振面上游的强磁场区，气体供给单元向放电腔体内通入工质气体。本发明可以维持更低的等离子体密度和更低的推力下限。

技术领域

本发明属于等离子体微推进领域，尤其是涉及一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置。

背景技术

随着近年来天基引力波探测任务的需求，卫星编队的卫星间距精度要求达到10-21，其无拖曳控制对推进装置提出了低推力下限(1μN)，宽推力调节范围(50-100倍)，高精度、高稳定度和高分辨率(0.1μN)的推力要求，进而要求推进装置小型化。

电子回旋共振离子推力器(ECRIT)是利用微波频率与电子绕磁力线回旋频率共振，进而加热电子产生工质电离，再利用栅极电场高速喷出的离子束流产生反作用力的推力器。其具备电离率高、比冲高、结构简单等特点。日本的隼鸟号和隼鸟2号探测器均采用该类型推力器作为其深空探测任务的主推进装置。同时，离子推力器的栅极电流与推力之间具有直接的数值关系，这为推力测量和无拖曳反馈控制提供了极大的便利。更重要的是ECR共振加热的方式，决定其可工作气压范围宽，具备低推力和推力宽范围调节的基本条件。

目前微小型ECRIT以日本μ-1推力器为其发展的最高水平。μ-1微小型ECR离子推力器采用了底壁会切磁场构型，推力器典型直径20mm，典型推力值300μN。针对上述天基引力波探测对推力器提出的低推力宽范围需求，目前的ECRIT这种结构存在以下两个方面的问题：(1)受到磁场条件制约，电离室通道底壁会切磁环直径不能太小，导致推力器直径20mm居高不下，推力与推力器通道截面成正相关，导致该型推力器所能达到的推力下限远不能满足其推力下限的需求；(2)该磁场构型策略，仅能在推力器通道底壁形成磁镜效应，而侧壁基本不受限制，导致整个放电室内侧壁面电离损失剧烈，不能在等离子体极端稀薄状态维持工作，进一步限制推力下限。此外还有其他两个方面有待提升的不足之处：(1)底壁双磁环只能构建两个磁镜区，从而导致电子在磁镜区之间的运动路径单一，电子运动距离受限，电离充分性和推力器效率提升受限；(2)共振面只能在磁环外侧电离室内部设计一层，设计构型单一，可调节裕度小。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，改变原有的底壁磁铁布置方法，去掉底壁外层磁环(也可以进一步将内外磁环都去掉)，减小底壁磁环尺寸对推力器内直径不能减小的制约；同时侧壁采用若干个磁环对接而成，侧壁磁采用同极相对的布置方式，在磁环之间形成侧壁多级会切磁场的磁尖端，构成电离室内部磁镜场。侧壁会切磁场约束等离子体在壁面的损失，可以维持更低的等离子体密度和更低的推力下限。同时，磁环级数可以调整，共振面设计维度增大，电子路经从原来的径向改为轴向，运动距离增加，推力器效率和电离度均可提升。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于侧壁会切磁场的微波离子推进装置，包括放电室、侧壁会切磁场单元、微波输入单元和气体供给单元，所述放电室包括放电腔体、固接在放电腔体前端的底壁和固接在放电腔体后端的栅极加速单元，所述的放电腔体为筒体结构，所述的底壁上布置气体供给单元及微波输入单元，所述的侧壁会切磁场单元至少包括两个侧壁磁铁环，所有侧壁磁铁环均与放电腔体同轴布置，所有侧壁磁铁环采用同极相对方式布置在放电腔体的内壁面上，多个侧壁磁铁环布满放电腔体的内壁面，侧壁会切磁场单元在放电室内形成强磁场区与弱磁场区，且强磁场区和弱磁场区之间形成电子回旋共振面，微波输入单元伸入放电室的底壁中央为设置在放电腔体内的镂空锥笼型天线输入微波，所述的镂空锥笼型天线位于电子回旋共振面上游的强磁场区，气体供给单元向放电腔体内通入工质气体。