[发明专利]一种具有光圈阀的可闭合栅极系统

说明书

本发明公开了一种具有光圈阀的可闭合栅极系统，包括同轴安装的光圈阀结构和栅极结构，光圈阀结构包括保护盖、调节器和叶片组，栅极结构包括屏栅、栅间绝缘件和加速栅。本发明的栅极系统在不影响比冲性能的前提下具有推力多级调节能力；具有开度调节能力，能实现大幅度节流；可开关特定的栅孔；栅极系统可关闭和密封。

技术领域

本发明属于空间电推进和离子源中的离子引出技术领域，尤其涉及一种具有光圈阀的可闭合栅极系统。

背景技术

离子推力器是一种电推力器，用于空间电推进(或称航天等离子体推进)，具有比冲高、推力变化范围广、技术成熟等优点，目前已被广泛应用于航天器的姿态和轨道控制。离子推力器在结构和原理上与离子源具有很高的相似性，是一种专用于空间电推进领域的离子源，其特点是使用由大量小孔组成栅网状结构的栅极系统加速排出离子以获得推力。

离子推力器的主体结构一般由电离室、栅极系统和中和器组成。电离室用于生成等离子体，栅极系统用于引出并加速离子，中和器用于发射电子以中和被栅极系统加速的离子。按照电离室中产生等离子体的方式不同，离子推力器主要分为直流式、射频式和电子回旋共振式。

栅极系统由至少两个栅极组成，即双栅栅极系统，也有由三栅极或四栅极组成的栅极系统，但其主要原理相同。以双栅栅极系统为例，其由屏栅、加速栅、栅间绝缘件组成，屏栅与加速栅上均开有一定数量的孔。屏栅位于上游，与电离室内的等离子体直接接触；加速栅位于下游；栅间绝缘件位于屏栅与加速栅之间，将双栅分隔并形成一定的栅间距，栅间距通常为0.5-2mm左右。离子推力器工作时，栅极系统被加上直流电压，栅间电场方向由屏栅指向加速栅，离子经由屏栅孔进入栅极系统，被栅间电场加速，最后经由加速栅孔被引出。大量离子被加速引出，形成高速离子束流，使离子推力器产生推力。

普通的离子推力器只有一个栅极系统，此处称为单侧栅极系统。对于一些异型离子推力器，其拥有多个栅极系统。以双侧离子推力器为例，其拥有两个栅极系统，此处称为双侧栅极系统。

为了实现航天器对姿态和轨道的精确控制，离子推进器需要调节推力以满足任务要求。对于给定的工质，影响推力大小的因素主要有电离室内放电功率、工质流量和栅极电压。

目前，普通的离子推力器的推力调节机制有2种：第一种，改变栅极电压的推力快速调节机制。通过改变栅极电压来调节推力，推力调节速度较快。但是栅极电压的大幅度变化会引起栅极鞘层电势分布、离子束流聚焦状态、离子束流大小、电离室内工质压强和放电状态的突变，影响比冲、功率等推力器性能。若不对工质流量及放电功率进行适当调整，将导致电离室内发生放电振荡甚至放电中断。所以目前通常在固定工质流量条件下利用栅极电压对推力进行快速微调。该机制较快，但推力调节范围较小。第二种，改变工质流量的推力慢速调节机制。通过改变工质流量来调节推力，推力调节速度较慢。电离室内放电过程对工质流量的响应速度较慢，因此工质流量的变化不能过于剧烈，必须同步调节放电功率以保证放电过程的能量平衡。该机制较慢，但推力调节范围较大。

对于普通的离子推力器的单侧栅极系统，其缺点和问题如下：第一，现有的离子推力器推力调节机制涉及到栅极电压的改变，影响离子束流的速度和聚焦状态，进而影响比冲性能和束流发散角。第二，离子推力器在启动时，通常需要较高的工质流量以获得较高的电离室压强从而建立稳定放电。现有的栅极系统无阀结构，无法对电离室进行大幅度节流以在较低的工质流量下获得较高的工质压强，所以启动过程将浪费大量的工质，降低了工质利用率和总冲性能。第三，离子推力器电离室内等离子体的空间分布不均匀，等离子体密度一般沿电离室中心轴线至电离室壁面呈降低趋势。现有的栅极系统的栅孔数量和位置固定，电离室内等离子体分布不均匀性导致屏栅孔从等离子体鞘层中获得的离子数量沿电离室中心轴线至电离室壁面呈降低趋势，造成离子束流大小随栅孔位置的不均匀性。特别是当推力器工作于小推力模式时，按照推力调节机制，通常采用较小的工质流量，此时等离子体分布不均匀性造成的离子束流大小不均匀性更加显著，远离电离室中心轴线的栅孔会造成工质的额外损耗。