一种径向梯度周期磁场等离子体推进器

技术领域

本发明属于航天推进技术下的电推进领域，具体涉及一种径向梯度周期磁场等离子体推进器。

背景技术

等离子体推进器属于电推进中较常用的一种，等离子体推进器作为航天器的动力装置，通常涉及到电磁场、流体、加速器、等离子体物理、真空等多个学科，是一个复杂的多物理场装置。等离子体推进器的实现过程通常会涉及到气体的电离、离子的加速、离子的中和。

等离子体推进的主要优点就是比冲高，化学反应火箭的比冲一般在400s左右，而等离子体推进通常在1000s以上，有的可以达到10000s或者更高。在等离子体推进领域有多种推进装置，原理和功率范围会有所不同。脉冲等离子体推进器(PPT)使用固体特氟龙作为推进剂，固体工质表面在高压脉冲电弧下形成等离子体并膨胀加速。由于加速主要是靠加热和热膨胀，其比冲较小，为850-1200s，效率低，约10％。离子推进器(GIT)将电离过后的离子通过加速栅极加速后，再进行电子中和，其比冲可以达到3000-10000s，效率较高为65-80％，功率在几千瓦级别，但推力大小受栅极面积的限制，推力密度有限制。霍尔推进器(HIT)在通道内形成了霍尔电流，霍尔电流帮助粒子的电离并加速离子，器比冲为2000-4000s，效率约65％，腔内壁和出口处容易遭受腐蚀。磁动力等离子体推进器(MPD)通过径向电流产生的环向磁场，将电离的离子通过洛伦兹力轴向加速推出，比冲约4000s，效率为20-60％，功率较大，可以达到200kW，但是放电电极腐蚀严重。可变比冲磁等离子体推进器(VASIMR)使用电子回旋共振方法初步电离，然后用离子回旋共振加热离子，然后将磁约束的等离子体沿磁力线喷出，其比冲可达12000s，功率很大能达到1MW级别，但装置非常沉重，且需要核动力。脉冲诱导等离子体推进器(PIT)通过盘状线圈诱导出环向电场并电离气体分子，离子在环向电离和垂直磁场下向后加速喷出，需要几万伏的脉冲电压来完成，比冲在2000-8000s，效率约50％，功率可达200kW，但是不适合真空条件使用且需要高压脉冲。传导磁波等离子体加速器将带有霍尔电流的等离子体团整体加速推出，其比冲为5300-30000s，效率50-90％，功率可达1MW级别，但其技术复杂，需要核动力电源。高效多磁极等离子体推进器(HEMP-T)使用永磁体同极相对串联形成多个磁节，使电子受阻于磁节，磁节处的磁场强度大，减少了离子和电子的碰壁，所以效率高，能达到80％，但是磁节处的磁场垂直于壁面，所以仍然有电子和离子会沿着磁场线碰壁造成腐蚀，由于使用的是永磁体，其功率和推力都很小，很难扩展。

以上多种等离子体推进技术都有各自的使用功率范围，也有各自的难以改变的问题，包括效率低、功率非常小、腔壁腐蚀、技术复杂、需要核动力电源等。一种能兼顾高效率、长寿命、高比冲、低比质量、较高功率的新型电推进器仍然没有最佳的答案。本发明旨在实现这种兼顾高效率、长寿命、高比冲、低比质量、较高功率的综合性能较好的新型等离子体推进器。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种径向梯度周期磁场等离子体推进器，本发明通过背景场线圈和反向场线圈构建出平行于腔壁具有径向梯度同时又有径向分量的磁场位形，这种磁场位形能够减少等离子体的碰壁腐蚀问题，通过线圈电流来构建磁场位形可以避免使用永磁体造成功率范围小的问题，同时这种磁场位形能够诱导出霍尔电流，多级的霍尔电流能够解决多级电离和多级加速的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种径向梯度周期磁场等离子体推进器，包括背景场线圈装置和反向场线圈装置；

所述反向场线圈装置设置在所述背景场线圈装置内部；

所述背景场线圈装置用于产生背景磁场，所述反向场线圈装置用于产生反向磁场，所述背景磁场和反向磁场共同作用在放电腔体内部形成外强内弱的磁场位形；所述磁场位形在所述反向场线圈装置两侧形成的磁场强度具有径向梯度，且磁力线具有径向分量；

所述磁场位形能够产生周向的霍尔电流，在霍尔电流和轴向电场作用下实现电离和离子加速。

优选的，反向场线圈装置采用多个反向场线圈，多个所述反向场线圈沿所述放电腔体轴向间隔设置，即可产生周期性的具有径向梯度和径向分量的磁场位形，能够产生周期性的周向霍尔电流，在周期性霍尔电流和轴向电场作用下实现多级电离和离子加速。

优选的，本发明的背景场线圈装置采用与所述放电腔体同轴布置的多个背景场线圈或螺线管。

优选的，本发明的反向场线圈装置和背景场线圈装置共同作用所构建出来的磁场位形，所述磁场位形中除了进口端腔壁的磁力线外的其他磁力线均接近平行于腔体壁面和线圈表面。

优选的，本发明的放电腔体采用一个圆柱空腔；所述圆柱空腔即为等离子通道；

所述放电腔体壁位于所述背景场线圈装置和所述反射场线圈装置之间。

优选的，本发明的放电腔体采用至少两个圆柱空腔嵌套组成；

至少两个圆柱空腔之间嵌套形成的环形腔体即为等离子通道。

优选的，本发明的推进器还包括霍尔阴极、阳极和工质；

所述霍尔阴极设置在所述放电腔体后端出口处，用于提供电离用的初始电子和中和尾流电子；

所述阳极设置在所述放电腔体前端工质进气口处，用于提供阳极电压并接收电子；

所述工质通过所述工质进气口进入所述放电腔体。

优选的，本发明的工质为惰性气体。

优选的，本发明的推进器还包括支撑结构；

所述放电腔体通过所述支撑结构进行固定。

优选的，本发明的放电腔体后端出口处设置1个所述霍尔阴极或2个以上所述霍尔阴极。

优选的，本发明的放电腔体采用陶瓷、石英玻璃或电绝缘材料。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、现有的磁场位形一般以均匀磁场为主，放电腔内主要区域有磁场线垂直于壁面，或者磁场没有周期性；本发明采用的磁场位形，能够产生具有径向梯度的磁场，磁场强度由外向内减弱；且能够周期性出现径向磁场分量和轴向磁场分量，具有轴向周期性；除了腔体前端，腔内所有磁场都与壁面平行；内梯度和周期磁场可以促进霍尔电流的形成，平行于壁面和线圈表面的磁力线减少了带电粒子的腐蚀。

2、现有的等离子体推进器需要离子源，离子源包括电弧放电、微波加热、离子回旋共振、电子回旋共振等，离子源产生离子体，然后用其他方式再加速。而本发明既可以使用离子源也可以不使用离子源，当不使用离子源时粒子电离靠电子往阳极运动的碰撞，这种碰撞不是直接发生的，而是通过阴极、阳极间的电场和霍尔电流共同作用发生的，其中的霍尔电流是电子在上述磁场位形下形成的。周期性的磁场构建出周期性的霍尔电流，周期性的霍尔电流与阴极、阳极之间的电场共同作用，从而实现了逐级电离的过程。逐级电离的过程可以避免使用离子源，同时极大的减少了霍尔阴极向阳极供应电子的量。

3、本发明通过生成霍尔电流来促进逐级加速；周期性的霍尔电流及电离条件，为多级加速提供了可能，本发明在各霍尔电流间会有逐级加速离子的现象，但主要的加速区域还是集中在腔体出口段，由于霍尔电流的存在，在霍尔电流区会存在较大的电势降，各级电势降都会促进离子的加速。

4、本发明适用范围广，不仅仅局限于航天等离子体推进技术领域，还可以应用于等离子体炬、中性束离子源、离子轰击表面处理等领域。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明第一实施例的结构示意图。

图2为本发明第二实施例的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-背景场线圈装置，2-反向场线圈装置，3-霍尔阴极，4-阳极，5-工质进气口，6-工质，7-电源，8-腔体，9-支撑结构，10-等离子体，11-霍尔电流，12-内腔体，13-外腔体。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种径向梯度周期磁场等离子体推进器，具体如图1所示，本实施例的推进器包括背景场线圈装置1、反向场线圈装置2、霍尔阴极3、阳极4、工质6、腔体8。

其中，背景场线圈装置1提供背景磁场，背景场线圈装置1可以采用但不限于铜线圈、低温超导线圈、高温超导线圈，背景磁场可以通过多个通电线圈产生，也可以通过一个螺线管产生。

反向场线圈装置2提供反向磁场，反向磁场和背景磁场共同作用在腔体内部形成一种外强内弱的内梯度磁场。反向场线圈装置2可以采用但不限于铜线圈、低温超导线圈、高温超导线圈，沿腔体轴向布置1个或多个反向场线圈，且相邻两个反向场线圈之前保持预设间隔，生成多个轴向周期磁场，周期数大于等于1。

1个或多个反向场线圈设置在背景场线圈装置内部，两者之间可以具有径向距离也可以接触设置。且多个反向场线圈同轴设置，但是内径可以相同也可以不同；若采用多个背景场线圈，则多个背景场线圈同轴设置，但内径可以相同也可以不同。

1个或多个反向场线圈设置在腔体8的侧壁内，背景场线圈设置在腔体8的侧壁外。

霍尔阴极3设置在腔体8的末端出口处，可以设置一个霍尔阴极3，也可以设置多个霍尔阴极3，用于提供电离用的初始电子和中和尾流的电子；阳极4设置在腔体8的前端开口(即工质进气口5，本实施例的阳极4和工质进气口5可以分开也可以一体化设置)处，用于提供阳极电压并接收电子，阳极4的材料为金属材料。

工质6通过腔体8的前端设置的工质进气口5进入腔体8内部，用于与腔体内的电子产生碰撞发生电离，工质6一般为惰性气体，例如氦气、氖气、氩气、氪气、氙气等，也可以为其他气体，例如水蒸汽、气体氘、氨气、氮气、二氧化碳、氧化物、甲烷等，也可以为气态金属或液态金属，如锂。

本实施例的阳极4与电源7的阳极连接，霍尔阴极3与电源7的阴极连接，电源7一般为直流电源。

本实施例的腔体8可以为陶瓷、石英玻璃、电绝缘材料等；本实施例的腔体8通过支撑结构9进行固定，支撑结构9一般为金属材料，如不锈钢、铝、合金材料等。

本实施例的推进器工作原理为：

背景场线圈装置通电构建出背景磁场，反向场线圈装置通电构建出反向磁场，背景磁场和反向磁场共同作用在腔体内部形成一种外强内弱的内梯度磁场，并且在反向场线圈两侧形成既有径向梯度又有径向分量的磁场位形，径向梯度磁场有助于电子和离子的约束，使等离子体有径向的磁压，减少电子和离子的损失。通过多个反向磁场线圈与背景场线圈组合实现周期磁场的构建，至此便形成了具有内梯度周期性的磁场位形，这种周期磁场位形存在径向磁场分量，能够限制电子在轴向的运动，使其保持在周期位置，并在径向梯度场的作用下形成霍尔电流(磁场强度与磁力线密集和稀疏程度相关，磁力线越密集，其磁场强度越强，则如图1所示的，靠近腔体壁的磁力线密集，则其磁场强度最强，靠近腔体中心线附近的磁力线最稀疏，则其磁场强度最弱，因此在径向上形成梯度磁场，这种梯度磁场使电子的回旋半径在运动过程中不断变化，靠近外部的小靠近内部的大，最终形成集体的周向运动，从而形成霍尔电流；当采用多个反向场磁场装置时，基于相同的原理即可实现周期性的周向霍尔电流，从而实现多级电离和离子加速)。由于磁力线平行于腔体壁面(进口处壁面除外)和线圈表面，使得沿磁力线运动而轰击壁面的电子和离子减少，减少了壁面侵蚀。在阳极和阴极之间提供电压，阴极电子一部分向上游走，部分电子在周期磁场区域形成霍尔电流，电子与气体碰撞发生电离，电离后产生更多电子，更多生成的电子会在靠近进气口的方向的周期磁场区域进一步形成霍尔电流，如此循环在各个磁场周期区域形成多级电离及环向霍尔电流。阴极的另一部分电子用来中和加速的离子。

实施例2

本实施例与上述实施例的不同之处仅仅在于：本实施例的腔体是由两个或两个以上的圆柱空腔嵌套而成，如图2所示，本实施例的腔体是由内腔体12和外腔体13嵌套组成，等离子体通道不再是一个圆柱体，而是一个环形柱(即由内腔体12和外腔体13嵌套构成的环形空间)，等离子体体积变大。背景场线圈和反向场线圈的轴向截面与上述实施例相同或相似，只是对称轴位置不在等离子体密度中心Y，而是嵌套圆柱体中心线O上；反向场线圈和背景场线圈围绕着嵌套的圆柱腔体壁面设置，在环形腔体内部形成截面与上述实施例相同或相似的周期磁场；在通过轴线的截面内，对比上述实施例的磁场位形对称线在此处近似位于两个圆柱空腔之间的环形通道内。

在另外的优选实施例中，可以采用两个以上圆柱腔体嵌套构成两个及以上的环形腔体及相应的腔内磁场位形。

实施例3

本实施例与上述实施例的不同之处仅仅在于：在腔体8周围或工质进气口5或支撑结构9的位置增加离子源，例如电子共振加热、离子回旋共振加热、微波加热等，以增大功率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。