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CN111706480A - 一种基于电场加速的离子风推力装置 - Google Patents

一种基于电场加速的离子风推力装置 Download PDF

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CN111706480A
CN111706480A CN202010558334.6A CN202010558334A CN111706480A CN 111706480 A CN111706480 A CN 111706480A CN 202010558334 A CN202010558334 A CN 202010558334A CN 111706480 A CN111706480 A CN 111706480A
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CN202010558334.6A
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魏立秋
唐井峰
周德胜
周立伟
于达仁
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Harbin Institute of Technology Shenzhen
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Abstract

本发明涉及一种基于电场加速的离子风推力装置，涉及临近空间电推进领域。该离子风推力装置包括离子风推力器和电场加速子装置；电场加速子装置设置于离子风推力器的放电空间中；离子风推力器产生的第一电场将中性气体分子电离成第一带电粒子，第一带电粒子在第一电场的作用下加速运动，并在运动过程中与中性气体分子碰撞产生第二带电粒子，第一带电粒子和第二带电粒子定向加速运动形成离子风；电场加速子装置产生的加速电场用于调控带电粒子的加速过程。第一带电粒子和第二带电粒子在运动过程中进入加速电场，并受到加速电场的作用，速度进一步发生变化，通过调控加速电场实现对带电粒子的加速与减速控制，改善离子风推力器加速过程。

Description

一种基于电场加速的离子风推力装置
技术领域
本发明涉及临近空间电推进领域，特别是涉及一种基于电场加速的离子风推力装置。
背景技术
离子风推力器具有结构简单、可靠性高和无需自携带推进剂等特点，在临近空间电推进领域具有广泛的应用价值。离子风推力器工作包含粒子的电离过程及加速过程。传统的离子风推力器是一种基于电晕放电的离子风效应，带电粒子在放电空间中电场的作用下加速并与中性粒子碰撞发生能量交换，引起宏观的离子风运动。然而，传统离子风推力器的加速过程与放电过程采用相同的外激励电压，无法对带电粒子的加速过程进行独立控制，限制了离子风推力器性能的提升。因此现有离子风推力器存在无法控制加速过程的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电场加速的离子风推力装置，以解决现有离子风推力器无法控制加速过程的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于电场加速的离子风推力装置，包括：离子风推力器和电场加速子装置；
所述电场加速子装置设置于所述离子风推力器的放电空间中；
所述离子风推力器用于产生第一电场，所述第一电场将所述放电空间的中性气体分子电离成第一带电粒子，所述第一带电粒子在所述第一电场的作用下加速运动，所述第一带电粒子在运动过程中与所述放电空间的中性气体分子发生碰撞，使中性气体分子变为第二带电粒子，所述第一带电粒子和所述第二带电粒子定向加速运动，形成离子风；
所述电场加速子装置用于产生加速电场，所述加速电场用于调控所述第一带电粒子和所述第二带电粒子的加速过程。
可选的，所述离子风推力器，具体包括：电离子装置和电离电源；
所述电离子装置的正极与所述电离电源连接；所述电离子装置的负极接地；所述正极与所述负极之间的空间为所述放电空间；
所述电离子装置用于通电产生第一电场，所述第一电场将所述放电空间的中性气体分子电离成第一带电粒子，所述第一带电粒子在所述第一电场的作用下加速运动，所述第一带电粒子在运动过程中与所述放电空间的中性气体分子发生碰撞，使中性气体分子变为第二带电粒子，所述第一带电粒子和所述第二带电粒子定向加速运动，形成离子风。
可选的，所述电离子装置包括电离电极和集电极；
所述电离电极与所述集电极之间的间距为第一预设间距；
所述电离电极与所述电离电源连接；
所述集电极接地。
可选的，所述电场加速子装置，具体包括：第一电极、第二电极和加速电源；
所述第一电极和所述第二电极沿气体流动方向前后设置，且位于所述放电空间中；
所述第一电极和所述第二电极之间的间距为第二预设间距；所述第一电极与所述第二电极组合产生一级加速电场；
所述第一电极与所述加速电源连接；
所述第二电极接地。
可选的，所述电场加速子装置，具体包括：加速电源、多个第一电极和多个第二电极；所述第二电极的数量与所述第一电极的数量相同；
多个所述第一电极与多个所述第二电极沿气体流动方向交错设置，且位于所述放电空间中；
沿气体流动方向，所述第一电极和所述第二电极之间的间距为第二预设间距；一个所述第一电极与一个所述第二电极组合产生一级加速电场，多个所述第一电极与多个所述第二电极产生多级加速电场；
所述第一电极与所述加速电源连接；
所述第二电极接地。
可选的，所述离子风推力装置还包括：第一电流互感器和第二电流互感器；
所述第一电流互感器设置于所述电离电极与所述电离电源之间；
所述第二电流互感器设置于所述集电极与地之间；
所述第一电流互感器和所述第二电流互感器用于测量所述离子风推力器的电流。
可选的，所述离子风推力装置还包括：示波器；
所述示波器的高压探头用于测量所述电离电极的电压；
所述示波器分别与所述第一电流互感器和所述第二电流互感器连接；
所述示波器用于显示所述第一电流互感器和所述第二电流互感器测量的电流，以及所述高压探头测量的电压。
可选的，所述加速电源为直流电源、交流电源、脉冲电源中的一种或几种组合。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种基于电场加速的离子风推力装置。该离子风推力装置包括：离子风推力器和电场加速子装置；电场加速子装置设置于离子风推力器的放电空间中；离子风推力器用于产生第一电场，第一电场将放电空间的中性气体分子电离成第一带电粒子，第一带电粒子在第一电场的作用下加速运动，第一带电粒子在运动过程中与放电空间的中性气体分子发生碰撞，使中性气体分子变为第二带电粒子，第一带电粒子和第二带电粒子定向加速运动，形成离子风；电场加速子装置用于产生加速电场，加速电场用于调控第一带电粒子和第二带电粒子的加速过程。离子风推力器中的中性气体分子在离子风推力器的第一电场作用下电离成第一带电粒子，第一带电粒子与中性气体分子碰撞，使中性气体分子变为第二带电粒子，第一带电粒子和第二带电粒子定向加速运动，形成离子风；第一带电粒子和第二带电粒子在运动过程中进入电场加速子装置产生的加速电场，并受到加速电场的作用，第一带电粒子和第二带电粒子的速度进一步发生变化，通过调控加速电场实现对带电粒子的加速与减速控制，改善离子风推力器加速过程，提高离子风推力器的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的离子风推力装置的结构示意图；
图2为传统的离子风推力器的结构示意图。
符号说明：1、电离电源；2、电离电极；3、第一电极；31、第二电极；4、集电极；5、加速电源；6、第一电流互感器；61、第二电流互感器；7、风速仪；8、高压探头；9、示波器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于电场加速的离子风推力装置，以解决现有离子风推力器无法控制加速过程的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供一种基于电场加速的离子风推力装置，图1为本发明实施例所提供的离子风推力装置的结构示意图，参见图1，离子风推力装置包括：离子风推力器和电场加速子装置。
电场加速子装置设置于离子风推力器的放电空间中。
离子风推力器用于产生第一电场，第一电场将放电空间的中性气体分子电离成第一带电粒子，第一带电粒子在第一电场的作用下加速运动，第一带电粒子在运动过程中与放电空间的中性气体分子发生碰撞，使中性气体分子变为第二带电粒子，第一带电粒子和第二带电粒子定向加速运动，形成离子风。带电粒子包括第一带电粒子和第二带电粒子，第一带电粒子和第二带电粒子均包括电子和离子。
离子风推力器，具体包括：电离子装置和电离电源1。
电离子装置的正极与电离电源1连接；电离子装置的负极接地。正极与负极之间的空间为放电空间。
电离子装置用于通电产生第一电场，第一电场将放电空间的中性气体分子电离成第一带电粒子，第一带电粒子在第一电场的作用下加速运动，第一带电粒子在运动过程中与放电空间的中性气体分子发生碰撞，使中性气体分子变为第二带电粒子，第一带电粒子和第二带电粒子定向加速运动，形成离子风。
电离子装置包括电离电极2和集电极4。电离电极采用电离针电极。
电离电极2与集电极4之间的间距为第一预设间距。
电离电极2与电离电源1连接。电离电源的输出电压为高电压。
集电极4接地。将电离子装置的两级之间设置一定的间距，使得气体在电离子装置的两级之间进行电离；电离子装置的两级分别为电离电极和集电极。
电离电源可以采用多种电源及相应的组合形式，电离电源采用直流电源、交流电源或脉冲电源中的一种或几种组合。电离电源可以采用高压电源。电离电源1的负极接地。
电离子装置的两级之间的放电空间中的中性气体分子在外加电场的作用下发生电离，电离产生的第一带电粒子与中性气体分子发生碰撞，使中性气体分子变为第二带电粒子，第一带电粒子和第二带电粒子在外加电场的作用下朝向集电极运动。外加电场指电离子装置通电产生的第一电场。
电场加速子装置用于产生加速电场，加速电场用于调控第一带电粒子和第二带电粒子的加速过程。加速电场级别在百伏/厘米到几十千伏/厘米。
电场加速子装置，具体包括：加速电极和加速电源5。加速电极包括第一电极3和第二电极31，第一电极3和第二电极31均采用环形电极。
第一电极3和第二电极31沿气体流动方向前后设置，且位于放电空间中。第一电极3所在的平面与集电极4所在的平面平行，第二电极31所在的平面与集电极4所在的平面平行。
第一电极3和第二电极31之间的间距为第二预设间距；第一电极3与第二电极31组合产生一级加速电场。
第一电极3与加速电源5连接。第一电极3与加速电源5的电压输出端连接。
第二电极31接地。
加速电源为直流电源、交流电源或脉冲电源中的一种或几种组合。
第一电极3的数量可以为多个，第二电极31的数量与第一电极3的数量相同。
多个第一电极3与多个第二电极31沿气体流动方向交错设置，且位于放电空间中；多个第一电极3与多个第二电极31一一对应产生多级加速电场。加速电场可以只设置一个一级加速电场，也可以设置多个一级加速电场形成多级加速电场；每个一级加速电场的电场强度通过供给的高压以及第一电极与第二电极之间的距离确定。
本实施例中加速电极的数量为4个，接高压的第一电极3数量为两个，接地的第二电极31为两个。参见图1，从电离电极2至集电极4之间的加速电极依次为第一个第一电极3、第一个第二电极31、第二个第一电极3和第二个第二电极31，第一个第一电极3和第一个第二电极31之间能够形成一级加速电场，第二个第一电极3和第二个第二电极31之间能够形成一级加速电场，图1中包括两个一级加速电场，形成两级加速电场。
离子风推力装置还包括：测量子装置。测量子装置用来测试离子风推力器的性能。
测量子装置包括：第一电流互感器6、第二电流互感器61、示波器9和风速仪7。
第一电流互感器6设置于电离电极2与电离电源1之间，具体设置于电离电极2与电离电源1的连接线上。
第二电流互感器61设置于集电极4与地之间，具体设置于集电极4与地的连接线上。
第一电流互感器和第二电流互感器用于测量离子风推力器的电流。
示波器9的高压探头8用于测量电离电极的电压。高压探头用来测试电离电极上外加的电离电压。
示波器9分别与第一电流互感器6和第二电流互感器61连接。
示波器用于显示第一电流互感器和第二电流互感器测量的电流，以及高压探头测量的电压。
风速仪用来测量穿过集电极的宏观离子风速度。
本实施例离子风推力装置的原理为：电离电源将高压施加于电离电极，并在放电空间的电离电极与集电极之间形成带电粒子，当带电粒子到达第一电极和第二电极所形成的加速电场区域时，带电粒子受到加速电场的电场力F＝E*Q的作用，运动状态发生变化沿着加速电场方向加速运动，通过调控加速电场强度，可以控制电场力F的大小，能够对带电粒子运动的加速过程强度进行控制，可以实现对加速过程的控制，其中E表示加速电场场强，Q为带电粒子的电荷量；由于电场是有方向性的，所以通过调控加速电源的极性(如加速过程加速电源供电是正电压，减速过程加速电源供电是负电压)，可以产生与带电粒子加速方向相反的电场力，实现对带电粒子的减速，通过调控加速电场方向能够实现对带电粒子的加速与减速。因此可以通过调控加速电场方向及强度，实现对带电粒子加速过程和减速过程的控制，达到调控带电粒子运动效果的目的，带电粒子与中性气体分子发生碰撞进行能量传递，最终形成离子风效应。
本发明的离子风推力装置的加速区采用多级加速电场结构；加速电场沿气体流动方向前后布置，且加速电极的位置和间距可调；加速过程的调控可以采用多种加速电源及相应的组合形式，有效解决了传统离子风推力器对于带电粒子加速过程的限制性，改善离子风推力器的加速过程，进一步提高离子风推力器的性能。
图2为传统的离子风推力器的结构示意图。参见图2，传统的离子风推力器的整体结构包含放电装置和测量装置，放电装置包括电离电源1、电离电极2和集电极4；测量装置包括示波器9、第一电流互感器6、第二电流互感器61和风速仪7。
电离电极2与集电极4对应设置，且电离电极2与集电极4之间的间距为第一预设间距。电离电极2与电离电源1连接。集电极4接地。
电离电源1的负极接地。
第一电流互感器6设置于电离电极2与电离电源1之间，具体设置于电离电极2与电离电源1的连接线上；第二电流互感器61设置于集电极4与地之间，具体设置于集电极4与地的连接线上；第一电流互感器和第二电流互感器用于测量离子风推力器的电流信号。
示波器9的高压探头8用于测量电离电极的电压信号。
示波器9分别与第一电流互感器6和第二电流互感器61连接。示波器用于显示第一电流互感器和第二电流互感器测量的电流信号，以及高压探头测量的电压信号。
风速仪用来测量穿过集电极的宏观离子风速度。
传统的离子风推力器在电离电极与集电极之间施加电压，离子风推力器在高压电源的作用下，放电空间中的介质气体被电离得到电子，电子受激发、碰撞与中性气体分子相结合形成离子，进而得到大量第一带电粒子，第一带电粒子在外加电场的作用下朝向集电极运动，在运动过程中与中性气体分子碰撞产生第二带电粒子，第一带电粒子和第二带电粒子定向加速运动，形成宏观的离子风效应；然而，放电空间中粒子的加速运动过程受限于电晕放电原理，导致传统的离子风推力器无法独立控制粒子的加速过程，限制了离子风推力器性能的优化。
因此本发明提出一种多级电场调控加速过程的离子风推力装置，在电离电源输出的高电压的作用下，放电空间中产生带电粒子，带电粒子在电场的作用下朝向集电极运动；在运动过程中，带电粒子经过加速区的加速电场，受到加速电场的作用，带电粒子的速度进一步发生变化；利用多级电场结构控制带电粒子的加速过程，通过调控加速电场强度及加速电场方向控制带电粒子的运动过程，增强对带电粒子加速过程的调控能力，控制带电粒子的运动过程，实现离子风推力器性能的提升，达到改善离子风推力器性能的目的。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于电场加速的离子风推力装置，其特征在于，包括：离子风推力器和电场加速子装置；
所述电场加速子装置设置于所述离子风推力器的放电空间中；
所述离子风推力器用于产生第一电场，所述第一电场将所述放电空间的中性气体分子电离成第一带电粒子，所述第一带电粒子在所述第一电场的作用下加速运动，所述第一带电粒子在运动过程中与所述放电空间的中性气体分子发生碰撞，使中性气体分子变为第二带电粒子，所述第一带电粒子和所述第二带电粒子定向加速运动，形成离子风；
所述电场加速子装置用于产生加速电场，所述加速电场用于调控所述第一带电粒子和所述第二带电粒子的加速过程。
2.根据权利要求1所述的基于电场加速的离子风推力装置，其特征在于，所述离子风推力器，具体包括：电离子装置和电离电源；
所述电离子装置的正极与所述电离电源连接；所述电离子装置的负极接地；所述正极与所述负极之间的空间为所述放电空间；
所述电离子装置用于通电产生第一电场，所述第一电场将所述放电空间的中性气体分子电离成第一带电粒子，所述第一带电粒子在所述第一电场的作用下加速运动，所述第一带电粒子在运动过程中与所述放电空间的中性气体分子发生碰撞，使中性气体分子变为第二带电粒子，所述第一带电粒子和所述第二带电粒子定向加速运动，形成离子风。
3.根据权利要求2所述的基于电场加速的离子风推力装置，其特征在于，所述电离子装置包括电离电极和集电极；
所述电离电极与所述集电极之间的间距为第一预设间距；
所述电离电极与所述电离电源连接；
所述集电极接地。
4.根据权利要求2所述的基于电场加速的离子风推力装置，其特征在于，所述电场加速子装置，具体包括：第一电极、第二电极和加速电源；
所述第一电极和所述第二电极沿气体流动方向前后设置，且位于所述放电空间中；
所述第一电极和所述第二电极之间的间距为第二预设间距；所述第一电极与所述第二电极组合产生一级加速电场；
所述第一电极与所述加速电源连接；
所述第二电极接地。
5.根据权利要求2所述的基于电场加速的离子风推力装置，其特征在于，所述电场加速子装置，具体包括：加速电源、多个第一电极和多个第二电极；所述第二电极的数量与所述第一电极的数量相同；
多个所述第一电极与多个所述第二电极沿气体流动方向交错设置，且位于所述放电空间中；
沿气体流动方向，所述第一电极和所述第二电极之间的间距为第二预设间距；一个所述第一电极与一个所述第二电极组合产生一级加速电场，多个所述第一电极与多个所述第二电极产生多级加速电场；
所述第一电极与所述加速电源连接；
所述第二电极接地。
6.根据权利要求3所述的基于电场加速的离子风推力装置，其特征在于，所述离子风推力装置还包括：第一电流互感器和第二电流互感器；
所述第一电流互感器设置于所述电离电极与所述电离电源之间；
所述第二电流互感器设置于所述集电极与地之间；
所述第一电流互感器和所述第二电流互感器用于测量所述离子风推力器的电流。
7.根据权利要求6所述的基于电场加速的离子风推力装置，其特征在于，所述离子风推力装置还包括：示波器；
所述示波器的高压探头用于测量所述电离电极的电压；
所述示波器分别与所述第一电流互感器和所述第二电流互感器连接；
所述示波器用于显示所述第一电流互感器和所述第二电流互感器测量的电流，以及所述高压探头测量的电压。
8.根据权利要求4所述的基于电场加速的离子风推力装置，其特征在于，所述加速电源为直流电源、交流电源、脉冲电源中的一种或几种组合。
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