本發(fā)明涉及空間探測領(lǐng)域，特別地，涉及一種用于空間探測的螺旋波等離子體感應(yīng)式推力器。

背景技術(shù)：
電推進(jìn)在空間探測中具有廣闊應(yīng)用前景，與傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)相比，其具有高比沖、長壽命、精確推力控制等特點。電推力器按推力形成方式的不同可以分為電熱式推力器、靜電式推力器以及電磁式推力器等，目前經(jīng)過在軌運行的主要是靜電式推力器，但電磁式推力器由于不受空間朗繆爾電荷效應(yīng)限制而具有較高能量密度，成為非常具有潛力的新型推進(jìn)方式。離子推力器是一種較為成熟的靜電式推力器，它利用空心陰極發(fā)射熱電子使工質(zhì)氣體電離，再通過柵格電場使離子加速噴出形成推力。在離子推力器工作過程中不可避免地存在電極腐蝕，電極的壽命制約了推力器壽命，在深空探測等長壽命任務(wù)中的應(yīng)用受到制約。另一方面，粒子通過靜電場加速，推力器的能量密度較低。另一種感應(yīng)式脈沖等離子體推力器(InductivePulsedPlasmaThruster，IPPT，或者在較早期的資料中稱為PulsedInductiveThruster，PIT)屬于高功率高效率的電磁式推力器，它是一種電離-加速一體式的結(jié)構(gòu)：通過平板式感應(yīng)線圈使氣體電離，利用感應(yīng)線圈在等離子中誘導(dǎo)電流所受到的洛倫茲力對等離子體進(jìn)行加速，具有高比沖、高效率的優(yōu)點。但是IPPT所需電功率為數(shù)十kW量級，其應(yīng)用受到現(xiàn)階段星載電源功率水平的制約；同時，IPPT的結(jié)構(gòu)中需要較大規(guī)模的高壓電容組(數(shù)十kV)，很難實現(xiàn)小型化、輕量化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供了一種螺旋波等離子體感應(yīng)式推力器，以解決現(xiàn)有的離子推力器由于存在電極腐蝕導(dǎo)致的工作壽命受限和IPPT所需電功率高，導(dǎo)致現(xiàn)有的星載電源功率無法匹配及其結(jié)構(gòu)難以小型化、輕量化的技術(shù)問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種螺旋波等離子體感應(yīng)式推力器，包括用于在其內(nèi)腔形成螺旋波等離子體的放電腔，放電腔的外部依次設(shè)置用于在放電腔內(nèi)形成軸向磁場的第一磁體、用于在放電腔內(nèi)形成徑向磁場的第二磁體；放電腔的外壁沿軸向依次設(shè)置用于將導(dǎo)入的工質(zhì)氣體在軸向磁場中電離生成螺旋波等離子體的螺旋波放電天線、用于將螺旋波等離子體在徑向磁場中加速推出的感應(yīng)加速線圈；螺旋波等離子體感應(yīng)式推力器還包括：螺旋波放電電路，與螺旋波放電天線連接且為其提供工作電源；脈沖感應(yīng)放電電路，與感應(yīng)加速線圈連接且為其提供脈沖放電電壓以驅(qū)動螺旋波等離子體加速推出；時序控制電路，連接螺旋波放電電路及脈沖感應(yīng)放電電路，以觸發(fā)螺旋波放電電路及脈沖感應(yīng)放電電路的工作時序。進(jìn)一步地，螺旋波放電電路包括射頻功率電源及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，射頻功率電源經(jīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接螺旋波放電天線，其中，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)用于使射頻功率電源的輸出阻抗與螺旋波放電天線的負(fù)載阻抗匹配。進(jìn)一步地，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括連接于射頻功率電源兩端的第一可變電容、連接于螺旋波放電天線兩端的第二可變電容及設(shè)于第一可變電容與第二可變電容之間的定值電感。進(jìn)一步地，脈沖感應(yīng)放電電路包括：直流電源，直流電源的正極依次經(jīng)第一固態(tài)開關(guān)、第二固態(tài)開關(guān)、感應(yīng)加速線圈連接至直流電源的負(fù)極，第一固態(tài)開關(guān)與第二固態(tài)開關(guān)的連接處和直流電源的負(fù)極之間設(shè)置電容，電容與感應(yīng)加速線圈并聯(lián)以對感應(yīng)加速線圈進(jìn)行放電控制。進(jìn)一步地，時序控制電路包括：邏輯控制電路，用于生成時序控制信號；信號發(fā)生器，連接邏輯控制電路，用于根據(jù)時序控制信號生成高低電平的時序信號；射頻電源觸發(fā)電路，連接信號發(fā)生器及螺旋波放電電路，用于接收時序信號以觸發(fā)螺旋波放電電路為螺旋波放電天線提供工作電源；脈沖感應(yīng)觸發(fā)電路，連接信號發(fā)生器及脈沖感應(yīng)放電電路，用于接收時序信號以觸發(fā)脈沖感應(yīng)放電電路為感應(yīng)加速線圈提供脈沖放電電壓。進(jìn)一步地，第一磁體及第二磁體均為永磁體，采用N35EH釹鐵硼燒結(jié)成型，剩余磁通密度不小于1.2T，耐受溫度不低于200℃。進(jìn)一步地，第一磁體及第二磁體的內(nèi)表面均經(jīng)絕熱材料包覆。進(jìn)一步地，放電腔采用石英熔融成型，且放電腔在螺旋波放電天線與感應(yīng)加速線圈之間的區(qū)域設(shè)置為擴(kuò)張型面，其擴(kuò)張線型與內(nèi)部對應(yīng)的磁力線線型一致。進(jìn)一步地，放電腔的入口處設(shè)有用于注入工質(zhì)氣體的法蘭輸入結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，螺旋波放電天線采用雙臂半波長螺旋形天線。本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明螺旋波等離子體感應(yīng)式推力器，利用感應(yīng)式電離生成螺旋波等離子體，在通過感應(yīng)加速線圈放電驅(qū)動螺旋波等離子體在徑向磁場中加速推出，與離子推力器相比，本發(fā)明方案具有無電極腐蝕、電離密度大、使用壽命長的優(yōu)點，且相對于IPPT，本發(fā)明通過電離級與加速級的高效解耦，實現(xiàn)了電離與加速級的高效分離，加速級的電容所需電壓下降，系統(tǒng)尺寸及重量得到極大的縮減，利于推力器的小型化、輕量化及固態(tài)化，本發(fā)明的推力器的功率約為KW級，滿足現(xiàn)階段星載電源功率系統(tǒng)所提供的功率水平，且同時具備高達(dá)數(shù)千秒的工作比沖，在空間推進(jìn)尤其是深空探測中具有廣泛應(yīng)用前景。除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。附圖說明構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例螺旋波等離子體感應(yīng)式推力器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例中螺旋波放電電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例中脈沖感應(yīng)放電電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明優(yōu)選實施例中時序控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說明：1、放電腔；2、第一磁體；3、第二磁體；4、螺旋波放電天線；5、感應(yīng)加速線圈；6、螺旋波放電電路；61、射頻功率電源；62、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；621、第一可變電容；622、第二可變電容；623、定值電感；7、脈沖感應(yīng)放電電路；71、直流電源；72、第一固態(tài)開關(guān)；73、第二固態(tài)開關(guān)；74、電容；75、第一固態(tài)開關(guān)光敏驅(qū)動電路；76、第二固態(tài)開關(guān)光敏驅(qū)動電路；77、續(xù)流二極管；8、時序控制電路；81、邏輯控制電路；82、信號發(fā)生器；83、射頻電源觸發(fā)電路；84、脈沖感應(yīng)觸發(fā)電路；85、第一發(fā)光二極管；86、第二發(fā)光二極管；9、法蘭輸入結(jié)構(gòu)。具體實施方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。參照圖1，本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了一種螺旋波等離子體感應(yīng)式推力器，包括用于在其內(nèi)腔形成螺旋波等離子體的放電腔1，放電腔1的外部依次設(shè)置用于在放電腔1內(nèi)形成軸向磁場的第一磁體2、用于在放電腔1內(nèi)形成徑向磁場的第二磁體3；放電腔1的外壁沿軸向依次設(shè)置用于將導(dǎo)入的工質(zhì)氣體在軸向磁場中電離生成螺旋波等離子體的螺旋波放電天線4、用于將螺旋波等離子體在徑向磁場中加速推出的感應(yīng)加速線圈5；本實施例螺旋波等離子體感應(yīng)式推力器還包括：螺旋波放電電路6，與螺旋波放電天線4連接且為其提供工作電源，激勵螺旋波放電天線4發(fā)射電磁波使工質(zhì)氣體電離為高密度等離子體；脈沖感應(yīng)放電電路7，與感應(yīng)加速線圈5連接且為其提供脈沖放電電壓以驅(qū)動螺旋波等離子體加速推出；時序控制電路8，連接螺旋波放電電路6及脈沖感應(yīng)放電電路7，以觸發(fā)螺旋波放電電路6及脈沖感應(yīng)放電電路7的工作時序。本實施例螺旋波等離子體感應(yīng)式推力器，螺旋波放電天線4使工質(zhì)氣體電離為高密度螺旋波等離子體，再通過感應(yīng)加速線圈5放電驅(qū)動螺旋波等離子體在徑向磁場中加速推出，與離子推力器相比，本發(fā)明方案具有無電極腐蝕、電離密度大、使用壽命長的優(yōu)點，且相對于IPPT，本發(fā)明通過電離級與加速級的高效解耦，實現(xiàn)了電離與加速級的高效分離，加速級的電容所需電壓下降，系統(tǒng)尺寸及重量得到極大的縮減，利于推力器的小型化、輕量化及固態(tài)化，本發(fā)明的推力器的功率約為KW級，滿足現(xiàn)階段星載電源功率系統(tǒng)所提供的功率水平，在空間推進(jìn)尤其是深空探測中具有廣泛應(yīng)用前景。優(yōu)選地，本實施例螺旋波放電天線4采用m＝+1模射頻天線，使得工質(zhì)氣體在軸向磁場內(nèi)電離生成螺旋波等離子體，且由于電子在強(qiáng)磁場中繞磁力線作半徑很小的回旋運動，因此，在第一磁體2的下游出口處，電子隨著擴(kuò)張的磁力線快速膨脹，等離子體電勢也隨之迅速下降，離子在等離子體電勢差的作用下獲得初步的加速運動；等離子體進(jìn)入感應(yīng)加速區(qū)域后，脈沖感應(yīng)放電電路7進(jìn)入放電模式，以在感應(yīng)加速線圈5中快速導(dǎo)通形成切向的電流，等離子體中感應(yīng)生成方向相反的環(huán)形誘導(dǎo)電流，由于誘導(dǎo)電流方向與第二磁體3產(chǎn)生的徑向磁場方向垂直，等離子體受到感應(yīng)加速區(qū)域的推力被進(jìn)一步加速推出。更優(yōu)選地，螺旋波放電天線4采用如圖1所示的雙臂半波長螺旋形天線，以獲得較高等離子體密度。優(yōu)選地，第一磁體2及第二磁體3均采為永磁體，采用N35EH釹鐵硼燒結(jié)成型，剩余磁通密度不小于1.2T，耐受溫度不低于200℃。其中，第一磁體2一方面提供軸向螺旋波電離的軸向磁場，另一方面提供等離子體初步加速的發(fā)散磁場；第一磁體2采用軸向充磁。第二磁體3提供等離子體加速所需的徑向磁場，且采用輻射方向充磁。由于螺旋波放電天線4和感應(yīng)加速線圈5在工作時都會產(chǎn)生熱量，為了避免磁場收到干擾，優(yōu)選地，第一磁體2及第二磁體3的內(nèi)表面均經(jīng)絕熱材料包覆。本實施例中，放電腔1采用石英熔融成型，且放電腔1在螺旋波放電天線4與感應(yīng)加速線圈5之間的區(qū)域設(shè)置為擴(kuò)張型面，其擴(kuò)張線型與內(nèi)部對應(yīng)的磁力線線型一致。由于等離子體在螺旋波放電天線4和感應(yīng)加速線圈5之間會得到初步加速，采用該結(jié)構(gòu)的放電腔1可以保證最佳的加速效果。本實施例中，放電腔1的入口處設(shè)有用于注入工質(zhì)氣體的法蘭輸入結(jié)構(gòu)9，以方便將工質(zhì)氣體導(dǎo)入放電腔1內(nèi)。參照圖2，本實施例螺旋波放電電路6包括射頻功率電源61及阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)62，射頻功率電源61經(jīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)62連接螺旋波放電天線4，其中，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)62用于使射頻功率電源61的輸出阻抗與螺旋波放電天線4的負(fù)載阻抗匹配，以保護(hù)射頻功率電源61并使輸出功率最大化。優(yōu)選地，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)62采用“π”形匹配網(wǎng)絡(luò)，參照圖2，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)62包括連接于射頻功率電源61兩端的第一可變電容621、連接于螺旋波放電天線4兩端的第二可變電容622及設(shè)于第一可變電容621與第二可變電容622之間的定值電感623。該“π”形匹配網(wǎng)絡(luò)對強(qiáng)感性負(fù)載具有較為理想的匹配能力。參照圖3，本實施例脈沖感應(yīng)放電電路7包括：直流電源71，直流電源71的正極依次經(jīng)第一固態(tài)開關(guān)72、第二固態(tài)開關(guān)73、感應(yīng)加速線圈5連接至直流電源71的負(fù)極，第一固態(tài)開關(guān)72與第二固態(tài)開關(guān)73的連接處和直流電源71的負(fù)極之間設(shè)置電容74，電容74與感應(yīng)加速線圈5并聯(lián)以對感應(yīng)加速線圈5進(jìn)行放電控制，感應(yīng)加速線圈5兩端并聯(lián)續(xù)流二極管77，防止感性的放電線圈在放電周期內(nèi)電流反向。其中，第一固態(tài)開關(guān)72通過第一固態(tài)開關(guān)光敏驅(qū)動電路75控制開斷，第二固態(tài)開關(guān)73通過第二固態(tài)開關(guān)光敏驅(qū)動電路76控制開斷。優(yōu)選地，第一固態(tài)開關(guān)72和第二固態(tài)開關(guān)73可采用靜電感應(yīng)晶閘管(StaticInductionThyristor，SITH)，由于在IPPT的脈沖放電周期中電壓、峰值電流和電流變化率過大，其電路控制不得已采用氣態(tài)球隙開關(guān)；而本發(fā)明技術(shù)的條件下的放電參數(shù)相對較低，可采用高功率的全控固態(tài)開關(guān)進(jìn)行電路控制，因而具有穩(wěn)定性更高、壽命更長、響應(yīng)更加快速的特點。當(dāng)?shù)谝还虘B(tài)開關(guān)72導(dǎo)通、第二固態(tài)開關(guān)73斷開時，電路處于充電模式，直流電源71對電容74進(jìn)行充電；當(dāng)?shù)谝还虘B(tài)開關(guān)72斷開、第二固態(tài)開關(guān)73導(dǎo)通時，電路處于放電模式，電容74對感應(yīng)加速線圈5進(jìn)行快速放電，在等離子體中形成誘導(dǎo)電流，使得等離子體加速噴出。參照圖4，本實施例時序控制電路8包括：邏輯控制電路81，用于生成時序控制信號；信號發(fā)生器82，連接邏輯控制電路81，用于根據(jù)時序控制信號生成高低電平的時序信號；射頻電源觸發(fā)電路83，連接信號發(fā)生器82及螺旋波放電電路6，用于接收時序信號以觸發(fā)螺旋波放電電路6為螺旋波放電天線4提供工作電源，以激勵螺旋波放電天線4發(fā)射電磁波使工質(zhì)氣體電離為高密度等離子體；脈沖感應(yīng)觸發(fā)電路84，連接信號發(fā)生器82及脈沖感應(yīng)放電電路7，用于接收時序信號以觸發(fā)脈沖感應(yīng)放電電路7為感應(yīng)加速線圈5提供脈沖放電電壓。具體地，脈沖感應(yīng)觸發(fā)電路84包括第一發(fā)光二極管85、第二發(fā)光二極管86，其中，第一發(fā)光二極管85與第一固態(tài)開關(guān)光敏驅(qū)動電路75相互耦合，第二發(fā)光二極管86與第二固態(tài)開關(guān)光敏驅(qū)動電路76相互耦合，通過控制發(fā)光二極管的亮滅來觸發(fā)脈沖感應(yīng)放電電路7為感應(yīng)加速線圈5提供脈沖放電電壓。本實施例中，邏輯控制電路81采用可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController，PLC)實現(xiàn)。T1時刻：PLC發(fā)出觸發(fā)信號，信號發(fā)生器82向射頻電源觸發(fā)電路83輸送高電平，觸發(fā)射頻電源輸出功率，氣體被電離形成高密度螺旋波等離子體；向脈沖感應(yīng)觸發(fā)電路84輸送低電平，第一發(fā)光二極管85亮，第一固態(tài)開關(guān)72導(dǎo)通，第二發(fā)光二極管86滅，第二固態(tài)開關(guān)73斷開，脈沖感應(yīng)放電電路7進(jìn)入充電模式。T2時刻：PLC發(fā)出觸發(fā)信號，信號發(fā)生器82向射頻電源觸發(fā)電路83輸送低電平，射頻電源停止輸出功率；向脈沖感應(yīng)觸發(fā)電路84輸送高電平，此時等離子體通過初步加速后剛好到達(dá)感應(yīng)加速線圈5的區(qū)域，第一發(fā)光二極管85滅，第一固態(tài)開關(guān)72斷開，第二發(fā)光二極管86亮，第二固態(tài)開關(guān)73導(dǎo)通，脈沖感應(yīng)放電電路7進(jìn)入放電模式，等離子體受到進(jìn)一步加速噴出。PLC的實際工作狀態(tài)從T1到T2時刻循環(huán)，等離子體在推力器中被以脈沖的形式經(jīng)過兩級加速噴出形成推力。從以上的描述可以得知，本實施例螺旋波放電天線4使工質(zhì)氣體電離為高密度螺旋波等離子體，再通過感應(yīng)加速線圈5放電驅(qū)動螺旋波等離子體在徑向磁場中加速推出，與離子推力器相比，本發(fā)明方案具有無電極腐蝕、電離密度大、使用壽命長的優(yōu)點，且相對于IPPT，本發(fā)明通過電離級與加速級的高效解耦，實現(xiàn)了電離與加速級的高效分離，加速級的電容所需電壓下降，系統(tǒng)尺寸及重量得到極大的縮減，利于推力器的小型化、輕量化及固態(tài)化，本發(fā)明的推力器的功率約為KW級，滿足現(xiàn)階段星載電源功率系統(tǒng)所提供的功率水平，在空間推進(jìn)尤其是深空探測中具有廣泛應(yīng)用前景。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。