一种具有气路绝缘性能的电推力器气体分配器

本发明属于空间电推进，尤其是涉及一种具有气路绝缘性能的电推力器气体分配器。

背景技术：

1、射频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、结构简单、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。

2、传统的射频离子推力器工作时，需要在栅极上施加一个稳定的加速电压，持续地引出带正电的离子，在空间中形成带正电的束流。为了实现束流的中和，常用的解决方案是在推力器外部安装阴极发射电子以提供中和所需的负电荷。使用中和器进行中和，需要在航天器上设计安装与之匹配的电源、线路、气路等，增加了航天器的复杂程度，降低了可靠性，也不利于开发小尺寸的推进系统。中和器还会带来航天器充电、通信功能受到干扰等问题。中和器作为推力器中寿命最短的组件，制约了推力器的工作寿命和可靠性。为了避免上述问题，近年来出现了无需中和器即可实现束流中和效果的自中和射频离子推力器。

3、自中和射频离子推力器采用屏栅、加速栅双栅极结构。工作时，屏栅通过隔直电容连接射频电压源，加速栅接地，产生等离子体后，由于容性不对称耦合放电效应，屏栅上回自洽地产生一个直流电压分量，即为射频自偏压。离子受到自偏压的作用被加速引出，离子受到的加速作用主要与射频自偏压有关，射频自偏压越高，离子加速效果越好，推力器性能越高。电子则受到周期性变化的电场的作用，周期性地脉冲式引出，等量的电子与离子从电离室内引出并在束流区域实现中和。这种工作方式也被称作射频离子推力器自中和引出。

4、要实现推力器的自中和引出，栅极和线圈需要同时施加射频信号。大量的研究证实，要想实现较高的射频自偏压以提高离子加速效果，增大栅极射频功率是较为直接的办法，这就要求栅极功率处于较高的水平。在加在线圈上的电离功率不超过150w的小型自中和射频离子推力器中，具有良好加速效果的栅极功率可以达到200w以上。而在推力器总功率较大时，推力器供气管路内有较大可能会发生电离。这种非预期的电离会导致推力器功率损耗，导致推力器处于不可控的工作状态。同时，电离时间较长时，还会导致推力器供气管路的烧蚀，降低推力器工作的可靠性，缩短推力器寿命。同时，目前应用在小型自中和射频离子推力器中的气体分配器多采用轴向开有均匀分布通气孔的构型，尽管可以通过调整孔的分布和直径来改善工质气体进入电离室的均匀性，但这种分立式的进气结构必然会造成靠近进气位置的中性气体分布不均匀，同时也会导致从小孔中逸出的工质气体分子处于较高的运动速度，这会造成气体利用效率较低，故推力器进气结构还有待优化。因此，需要开发一种应用于小型自中和射频离子推力器的具有气路绝缘性能的电推力器气体分配器。

5、目前，尚未发现已公开的应用于自中和射频离子推力器的具有气路绝缘性能的气体分配器，但在传统的电推进推进剂供给管路中有可以防止击穿的气路绝缘装置与气体分配器：

6、1.汞工质离子推力器气路高压绝缘装置：nasa在上个世纪六七十年代曾先后提出多种用于采用汞工质的离子推力器工质供应管路上的气路绝缘装置。大致可以分为两类：无源绝缘器(或者叫作单级绝缘器，可以将栅极系统和通气管路各看成一个电极)和多级电压分割式绝缘器。无源绝缘器大多工作在帕邢曲线的右半段，在气压不变的情况下，增大管路(地电位)和栅极之间的气路距离可以增大pd值，提高击穿电压。故无源绝缘器通过各种方式增长工质气体在管道中的路径长度，增长实际击穿路径，降低工质击穿可能性。同时，在多在管路中填充采用比表面积较大的多孔介质，增强等离子体的表面复合反应，大大降低等离子体带电粒子密度，从而起到绝缘作用。如图1所示。

7、多级电压分割式绝缘器一般工作在帕邢曲线的左半段，将离子推力器栅极系统与供气管路的电势差通过插入多级带有较小电势差的栅极分割开来，栅极轴向依次排布，栅极上的电势从近等离子体区到远等离子体区依次下降。所有栅极电势差的总和与栅极和管路间的电势差相同，但每相邻两片栅极间的电势差较小，这就减小了栅极间的pd值，提高了击穿电压，如图2所示。

8、2.应用于氙气的电压分割式绝缘器：兰州空间技术物理研究所的杨福全、万耿民等人设计并优化了可应用于电推进系统的电绝缘器，如图3所示。绝缘器气路被多个栅极划分成由10到25级的间断，每段的电压均小于氙气的击穿电压150v。防止制造过程中的表面污染、试验中的沉积污染等因外部污染，在绝缘管外部设计了迷宫式屏蔽罩。试验结果表明，在0～10ml/min流率区间，10级、15级、20级和25级分段绝缘器最低击穿的直流电压分别为2700，4000，6000和8000v。

9、3.一种用于提升射频离子推力器电离效率的气体分配器：西安航天动力研究所的鲁海峰、李济源等人提出了一种可以综合多种技术方案提高射频离子电离效率的气体分配器，如图4a和图4b所示。该设计利用容腔缓冲来自通气管路的工质气体，利用多维度旋流供气的方式使气体更加均匀地进入电离室并提高了在电离室内的驻留时间。在容腔中填充了许多形状不规则的导流球，使得气体分配更加均匀，同时一定程度上有利于等离子体通过表面反应增大复合率，有一定的防回火作用。

10、关于电推进气路绝缘的文献及专利：

11、[1]nakanishi s.experimental investigation of a high-voltage isolationdevice for ion-thrustor propellant feed[r].1966.

12、[2]nakanishi s.experimental investigation of mercury propellant feedisolators for kaufman thrusters[r].1968.

13、[3]hart s l,tighe w,pearce c,et al.investigation and development of ahigh voltage propellant isolator for ion thrusters[m].pasadena,ca:jetpropulsion laboratory,national aeronautics and space administration,2005.

14、关于气体分配器优化设计的专利：

15、[1]中国专利申请号：cn202211071740.5，申请日期2022年8月31日

16、目前，尚未发现已公开的可应用于自中和射频离子推力器的具有气路绝缘性能的电推力器气体分配器。通过已经开展的自中和射频离子推力器实验可以发现，采用直通式气体分配器的小型自中和射频离子推力器在推力器总功率较大时容易发生供气管路电离的现象，这是由于推力器气路绝缘性能较差导致的。在已有的绝缘技术中，不论是应用于哪种工质的无源绝缘器还是电压分割式绝缘器，其安装位置均处于供气管路中。在国内已经公开的“用于提升射频离子推力器电离效率的气体分配器”中，增加了导流球导致的气路绝缘能力较为有限，且无法调节其绝缘能力。

17、现有技术的缺点和问题如下：

18、1.小型自中和射频离子推力器气路绝缘性能较差，在总功率较高、栅极射频自偏压较大的情况下，在推力器的供气管路中容易电离，这会导致推力器能量利用效率的降低和供气管路的烧蚀。

19、2.安装在电推力器供气管路中的绝缘器体积、质量较大，需要在管路设计时单独考虑装配位置，不利于电推进系统的小型化、轻量化。

20、3.已有的气体分配器不具备较强的气路绝缘性能。广泛使用的气体分配器多为直通式，如图5a、图5b及图5c所示。工质气体通过气体分配器上的通孔直接进入电离室，几乎没有绝缘效果。已有的改进型设计采用了导流球的设计，一定程度上增大了表面积，有利于绝缘，但是仅通过有限空间内体积较大的导流球很难将气路的比表面积大幅增加，绝缘效果较差。

21、4.同时，目前的气体分配器绝缘效果的实现是通过无源的手段实现的，无法通过改变外界参数调整气路系统的绝缘性能，鲁棒性较差，不利于在不同工况下、不同的推力器中使用。

22、综上，当前电推进系统气路绝缘方面，还具有较多缺点和问题，应用于小型自中和射频离子推力器系统中的绝缘器研制还是一片空白。应当发展一种质量、体积小，绝缘性能较强且可以调节的电推力器气体分配器。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：

2、1.解决小型自中和射频离子推力器气路绝缘性能较差，造成功率损失和气路烧蚀的问题。

3、2.解决现有的具有一定绝缘性能的气体分配器，绝缘性能较差且无法调节，鲁棒性能较差的问题。

4、3.解决现有气路绝缘装置仅能位于供气管路中，体积较大且安装不便的问题。

5、4.改善直通式气体分配器供气不均匀的问题。

6、为解决技术问题而采用的技术方案：

7、本发明提出了一种具有气路绝缘性能的电推力器气体分配器。区别与现有的气路绝缘装置和气体分配器，本发明的特点是，绝缘装置体积更小，结构更紧凑，具有气体分配器的功能，可以安装在电离室内部。而且相较传统的直通式气体分配器可以使得气流分布更加均匀，相较已有的具有绝缘功能的气体分配器具有更强的绝缘性能和鲁棒性。

8、本发明一种具有气路绝缘性能的电推力器气体分配器，如图6、图7a和图7b所示。可将本发明按照功能和结构上的特点分为两个部分：头部和身部。本发明的头部主要包括屏蔽层1、栅极2～7及17～21、螺栓8、挡气板9、基底10、绝缘垫11、屏蔽片12、多孔介质13、栅极接电线16及22～31，是起到气路绝缘作用的主要部位。身部主要包括基底10的圆柱段部分(具有螺纹)、栅极接电线16及22～31与外电路相接的部位以及多孔介质14，起到连接外电路、气路和固定本发明与电离室的作用。栅极2～7及17～21是本发明的核心部件，安置并压紧在基底10、挡气板9上对应的槽中，挡气板9通过气路连接件15与基底10连接拧紧。屏蔽层1为由铜合金制成的圆柱薄壳形结构，圆柱壳的侧表面为金属网状结构，一个端面完全开放，另一个端面中央开有穿过螺栓8的固定孔，如图所示装配时，通过螺栓8与挡气板9固定，螺栓8采用市售m6短螺栓，如图7a所示。栅极2～7及17～21均为采用铜合金制成的圆环形金属网。屏蔽片12为中央开孔的铜合金金属圆片，完成装配后由基底10压在推力器电离室底部，与屏蔽层1组合起来对本发明的头部起到电磁屏蔽的作用，下文有具体介绍。栅极接电线16及22～31由导电性能良好且具有柔性的铜线制成，在装配时，首先将接电线与对应的栅极焊接起来，之后栅极分别安置在基底10上对应的圆环形开槽内，焊接在栅极上的导电线则穿过基底上对应的小孔伸到基底10的另一侧，并弯出与外电路连接的接头，如图8所示。挡气板9和基底10采用掺硅氮化硼陶瓷高温烧结制成；多孔介质13、14采用泡沫镍制成。

9、本发明通过固定螺母安装在电离室底部，如图8所示。工作时，不锈钢制的栅极由外到内施加电势依次降低的电压，相邻两个环形栅极之间的电压差相等并可以通过调整外部电源的参数进行调整，体现了本发明的鲁棒性。屏蔽层1和屏蔽片12起到了两方面的作用：其一，屏蔽层1悬浮，并在侧面作栅网状的开孔，类似阻滞势分析仪的入口栅极，可以减小进入气体分配器的等离子体的密度，防止电离室内的等离子体直接接触栅极系统，导致可能的绝缘失效。其二，由于自中和射频离子推力器工作时会对线圈、栅极分别施加射频信号，电磁辐射的总功率较大，屏蔽层1可以实现对气体分配器栅极区域的电磁屏蔽，削弱传入栅极间射频信号，防止在气体分配器内部的电离，导致绝缘失效。绝缘垫11保证栅极接电线与屏蔽层的绝缘，基底10上开的槽保证栅极接电线之间不短路。多孔介质13和14位于气体分配器栅极系统的上游，其较大的比表面积增加了等离子体的表面复合反应速率，防止离子运动到供气管路上游导致绝缘失效。

10、自中和射频离子推力器在实验中出现供气管路电离的现象是促使本发明产生的直接原因，而自中和射频离子推力器提出时间较晚，国际国内公开的实验研究结果较少，此前鲜有人关注自中和射频离子推力器通气软管电离这一现象。传统的射频离子推力器管路绝缘失效的主要原因是栅极与气路之间的电压直流击穿，而自中和射频离子推力器的管路放原因不仅有直流击穿，还有由于射频功率较大导致的管路射频放电，此前对由于射频功率馈入管路导致的放电考虑较少。

11、随着国际微小卫星组网浪潮的兴起，对卫星小型电推进系统提出了新的要求。传统的绝缘器一般安装在气路管道上，结构、质量较大，不利推进系统小型化设计。本发明将绝缘器件与推力器固有的气体分配器结合起来设计，使得系统中必不可少的气体分配器具备了气路绝缘的功能，无需单独设计管路中的绝缘装置，最大限度的减小了系统体积、质量，有利于卫星推进系统的小型化设计。

12、本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

13、1.相较于传统的直通式气体分配器，本发明可以在电离室和气路之间起到良好的绝缘作用。直通式气体分配器气路中没有施加电压的栅极，栅极上施加的射频电压直接施加在电离室内部等离子体和上游管路之间，容易放电击穿。本发明通过在气体分配器中创新性地增设了栅极，提高了绝缘性能。

14、2.相较于传统的安装在电推力器氙气管路中的绝缘器，本发明作为推力器气体分配器的改进型，采用了同心圆环式的栅极排布，便于在推力器电离室较为狭小的空间内安装，因此可以将气路绝缘功能与气体输运分配的功能结合起来，在实现传统绝缘器防止直流击穿效果的同时，无需在工质管路中增加其它结构，降低了系统的复杂度，有效减小电推进系统体积。

15、3.相较于仅通过增加气路的比表面积等方式的实现一定的气路绝缘功能的气体分配器，如图4a和图4b所示，本设计采用电绝缘，绝缘性能可以通过增减栅极的数目、改变相邻栅极间的电势差调节，故有更好的鲁棒性，可以应用于不同工质、不同射频电压参数的情况。

16、4.相较与传统的周向打孔的直通式气体分配器，本发明采用挡气板9与基底10，中间夹装多层栅极的设计，让原本在周向特定位置进气变成了在整个周向进气，改善了电离室内工质气体分布的均匀性。

17、5.相较于已有的绝缘器，本发明针对自中和射频离子推力器电离室内射频功率较大的特点，采用了增加了屏蔽层1和屏蔽片12的设计，更好地防止了在绝缘器内部由于射频信号的馈入导致的电离，提高了绝缘性能。

18、6.本发明有助于提高自中和射频离子推力器整体性能。