一种可降低束流发散角的球面栅极设计方法与流程

1.本技术涉及航天空间电推进技术领域，具体而言，涉及一种可降低束流发散角的球面栅极设计方法。


背景技术：

2.离子电推进是一种先进的空间推进类型，由于其高比冲、高效能、微推力等主要特征，在长寿命卫星、深空探测、无拖曳控制等航天工程中发挥极其突出的作用，已经成为航天推进技术的前沿。
3.栅极是离子推力器的关键组件，为多孔高透明度薄壁结构，其主要功能是聚焦并加速引出放电室内工质气体电离后产生的离子，从而产生推力。随着离子推力器空间应用需求的不断提高，大口径离子推力器的需求愈加显得迫切。一般大口径的栅极都采用球面构型，以保证栅极具备一定的刚性，且在热循环工况和力学环境中栅极形变方向的一致性，但栅极采用球面构型后，会使束流发散角显著增大，导致离子推力器的推力损失，同时影响离子推力器的周围载荷设施。
4.为了解决上述问题，现有技术通常为调整离子推力器周围载荷设施布局，同时设计多款栅极开展正交束流发散角测量试验，但是并不能对球面栅极设计形成有效降低束流发散角的类比指导，因此，亟需探索一种能够有效降降低束流发散角的球面栅极设计方法。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种可降低束流发散角的球面栅极设计方法，能够解决现有大口径离子推力器球面栅极束流发散角增大导致的设计成本高和应用成本高的问题。
6.为了实现上述目的，本技术提供了一种可降低束流发散角的球面栅极设计方法，包括如下步骤：步骤1：根据栅极的最佳导流系数，确定栅极的束流直径；步骤2：根据栅极的球面半径和栅极的束流直径的最佳比值，确定栅极的拱高；步骤3：根据栅孔离子光学偏转原理，确定栅极的栅孔轴线相对偏心距；步骤4：通过束流发散角测量试验进行校核，得到最优化的栅极栅孔偏心设计；步骤5：完成球面栅极的整体设计。
7.进一步的，栅极适用于以氙气作为工质的离子推力器。
8.进一步的，步骤1中，在栅极最佳导流系数下，栅极的束流直径db根据如下公式获得：
[0009][0010]
其中：t表示推力，ηm表示工质利用率，i
sp
表示比冲，由离子推力器推进分系统直接给出；lg表示栅间距，ts表示屏栅厚度，ds表示屏栅孔径，v
t
表示总加速电压，由指标分解得出。
[0011]
进一步的，步骤2中，栅极的球面半径和栅极的束流直径的最佳比值为2.0-2.5。
[0012]
进一步的，步骤2中，栅极的拱高h根据如下公式获得：
[0013]db2
+4h2＝8rh
[0014]
其中：db为栅极的束流直径，r为栅极的球面半径。
[0015]
进一步的，步骤3中，栅极的栅孔轴线相对偏心距τ
θ
根据如下公式获得：
[0016][0017]
其中：ta表示加速栅厚度，由指标分解得出；da表示加速栅孔径；θ表示球面栅极栅孔所在方位角；k
θ
表示与θ相关的离子光学偏转系数，根据poisson方程求解得出，范围在0.25～0.35。
[0018]
进一步的，步骤4中，最优化的栅极栅孔偏心设计条件为栅极的截获电流/束电流≤0.5％，且束流发散半角≤15
°
。
[0019]
本发明提供的一种可降低束流发散角的球面栅极设计方法，具有以下有益效果：
[0020]
本技术针对氙离子推力器栅极的工作及应用特点，利用栅极栅孔离子导流和离子光学偏转原理，提出了一种能够降低束流发散角的球面栅极栅孔偏心设计方法，可使栅极截获电流/束电流≤0.5％，且束流发散半角≤15
°
，解决了现有大口径离子推力器球面栅极束流发散问题，同时降低其设计成本和应用成本。
附图说明
[0021]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0022]
图1是球面栅极栅孔未进行偏心设计的结构示意图；
[0023]
图2是球面栅极栅孔采用本技术实施例进行偏心设计的结构示意图；
[0024]
图3是栅极未球面成型前，平面状态下栅极栅孔偏心的结构示意图；
[0025]
图中：1-屏栅、11-屏栅栅孔、2-加速栅、22-加速栅栅孔、3-栅极中心线、33-栅极中心栅孔、4-束流引出方向、5-栅孔轴线。
具体实施方式
[0026]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都应当属于本技术保护的范围。
[0027]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0028]
在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
[0029]
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
[0030]
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
[0031]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0032]
本技术实施例提供了一种可降低束流发散角的球面栅极设计方法，包括如下步骤：
[0033]
步骤1：根据栅极的最佳导流系数，确定栅极的束流直径，在栅极最佳导流系数下，栅极的束流直径db根据如下公式获得：
[0034][0035]
其中：t表示推力，ηm表示工质利用率，i
sp
表示比冲，由离子推力器推进分系统直接给出；lg表示栅间距，ts表示屏栅厚度，ds表示屏栅孔径，v
t
表示总加速电压，由指标分解得出；
[0036]
步骤2：根据栅极的球面半径和栅极的束流直径的最佳比值，确定栅极的拱高，栅极的球面半径和栅极的束流直径的最佳比值为2.0-2.5，栅极的拱高h根据如下公式获得：
[0037]db2
+4h2＝8rh
[0038]
其中：db为栅极的束流直径，r为栅极的球面半径；
[0039]
步骤3：根据栅孔离子光学偏转原理，确定栅极的栅孔轴线相对偏心距，栅极的栅孔轴线相对偏心距τ
θ
根据如下公式获得：
[0040][0041]
其中：ta表示加速栅厚度，由指标分解得出；da表示加速栅孔径；θ表示球面栅极栅孔所在方位角；k
θ
表示与θ相关的离子光学偏转系数，根据poisson方程求解得出，范围在0.25～0.35；
[0042]
步骤4：通过束流发散角测量试验进行校核，得到最优化的栅极栅孔偏心设计，其中最优化的栅极栅孔偏心设计条件为栅极的截获电流/束电流≤0.5％，且束流发散半角≤15
°
；
[0043]
步骤5：完成球面栅极的整体设计。
[0044]
具体的，本技术实施例提供的可降低束流发散角的球面栅极设计方法适用于以氙气作为工质的离子推力器中，栅极采用球面构型后，会使束流发散角显著增大，导致离子推力器的推力损失，同时影响离子推力器的周围载荷设施。如图1所示，没有进行栅极栅孔的
偏心设计，此时束流引出方向4直接从屏栅1向加速栅2引出，束流发散角为束流引出方向4与栅极中心线3的夹角，即与栅孔轴线5与栅极中心线3的夹角θ相等，而在图2中，经过栅极栅孔偏心设计以后，利用栅极栅孔离子导流和离子光学的偏转原理，使栅极的栅孔轴线5发生一定的偏转，从而使得球面栅极束流引出方向4发生一定的偏转，实现束流发散角的降低，即束流引出方向4与栅极中心线3的夹角(束流发散角)小于栅孔轴线5与栅极中心线3的夹角θ。在步骤3中，确定栅极的栅孔轴线相对偏心距τ
θ
的过程中，可以转换成如图3所示的平面状态下栅极栅孔偏心距，将屏栅栅孔11、加速栅栅孔22以及栅极中心栅孔33转换成平面状态，然后根据设计的参数，通过化学腐蚀平面成孔和球面成型工艺，实现球面栅极栅孔偏心的设计。
[0045]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。