一种基于永磁技术的场反等离子体推进器

本申请属于空间电推进领域，更具体地，涉及一种基于永磁技术的场反等离子体推进器。

背景技术：

1、空间电推进是一种将电能转换为动能的先进航天动力技术，工质高效电离与引出是其最基本的工作过程，比冲高、效率高是其最显著的技术特点。空间电推进是目前空间推进与探索的重要技术手段。

2、目前，无电极场反构型电磁推进(field reversed configuration thurster，frct)是其中较为有效的一种技术类别。由于目前该类推进器产生的推力较小，且长时间运行会导致线圈发热，降低推进器的寿命，不利于推进器的稳定运行。因此，有必要设计一种高效稳定的场反等离子体推进器。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本申请提供了一种基于永磁技术的场反等离子体推进器，目的在于提高空间电推进系统可靠性与推进器的性能。。

2、为实现上述目的，本申请提供了一种基于永磁技术的场反等离子体推进器，包括：θ箍缩线圈、永磁体和导磁材料；其中，永磁体和导磁材料相间设置；其中，永磁体为环形永磁体或锥形永磁体；

3、永磁体用于产生稳态偏置磁场；导磁材料用于控制所述永磁体的磁场分布；

4、θ箍缩线圈用于产生主磁场，驱动等离子体电流，并使稳态偏置磁场反转，磁重联形成闭合磁面，形成场反等离子体；同时主磁场的径向分量与场反等离子体电流相互作用产生洛伦兹力，使场反等离子体加速喷出。

5、进一步优选地，θ箍缩线圈采取时序放电，用于持续推动场反等离子体。

6、进一步优选地，电离线圈和所述θ箍缩线圈垂直放置；电离线圈用于在电流作用下产生r-θ平面的旋转磁场，使气体电离；其中，r-θ为圆柱体坐标系。

7、进一步优选地，电离线圈包括两组相同线圈，每组线圈相差90°，且每组线圈包括两个形状相同且位置相对的线圈。

8、进一步优选地，永磁体包围所述电离线圈和θ箍缩线圈。

9、进一步优选地，场反等离子体推进器还包括石英管真空腔室，电离线圈设置在石英管真空腔室外围；θ箍缩线圈通过环氧板围绕电离线圈；

10、其中，石英管真空腔室用于提供电离等离子体的环境。

11、进一步优选地，石英管真空腔室分为直筒形和锥形两部分，直筒形部分的末端设置有注气口，锥形部分最小直径与直筒形部分一致，以一定角度延伸，使内径增大；

12、注气口用于向石英管真空腔室充入待电离气体。

13、进一步优选地，电离线圈的几何形状包括：两条石英管真空腔室锥形部分的母线长度的线段、一条石英管真空腔室锥形部分小内径底面的圆弧、一条石英管真空腔室锥形部分大内径底面对应角度的圆弧；其中，两个圆弧通过两条线段相连。

14、进一步优选地，永磁体为钐钴磁体；所述导磁材料为纳米晶软磁材料。

15、基于上述提供的场反等离子体推进器，本申请提出了场反等离子体推进方法，其特征在于，包括以下步骤：

16、采用主磁场驱动等离子体电流，且使稳态偏置磁场反转，磁重联形成闭合磁面，进而形成场反等离子体；

17、同时主磁场的径向分量与场反等离子体电流相互作用产生洛伦兹力，使场反等离子体加速喷出。

18、总体而言，通过本申请所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

19、在传统场反等离子体推进器中设计中，采用稳态磁场线圈施加电流的方式产生稳态偏置磁场，该稳态磁场线圈通常匝数更多，与θ箍缩线圈总体上构成一个升压变压器，由于θ箍缩线圈高压脉冲运行，将在这组稳态磁场线圈上耦合高压，影响装置的稳定性。本申请提出的通过永磁体和导磁材料产生稳态偏置磁场可以避免这一问题，能够在避免耦合的情况下产生相同的稳态偏置磁场使推进器更加稳定。

20、在传统的场反等离子体推进器的设计中，包含稳态磁场线圈、电离线圈等许多线圈，使得推进器系统相对复杂，本申请提出永磁体与导磁材料后，推进器系统便不再需要稳态磁场线圈，场反等离子体推进器得到简化。

21、在传统的场反等离子体推进器设计中，采用给多个线圈通直流电流的方式提供稳态偏置磁场，当对稳态偏置磁场的数值需求较大时，需要较大的直流电流，会导致线圈发热严重，对推进器的运行产生很大的影响，因此本申请提出采用永磁体提供稳态磁场能够有效解决这一问题，在提供所需稳态磁场大小的基础上，保证推进器可以长时间运行，提高运行可靠性。

22、在传统的场反等离子体推进器设计中，只采用单一方式形成场反等离子体产生推力，本申请提供了电离线圈形成旋转磁场电离气体形成高密度等离子体，θ箍缩线圈与永磁体配合形成场反等离子体进行推进的方式运行，可以通过θ箍缩线圈的时序放电，持续推动场反等离子体，提高推进器性能。

23、本申请提供了一种场反等离子体推进器，其中，石英管真空腔室分为直筒形和锥形两部分，锥形部分最小直径与直筒形部分一致，以一定角度延伸，使内径增大；石英管真空腔室的锥形结构可以将产生的推力最大化，增强推进效果。

技术特征：

1.一种基于永磁技术的场反等离子体推进器，其特征在于，包括：θ箍缩线圈、永磁体和导磁材料；其中，永磁体和导磁材料相间设置；

2.根据权利要求1所述的场反等离子体推进器，其特征在于，所述θ箍缩线圈采取时序放电，用于持续推动场反等离子体。

3.根据权利要求1或2所述的场反等离子体推进器，其特征在于，所述电离线圈和所述θ箍缩线圈垂直放置；所述电离线圈用于在电流作用下产生r-θ平面的旋转磁场，使气体电离；其中，r-θ为圆柱体坐标系。

4.根据权利要求3所述的场反等离子体推进器，其特征在于，所述电离线圈包括两组相同线圈，每组线圈相差90°，且每组线圈包括两个形状相同且位置相对的线圈。

5.根据权利要求3或4所述的场反等离子体推进器，其特征在于，所述永磁体包围所述电离线圈和θ箍缩线圈。

6.根据权利要求5所述的场反等离子体推进器，其特征在于，还包括石英管真空腔室，所述电离线圈设置在所述石英管真空腔室外围；所述θ箍缩线圈通过环氧板围绕电离线圈；

7.根据权利要求6所述的场反等离子体推进器，其特征在于，所述石英管真空腔室分为直筒形和锥形两部分，直筒形部分的末端设置有注气口，锥形部分最小直径与直筒形部分一致，以一定角度延伸，使内径增大；

8.根据权利要求7所述的场反等离子体推进器，其特征在于，所述电离线圈的几何形状包括：两条石英管真空腔室锥形部分的母线长度的线段、一条石英管真空腔室锥形部分小内径底面的圆弧、一条石英管真空腔室锥形部分大内径底面对应角度的圆弧；其中，两个圆弧通过两条线段相连。

9.根据权利要求1所述的场反等离子体推进器，其特征在于，所述永磁体为钐钴磁体；所述导磁材料为纳米晶软磁材料。

10.一种基于如权利要求1至9任一所述的场反等离子体推进器的推进方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本申请提供了一种基于永磁技术的场反等离子体推进器，属于空间电推进领域，包括θ箍缩线圈、永磁体和导磁材料；永磁体产生稳态偏置磁场；导磁材料用于控制永磁体的磁场分布；θ箍缩线圈产生主磁场，驱动等离子体电流，并使稳态偏置磁场反转，磁重联形成闭合磁面，形成场反等离子体；同时主磁场的径向分量与场反等离子体电流相互作用产生洛伦兹力，使场反等离子体加速喷出。本申请采用永磁体产生稳态偏置磁场，能够避免场反等离子体形成过程中线圈之间的耦合问题，场反等离子体推进器具有更好的稳定性。技术研发人员：张明,吕超凡,魏子健,杨勇,饶波,黄宇轩,易霄鹏,张毅松受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18