一种基于会切场的高精度冷电双模微推力器

本发明涉及一种推力器，具体涉及一种基于会切场的高精度冷电双模微推力器，本发明属于航天。

背景技术：

1、近年来，随着如地球重力场测量、空间引力波探测等新型空间任务的兴起，航天器的推进装置出现了新的应用场景：无拖曳控制。无拖曳控制即通过微型推进装置产生的推力实时抵消航天器所受到的外部干扰力，从而使航天器中的测试质量块始终运行在引力轨道上。微推进装置的推力水平一航在微牛量级，但此前国内外关于航天器推进装置的研究均围绕卫星变轨、姿态保持等常规空间任务，其推力水平在毫牛量级，而对微牛级推力器的研究则普通处于欠缺状态。

2、2020年，我国立项了第一批“引力波探测”重点研发计划项目，其中便包括对微牛级高精度推进装置的研究。“引力波探测”任务中的无拖曳控制技术对微推进装置的指标要求主要有五项，分别为：推力范围覆盖1-100μn(宽)、推力噪声低于0.1μn/√hz(稳)、推力精度优于0.1μn(准)、响应速度优于50ms(快)，运行寿命不少于10000小时(久)。针对如此严苛的指标要求，可供备选的推进方案极为有限。早在2017年，在欧空局主要的引力波探测计划lisa发布的任务提议中列选了四种可能的微推进类型作为探测任务的候选方案，包括冷气推进、场发射电推进、射频离子电推进、以及会切霍尔电推进。

3、冷气推进的工作原理相对简单，即通过喷管将所携带的工质气体向后加速喷出以产生推力。冷气推进的核心结构即先收缩后扩张的拉伐尔喷管，其结构如图3所示，经过喷管加速的工质气体向后喷出从而产生推力。从图3可以看出，冷气推进为一开口系，所谓开口系即通道的加速出口处无栅网结构阻拦，完全开放的状态，与之相对的是场发射推力器或离子推力器的闭口系，这两类推进方案均安装有栅网将电离室封闭，离子仅从栅网的网格中被加速喷出，二者结构对比示意如图4所示。闭口系由于栅网的存在，气体被阻隔在电离室内，从而不具备以冷气工作的能力。

4、另外三种电推进方案则原理各异，但基本思路是首先利用电能将工质从中性气体的状态电离为等离子体态，进而通过电场加速的方式将离子喷出形成推力，电推进方案相较于冷气推进，粒子的喷出速度更快，比冲更高，因此面对相同的任务所消耗的工质更少。

5、其中，会切场霍尔电推进采用无栅极结构的开放式通道，其主要结构包括：口径6mm，长度16mm的圆柱形放电通道、微波能量馈入装置以及安装在放电通道外的环形永磁铁。其工作原理示意如图5所示，气体工质注入放电通道后，馈入微波能量将工质电离成等离子体态，电离产生的离子在电场的加速作用下向通道外喷出，产生推力。放电通道的开口特性使其具备了可通过形貌设计实现加速中性气体的潜力。

6、目前国内各研究机构针对面向空间引力波探测任务的微推力器的研制同样主要围绕上述四种技术路线开展，但四种技术路线受其各自工作原理的限制，均存在不同的短板。其中冷气推进可实现的推力下限最低，技术成熟度相对较高，但存在响应慢、比冲低、面对长寿命任务需要携带巨量的工质气体，难以实现轻量化的本质问题。另外三种电推进方案则在响应速度、比冲等方面均占有原理性的显著优势，但微型化后的技术成熟度相对较低。其中，场发射类推力器具有较高的推力精度和比冲，但其采用的液态工质存在严重的污染问题，且由于其发射极尺寸精密敏感，可靠性问题难以解决；射频离子推力器在百微牛工况下具有较好的综合性能和预期寿命，但由于放电气压和栅极聚焦电压的限制，目前尚难以实现10μn以下的推力下限；会切霍尔推力器具有推力跨越多个量级可调、预期寿命长等优势，但受限于小特征尺寸电子传导问题和直流放电气压受限问题，国际上的推力下限仅为29μn，对于任务所需实现1-100μn的推力范围指标尚有较大差距。

7、综上所述，目前国内外针对高精度微推力器的研究主要沿四条技术路线分别开展，四条路线各有优劣，但由于原理性的限制，其劣势只能缓解无法根本消除。因此，探索除此之外的新的技术路线对顺利研制出符合任务需求的推进装置具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中存在的上述问题，针对目前新型航天任务(如地球重力场测量、空间引力波探测等需要高精度推进装置的任务场景)对对航天器微推进装置的高精度、大范围可调等要求，提出一种基于会切磁场构型的可在冷气推进、电推进两种模式下工作的推力器设计方案，进而提出一种基于会切场的高精度冷电双模微推力器。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

3、本发明包括缩放型通道、永磁铁、外壳和同轴谐振器，缩放型通道、永磁铁和外壳由内至外依次设置，同轴谐振器安装在外壳内并位于缩放型通道的右侧。

4、进一步的，所述缩放型通道由收缩段通道、扩张段通道和水平段通道首尾依次连接成一体。

5、进一步的，所述收缩段通道的外轮廓由左至右依次渐收；所述扩张段通道的外轮廓由左至右依次渐扩。

6、进一步的，所述缩放型通道的左端的口径(a)为6mm，中部口径(b)为4mm，右端口径(c)为10mm。

7、进一步的，所述永磁铁包括两个永磁铁，第一永磁铁套装在收缩段通道上，第二永磁铁套装在扩张段通道上。

8、进一步的，同轴谐振器的外边缘包裹有绝缘层。

9、本发明的有益效果是：

10、1、本发明在分析冷气推进和电推进各自优势的基础上，设法将两种工作模式整合至一台推力器中，在需要输出低推力的工况下，推力器以冷气推进的模式工作，从而节省电功率，并实现较高的推力精度，而在大推力工况下，推力器切换为电推进模式，可实现较高比冲，节省工质。

11、2、本发明提出一种可在冷气推进和电推进两种工作模式下工作的推力器单机设计方案，将冷气推进的喷管结构通过匹配设计，融合到具有开放通道的会切场霍尔推力器中，使推力器具备了加速中性气体的能力，可输出1μn的最低推力，实现了对电推进模式的推力下限难以下拓的缺点的补充，使推力器可实现1-100μn跨越两个数量级的推力覆盖范围。

技术特征：

1.一种基于会切场的高精度冷电双模微推力器，其特征在于：所述一种基于会切场的高精度冷电双模微推力器包括缩放型通道(1)、永磁铁(2)、外壳(3)和谐振器(6)，缩放型通道(1)、永磁铁(2)和外壳(3)由内至外依次设置，谐振器(6)安装在外壳(3)内并位于缩放型通道(1)的右侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于会切场的高精度冷电双模微推力器，其特征在于：所述缩放型通道(1)由收缩段通道(1-1)、扩张段通道(1-2)和水平段通道(1-3)首尾依次连接成一体。

3.根据权利要求2所述的一种基于会切场的高精度冷电双模微推力器，其特征在于：所述收缩段通道(1-1)的外轮廓由左至右依次渐收；所述扩张段通道(1-2)的外轮廓由左至右依次渐扩。

4.根据权利要求1所述的一种基于会切场的高精度冷电双模微推力器，其特征在于：所述缩放型通道(1)的左端的口径(a)为6mm，中部口径(b)为4mm，右端口径(c)为10mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于会切场的高精度冷电双模微推力器，其特征在于：所述永磁铁(2)包括两个永磁铁，第一永磁铁套装在收缩段通道(1-1)上，第二永磁铁套装在扩张段通道(1-2)上。

6.根据权利要求1所述的一种基于会切场的高精度冷电双模微推力器，其特征在于：谐振器(6)的外边缘包裹有绝缘层(4)。

技术总结一种基于会切场的高精度冷电双模微推力器，涉及一种推力器，本发明针对现有技术中推进器存在的问题，提出一种可在冷气推进和电推进两种工作模式下工作的推力器单机设计方案，将冷气推进的喷管结构通过匹配设计，融合到具有开放通道的会切场霍尔推力器中，使推力器具备了加速中性气体的能力，可输出1μN的最低推力，实现了对电推进模式的推力下限难以下拓的缺点的补充，使推力器可实现1‑100μN跨越两个数量级的推力覆盖范围。本发明包括缩放型通道、永磁铁、外壳和谐振器，缩放型通道、永磁铁和外壳由内至外依次设置，谐振器安装在外壳内并位于缩放型通道的右侧。本发明属于航天技术领域。技术研发人员：刘辉,王尚胜,曾明,于达仁受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18