阅读说明：本技术 单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器 (Single-stage composite double-pulse enhanced ionization type induction pulse plasma thruster ) 是由 车碧轩 李小康 程谋森 王墨戈 郭大伟 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器,包括感应线圈模组、脉冲放电模组、调波模组与脉冲气团激发模组。在主放电回路中并联调波模组,可在不显著改变脉冲电流波形既电磁力大小的同时,显著提高电流陡度,从而增大感应电场强度水平,增强放电初始时刻的感应击穿与电离过程,最终有效降低IPPT工作电压水平、提升其推进性能；本方案可将IPPT的工作电压水平降低50％以上,从而减小空间应用环境中的绝缘防护要求；仅需在主放电回路中并联调波模组,无需提供额外电源或外部磁场,调波模组由主放电被动驱动,结构简单、重量较轻、工作可靠。(The invention discloses a single-stage composite double-pulse enhanced ionization type induction type pulse plasma thruster which comprises an induction coil module, a pulse discharge module, a wave modulation module and a pulse air mass excitation module. The wave modulation module is connected in parallel in the main discharge loop, so that the current gradient can be obviously improved while the electromagnetic force of the pulse current waveform is not obviously changed, the induction electric field intensity level is increased, the induction breakdown and ionization process at the initial discharge moment is enhanced, the IPPT working voltage level is effectively reduced, and the propulsion performance of the IPPT is improved; the scheme can reduce the working voltage level of the IPPT by more than 50 percent, thereby reducing the insulation protection requirement in the space application environment; only the wave modulation module is connected in parallel in the main discharge loop, no additional power supply or external magnetic field is needed to be provided, the wave modulation module is driven passively by the main discharge, and the wave modulation circuit is simple in structure, light in weight and reliable in work.)

单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器

技术领域

本发明涉及电推进技术领域，具体是一种单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器。

背景技术

空间推进是指航天器获得环绕地球飞行的速度以后，用于轨道维持、轨道转移或者星际飞行的推进，可分为化学推进及电推进两类。相较于传统的化学推进，电推进通过电能加速推进剂以获得推力，其推进能量来自于推进剂之外，可获得更高的喷射速度，因而具有大比冲的优势。采用电推力器可有效减少推进剂消耗，从而增加有效载荷、缩短任务时间、延长工作寿命。目前，电推进技术在航天器上已经得到了广泛应用，高轨通信卫星上已有半数以上装备了电推进系统，并成为了卫星平台是否具有先进性的标志之一。

感应式脉冲等离子体推力器(Inductive Pulsed Plasma Thruster,IPPT)是一种无电极、脉冲式的电磁式电推力器，在保持电推力器高比冲特点的基础上又同时具备了更长寿命、更高功率、更大推力的新优势，适用于以载人/无人火星任务为代表的行星际深空探测任务。其基于感应涡流斥力原理产生推力：在特殊设计的平面螺旋形感应线圈中通过脉冲电流，从而激发出具备周向电场分量及径向磁场分量的强脉冲电磁场，其中的周向电场分量建立起环形的等离子体涡旋电流，径向磁场分量又与涡旋电流相互作用，产生轴向的洛伦兹力将等离子体压缩为片状并加速喷射，从而产生推进作用。

从工作原理上看，IPPT的推进性能主要取决于等离子体的初始电离及后续加速两个过程：(1)首先，为增强等离子体电流片与感应线圈的电磁耦合强度，要求气体工质在脉冲放电开始前或开始瞬间就达到较高电离度；(2)同时，由于等离子体电流片与感应线圈之间的电磁作用强度会伴随二者间隔距离的增大而迅速减小，为提高等离子体的全局加速效率，要求脉冲电流波形与等离子体加速过程的时间尺度满足特定动态匹配关系。在满足以上两点要求的基础上，结合太空应用环境的特殊性，还要求IPPT具体具备以下特点：(1)良好的绝缘防护性能；(2)结构简单、重量轻、体积小；(3)性能稳定且寿命长，以满足行星际深空探测要求。根据初始等离子体产生方式的不同，IPPT目前主要存在单级单脉冲直接电离、射频放电预先电离、直流辉光放电预先电离等三类技术方案。

单级单脉冲直接电离是IPPT类推力器最早采用也是目前应用较广的技术方案。该方案通过脉冲放电初期的周向感应电场击穿气体工质从而产生初始等离子体，仅依靠单级脉冲驱动电路所产生的单个电流脉冲既完成工质电离、涡电流建立、等离子体加速等全部过程，具备系统结构简单的优势。为了实现气体的快速、充分电离，该方案需要提高感应线圈表面的电场强度，相应地需要提高放电初始时刻脉冲电流陡度，因此，其工作电压相对较高，一般在数十千伏以上。在空间环境中应用高电压，对绝缘防护提出了极高要求；同时，高压电容的体积和重量都相对较大。该方案虽然结构较为简单，但在体积、重量及可靠性等方面都不具备优势。

为了降低IPPT的工作电压，近年来出现了以射频辅助放电法拉第推力器(RF-FARAD)为代表的多级IPPT方案。该方案通过射频(螺旋波)天线电离中性气体，再通过外部磁场将等离子体引导至感应线圈表面，最后通过脉冲感应放电进一步电离并加速等离子体。该方案有效降低了对放电初始时刻脉冲电流陡度的要求，便于针对后续加速过程优化脉冲电流波形，对绝缘防护的要求也有所降低。但是该方案需要增加额外的射频天线、射频电源及附加磁场线圈，导致系统复杂程度和体积、重量均大幅增加；射频放电本身存在电离稳定过程，难以与主放电的脉冲工作特性相互匹配，可能会对推力器性能造成负面影响。

直流辉光放电预电离方案在气体喷注器唇口和感应线圈外沿布置金属电极，电极两端施加高压直流电，并通过限流电阻抑制电流大小，从而在感应线圈上方建立起弱电离的辉光放电区域，实现对气体工质的预先电离，预电离工质再通过感应线圈的脉冲放电被进一步电离和加速。该方案同样能够降低IPPT的工作电压水平，且无需施加外部磁场，辉光放电电极及直流高压电源所带来的结构与质量增量也相对较小。IPPT的一大优点在于其无电极工作特性，由于不存在电极烧蚀问题，IPPT能够负荷数百千瓦甚至兆瓦级大功率，其工作寿命也相对较长；同时，由于不存在推进剂与电极的相容性问题，IPPT能够使用诸如水、二氧化碳甚至火星大气在内的多种工质，未来甚至有望实现推进剂地外补给。采用直流辉光放电预电离方案的IPPT在放电通道内增加了金属电极结构，不再具备以上优势。

发明内容

针对上述现有技术中的一项或多项不足，本发明提供一种单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器。

为实现上述目的，本发明提供一种单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器，包括感应线圈模组、脉冲放电模组、调波模组与脉冲气团激发模组；

所述感应线圈模组与脉冲放电模组电联形成主放电回路，以使得脉冲放电模组放电过程中在感应线圈模组内产生脉冲强电流，进一步在感应线圈模组周围激发具备周向电场分量及径向磁场分量的强脉冲电磁场；

所述强脉冲电磁场位于脉冲气团激发模组所激发脉冲气团的流通气路上，以使得脉冲气团在强脉冲电磁场的作用下被迅速击穿、电离并建立起平整、致密的等离子体电流片，等离子体电流片在洛伦兹力的作用下被进一步压缩、加速和喷射，从而产生推进作用；

所述调波模组并联在主放电回路上，以使得调波模组在脉冲放电模组的放电过程中激发一段高频低幅脉冲，进而提高感应线圈模组中脉冲强电流的电流陡度，从而增大强脉冲电磁场的强度水平，增强放电初始时刻的感应击穿与电离过程。

作为上述技术方案的进一步改进，所述脉冲放电模组包括脉冲开关与高压电容，所述脉冲开关、高压电容与感应线圈模组串联形成主放电回路，所述调波模组并联在高压电容或感应线圈模组两端。

作为上述技术方案的进一步改进，所述调波模组由调波电阻、调波电容、调波电感串联而成；

所述调波电容的电容值为高压电容总容值的5‰～15‰；

所述调波电感的电感值为感应线圈模组电感值的5‰～15‰。

作为上述技术方案的进一步改进，所述脉冲放电模组包括一个脉冲开关与多个高压电容，所述感应线圈模组由多支螺旋线型的感应线圈对称交叠而成，所述高压电容、感应线圈与调波模组一一对应；

任一高压电容与对应感应线圈以及脉冲开关组成一个主放电回路，所述调波模组并联在对应高压电容或对应感应线圈两端。

作为上述技术方案的进一步改进，各感应线圈的螺旋线型部分均封装于线圈面板中以实现各感应线圈的定位，同时避免各感应线圈与等离子体直接接触。

作为上述技术方案的进一步改进，所述脉冲气团激发模组设在线圈面板上，以使得脉冲气团激发模组所激发的脉冲气团经过强脉冲电磁场的作用在线圈面板表面均匀散开并压缩形成离子体电流片。

作为上述技术方案的进一步改进，所述线圈面板对应脉冲气团激发模组的一面上设有环形结构的气体围坝，以用于约束脉冲气团在线圈面板上径向的逸散。

本发明提供一种单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器，在主放电回路中并联调波模组，可在不显著改变脉冲电流波形既电磁力大小的同时，显著提高电流陡度，从而增大感应电场强度水平，增强放电初始时刻的感应击穿与电离过程，最终有效降低IPPT工作电压水平、提升其推进性能；本方案可将IPPT的工作电压水平降低50％以上，从而减小空间应用环境中的绝缘防护要求；仅需在主放电回路中并联调波模组，无需提供额外电源或外部磁场，调波模组由主放电被动驱动，结构简单、重量较轻、工作可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例一中单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器的电路原理图；

图2为本发明实施例一中增加调波模组前后电流波形对比示意图；

图3为本发明实施例一中增加调波模组前后电流陡度波形对示意图；

图4为本发明实施例二中单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器的正向轴侧图；

图5为本本发明实施例二中单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器的背向轴侧图。

附图标号说明：

实施例一：感应线圈模组101、脉冲放电模组102、调波模组103与脉冲气团激发模组104；

实施例二：线圈面板1、气体围坝2、喷注塔3、喷注器4、感应线圈5、共地板6、高压电容7、调波模块8、调波电阻9、调波电容10、调波电感11、脉冲开关12。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本实施例公开了一种单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器，该推力器采用与单级单脉冲IPPT相同的主放电回路与脉冲气体喷注器构型，不同之处在于在主放电回路中并联了调波模组。调波模组能够实现在主放电的脉冲电流波形中叠加一段高频低幅脉冲，从而在不改变脉冲电流既电磁力总体趋势的基础上倍增放电初期电流陡度大小，进而显著提高感应线圈表面的感应电场强度水平，从而增强气体的感应击穿与电离过程，最终有效降低IPPT工作电压水平、提升其推进性能。同时该推力器仅需在主放电回路中并联调波模组，无需提供额外电源或外部磁场，调波模组由主放电被动驱动，结构简单、重量较轻、工作可靠。

实施例一

本实施例一种单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器包括感应线圈模组101、脉冲放电模组102、调波模组103与脉冲气团激发模组104，其中，感应线圈模组101用于激发电磁场，脉冲放电模组102用于产生脉冲电流，脉冲气团激发模组104用于产生脉冲气团。具体的：

感应线圈模组101与脉冲放电模组102电联形成主放电回路，以使得脉冲放电模组102放电过程中在感应线圈模组101内产生脉冲强电流，进一步在感应线圈模组101周围激发具备周向电场分量及径向磁场分量的强脉冲电磁场；强脉冲电磁场位于脉冲气团激发模组104所激发脉冲气团的流通气路上，以使得脉冲气团在强脉冲电磁场的作用下被迅速击穿、电离并建立起平整、致密的等离子体电流片，等离子体电流片在洛伦兹力的作用下被进一步压缩、加速和喷射，从而产生推进作用；调波模组103并联在主放电回路上，以使得调波模组103在脉冲放电模组102的放电过程中激发一段高频低幅脉冲，进而提高感应线圈模组101中脉冲强电流的电流陡度，从而增大强脉冲电磁场的强度水平，增强放电初始时刻的感应击穿与电离过程。

本实施例中，脉冲放电模组102包括脉冲开关与高压电容，脉冲开关、高压电容与感应线圈模组101串联形成主放电回路，调波模组103并联在高压电容或感应线圈模组101两端。其中，调波模组103由调波电阻、调波电容、调波电感串联而成；调波电容的电容值为高压电容总容值的5‰～15‰；调波电感的电感值为感应线圈模组101电感值的5‰～15‰。

参考图1为本实施例中单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器的电路原理图，其中，感应线圈模组101与高压电容、脉冲开关组成主放电回路，调波电容、调波电感与调波电阻组成LRC调波模组103，调波模组103并联在高压电容或感应线圈两端。工作时，首先利用电源为高压电容充电；随后脉冲气团激发模组104喷注一团气体至感应线圈模组101表面；脉冲开关接通使得高压电容放电，与此同时，调波模组103在高压电容放电的驱动下产生一段高频低幅脉冲，该高频低幅脉冲信号叠加至感应线圈模组101内的脉冲强电流，导致脉冲强电流波形出现微弱的振荡“毛刺”，但其基本趋势不会发生显著变化，如图2所示；与此同时，高频低幅脉冲大幅提高了脉冲强电流的电流陡度，即图3所示，从而提高了感应线圈模组101表面的感应电场强度，增强了放电初期的感应击穿与气体电离过程，迅速在感应线圈附件建立起磁不渗透的高质量等离子体电流片；高频低幅脉冲在自身调波电阻的阻尼作用下先于主脉冲衰减，所形成的等离子体电流片又在主脉冲作用下被高效加速喷射，完成一个工作脉冲。

实施例二

如图4-5，为本实施例公开的一种单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器包括感应线圈模组、脉冲放电模组、调波模组与脉冲气团激发模组，其中，感应线圈模组用于激发电磁场，脉冲放电模组用于产生脉冲电流，脉冲气团激发模组用于产生脉冲气团。具体的：

感应线圈模组与脉冲放电模组电联形成主放电回路，以使得脉冲放电模组放电过程中在感应线圈模组内产生脉冲强电流，进一步在感应线圈模组周围激发具备周向电场分量及径向磁场分量的强脉冲电磁场；强脉冲电磁场位于脉冲气团激发模组所激发脉冲气团的流通气路上，以使得脉冲气团在强脉冲电磁场的作用下被迅速击穿、电离并建立起平整、致密的等离子体电流片，等离子体电流片在洛伦兹力的作用下被进一步压缩、加速和喷射，从而产生推进作用；调波模组并联在主放电回路上，以使得调波模组在脉冲放电模组的放电过程中激发一段高频低幅脉冲，进而提高感应线圈模组中脉冲强电流的电流陡度，从而增大强脉冲电磁场的强度水平，增强放电初始时刻的感应击穿与电离过程。

本实施例中，脉冲放电模组包括一个脉冲开关与多个高压电容，感应线圈模组采用六支螺旋线型的感应线圈按轴对称方式并联排布而成，高压电容、感应线圈与调波模组一一对应。感应线圈通过环氧树脂封装于线圈面板1中以实现定位，同时避免其与等离子体直接接触。每支感应线圈的一端与一支对应的高压电容7串联，以确保感应线圈1所产生的磁场具有较好的径向均匀性；每支感应线圈的另一端及高压电容则并联于同一脉冲开关两端，以确保电容放电的同步性。每组感应线圈两端同时并联一组LRC调波模组8，调波模组8由调波电阻9、调波电容10、调波电感11串联而成，其中，调波电容10及调波电感11的电容值及电感值均分别取高压电容组总容值及感应线圈电感值的百分之一大小。脉冲气团激发模组采用喷注塔3，喷注塔3固定于线圈面板1中心位置，采用具备较好绝缘及耐高温性能的聚醚醚酮(PEEK)材料；喷注塔3的顶端安装喷注器4，工质气体以脉冲方式从喷注塔3顶部向线圈面板1表面喷射，形成脉冲气团，并在线圈面板1表面获得压缩；线圈面板1外围设置气体围坝2约束气体在半径方向的逸散。需要注意的是，单级复合双脉冲增强电离型感应式脉冲等离子体推力器上还设置又共地板6，每个高压电容7的一端均与共地板6电联，以用于接地。

工作时，喷注器4首先释放特定质量的脉冲气团至线圈面板1表面；当气团在线圈面板1表面均匀散开并获得较大程度压缩时，脉冲开关12受控接通，高压电容7在感应线圈5中迅速建立起几十到上百千安的脉冲电流；LCR调波模组受主放电电流驱动，产生高频低幅值的脉冲电流叠加于主放电电流，大幅提高放电初期的感应电场强度水平；气体工质在感应电场的作用下被迅速击穿、电离并建立起平整、致密的等离子体电流片；等离子体电流片在洛伦兹力的作用下被进一步压缩、加速和喷射，从而产生推进作用，完成一个工作脉冲；推力器以脉冲方式工作，通过不断重复上述过程，提供持续的推力作用。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。