阅读说明：本技术 离子推进器 (Ion thruster ) 是由 沈旭东 赵艳珩 朱荣帅 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种离子推进器,包括电离室、设置在电离室前方的主阴极、自前往后依次设置在电离室后方的屏栅和加速栅；主阴极上形成有主阴极通道,电离室上位于主阴极的一侧设有进口通道,以使得推进气体能够通过主阴极通道和进口通道注入电离室；主阴极用于发射电子到电离室与推进气体碰撞以使得推进气体被电离成正离子和电子,电离室内气体为等离子态；此时,在加速栅上加上脉冲电压,当电压为正时,电子从电离室被加速,从屏栅和加速栅的孔中发射出去；当电压为负时,正离子从电离室被加速,从屏栅和加速栅的孔中发射出去,以产生与离子运动方向相反的推力来推动航天器加速运动。其原理可行,结构简单,有效提高了航天器的使用效率。(The invention discloses an ion thruster, which comprises an ionization chamber, a main cathode arranged in front of the ionization chamber, a screen grid and an accelerating grid, wherein the screen grid and the accelerating grid are sequentially arranged behind the ionization chamber from front to back; a main cathode channel is formed on the main cathode, and an inlet channel is arranged on one side of the ionization chamber, which is positioned on the main cathode, so that the propulsion gas can be injected into the ionization chamber through the main cathode channel and the inlet channel; the main cathode is used for emitting electrons to the ionization chamber to collide with the propellant gas so that the propellant gas is ionized into positive ions and electrons, and the gas in the ionization chamber is in a plasma state; at the moment, pulse voltage is applied to the accelerating grid, and when the voltage is positive, electrons are accelerated from the ionization chamber and are emitted from the holes of the screen grid and the accelerating grid; when the voltage is negative, positive ions are accelerated from the ionization chamber and are emitted from the holes of the screen grid and the accelerating grid so as to generate a thrust opposite to the movement direction of the ions to push the spacecraft to move in an accelerating mode. The principle is feasible, the structure is simple, and the service efficiency of the spacecraft is effectively improved.)

离子推进器

技术领域

本发明涉及空间推进器领域，具体地，涉及一种离子推进器。

背景技术

离子推进器，又称离子发动机，为空间电推进技术的一种，具有比冲高、效率高、推力小的特点，广泛用于空间推进，如航天器姿态调整控制、位置保持、轨道机动和星际飞行等。它的原理是将气态工质电离，并在强电场作用下将正离子加速喷出，通过反作用力推动卫星进行姿态调整或轨道转移任务。与传统的化学推进器相比，离子推进器需要的工质质量小，是已经实用化的推进技术中最适合长距离航行的。

离子推进器在工作过程中，通过将带正电荷的离子发射出去获得一个反作用力，从而推动航天器运行。由于带正电荷的离子相互排斥，离子发射形状处于发散状态，降低了离子发动机的效率，这时需要有电子加入到正离子中，抵消正离子之间的斥力，保证离子的电中性，保证正离子的发射形状，提高离子推进器的效率；同时由于航天器在太空处于孤立绝缘状态，航天器本身由于正电荷发射出去，表面正负电荷失去平衡，负电荷将在航天器表面积累，负电荷越积越多，航天器将处于一个负电场状态，正离子电荷将受到负电场影响，将无法正常发射。这时就需要一个电子发射源，将航天器表面的电子发射出去，中和正离子，使航天器处于正负电荷平衡状态，使推进器可以不断工作，航天器持续运行。

由于离子推进器中，起到推力作用的是正离子源，相关的电子源仅起到中和正离子和平衡航天器电中性的辅助作用，电子源及其相关的部件降低了离子推进器的电性能，降低了航天器的有效载荷比例。若能将中和电子源取消，将有效提高离子推进器的性能，在同等有效载荷时，可以减小航天器的体积、质量，减小发射成本；或在同等发射体积、质量的情况下，有效提高航天器的有效载荷，提高航天器的使用效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种离子推进器，该离子推进器原理可行，结构简单，有效提高了航天器的使用效率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种离子推进器，包括电离室、设置在电离室前方的主阴极、自前往后依次设置在电离室后方的屏栅和加速栅；其中，主阴极上形成有主阴极通道，电离室上位于主阴极的一侧设有进口通道，以使得推进气体能够通过主阴极通道和进口通道注入电离室；主阴极用于发射电子到电离室与推进气体碰撞以使得推进气体被电离成正离子和电子，电离室内气体为等离子态；此时，在加速栅上加上脉冲电压，当电压为正时，电子从电离室被加速，从屏栅和加速栅的孔中发射出去；当电压为负时，正离子从电离室被加速，从屏栅和加速栅的孔中发射出去，以产生与离子运动方向相反的推力来推动航天器加速运动。

优选地，在加速栅上加正负脉冲电压，按照时间顺序，依次支取正离子和电子；其中，

在加速栅极电压为正时，支取电子，在加速栅极电压为负时，支取正离子，以通过正离子流和电子流的平衡，保证支取的等离子体为电中性，保证航天器为电中性。

优选地，加速栅极脉冲负脉冲波型支取的正离子控制离子推进器的推力和比冲。

优选地，加速栅极脉冲正脉冲波型支取的电子用于中和支取的正离子和平衡航天器表面的电中性。

优选地，加速栅极正负脉冲波型为方波、正弦波或锯齿波。

根据上述技术方案，本发明利用离子推进器中性离子体，在加速栅极上加为脉冲波型，通过调节加速栅极的电压，按照时间顺序，依次支取正离子和电子。在加速栅极电压为正时，支取电子，在加速栅极电压为负时，支取正离子，通过正离子流和电子流的平衡，保证支取的等离子体为电中性，保证航天器(空间载荷)为电中性。这样离子推进器就可以不用电子中和器。

由于离子推进器中，起到推力作用的是正离子源，相关的电子源仅起到中和正离子和平衡航天器电中性的辅助作用，电子源及其相关的部件降低了离子推进器的电性能，降低了航天器的有效载荷比例。若能将中和电子源取消，将有效提高离子推进器的性能，在同等有效载荷时，可以减小航天器的体积、质量，减小发射成本；或在同等发射体积、质量的情况下，有效提高航天器的有效载荷，提高航天器的使用效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的

具体实施方式

部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明中离子推进器的结构示意图；

图2是本发明中加速栅极脉冲时域图。

附图标记说明

1-电离室 2-主阴极

3-屏栅 4-加速栅

5-推进气体

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，“内、外、前、后”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

参见图1，本发明提供一种离子推进器，包括电离室1、设置在电离室1前方的主阴极2、自前往后依次设置在电离室1后方的屏栅3和加速栅4；其中，主阴极2上形成有主阴极通道，电离室1上位于主阴极2的一侧设有进口通道，以使得推进气体5能够通过主阴极通道和进口通道注入电离室1；主阴极2用于发射电子到电离室1与推进气体5碰撞以使得推进气体5被电离成正离子和电子，电离室1内气体为等离子态；此时，在加速栅4上加上脉冲电压，当电压为正时，电子从电离室1被加速，从屏栅3和加速栅4的孔中发射出去；当电压为负时，正离子从电离室1被加速，从屏栅3和加速栅4的孔中发射出去，以产生与离子运动方向相反的推力来推动航天器加速运动。

在加速栅4上加正负脉冲电压，按照时间顺序，依次支取正离子和电子；其中，

在加速栅极电压为正时，支取电子，在加速栅极电压为负时，支取正离子，以通过正离子流和电子流的平衡，保证支取的等离子体为电中性，保证航天器为电中性。

在上述过程中，加速栅极脉冲负脉冲波型支取的正离子控制离子推进器的推力和比冲。

而加速栅极脉冲正脉冲波型支取的电子用于中和支取的正离子和平衡航天器表面的电中性。

如图2所示，加速栅极正负脉冲波型为方波、正弦波或锯齿波，也可以为其它波型，不要求时间、电压对称，只要保证电子流和正离子流的一致。

由于离子推进器中，起到推力作用的是正离子源，相关的电子源仅起到中和正离子和平衡航天器电中性的辅助作用，电子源及其相关的部件降低了离子推进器的电性能，降低了航天器的有效载荷比例。若能将中和电子源取消，将有效提高离子推进器的性能，在同等有效载荷时，可以减小航天器的体积、质量，减小发射成本；或在同等发射体积、质量的情况下，有效提高航天器的有效载荷，提高航天器的使用效率。

因此，通过上述技术方案，利用离子推进器中性离子体，在加速栅极上加为脉冲波型，通过调节加速栅极的电压，按照时间顺序，依次支取正离子和电子。在加速栅极电压为正时，支取电子，在加速栅极电压为负时，支取正离子，通过正离子流和电子流的平衡，保证支取的等离子体为电中性，保证航天器(空间载荷)为电中性。

此外，该离子推进器与常规离子推进器相比，不需要中和电子源，不需要与中和电子源配套的气体及其相关的部件(如供气阀门、供气阀门电源、气体流量计等)，更不需要与中和电子源配套的电源，优势明显。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。