一种碳纳米管场电离推力器及推力性能调控方法

1.本发明涉及一种碳纳米管场电离推力器及推力性能调控方法，属于空间推进技术领域。


背景技术：

2.基于碳纳米管场电离的微推力器是一种新概念的微电推力器，主要是应用于空间微纳卫星精细姿轨控制和位置保持。该推力器利用发射极上碳纳米管的高长径比和阵列结构产生高场强实现气体工质的电离，并在电场作用下加速喷出产生推力。
3.如发明专利cn113027717a中提到的一种基于碳纳米管微孔阵列电极的微推力器，使用了冷压接线端子和接线端进行电气连接，导电环接线端尺寸过长，结构不稳定，并且这种连接方式对推力器的结构均衡性产生了一定程度的破坏。如发明专利cn113482870b中提到的一种双栅极结构的碳纳米管气体场电离推力器，使用了第二个栅极对产生的带电粒子进行二次加速。
4.现有的技术方案结构布局均未考虑对发射极分区域供电和使用磁场控制带电粒子引出速度，使用外加磁场来提高推力器性能的方法已被应用于多种其他的电推进系统，例如，离子推力器和霍尔推力器都通过使用外加磁场来改善推进剂的电离和加速过程。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种碳纳米管场电离推力器及推力性能调控方法，实现对已电离气体的速度大小、速度方向和推力器推力矢量的调控。碳纳米管场电离推力器对气体工质进行电离、加速和引出，形成推力；推力器工作时，碳纳米管发射极上不同位置产生的带电粒子会有不同的初速度，通过控制碳纳米管发射极的供电区域对带电粒子的生成位置进行有效控制，进而调控带电粒子引出的速度大小、速度方向，进而对推力器的推力矢量进行调控；在电离加速室出口位置设置环形磁体，通过磁感线约束带电粒子运动，提高带电粒子的引出率，使带电粒子的引出更加集中，达到使用外加磁场提高碳纳米管场电离推力器性能的作用；通过改变碳纳米管发射极的供电区域和环形磁体的共同作用产生不同性能的调控。
6.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
7.本发明公开的一种碳纳米管场电离推力器，包括气体扩散室、电离加速室和环形磁体。所述气体扩散室主要由通气底座、隔离层、发射极底座、碳纳米管发射极组成；电离加速室主要由碳纳米管发射极、间距调节片、提取栅极组成。所述碳纳米管发射极为气体扩散室和电离室共用。气体通过通气底座进入气体扩散室完成扩散；气体工质通过碳纳米管发射极上的通气孔进入电离加速室，通过给碳纳米管发射极供电，在电离加速室实现气体的电离和加速；电离后的气体离子通过电离加速室的提取栅极的气孔引出形成推力。将环形磁体安装在推力器出口处，气体电离产生的带电粒子位于磁体的磁场包络内。利用环形磁体的轴向磁场形成径向洛伦兹力，通过所述径向洛伦兹力约束带电粒子运动，使带电粒子
速度方向与喷管轴线更加一致、平行，进而提高能产生推力的有效速度分量，进一步提高碳纳米管场电离推力器比冲和推力。
8.未加环形磁体的碳纳米管场电离推力器推力的计算公式如下：
[0009][0010]
其中q和m分别为带电粒子的电荷量和质量，u为碳纳米管场电离推力器的电压，为进气流量。
[0011]
安装环形磁体的碳纳米管场电离推力器推力的计算公式为：
[0012]
tf＝αt
[0013]
其中α为修正系数，α＞1。
[0014]
将碳纳米管发射极周向分为n个扇形区域，轴向分为m层，形成碳纳米管发射极栅格。
[0015]
作为优选，通过改变碳纳米管发射极栅格的供电状态控制带电粒子的生成位置按相应栅格生成。由于电场的作用，不同位置的带电粒子在加速引出过程中形成的推力矢量不同，通过控制带电粒子的生成位置进而调控碳纳米管场电离推力器的推力大小和方向。
[0016]
作为优选，碳纳米管发射极中心栅格产生的带电粒子与碳纳米管发射极边缘栅格产生的带电粒子相比，引出后带电粒子的速度方向更加贴近出口轴线，有效速度更大，产生的推力更大。边缘栅格产生的带电粒子由于电场分布不均未能实现推力最大化。通过环形磁体作用使碳纳米管发射极所有栅格生成的带电粒子与喷管轴线更加一致、平行，即使所有栅格产生的带电粒子能实现推力最大化，进而提高碳纳米管场电离推力器总比冲和总推力。
[0017]
本发明公开的一种碳纳米管场电离推力器的推力性能调控方法，通过调节碳纳米管发射极供电栅格开关、调节环形磁体的开关，使所述一种碳纳米管场电离推力器具有四种工作模式：
[0018]
工作模式一：当碳纳米管发射极供电栅格全开、环形磁体关闭工况下，所述碳纳米管气体场电离推力器，仅通过改变碳纳米管发射极的电压大小对推力进行调控。
[0019]
工作模式二：当调节碳纳米管发射极供电栅格开关、环形磁体关闭工况下，通过改变碳纳米管发射极栅格的供电状态控制带电粒子的生成位置按相应栅格生成。由于电场的作用，不同位置的带电粒子在加速引出过程中形成的推力矢量不同，通过控制带电粒子的生成位置进而调控碳纳米管场电离推力器的推力大小和方向。
[0020]
工作模式三：通过环形磁体作用使碳纳米管发射极所有栅格生成的带电粒子与喷管轴线更加一致、平行，使所有栅格产生的带电粒子能实现推力最大化，进而提高碳纳米管场电离推力器总比冲和总推力。
[0021]
工作模式四：当调节碳纳米管发射极供电栅格开关、环形磁体开启工况下，环形磁体对带电粒子的约束作用会抵消由于改变碳纳米管发射极供电栅格引起的带电粒子速度矢量的改变，在碳纳米管发射极供电栅格和环形磁体的共同作用下，加强环形磁体的磁场强度，增大磁感线对带电粒子的约束作用，使带电离子加速引出后更加一致、平行，使供电栅格产生的带电粒子产生更大的推力，进而实现碳纳米管场电离推力器推力大小的精确调
控。
[0022]
为了进一步便于推力性能调控，作为进一步优选，碳纳米管发射极供电栅格的面积相等，所述扇形区域数量为8个，轴向分为2层。
[0023]
有益效果：
[0024]
1、本发明公开的一种碳纳米管场电离推力器及推力性能调控方法主体为一种带有环形磁体的碳纳米管场电离推力器，其结构为：碳纳米管发射极、间距调节片、提取栅极组成电离加速室，通过给提取栅极加电，实现离子的加速，通过引出离子形成推力。通过电离加速室外部的环形磁体约束带电粒子运动，使其速度方向与出口轴线更加一致、平行，进而提高能产生推力的有效速度分量(轴向速度分量)，间接提高推力性能。
[0025]
2、本发明公开的一种碳纳米管场电离推力器及推力性能调控方法，将碳纳米管发射极进行区域划分，并且分别供电，通过增加或减少供电区域数量控制带电粒子加速引出后的速度大小和速度方向，实现推力器推力的矢量调控。
[0026]
3、本发明公开的一种碳纳米管场电离推力器及推力性能调控方法，通过改变碳纳米管发射极供电区域和控制环形磁体磁场强度，组合手段对推力器的推力矢量进行精确调控，可以分别实现控制推力方向、推力大小、推力调节分辨率等目的。
附图说明
[0027]
图1为带有环形磁体的碳纳米管场电离推力器结构示意图；
[0028]
图2为带有环形磁体的碳纳米管场电离推力器三维示意图；
[0029]
图3为区域划分的碳纳米管发射极；
[0030]
其中：1-通气底座、2-隔离层、3-发射极底座、4-碳纳米管发射极、5-间距调节片、6-提取栅极、7-环形磁体。
具体实施方式
[0031]
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图对发明内容做进一步说明。
[0032]
如图1、2所示，本实施例公开的一种带有环形磁体的碳纳米管场电离推力器，主要由气体扩散室、电离加速室、外部环形磁体三部分组成。气体扩散室主要由通气底座1、隔离层2、发射极底座3、碳纳米管发射极4组成；电离加速室主要由碳纳米管发射极4、间距调节片5、提取栅极6组成；所述碳纳米管发射极4为气体扩散室和电离室共用。
[0033]
本实施例公开的一种碳纳米管场电离推力器及推力性能调控方法为：气体通过通气底座1进入气体扩散室完成扩散；气体工质通过碳纳米管发射极4上的通气孔进入电离室，通过给碳纳米管发射极施加+1000v电压和给提取栅极施加0v电压，在电离室实现气体的电离和加速；电离后的气体离子通过提取栅极6的气孔引出形成推力；带电粒子引出后，受到外部环形磁体7产生的轴向磁场的径向洛伦兹力，约束带电粒子运动，使带电粒子速度方向与出口轴线更加一致、平行，进而提高能产生推力的有效速度分量(轴向速度分量)，间接提高推力性能。碳纳米管发射极由内中外三个环形区域组成，最外侧的环形区域为安装限位区域，不参与推力器工作过程，将中间环形区域和内侧圆形区域划分为十六个等面积的扇形区域，等面积的碳纳米管发射极可以产生同样数量的带电粒子。保持碳纳米管发射极施加的+1000v电压和给提取栅极施加的0v电压，将碳纳米管发射极供电区域从全部区域
变为区域ⅰ和区域ⅱ，区域ⅰ和区域ⅱ为对称区域，产生的带电粒子引出后的速度在方向上的差异相互抵消，推力器产生的推力变为原来的八分之一。
[0034]
保持碳纳米管发射极施加的+1000v电压和给提取栅极施加的0v电压，将碳纳米管发射极供电区域从全部区域变为区域ⅰ、区域ⅱ和区域ⅲ，区域ⅰ和区域ⅲ不为对称区域，产生的带电粒子引出后速度矢量会在相应方向产生偏移，从而影响推力方向。保持碳纳米管发射极施加的+1000v电压和给提取栅极施加的0v电压，将碳纳米管发射极供电区域从全部区域变为区域ⅰ、区域ⅱ和区域ⅲ，同时启动外部环形磁体，环形磁体产生的磁场约束带电粒子运动，使其速度方向与出口轴线更加一致、平行，推力器产生的推力变为原来的十六分之三。
[0035]
碳纳米管发射极中心区域产生的带电粒子与碳纳米管发射极边缘区域产生的带电粒子相比，引出后带电粒子的速度方向更加贴近出口轴线，有效速度更大，产生的推力更大；增加碳纳米管发射极的供电区域可以产生更多的带电粒子，引出后产生更大的推力。如对碳纳米管发射极中心区域供电，带电粒子引出后的比较集中，推力效果较好，如对相同面积的碳纳米管发射极边缘区域供电，带电粒子引出后比较分散，推力效果较差。也可以通过给不对称的碳纳米管发射极区域供电，达到控制带电粒子引出后的速度方向的作用，进一步控制推力器的推力方向。
[0036]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种碳纳米管场电离推力器，其特征在于：包括气体扩散室、电离加速室和环形磁体；所述气体扩散室主要由通气底座、隔离层、发射极底座、碳纳米管发射极组成；电离加速室主要由碳纳米管发射极、间距调节片、提取栅极组成；所述碳纳米管发射极为气体扩散室和电离室共用；气体通过通气底座进入气体扩散室完成扩散；气体工质通过碳纳米管发射极上的通气孔进入电离加速室，通过给碳纳米管发射极供电，在电离加速室实现气体的电离和加速；电离后的气体离子通过电离加速室的提取栅极的气孔引出形成推力；将环形磁体安装在推力器出口处，气体电离产生的带电粒子位于磁体的磁场包络内；利用环形磁体的轴向磁场形成径向洛伦兹力，通过所述径向洛伦兹力约束带电粒子运动，使带电粒子速度方向与喷管轴线更加一致、平行，进而提高能产生推力的有效速度分量，进一步提高碳纳米管场电离推力器比冲和推力。2.如权利要求1所述的一种碳纳米管场电离推力器，其特征在于：未加环形磁体的碳纳米管场电离推力器推力的计算公式如下：其中q和m分别为带电粒子的电荷量和质量，u为碳纳米管场电离推力器的电压，为进气流量；安装环形磁体的碳纳米管场电离推力器推力的计算公式为：t
f
＝αt其中α为修正系数，α＞1。3.如权利要求2所述的一种碳纳米管场电离推力器，其特征在于：将碳纳米管发射极周向分为n个扇形区域，轴向分为m层，形成碳纳米管发射极栅格。4.如权利要求3所述的一种碳纳米管场电离推力器，其特征在于：通过改变碳纳米管发射极栅格的供电状态控制带电粒子的生成位置按相应栅格生成；由于电场的作用，不同位置的带电粒子在加速引出过程中形成的推力矢量不同，通过控制带电粒子的生成位置进而调控碳纳米管场电离推力器的推力大小和方向。5.如权利要求3所述的一种碳纳米管场电离推力器，其特征在于：碳纳米管发射极中心栅格产生的带电粒子与碳纳米管发射极边缘栅格产生的带电粒子相比，引出后带电粒子的速度方向更加贴近出口轴线，有效速度更大，产生的推力更大；边缘栅格产生的带电粒子由于电场分布不均未能实现推力最大化；通过环形磁体作用使碳纳米管发射极所有栅格生成的带电粒子与喷管轴线更加一致、平行，即使所有栅格产生的带电粒子能实现推力最大化，进而提高碳纳米管场电离推力器总比冲和总推力。6.一种碳纳米管场电离推力器的推力性能调控方法，基于如权利要求3所述的一种碳纳米管场电离推力器实现，其特征在于：通过调节碳纳米管发射极供电栅格开关、调节环形磁体的开关，使所述一种碳纳米管场电离推力器具有四种工作模式：工作模式一：当碳纳米管发射极供电栅格全开、环形磁体关闭工况下，所述碳纳米管气体场电离推力器，仅通过改变碳纳米管发射极的电压大小对推力进行调控；工作模式二：当调节碳纳米管发射极供电栅格开关、环形磁体关闭工况下，通过改变碳纳米管发射极栅格的供电状态控制带电粒子的生成位置按相应栅格生成；由于电场的作
用，不同位置的带电粒子在加速引出过程中形成的推力矢量不同，通过控制带电粒子的生成位置进而调控碳纳米管场电离推力器的推力大小和方向；工作模式三：通过环形磁体作用使碳纳米管发射极所有栅格生成的带电粒子与喷管轴线更加一致、平行，使所有栅格产生的带电粒子能实现推力最大化，进而提高碳纳米管场电离推力器总比冲和总推力；工作模式四：当调节碳纳米管发射极供电栅格开关、环形磁体开启工况下，环形磁体对带电粒子的约束作用会抵消由于改变碳纳米管发射极供电栅格引起的带电粒子速度矢量的改变，在碳纳米管发射极供电栅格和环形磁体的共同作用下，加强环形磁体的磁场强度，增大磁感线对带电粒子的约束作用，使带电离子加速引出后更加一致、平行，使供电栅格产生的带电粒子产生更大的推力，进而实现碳纳米管场电离推力器推力大小的精确调控。7.如权利要求6所述的一种碳纳米管场电离推力器的推力性能调控方法，其特征在于：碳纳米管发射极供电栅格的面积相等，所述扇形区域数量为8个，轴向分为2层。

技术总结
本发明公开的一种碳纳米管场电离推力器及推力性能调控方法，属于空间推进技术领域。本发明包括气体扩散室、电离加速室和环形磁体。将碳纳米管发射极进行区域划分。碳纳米管场电离推力器对气体工质进行电离、加速和引出，形成推力；推力器工作时，碳纳米管发射极上不同位置产生的带电粒子有不同初速度，通过控制碳纳米管发射极的供电区域对带电粒子的生成位置进行有效控制，调控带电粒子引出的速度大小、速度方向，对推力器的推力矢量进行调控；在电离加速室出口位置设置环形磁体，通过磁感线约束带电粒子运动，提高带电粒子引出率，使带电粒子的引出更加集中；通过改变碳纳米管发射极的供电区域和环形磁体的共同作用产生不同性能的调控。同性能的调控。同性能的调控。


技术研发人员：王云冰 武志文 黄天坤 孙伟 汪宇欣
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/4