一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块

1.本发明涉及空间电推进技术领域，更具体涉及一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块。


背景技术：

2.离子推力器，又称离子发动机，为空间电推进技术中的一种，其特点是推力小、比冲高，广泛应用于空间推进，如航天器姿态控制、位置保持、轨道机动和星际飞行等。其原理是先将气态工质电离，并在强电场作用下将离子加速喷出，通过反作用力推动卫星进行姿态调整或者轨道转移任务。
3.离子推进器的栅极之间有上千伏特的电压，可以将放电室内电离产生的离子加速到非常高的速度，高速离子从栅极系统中喷出，然后被中和器中和，从而产生推力。由此可见，离子推进器的栅极系统是产生推进器产生推力的主要部件，其重要性不言而喻。
4.研究结果显示，加速栅极下平面腐蚀是由于下游返回的cex离子撞击下表面形成的，加速栅极电势的变化对加速栅极孔内表面的腐蚀深度影响甚微，改变屏栅极电势致使加速栅极上游位置的cex离子能量随之变化，可影响加速栅极孔内表面的腐蚀；轰击加速栅极孔内表面的cex离子来源于加速栅极的上游、孔内和下游三个位置，而且来源于加速栅极上游位置的cex离子所具有的能量比来源于加速栅极下游及孔内的cex离子所具有的能量大，因此，加速栅极孔内表面的腐蚀主要由其上游产生的cex离子在栅极之间的电场作用下加速运动碰撞加速栅极孔内表面而造成的。
5.加速栅极受到腐蚀后需要进行更换，目前大部分是将旧的加速栅极拆除后，再安装新的加速栅极，步骤繁琐、耗时较长。因此，亟需一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块。


技术实现要素：

6.本发明需要解决的技术问题是提供一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块，以解决栅极在太空中难以更换的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
8.一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块，包括依次安装在一起的电离室、屏栅、栅极安装套、加速栅模块和栅极盖，且位于两端的电离室和栅极盖扣合在一起；所述加速栅模块包括依次设置的第一固定圈、第一加速栅模块、固定环、第二加速栅模块、第二固定圈，且第二加速栅模块与第一加速栅模块相对设置；所述第一加速栅模块上设置有用于控制第一加速栅模块散开的动力组件；所述第二加速栅模块上设置有用于控制第二加速栅模块闭合的驱动组件。
9.进一步优化技术方案，所述电离室上设置有第一法兰盘，栅极盖上设置有配合第一法兰盘的第二法兰盘，并通过螺栓连接。
10.进一步优化技术方案，所述第一加速栅模块包括呈圆环形的加速栅模块支架，加
速栅模块支架的一面滑动配设有若干可挡住加速栅模块支架上圆孔的加速栅叶片，加速栅模块支架的另一面设置动力组件；所述加速栅模块支架上设置有若干呈发散状并向边缘方向延伸的弧形槽，动力组件通过弧形槽与加速栅叶片连接。
11.进一步优化技术方案，所述动力组件包括连接在一起的第一弹簧组、第二弹簧组，第一弹簧组、第二弹簧组均连接有设置在加速栅叶片上的圆柱卡扣，且圆柱卡扣滑动设置在弧形槽内；所述第一弹簧组一端设置与加速栅模块支架铰接的连接头，连接头连接有发热电阻，且发热电阻上设置大电流熔断丝；所述大电流熔断丝连接有第一弹簧丝，第一弹簧丝的另一端设置有铰接在圆柱卡扣上的环套；所述环套连接第二弹簧组，第二弹簧组包括与环套连接的第二弹簧丝，第二弹簧丝的另一端设置连接头并铰接加速栅叶片。
12.进一步优化技术方案，所述加速栅模块支架上设置有与动力组件中连接头连接的第一转轴、第二转轴，第一转轴设置于弧形槽近心端的旁边，第二转轴设置于旁边弧形槽远心端的旁边。
13.进一步优化技术方案，所述加速栅叶片一侧设置滑槽、另一侧设置有可与滑槽配合的滑托，且加速栅叶片滑槽与滑托之间形成等腰三角形，以沿弧形槽运动后形成散开状态。
14.进一步优化技术方案，所述第二加速栅模块结构与第一加速栅模块结构的区别在于第二加速栅模块上设置有方向与第一加速栅模块上动力组件结构相同、设置方向相反的驱动组件，以实现相反的运动状态。
15.由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
16.本发明提供的一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块，将传统的一体式栅极更换成叶片式栅极，将栅极叶片整齐排列在加速栅模块支架上；通过动力组件带动栅极叶片实现收缩和释放，从而有效提高更换栅极的效率。本发明具有结构简单、更换方便、自动化程度高的优点。
附图说明
17.图1为本发明的爆炸图；
18.图2为本发明第一加速栅模块的结构示意图；
19.图3为本发明第一弹簧组的结构示意图；
20.图4为本发明加速栅叶片的结构示意图。
21.其中：1、电离室，11、第一法兰盘，2、屏栅，3、栅极安装套，4、第一固定圈，5、第一加速栅模块，51、动力组件，511、第一弹簧组，5111、连接头，5112、发热电阻，5113、大电流熔断丝，5114、第一弹簧丝，512、第二弹簧组，5121、第二弹簧丝，53、加速栅模块支架，531、弧形槽，54、加速栅叶片，541、滑槽，542、滑托，543、圆柱卡扣，6、固定环，7、第二加速栅模块，8、第二固定圈，9、栅极盖，91、第二法兰盘。
具体实施方式
22.下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
23.一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块，结合图1至图4所示，包括电离室1、屏栅2、栅极安装套3、第一固定圈4、第一加速栅模块5、固定环6、第二固定圈8、栅极盖9、
第二法兰盘91。电离室1上设置第一法兰盘11。第一加速栅模块5包括动力组件51、第二加速栅模块7、加速栅模块支架53、加速栅叶片54；动力组件51包括第一弹簧组511、第二弹簧组512；第一弹簧组511包括连接头5111、发热电阻5112、大电流熔断丝5113、第一弹簧丝5114；第二弹簧组512包括第二弹簧丝5121；加速栅模块支架53上设置弧形槽531；加速栅叶片54上设置滑槽541、滑托542、圆柱卡扣543。
24.电离室1、屏栅2、栅极安装套3、加速栅模块和栅极盖9依次安装在一起，电离室1上设置有第一法兰盘11，栅极盖9上设置有配合第一法兰盘11的第二法兰盘91，电离室1和栅极盖9通过螺栓和法兰盘连接在一起。
25.加速栅模块包括依次设置的第一固定圈4、第一加速栅模块5、固定环6、第二加速栅模块7、第二固定圈8。
26.第一加速栅模块5包括加速栅模块支架53，加速栅模块支架53呈圆环形。加速栅模块支架53上均匀设置有若干弧形槽531，弧形槽531呈发散状并向边缘方向延伸。加速栅模块支架53上滑动配设有若干加速栅叶片54，加速栅叶片54上设置有圆柱卡扣543，圆柱卡扣543滑动设置在弧形槽531内；加速栅叶片54可沿弧形槽531滑动实现散开，以露出加速栅模块支架53上的圆孔。加速栅叶片54的一侧设置滑槽541、另一侧设置有可与滑槽541配合的滑托542，且加速栅叶片54滑槽541与滑托542之间形成等腰三角形，以在闭合状态后形成无缝整体。
27.加速栅模块支架53上设置有与加速栅叶片54连接、用于提供动力的动力组件51。加速栅模块支架53上设置有与动力组件51两端连接的第一转轴、第二转轴，第一转轴设置于弧形槽531近心端的旁边，第二转轴设置于旁边弧形槽531远心端的旁边。
28.动力组件51包括连接在一起的第一弹簧组511、第二弹簧组512，初始状态下，第一弹簧组511、第二弹簧组512处于均拉伸状态，且保证环套位于对应弧形槽531的近心端。第一弹簧组511一端设置连接头5111并与加速栅模块支架53上的第一转轴铰接，连接头5111连接有发热电阻5112，且发热电阻5112上设置大电流熔断丝5113。大电流熔断丝5113上连接有第一弹簧丝5114，第一弹簧丝5114的另一端设置有铰接在圆柱卡扣543上的环套。环套连接第二弹簧组512，第二弹簧组512包括与环套连接的第二弹簧丝5121，第二弹簧丝5121的另一端设置连接头5111并铰接加速栅叶片54上的第二转轴。
29.第二加速栅模块7结构与第一加速栅模块5结构的区别：在于第二加速栅模块7上设置有方向与第一加速栅模块5上动力组件51方向相反的驱动组件，以实现两者的加速栅叶片54进行相反的运动。第二加速栅模块7上第一弹簧组511的连接头5111与加速栅叶片54上的第二转轴铰接；第二加速栅模块7上第二弹簧组512的连接头5111与加速栅叶片54上的第一转轴铰接，第一弹簧组511、第二弹簧组512之间的环套铰接在圆柱卡扣543上。初始状态下，第二加速栅模块7上第一弹簧组511、第二弹簧组512处于均拉伸状态，第一弹簧组511的形变量小于第二弹簧组512的形变量，且保证环套位于对应弧形槽531的远心端，实现第二加速栅模块7的散开状态。
30.本发明在实际使用时，使第一弹簧组511拉紧第二弹簧组512，且第一弹簧组511形变量小于第二弹簧组512，保证环套位于对应弧形槽531的近心端，加速栅模块支架53上加速栅叶片54的处于闭合状态。当第一加速栅模块5上的加速栅叶片54到达额定寿命后，第一弹簧组511上的大电流熔断丝5113熔断，第二弹簧组512失去第一弹簧组511的拉力，第二弹
簧组512收缩，进而带动加速栅叶片54向弧形槽531的远心端散开，由于加速栅叶片54之间是通过滑槽541和滑托542拼合在一起的，其他加速栅叶片54也同步散开。同时，将位于第二加速栅模块7上的第一弹簧组511的大电流熔断丝5113熔断，第二加速栅模块7上的第二弹簧组512收缩带动加速栅叶片54向弧形槽531的近心端闭合，以保证第一加速栅模块5上加速栅叶片收缩的同时，第二加速栅模块7上的加速栅叶片立即合并，完成自动换栅。

技术特征：
1.一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块，其特征在于：包括依次安装在一起的电离室(1)、屏栅(2)、栅极安装套(3)、加速栅模块和栅极盖(9)，且位于两端的电离室(1)和栅极盖(9)扣合在一起；所述加速栅模块包括依次设置的第一固定圈(4)、第一加速栅模块(5)、固定环(6)、第二加速栅模块(7)、第二固定圈(8)，且第二加速栅模块与第一加速栅模块相对设置；所述第一加速栅模块(5)上设置有用于控制第一加速栅模块(5)散开的动力组件(51)；所述第二加速栅模块(7)上设置有用于控制第二加速栅模块(7)闭合的驱动组件。2.根据权利要求1所述的一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块，其特征在于：所述电离室(1)上设置有第一法兰盘(11)，栅极盖(9)上设置有配合第一法兰盘(11)的第二法兰盘(91)，并通过螺栓连接。3.根据权利要求2所述的一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块，其特征在于：所述第一加速栅模块(5)包括呈圆环形的加速栅模块支架(53)，加速栅模块支架(53)的一面滑动配设有若干可挡住加速栅模块支架(53)上圆孔的加速栅叶片(54)，加速栅模块支架(53)的另一面设置动力组件(51)；所述加速栅模块支架(53)上设置有若干呈发散状并向边缘方向延伸的弧形槽(531)，动力组件(51)通过弧形槽(531)与加速栅叶片(54)连接。4.根据权利要求3所述的一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块，其特征在于：所述动力组件(51)包括连接在一起的第一弹簧组(511)、第二弹簧组(512)，第一弹簧组(511)、第二弹簧组(512)均连接有设置在加速栅叶片(54)上的圆柱卡扣(543)，且圆柱卡扣(543)滑动设置在弧形槽(531)内；所述第一弹簧组(511)一端设置与加速栅模块支架(53)铰接的连接头(5111)，连接头(5111)连接有发热电阻(5112)，且发热电阻(5112)上设置大电流熔断丝(5113)；所述大电流熔断丝(5113)连接有第一弹簧丝(5114)，第一弹簧丝(5114)的另一端设置有铰接在圆柱卡扣(543)上的环套；所述环套连接第二弹簧组(512)，第二弹簧组(512)包括与环套连接的第二弹簧丝(5121)，第二弹簧丝(5121)的另一端设置连接头(5111)并铰接加速栅叶片(54)。5.根据权利要求3所述的一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块，其特征在于：所述加速栅模块支架(53)上设置有与动力组件(51)中连接头(5111)连接的第一转轴、第二转轴，第一转轴设置于弧形槽(531)近心端的旁边，第二转轴设置于旁边弧形槽(531)远心端的旁边。6.根据权利要求4所述的一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块，其特征在于：所述加速栅叶片(54)一侧设置滑槽(541)、另一侧设置有可与滑槽(541)配合的滑托(542)，且加速栅叶片(54)滑槽(541)与滑托(542)之间形成等腰三角形，以沿弧形槽(531)运动后形成散开状态。7.根据权利要求6所述的一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块，其特征在于：所述第二加速栅模块(7)结构与第一加速栅模块(5)结构的区别在于第二加速栅模块(7)上设置有方向与第一加速栅模块(5)上动力组件(51)结构相同、设置方向相反的驱动组件，以实现相反的运动状态。

技术总结
本发明公开了一种微纳卫星离子推力器可自动更换栅极模块，包括依次安装在一起的电离室、屏栅、栅极安装套、加速栅模块和栅极盖，且位于两端的电离室和栅极盖扣合在一起；加速栅模块包括依次设置的第一固定圈、第一加速栅模块、固定环、第二加速栅模块、第二固定圈，且第二加速栅模块与第一加速栅模块相对设置；第一加速栅模块上设置有动力组件；第二加速栅模块上设置有驱动组件。本发明具有结构简单、更换方便、自动化程度高的优点。自动化程度高的优点。自动化程度高的优点。


技术研发人员：王晓光 完金龙 周兰英 高梓涵 夏广庆 康会峰 鹿畅 宣佳林
受保护的技术使用者：北华航天工业学院
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/7/18