(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211276302.2 (22)申请日 2022.10.17 (71)申请人 兰州空间技 术物理研究所 地址 730010 甘肃省兰州市城关区高新飞 雁街100号 (72)发明人 石明　郭德洲　李娟　耿海　 贾艳辉　赵以德　王彦龙　李建鹏　 (74)专利代理 机构 北京元理果知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11938 专利代理师 饶小平 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/18(2020.01) G06F 119/20(2020.01) (54)发明名称 一种可降低束流发散角的球面栅极设计方 法 (57)摘要 本申请涉及航 天空间电推进技术领域， 具体 而言， 涉及一种可降低束流发散角的球面栅极设 计方法， 包括： 步骤1： 根据栅极的最佳导流系数， 确定栅极的束 流直径； 步骤2： 根据栅极的球面半 径和栅极的束流直径的最佳比值， 确定栅极的拱 高； 步骤3： 根据栅孔离子光学偏转原理， 确定栅 极的栅孔轴线相对偏心距； 步骤4： 通过束流发散 角测量试验进行校核， 得到最优化的栅极栅孔偏 心设计； 步骤5： 完成球面栅极的整体设计。 本申 请针对氙离子推力器栅极的工作及应用特点， 利 用栅极栅孔离子导流和离子光学偏转原理， 可使 栅极截获电流/束电流≤0.5％， 且束流发散半角 ≤15°， 解决了现有大口径离子推力器球面栅极 束流发散问题， 同时降低其设计成本和应用成 本。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 115510678 A 2022.12.23 CN 115510678 A 1.一种可降低束流发散角的球面 栅极设计方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1： 根据栅极的最佳导 流系数， 确定栅极的束流 直径； 步骤2： 根据栅极的球面半径和栅极的束流 直径的最佳比值， 确定栅极的拱高； 步骤3： 根据栅 孔离子光学偏转原理， 确定栅极的栅 孔轴线相对偏心 距； 步骤4： 通过束流发散角测量试验进行 校核， 得到最优化的栅极栅 孔偏心设计； 步骤5： 完成球面 栅极的整体设计。 2.根据权利要求1所述的可降低束流发散角的球面栅极设计方法， 其特征在于， 所述栅 极适用于以氙气作为工质的离 子推力器。 3.根据权利要求2所述的可降低束流发散角的球面栅极设计方法， 其特征在于， 步骤1 中， 在栅极最佳导 流系数下， 栅极的束流 直径DB根据如下公式获得： 其中： T表示推力， ηm表示工质利用率， Isp表示比冲， 由离子推力器推进分系统直接给 出； lg表示栅间距， ts表示屏栅厚度， ds表示屏栅 孔径， Vt表示总加速电压， 由指标分解得 出。 4.根据权利要求3所述的可降低束流发散角的球面栅极设计方法， 其特征在于， 步骤2 中， 栅极的球面半径和栅极的束流 直径的最佳比值 为2.0‑2.5。 5.根据权利要求4所述的可降低束流发散角的球面栅极设计方法， 其特征在于， 步骤2 中， 栅极的拱高h根据如下公式获得： DB2+4h2＝8Rh 其中： DB为栅极的束流 直径， R为 栅极的球面半径。 6.根据权利要求5所述的可降低束流发散角的球面栅极设计方法， 其特征在于， 步骤3 中， 栅极的栅 孔轴线相对偏心 距 τθ根据如下公式获得： 其中： ta表示加速栅厚度， 由指标分解得出； da表示加速栅孔径； θ表示球面栅极栅孔所 在方位角； kθ表示与θ相关的离子光学偏转系数， 根据Poisson方程求解得出， 范围在0.25～ 0.35。 7.根据权利要求6所述的可降低束流发散角的球面栅极设计方法， 其特征在于， 步骤4 中， 最优化的栅极栅孔偏心设计条件为栅极的截获电流/束电流≤0.5％， 且束流发散半角 ≤15°。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115510678 A 2一种可降低束流发散角的球面栅极设计方 法 技术领域 [0001]本申请涉及航天空间电推进技术领域， 具体而言， 涉及一种可降低束流发散角的 球面栅极设计方法。 背景技术 [0002]离子电推进是一种先进的空间推进类型， 由于其高比冲、 高效能、 微推力等主要特 征， 在长寿命卫星、 深空探测、 无拖曳控制等航天工程中发挥极其突出的作用， 已经成为航 天推进技 术的前沿。 [0003]栅极是离子推力器的关键组件， 为多孔高透明度薄壁结构， 其主要功能是聚焦并 加速引出放电室内工质气体电离后产生的离子， 从而产生推力。 随着离子推力器空间应用 需求的不断提高， 大 口径离子推力器的需求愈加显得迫切。 一般大 口径的栅极都采用球面 构型， 以保证栅极具备一定的刚性， 且在热循环工况和力学环境中栅极形变方向的一致性， 但栅极采用球面构型后， 会使束流 发散角显著增大， 导致离子推力器的推力损失， 同时影响 离子推力器的周围载荷设施。 [0004]为了解决上述问题， 现有技术通常为调整离子推力器周围载荷设施布局， 同时设 计多款栅极开展正交束流 发散角测量试验， 但是并不能对球面栅极设计形成有效降低束流 发散角的类比指导， 因此， 亟需探索一种能够有效降 降低束流发散角的球面 栅极设计方法。 发明内容 [0005]本申请提供了一种可降低 束流发散角的球面栅极设计方法， 能够解决现有大口径 离子推力器 球面栅极束流发散角增大导 致的设计成本高和应用成本高的问题。 [0006]为了实现上述目的， 本申请提供了一种可降低束流发散角的球面栅极设计方法， 包括如下步骤： 步骤1： 根据栅极的最佳导流系数， 确定栅极的束流直径； 步骤2： 根据栅极的 球面半径和栅极的束流直径的最佳比值， 确定栅极的拱高； 步骤3： 根据栅孔离子光学偏转 原理， 确定栅极的栅孔轴线相对偏心距； 步骤4： 通过束流 发散角测量试验进 行校核， 得到最 优化的栅极栅 孔偏心设计； 步骤5： 完成球面 栅极的整体设计。 [0007]进一步的， 栅极适用于以氙气作为工质的离 子推力器。 [0008]进一步的， 步骤1中， 在栅极最佳导流系数下， 栅极的束流直径DB根据如下公式获 得： [0009] [0010]其中： T表示推力， ηm表示工质利用率， Isp表示比冲， 由离子推力器推进分系统直接 给出； lg表示栅间距， ts表示屏栅厚度， ds表示屏栅孔径， Vt表示总加速电压， 由指标分解得 出。 [0011]进一步的， 步骤2中， 栅极的球面半径和栅极的束流 直径的最佳比值 为2.0‑2.5。说　明　书 1/4 页 3 CN 115510678 A 3