技术摘要：
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  全部
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- 3 CN 111577564 A 说　明　书 2/6 页 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。
技术实现要素：
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 4 CN 111577564 A 说　明　书 3/6 页 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。