CN101260873B - 带陶瓷喷嘴电极的脉冲等离子体推力器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械技术领域的带陶瓷喷嘴电极的脉冲等离子体推力器，其中：进给弹簧尾部展开被压在推进剂的下方，对推进剂产生一个进给力；点火电路为火花塞提供点火放电用的电能；火花塞固定在阴极上；推进剂横向被进给弹簧和阳极的凸台固定，纵向则被阴极和阳极固定，高压电容与阴极和阳极相连，电源通过导线连接到高压电容的接线柱上。本发明通过对推力器工作过程的分析，设计了一种带微晶云母陶瓷喷嘴的电极结构，代替传统的平行电极，其特点是提高了放电区域的压力，改善了电热加速，从而大大提高了脉冲等离子体推力器的推力和效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种动力机械技术领域的推力器，具体是一种带陶瓷喷嘴电极的脉冲等离子体推力器。
背景技术
传统的化学推进比冲低、质量大、结构复杂，极大地限制了它在微小卫星上的应用。从上世纪六十年代兴起的脉冲等离子体推力器是一种小推力电磁式电推力器，具有比冲高、质量小等优点，可应用于微小卫星的姿态控制、轨道转移和提升、轨道修正、阻力补偿、位置保持、重新定位和离轨处理等任务，相比化学推进可大大节约推进剂，降低发射成本。1974年，美国的一种脉冲等离子体推力器被部署在同步气象卫星(SMS)上；2000年NASA在EO-1卫星上使用了脉冲等离子推力器，进行轨道修正；俄罗斯早在1964年用六台同轴型脉冲等离子体推力器担负金星自动行星际站太阳帆板的定向控制任务。由于近几年微小卫星发展迅速，我国对脉冲等离子体推力器有较强的需求。脉冲等离子体推力器的最大缺点就是效率低，脉冲等离子体推力器的效率成为制约其发展的关键因素。如何提高脉冲等离子体推力器的效率是国内外研究的热点。
经对有关技术的文献检索发现，Gregory G.Spanjers等在1996年7月AIAA国际电推进会议论文集(AIAA-96)上发表的“Investigation of propellantinefficiencies in a pulsed plasma thruster”(脉冲等离子体推力器推进剂低效率的研究)，该文中提出脉冲等离子体推力器效率低是由于推进剂的利用率低而引起的加速效率低，提高推力器的效率应提高推进剂的加速效率。其不足在于并没有给出具体方法来提高推力器的性能。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种带陶瓷喷嘴电极的脉冲等离子体推力器，使其通过设计合理的电极结构，获得较佳的电热加速，提高了卫星发射的脉冲等离子体推力器的性能。本发明提出脉冲等离子体推力器运行过程中的二次加速机制，即将加速过程分为电热、电磁两个阶段，从改善电热加速的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：进给弹簧、点火电路、火花塞、阴极、等离子体、陶瓷喷嘴、阳极、推进剂、高压电容、电源。陶瓷喷嘴固定在阴极和阳极上，且陶瓷喷嘴靠近推进剂的表面，进给弹簧尾部展开被压在推进剂的下方，对推进剂产生一个进给力，点火电路为火花塞提供点火放电用的电能，火花塞固定在阴极上，推进剂横向被进给弹簧和阳极的凸台固定，纵向则被阴极和阳极固定，高压电容与阴极和阳极相连，电源通过导线连接到高压电容的接线柱上。
电极是脉冲等离子体推力器的关键部件，它的结构和尺寸直接影响到推力器的性能。本发明提出一种新的电极结构，即带喷嘴的电极结构。陶瓷喷嘴固定在两个阴极和阳极上。
本发明运行时，首先，火花塞点火，产生部分电子，这部分电子在阴极和阳极的高压下撞击推进剂表面，产生更多的粒子，，粒子在推进剂表面频繁碰撞，两极之间逐渐形成等离子区。高压电容、电极、等离子体之间即形成导电回路。推进剂粒子在电热加速和放电产生的磁场的作用下加速喷出，产生推力。放电初期，由于等离子体电阻的存在，放电产生大量热量，烧蚀推进剂，产生更多的粒子，使得推进剂表面的压力急剧升高，这个过程的加速是由热能主导的。本发明的目的即是改善电热加速过程的效率。降低推进剂表面附近的腔体体积是提高推力的有效措施。当推进剂消耗质量不变时，等离子体发生区域体积越小，则压强越大，加速效果也越好。
为了提高推进剂附近放电区域的压力，获得更好的加速性能，设计了带陶瓷喷嘴电极的等离子体推力器。由于陶瓷喷嘴的存在，放电时在推进剂表面区域形成一个小空间，提高了空间内等离子体的压力，产生的推力明显大于不带陶瓷喷嘴电极的推力器。与传统电极结构的脉冲等离子体推力器相比，本发明的电热加速效果好，推力提升明显。本发明大大提高了脉冲等离子体推力器的电热加速效率，从而显著提高了推力器的性能。在消耗同质量推进剂的前提下，本发明的推力提高了18％，降低推力器的点火次数，提高可靠性，从而可以使卫星更快的完成任务，效率提高了30％以上，节省大量的推进剂，间接降低了卫星的发射成本。
附图说明
图1为本发明实施例脉冲等离子体推力器的结构示意图。
图2为为本发明实施例带喷嘴的电极结构。
图中，1为进给弹簧，2为点火电路，3为火花塞，4为阴极，5为等离子体，6为陶瓷喷嘴，7为阳极，8为推进剂，9为高压电容，10为电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：进给弹簧1、点火电路2、火花塞3、阴极4、阳极7、陶瓷喷嘴6、推进剂8、高压电容9、充电电源10以及推力器壳体。进给弹簧1尾部展开被压在推进剂8的下方，对推进剂8产生一个进给力；点火电路2为火花塞3提供点火放电用的电能；火花塞3通过外螺纹固定在阴极4上；推进剂8横向被进给弹簧1和阳极7的凸台固定，纵向则被阴极4和阳极7固定；高压电容9通过螺栓与阴极4和阳极7相连；电源10通过导线连接到高压电容9的接线柱上，电源10为电容充电。
本发明中关键部件为带喷嘴的电极结构的设计。喷嘴部分的设计要求如下：
(1)考虑到放电时推进剂等离子体的高温、高速，陶瓷喷嘴6应选择耐高温、耐冲击的材料，这里选择云母陶瓷作为陶瓷喷嘴6材料；
(2)由于电热加速首先发生在推进剂表面，陶瓷喷嘴6应尽可能接近推进剂8的表面，以便有利于提高电热加速效果，陶瓷喷嘴6与推进剂8的距离约为5～15mm(根据火花塞3的尺寸的不同进行调节)；
(3)陶瓷喷嘴6的宽度应尽量小(一般小于阳极长度的1/3)，以免阻塞电磁加速通道，影响电磁加速效果；
(4)陶瓷喷嘴6的长度应该与阴极4、阳极7的宽度相等，使得推进剂8只能从两个陶瓷喷嘴6之间喷出。
如图2所示，本实施例带陶瓷喷嘴的电极结构图。陶瓷喷嘴6通过螺栓固定在阳极7上。陶瓷喷嘴6形状为阶梯状。
上述结构的推力器运行时，首先，点火电路2为火花塞3提供点火放电用的电能；火花塞3点火，产生部分电子，这部分电子在阴极4和阳极7的高压下撞击推进剂表面，产生更多的粒子，粒子在推进剂8表面频繁碰撞，两极之间逐渐形成等离子区。高压电容9、电极、等离子体之间即形成导电回路。推进剂8粒子在电热加速和放电产生的磁场的作用下加速喷出，产生推力。由于陶瓷喷嘴6的存在，放电时在推进剂8表面区域形成一个小空间，提高了空间内等离子体的压力，产生的推力明显大于不带陶瓷喷嘴电极的推力器。
表1和表2是同等条件下本发明与不带陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器的性能对比：
表1两种推力器的性能对比(放电能量E＝20J，电极间距h＝50mm)
| 不带陶瓷喷嘴的推力器 | 本发明 | 提高 | |
| 推力(μN) | 307 | 389 | 26.7％ |
| 比冲(s) | 1001 | 1269 | 26.9％ |
| 效率 | 7.5％ | 12％ | 60％ |
表2两种推力器的性能对比(放电能量E＝5J，电极间距h＝50mm)
| 不带陶瓷喷嘴的推力器 | 本发明 | 提高 | |
| 推力(μN) | 105 | 124 | 18.1％ |
| 比冲(s) | 345 | 407 | 17.9％ |
| 效率 | 3.6％ | 5％ | 38.8％ |
Claims (5)
1.一种带陶瓷喷嘴电极的脉冲等离子体推力器，包括：进给弹簧、点火电路、火花塞、阴极、等离子体、阳极、推进剂、高压电容、电源，其特征在于，还包括陶瓷喷嘴，陶瓷喷嘴固定在阴极和阳极上，且陶瓷喷嘴靠近推进剂的表面，进给弹簧尾部展开被压在推进剂的下方，对推进剂产生一个进给力，点火电路为火花塞提供点火放电用的电能，火花塞固定在阴极上，推进剂横向被进给弹簧和阳极的凸台固定，推进剂纵向则被阴极和阳极固定，高压电容与阴极和阳极相连，电源通过导线连接到高压电容的接线柱上。
2.根据权利要求1所述的带陶瓷喷嘴电极的脉冲等离子体推力器，其特征是，所述陶瓷喷嘴，其长度与阴极、阳极的宽度相等。
3.根据权利要求1或2所述的带陶瓷喷嘴电极的脉冲等离子体推力器，其特征是，所述陶瓷喷嘴，其宽度小于阳极长度的1/3。
4.根据权利要求1或2所述的带陶瓷喷嘴电极的脉冲等离子体推力器，其特征是，所述陶瓷喷嘴，其材料为云母陶瓷。
5.根据权利要求1或2所述的带陶瓷喷嘴电极的脉冲等离子体推力器，其特征是，所述陶瓷喷嘴，其形状为阶梯状。
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