CN102297105A - 侧壁面设置陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种侧壁面设置陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器，包括：高压电源、储能电容、推进剂、陶瓷喷嘴、阳极、阴极、半导体火花塞、点火控制电路板、进给弹簧。其中，所述喷嘴呈楔形，被成对安装在推力器壳体内壁阳极与阴极之间的侧面上，安装位置尽可能的靠近推进剂表面。陶瓷喷嘴靠近电极的端面被设计为有45°的切角。该型喷嘴可以有效改善推力器工作过程中慢速中性气体的加速性能。同时与安装电极型喷嘴相比，侧壁型喷嘴可以尽可能降低喷嘴对放电通道的影响，降低主放电回路的电阻从而获得更高的放电电流。新型喷嘴可以使电磁加速力的损失降低并得到更高的推力和工作效率。

Description

侧壁面设置陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器

技术领域

本发明涉及一种宇航电推进技术领域的功能组件，具体地说，涉及的是一种侧壁面设置陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器。

背景技术

随着小卫星、行星探测器、深空探测等新兴空间技术的发展，要求宇航电推进系统质量更轻、体积更小、消耗推进剂更少。传统化学推进方法由于比冲低、结构复杂越来越难以满足新兴空间任务的要求。脉冲等离子体推力器(Pulse Plasma Thruster，简称 PPT)是针对微小卫星推进系统的一种可行方案，它具有比冲高、重量轻、结构紧凑、体积小、控制方便灵活等优点，可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、位置保持和离轨处理等空间任务。1964年前苏联首先采用同轴型PPT担负金星自动行星际站太阳帆板的定向控制任务，美国则于1968年用平行电极型PPT作为LES-6同步通讯卫星的东西位置保持系统，20世纪70-80年代，PPT作为卫星上的阻力补偿系统继续用于美国海军的TIP-2、3和NOVA-1、2、3号太阳同步导航卫星上。2000年美国国家航天局(NASA)在地球观测卫星EO-1上使用脉冲等离子体推力器进行轨道修正任务。近几年由于微小卫星的迅速发展，我国对脉冲等离子体推力器的需求日益增加。与其它类型的电推力器相比，脉冲等离子体推力器的效率偏低，这主要是由于固体推进剂的“延时气化”，产生的中性气体无法得到有效加速造成的。

经对现有技术的文献检索发现，为了解决脉冲等离子体推力器效率低的问题，各国科研机构进行了一定探索。莫斯科航空学院通过使外电路参数与放电过程匹配，日本九州研究所采用二次放电的方法等方法都使PPT的效率有所提高。但放电过程匹配的方法通用性不强，二次放电方法对推进器寿命有一定影响。中国专利CN101260873A中提出了一种“带陶瓷喷嘴电极的脉冲等离子体推力器”，通过在金属电极上设置陶瓷喷嘴，一定程度上改善了中性气体加速性能，提高了效率。此专利的缺点为将绝缘的陶瓷喷嘴设置在金属电极上，这会增加主回路放电电阻、降低相同放电能量下的放电电流，从而降低电磁加速性能和推力。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种侧壁面设置陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器。通过对新型喷嘴合理的形状设计，使其尽可能地不增加主放电回路的电阻。同时，设置喷嘴改进了加速流道形状，使推进剂延迟气化产生的低速中性气体获得更高的速度，从而提高了脉冲等离子体推力器的性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：高压电源、储能电容、推进剂、陶瓷喷嘴、阳极、阴极、半导体火花塞、点火控制电路板、进给弹簧，阴极和阳极分别设置于推力器内部的两个平面，半导体火花塞通过螺纹与阴极连接，点火控制电路板通过点火控制线两极分别与半导体火花塞和阴极相连，推进剂设置于阴极、阳极之间，推进剂后部通过进给弹簧固定在推力器内部，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，陶瓷喷嘴固定于推力器内腔侧壁面上，储能电容固定在推力器外部侧面，高压电源与储能电容两端相连。

所述陶瓷喷嘴成对设置于推力器内腔侧壁面上。

所述陶瓷喷嘴两端具有45°的切角。

所述陶瓷喷嘴的横截面为等腰直角三角形。

所述陶瓷喷嘴侧面包含有若干个带有沉孔的安装孔。

所述安装孔成对出现。

新型陶瓷喷嘴是本发明的核心内容，陶瓷喷嘴呈楔形，被成对设置于推力器壳体内壁阳极与阴极之间的侧面上，而不是电极上，设置位置尽可能地靠近推进剂表面。陶瓷喷嘴靠近电极的端面被设计为等腰直角三角形，且加工有45°的切角，喷嘴侧面有两个带有沉孔的安装孔。这样设置喷嘴以后可以保证阴极和阳极之间放电通道不受干涉，大大降低了主放电回路的电阻。点火电路板根据内部单片机程序以固定的频率为半导体火花塞提供脉冲激励，同时提供点火能量。

本发明装置的工作原理为：高压电源给储能电容充电以后，点火电路发出指令点燃半导体火花塞。半导体火花塞产生的热量使推进剂表面发生气化，并产生了少量自由电子。气化的部分中性气体分子在电子的碰撞下发生电离生成了大量的离子和电子。此时，推力器阴极和阳极之间发生击穿产生一个电流片（current sheet），并引发极板间产生感应磁场，电流片在磁场的作用下高速向推力器出口方向运动。沿途的带电粒子受到强烈的磁场力作用发生回旋向推进剂表面运动。当带电粒子穿越电流片过程中被电流片俘获，方向改变为沿着电流片运动。此时，电场力做正功，带电粒子速度迅速增加。在速度足够大的时候，受洛仑兹力的作用脱离电流片向外喷出，产生电磁加速力。未电离的中性气体分子在气动力的作用下，以较低的速度向外喷出，该部分推力称为电热加速力。脉冲等离子体推力器的总推力即由电磁加速力和电热加速力两部分组成。由于中性气体粒子的质量大，但相对速度较低，因此电热加速力对总推力的贡献很少。

为了增加推力器电热加速力以提高总效率，同时又不会增加主放电回路电阻引起电磁加速力降低，本发明设计了内腔侧壁面设置陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器。侧壁面设置陶瓷喷嘴以后，侧壁面形成楔形凸起，改变了原来矩形的流道形状。使推进剂表面的空间变小，间接地对中性气体实现了压缩，因而增加了推进剂表面中性气体的压强。中性气体压强增加后导致其排气速度大大增加，从而有效的提高了电热加速力。此外，由于在推力器内腔侧壁面设置陶瓷喷嘴而非电极上，使得电流片在运动过程中不会因为电极上有绝缘物体而受到影响，这种设计在降低了主回路的放电电阻的同时提高了放电电流，从而使电磁加速力也得到了一定的提高。侧壁型陶瓷喷嘴设计时在靠近电极的端面做了有45°的切角，这样可以最大程度的减少该喷嘴对电流片的干涉。实验表明本发明推力器的总推力与中国专利CN101260873A中设计的安装在电极上的陶瓷喷嘴推力器相比有5%左右的提高。

附图说明

图1为本发明实施例脉冲等离子体推力器的示意图

图2为本发明实施例新型陶瓷喷嘴的三视图

图3为本发明实施例侧壁型喷嘴安装方案立体图

图4为本发明实施例侧壁型喷嘴安装方案三视图

图5为本发明实施例实验采用电极型和侧壁型喷嘴放电电流对比图。

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：高压电源1、储能电容2、推进剂3、侧壁型陶瓷喷嘴4、阳极5、阴极6、半导体火花塞7、点火控制电路板8、进给弹簧9。高压电源1通过导线与储能电容2相连，对电容充电并将脉冲放电能量存储在储能电容2内；推进剂3横向被进给弹簧9和阳极5的凸台固定，推进剂3纵向则被阴极6和阳极5固定，侧壁型陶瓷喷嘴4成对地固定在推力器内腔的两个侧壁面上，且陶瓷喷嘴4靠近推进剂的表面；半导体火花塞7通过螺纹与阴极6连接；点火控制电路板8通过点火控制线两极分别与半导体火花塞7和阴极6相连，为半导体火花塞7提供脉冲的点火能量。  

如图2所示，为本实施例重点部件侧壁型陶瓷喷嘴4的三视图。该型陶瓷喷嘴为长条楔形结构。喷嘴的中部有两个带有沉孔的安装孔用于螺钉与推力器内壁的连接。由于新型喷嘴设置在内腔侧壁上而不是直接安装在电极上，因此可以有效减少推力器电容、电极、等离子体组成的主放电回路的电阻。新型喷嘴的两端各做了一个45°的切角，因此在内腔两个侧壁面各安装一个喷嘴后，由于切角的存在大大减弱了喷嘴对阴极阳极之间放电通道的干涉作用。

如图3、图4所示为本实施例安装了侧壁型陶瓷喷嘴4的推力器本体立体图与三视图。图中显示设置了侧面陶瓷喷嘴4以后，改变了阳极5和阴极6以及侧壁面构成流道的形状，使得推力器对中性气体加速效果更好。此外，由于陶瓷喷嘴安装于侧壁面且具有45°的切角，使得电极之间的放电通道受到的干涉很小。图5为相同放电能量下不安装陶瓷喷嘴、安装中国专利CN101260873A电极型喷嘴和本发明侧壁型陶瓷喷嘴三种情况下放电电流的对比。可以看出，侧壁型陶瓷喷嘴对放电电流的影响明显小于电极型陶瓷喷嘴。

本实施例的推力器工作时，点火控制电路板8控制火花塞7点火以后，推进剂3由于高温而气化，火花塞同时产生少量自由电子。自由电子与中性粒子发生连续碰撞产生大量离子和电子。此时，阴极和阳极导通并发生击穿放电，形成了一个垂直于电极的薄电流片。电流片向外高速运动捕获沿途的带电粒子喷出，形成推力。未电离的中性气体由于侧壁型喷嘴的存在使得气体压强增大，因此获得了更高的速度喷出。由于陶瓷喷嘴设置于推力器内腔侧壁面上，降低了对电流片运动过程中的影响，因而降低了放电回路电阻，得到了更高的放电电流。

本实施例最大的优点在于，在提高了脉冲等离子体推力器中性气体加速性能的同时，并未大幅度牺牲电磁加速效果。由于主放电回路电阻在加装侧壁型喷嘴后并未大幅度增加，与电极型绝缘喷嘴的推力器相比，设置了侧壁型陶瓷喷嘴的推力器可以获得更高的放电电流，因此电磁加速力和总的推力均有一定的提高。

本实施例运行安全可靠。新型陶瓷喷嘴的碳化腐蚀速度也大大降低。且由于喷嘴的存在使得放电热量所气化的中性气体均得到更有力的加速，因此大大提高了推力器的质量利用率，使得推力器的效率也有了明显的提高。实验表明推力器效率与中国专利CN101260873A中设计的安装在电极上的陶瓷喷嘴相比有5%左右的提高。未安装陶瓷喷嘴与分别设置了电极型和侧壁型陶瓷喷嘴的推力器，工作过程中推力和效率对比如表1、2所示。

Claims (6)

1.一种侧壁面设置陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器，包括：高压电源、储能电容、推进剂、陶瓷喷嘴、阳极、阴极、半导体火花塞、点火控制电路板、进给弹簧，其特征在于，阴极和阳极分别设置于推力器内部的两个平面，半导体火花塞通过螺纹与阴极连接，点火控制电路板通过点火控制线两极分别与半导体火花塞和阴极相连，推进剂设置于阴极、阳极之间，推进剂后部通过进给弹簧固定在推力器内部，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，陶瓷喷嘴固定于推力器内腔侧壁面上，储能电容固定在推力器外部侧面，高压电源与储能电容两端相连。

2.根据权利要求1所述的侧壁面设置陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器，其特征在于，所述陶瓷喷嘴成对设置于推力器内腔侧壁面上。

3.根据权利要求2所述的侧壁面设置陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器，其特征是，所述陶瓷喷嘴两端具有45°的切角。

4.根据权利要求3所述的侧壁面设置陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器，其特征是，所述陶瓷喷嘴的横截面为等腰直角三角形。

5.根据权利要求4所述的侧壁面设置陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器，其特征是，所述陶瓷喷嘴侧面包含有若干个带有沉孔的安装孔。

6.根据权利要求5所述的侧壁面设置陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器，其特征是，所述安装孔成对出现。

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