CN102305200A

CN102305200A - 水工质脉冲等离子体推进器

Info

Publication number: CN102305200A
Application number: CN201110194348A
Authority: CN
Inventors: 朱平; 李清
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: CN102305200B

Abstract

本发明提供一种以水工质脉冲等离子体推进器，所述的推进器包括推进器本体和电源处理单元两大部分，推进器本体由推进器结构和储能电容组成，推进器结构包括阳极、阴极、触发器、工质进给机构和喷嘴；电源处理单元由主电源与触发电源组成，主电源通过导线接至阳极和阴极的接线柱上，主电源同时与储能电容连接，触发电源与触发器连接。水工质中添加摩尔百分比范围在0.5%-2.2%的易电离元素氯化钠或氯化钾溶液。本发明的比冲高于以Teflon为脉冲等离子体推进器，而且适合低功率脉冲等离子体推进器运行，用于航天器上能够提高效率，大大节约成本和空间，并能够解决推进剂的空间补给问题。

Description

水工质脉冲等离子体推进器

技术领域

本发明涉及一种电推进技术领域的推进器，具体是一种以水为工质的脉冲等离子体推进器。

背景技术

电推进系统以其优越的性能逐步取代传统的化学推进系统，被广泛用于为航天器提供机动和控制推力。作为电推进的一种方式，脉冲等离子体推进器以高比冲、低功耗、结构简单、重量轻、良好系统继承性和可靠性等特点，成为当前国际电推进研究的热点之一。典型低功率脉冲等离子体推进器使用Teflon作为工质。Teflon脉冲等离子体推进器的高比冲和微冲量（μN-s）特性是非常适合精确姿态控制。然而，Teflon 脉冲等离子体推进器存在一些问题，如：Teflon烧蚀后产生的碳和氟会污染飞船上的设备等；在低功率电源条件下，放电电流制造的电离能是很难达到或超过Teflon的高电离能，致使Teflon的电离过程不充分，无法大量产生等离子体，容易发生点火失败；推进效率非常低，只有1%-12%。推进器效率低的原因主要是质量利用率较低，主要归结为两点：滞后烧蚀，大粒子喷射。滞后烧蚀是由电流加速阶段与推进剂冷却阶段的不一致造成，即在脉冲等离子体推进器放电结束到下一次放电的时间内，推进剂表面仍然由于放电产生的热量在喷射低速粒子。质量利用率低的另一个重要原因是推进剂喷射的粒子多数为中性粒子，这些粒子是由于局部温度过热形成，其粒径较大，占了较大的质量比率，由于不带电，很难被电磁场有效加速。烧蚀出的粒子中只有10%质量左右的带电粒子（离子、电子）贡献了几乎所有的推力。Teflon 脉冲等离子体推进器存在的这些问题成为了限制其实际应用的因素。为此，研究无污染、性能高、具有广泛适用性的脉冲等离子体推进器技术是非常值得。

在过去的几十年间，为了提高脉冲等离子体推进器的性能、效率，研究人员进行了大量研究工作，却始终没有获得较大的成功。对脉冲等离子体推进器的性能提高的研究主要集中在以下几个方面：通过改变固体推进剂和电极几何形状，推进剂供应方式来增强工质的电离；改变外部电路参数；改变电极材料、工质材料成分等方法来提高推功比。然而，这些方法都无法明显提高推进器性能。因此，另外一种提高性能的可能性被提出来，就是尝试采用不同的工质替代Teflon。

由于气体或液体工质都没有延时蒸发和大粒子发射等问题，并且质量流率容易控制及气体或液体工质有较低的平均原子或分子重量等优势，使得气体或液体工质进给的脉冲等离子体推进器具有更高的推进效率和更广泛的工质选择范围。虽然许多气体或液体工质都有比Teflon低的平均原子或分子重量，然而水有其它工质更多的优势。最为重要的优势是，在自然界的各种元素中，由于水的1^st电离能（40.8eV）和2^nd电离能（75.9eV）明显低于Teflon的1^st电离能（92.2eV）和2^nd电离能（280.9eV），并且水的分子重量（18amu）比Teflon（100amu）低，因此，在1^st电离和2^nd电离阶段，Teflon的磁声流速会明显小于水，而质量流率却大于水。这意味着以Teflon为脉冲等离子体推进器的工质需要消耗掉更多的质量，而获得的比冲却要比水低。并且，在低功率的电源条件下，放电电流制造的电子温度是很难达到或超过Teflon的高电离能，致使电离过程不充分，无法大量产生等离子体-即点火失败。

发明内容

本发明的目的是解决现有Teflon为脉冲等离子体推进器的工质比冲低、以及在低功率电源条件下无法大量产生等离子体的问题，提供一种以水工质脉冲等离子体推进器。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种水工质脉冲等离子体推进器，包括推进器本体和电源处理单元两大部分，推进器本体由推进器结构和储能电容组成，推进器结构包括阳极、阴极、触发器、工质进给机构和喷嘴，电极阳极是钍钨材质的细长圆柱体，直径为2.4mm；电极阴极是一个与阳极同轴的紫铜材质的圆环，内径为7mm，外径为18mm，长度为26mm；阳极与阴极之间形成电极腔，触发器与阴极连接，工质进给机构包括一个将水工质雾化的雾化器，阳极与阴极的外侧用外壳密封，阳极顶端上方的外壳上设有出口，出口处安装有喷嘴，外壳与阴极之间设有一个与雾化器连通的环形空腔，阴极上开有连通环形空腔和电极腔的进气孔，储能电容的定容状态为2μF和3μF；电源处理单元由主电源与触发电源组成，主电源通过导线接至阳极和阴极的接线柱上，主电源同时与储能电容连接，触发电源与触发器连接。

水工质经超声雾化成水蒸气后从进入环形空腔，经过阴极外侧的进气口进入其腔内后从喷嘴流出。首先，触发电源为触发器提供触发用的初始能量，触发器产生的高压脉冲在阴极间产生电弧引起第三电极的沿面闪络放电导致水蒸气电离，致使阴极和阳极间自持放电，电离水蒸气从而产生更多的等离子体。由于等离子体的低电阻性，此时电容器、阴极、阳极和等离子体区构成导电闭合回路，于是等离子体在自感应磁场中受到电磁力和电热力共同作用而加速向外喷出，制造出推力。

由于电弧产生在阴、阳极间，阳极的直径和材料选用不仅会对电极的耐烧烛能力有影响而且也会对耐高温能力有影响。最耐高温的金属材料是钨（熔点3400℃），但是纯钨的电子逸出功较高，会产生较大的电位降，相当于给阴阳极间添加了一个较大的热源，加速阳极的烧蚀，因此钨材料中需添加逸出功较低的材料，可以降低近阳极区的电位降。钍钨材料具有引弧容易，使电弧稳定，导电率好等优点。阴极设计为电极中间和边缘各点具有相等电场强度的同轴型电极，并采用旋转椭圆近似法进行优化，最后通过放电实验得到电极的几何结构尺寸为：内径为7mm，外径为18mm，长度为26mm。阴极是电弧附着的另一端，阴极材料选用需具有优良的导电性、导热性。因此，阴极的材料选用紫铜。环形空腔的设计有利于缓冲供入电极间隙的水蒸气流量脉动，并循环利用电热能提高热效率。

水工质中添加摩尔百分比范围在0.5%-2.2%的易电离元素氯化钠或氯化钾溶液。通过在水工质中添加低电离势的易电离元素Na和K来促进电子碰撞激发，增强水分子的电离，实现减小等效总电阻的目的，达到提高脉冲等离子体推进器推功比的效果。

所述的触发器的绝缘体材料选用高介质陶瓷BaTiO3，触发电极的材料选用铜钨合金，电极形状设计为针状。

所述的喷嘴是采用拉瓦尔喷管结构，材质是紫铜。拉瓦尔喷管结构是公知技术，具有渐缩和渐扩段，渐缩和渐扩段由一段平直的约束段——喉部连接，狭窄的喉部能起到约束膨胀等离子体的作用，来提高电极腔内的压力，紫铜具有优良的导电性、导热性。

阳极顶端呈锥形，锥角45°。锥形结构的阳极有利于电弧的稳定。

本发明所述的水工质脉冲等离子推进器，比冲高于以Teflon为脉冲等离子体推进器，而且适合低功率脉冲等离子体推进器运行。另一方面，水是一种安全无毒的推进剂，不会对设备和人造成伤害，既能直接饮用又能作为燃料。以水为推进剂，在载人航天器上可以与其它与水有关的系统共享贮存系统，从而大大节约成本和空间；推进器还能够以经过处理的航天器上的废水为推进剂，从而大大提高航天器上资源的利用率；水是除地球以外其它星球目前唯一可以直接使用的资源，以水作为推进剂，可以从其它有水的星球或彗星中取水，能够解决推进剂在空间的补给问题，这对于深空探测是非常有意义的。

附图说明

图1为本发明实施例水工质脉冲等离子体推进器系统总体结构示意图。

图2为本发明实施例水工质脉冲等离子体推进器结构示意图。

图3为本发明实施例水工质脉冲等离子体推进器的触发电路原理图。

图4为本发明实施例水工质脉冲等离子体推进器的主放电电源原理图。

图中，1-阳极，2-阴极，3-触发器，4-喷嘴，5-外壳，6-环形空腔，7-进气孔，8-绝缘构件，9-第一定位构件，10-第二定位构件，11-密封垫片，12-密封套筒。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做详细说明。

如图1、2所示，本发明所述的一种水工质脉冲等离子体推进器，包括推进器本体和电源处理单元两大部分。推进器本体由推进器结构和储能电容组成，推进器结构包括阳极1、阴极2、触发器3、工质进给机构和喷嘴4，阳极1是钍钨材质的细长圆柱体，直径为2.4mm；阴极2是一个与阳极同轴的紫铜材质的圆环，内径为7mm，外径为18mm，长度为26mm；阳极1与阴极2之间形成电极腔，触发器3与阴极2连接，工质进给机构包括一个将水工质雾化的雾化器，阳极1与阴极2的外侧用外壳5密封，阳极1顶端上方的外壳5上设有出口，出口处安装有喷嘴4，外壳5与阴极2之间设有一个与雾化器连通的环形空腔6，阴极2上开有连通环形空腔6和电极腔的进气孔7，储能电容的定容状态为2μF和3μF。电源处理单元由主电源与触发电源组成，主电源通过导线接至阳极1和阴极2的接线柱上，主电源同时与储能电容连接，触发电源与触发器3连接。

本发明涉及到的部件的具体说明分别如下：

（1）电极

阳极1是一个细长的棒状物，其前端呈锥形，锥角45°。锥形结构的阳极有利于电弧的稳定。在一个放电周期里，电弧产生在阴、阳极间，然后顺着阴极螺旋形移动到阳极锥形前端处。除了阳极在电极腔内部分外，阳极的其它部分都被绝缘结构包围。绝缘结构用于防止电弧附着在除电极腔内的阳极外的其它部位。由于电弧产生在阴、阳极间，阳极的直径和材料选用不仅会对电极的耐烧烛能力有影响而且也会对耐高温能力有影响，阳极的材料选用钍钨，直径为2.4mm。

阴极2设计为电极中间和边缘各点具有相等电场强度的同轴型电极，并采用旋转椭圆近似法进行优化，最后通过放电实验得到电极的几何结构尺寸为：内径为7mm，外径为18mm，长度为26mm。阴极是电弧附着的另一端，阴极材料选用需具有优良的导电性、导热性。因此，阴极的材料选用紫铜。

触发器3的绝缘体材料选用高介质陶瓷BaTiO3，触发电极的材料选用铜钨合金，电极形状设计为针状。

（2）绝缘构件

在阳极1底端与阴极2之间设有绝缘构件8，绝缘构件8有效地将阴极2和阳极1分开。由于推进器正常工作时绝缘构件8处于周期性的起弧环境中，要求所选材料必须抗电弧性。有机玻璃具有优异的抗电弧性，在电弧作用下材料表面不会产生碳化的导电通路和电弧径迹现象。因此，绝缘构件的材料选用有机玻璃。

（3）定位构件和外壳

在绝缘构件下方，环阴极底端设有第一定位构件9，在外壳、绝缘构件以及第一定位构件9的空隙中设有第二定位构件10，在定位机构上开有雾化气体进入环形空腔的通道，定位构件保证了阴、阳极位置固定不能移动和同心度。如果阴、阳极不同心，不仅会造成电弧移动不均匀性，影响推进器的稳定性，而且还会加速阳极局部烧蚀。推进器外壳选用不锈钢，环形空腔内径为22mm，外径为26mm。该环形空腔的设计有利于缓冲供入电极间隙的水蒸气流量脉动，并提高热效率，阴极上连通环形空腔与电极腔的进气孔的数量优选为4个。外壳与阴极互相连接在一起，其上有电流通过，成为"附带阴极"。在推进器结构设计上，要防止"附带阴极"和阳极间产生电弧，否则会烧毁推进器。因此，定位构件的材料选用绝缘材料—聚四氟乙烯。

（4）喷嘴

喷嘴构成在结构上相当于一个渐缩渐扩的拉瓦尔喷管。渐缩和渐扩段由一段平直的约束段（喉部）连接。狭窄的喉部起到约束膨胀等离子体的作用。喷嘴材料选用紫铜。

（5）密封构件

在各部件连接处容易发生泄露的地方设置密封构件，，密封构件保证气体流出通道的唯一性，在气体有可能发生泄露的每一个环节，加入密封措施。在现有的推进器设计中，气体有可能发生泄露的地方有四处：第一处是气体沿定位构件进入环形空腔内在第一定位构件9和第二定位构件10的结合部位，以及第二定位构件和外壳5结合部位有可能泄露，因此在这两处接合部分别加入密封垫片11；第二处是气体从环形空腔内进入电极腔内，喷嘴4和外壳5的结合部位会发生泄露，因此，在喷嘴4下部加入密封垫片11。第三处是触发器3与环形空腔的结合处有可能泄露，因此在触发器3下部加入密封套筒12。第四处是阳极2与定位构件的结合处有可能泄露，因此在阳极2的底端加入密封套筒13。所有的密封，均采用压力密封。密封垫片11选用非金属的柔性石墨材料。

（6）进给机构

水工质的进给采用恒液位半连续超声雾化。雾化器利用高频振荡产生超声波将水雾化成1-5μm超微粒子。在真空装置中水雾可以自动扩散到电极空间中。采用超声雾化器雾化后进给的优势是避免了加热式雾化后管道内出现的冷凝现象。

水工质中添加摩尔百分比范围在0.5%-2.2%的易电离元素氯化钠或氯化钾溶液。在脉冲等离子体推进器的推功比方面，已经有研究表明，水与Teflon相比，其值较低。造成水工质脉冲等离子体推进器的推功比小于Teflon 脉冲等离子体推进器的原因是水工质脉冲等离子体推进器放电回路的等效电阻较高。本发明提出通过在水工质中添加低电离势的易电离元素Na和K来促进电子碰撞激发，增强水分子的电离，实现减小等效总电阻的目的，达到提高脉冲等离子体推进器推功比的效果。在消耗同质量工质的前提下，添加了易电离元素Na和K的水工质脉冲等离子体推进器放电回路的等效电阻的降幅平均值分别为3.48%和2.56%，推功比的增幅分别为3.81%和2.58%，从而节省了工质，间接降低了脉冲等离子体推进器的运行成本。

电源处理单元与放电回路的有效匹配是提高脉冲等离子体推进器系统效率和寿命的前提，电源处理单元的高集成度和一体化是脉冲等离子体推进器系统微型化的保证，因此电源处理单元是系统设计的关键。电源处理单元由主放电电源部分和触发电源部分构成。由主电源、储能电容和电极构成的主放电回路实质是一个电容性放电回路。主放电回路采用恒流充电方式对主回路中的储能电容充电。与恒压充电相比较，恒流充电时电容器上的电压上升速度均匀，充电较快。并且，由于充电回路中不含有充电限流电阻，充电效率可大幅度提高；触发装置采用第三电极的沿面闪络放电的触发方式，触发电源采用低压大容量点火电路设计，满足在高真空环境下运行也能最大限度地提高传递到阴极的能量密度，而不会产生巴邢击穿损坏，并具有体积小、重量轻、绝缘性能好等特点，保证了系统稳定高效工作，其电路原理图见图3；在设计主放电电源部分，采用了一款能提供高达4KV高压、连续输出功率在3W的PCB封装的高集成度高压电源E40使电源模块紧凑化，其电路原理图见图4。结构上使用整体框架结构和母线连接，减少电缆的使用量等，满足了电源处理单元的高集成度和一体化的设计需要；储能电容与阴、阳极相连，高压直流电源通过导线接至阴、阳极的接线柱上。

如表1所示，系水工质脉冲等离子体推进器在触发脉冲频率为1Hz时，储能电容分别在定容状态2μF和3μF（定容状态）下的工作能量阈值。系统的工作能量阈值是在不考虑储能电容内阻和传输线损耗的前提下，研究储能电容在触发过程中所能释放的能量范围。本实施例包括：储能电容为2μF和3μF时对应的最小稳定运行能量分别为2.25J和2.94J。低于最小稳定运行能量值，则水工质脉冲等离子体推进器将运行在不稳定状态或处于不导通状态，即水工质脉冲等离子体推进器正常放电的概率小于100%；储能电容为2μF和3μF对应的最大稳定运行能量分别为6.76J和7.26J。高于最小稳定运行能量值，则触发脉冲失效，水工质脉冲等离子体推进器处于自发放电状态。

表1 水工质脉冲等离子体推进器的工作能量阈值

Figure 2011101943485100002DEST_PATH_IMAGE001

（注：★稳定 ☆不稳定 ○不导通 ●自发放电）

如表2所示，系水工质脉冲等离子体推进器的效率分布。系统的效率估算是通过采用罗氏线圈测量放电电流间接得到放电过程中的等离子体电阻值推算得到。电容储能转换成加速动能的能量转换率是随着储能的增加而线性下降，动能加速效率η _TR从29.85%下降到26.48%。其中，用于电磁加速的能量转换率是呈上升趋势，电磁加速效率η _EM从4.91%上升到6.56%。而用于电热加速的能量转换率是呈下降趋势，电热加速效率从24.95%下降到19.92%。

表2 推进器的效率分布

储能E ₀ (J)	电磁加速效率	电热加速效率	动能加速效率
				3.56	4.91%	24.95%	29.85%
4.86	5.53%	22.61%	28.14%
				5.18	6.08%	21.23%	27.31%
6.00	6.52%	19.96%	26.48%
				6.40	6.56%	19.92%	26.48%

Claims

1.一种水工质脉冲等离子体推进器，其特征在于：包括推进器本体和电源处理单元两大部分，

推进器本体由推进器结构和储能电容组成，推进器结构包括阳极（1）、阴极（2）、触发器（3）、工质进给机构和喷嘴（4），阳极（1）是钍钨材质的细长圆柱体，直径为2.4mm；阴极（2）是一个与阳极同轴的紫铜材质的圆环，内径为7mm，外径为18mm，长度为26mm；阳极（1）与阴极（2）之间形成电极腔，触发器（3）与阴极（2）连接，工质进给机构包括一个将水工质雾化的雾化器，阳极（1）与阴极（2）的外侧用外壳（5）密封，阳极（1）顶端上方的外壳（5）上设有出口，出口处安装有喷嘴（4），外壳（5）与阴极（2）之间设有一个与雾化器连通的环形空腔（6），阴极（2）上开有连通环形空腔（6）和电极腔的进气孔（7），储能电容的定容状态为2μF和3μF；

电源处理单元由主电源与触发电源组成，主电源通过导线接至阳极（1）和阴极（2）的接线柱上，主电源同时与储能电容连接，触发电源与触发器（3）连接。

2.根据权利要求1所述的水工质脉冲等离子体推进器，其特征在于：水工质中添加摩尔百分比范围在0.5%-2.2%的易电离元素氯化钠或氯化钾溶液。

3.根据权利要求1或2所述的水工质脉冲等离子体推进器，其特征在于：所述的触发器（3）的绝缘体材料选用高介质陶瓷BaTiO3，触发电极的材料选用铜钨合金，电极形状设计为针状。

4.根据权利要求1或2所述的水工质脉冲等离子体推进器，其特征在于：所述的喷嘴（4）是采用拉瓦尔喷管结构，材质是紫铜。

5.根据权利要求1或2所述的水工质脉冲等离子体推进器，其特征在于：阳极（1）顶端呈锥形，锥角45°。