CN103485992A

CN103485992A - 在大气压下工作的可控等离子体推进装置

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Publication number: CN103485992A
Application number: CN201310479788.4A
Authority: CN
Inventors: 李伟鹏; 王福新; 张屹; 苏盛春
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2013-10-14
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-10-14
Also published as: CN103485992B

Abstract

一种利用等离子体产生反推力技术领域的在大气压下工作的可控等离子体推进装置，包括：双通道的电源模块、控制模块、支持构架和贴附于支持构架上的柔性激励器，控制模块包括：电子原型平台、驱动控制单元、功率场效应管和高压包，其中：电源模块的一个通道与电子原型平台相连，另一个通道与高压包相连以提供工作电压，驱动控制单元的输入端和输出端分别与电子原型平台的输出端和功率场效应管的输入端，电子原型平台发生信号，经过驱动控制单元改变信号的高电平，再由功率场效应管控制高压包的开关，高压包与柔性激励器相连使之形成介质阻挡放电。本发明应用大气压下介质阻挡放电等离子体产生诱导速度，从而产生反向推动力。

Description

在大气压下工作的可控等离子体推进装置

技术领域

本发明涉及的是一种利用等离子体产生反推力技术领域的系统，具体是一种在大气压下工作的可控等离子体推进装置。

背景技术

介质阻挡放电等离子体主要由裸露电极、掩埋电极和绝缘介质组成，裸露电极暴露在空气中，掩埋电极被绝缘介质包围，采取一定方式产生高频高压的交流电，施加在两个电极上，它们之间的空气被电离，产生出诱导速度，该诱导速度的产生机理主要是撞击效应，空气中的中性粒子与被电离的正离子和电子撞击，进行动量交换，中性粒子被加速进而产生诱导速度。当前涉及等离子体的推进技术主要有霍尔推进器和VASIMR(可变特定动力磁等离子火箭)等，但是这些推进装置有一定的局限性。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN201162635，公开日2008-12-10，记载了一种双电极固体脉冲等离子体推进器。该推进器以传统平行板脉冲等离子体推进器为蓝本，再增加一对平行板放电电极、两个二极管和一个高压开关，使得主电容放电的第一个半周期在第一对放电电极放电；主电容极性反向后，后续放电均在第二对电极发生，利用高压电容放电产生脉冲等离子体，等离子体在自身感应磁场与电流作用形成的洛伦兹力下被推出，产生推力。

但该技术所产生等离子体的方式是固态脉冲等离子体，其基本原理是电源转换装置将卫星平台提供的低压直流转换为高压直流，输送到储能电容器和放电点火电路，工作时，储能电容器充电至高压，点火回路一个触发脉冲，火花塞点燃，产生少量的粒子团，包括质子、电子和中性粒子，其中的粒子和推进剂表面碰撞，又从推进剂表面上烧一定量粒子。带电粒子不断增加，两极间逐渐形成等离子体。等离子体受到极板间磁场的洛伦兹力影响，加速向外喷出，产生一个推力脉冲，此推力产生在两个电极之间。因此该技术产生的等离子体的稳定性、可控性均受到一定的限制。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种在大气压下工作的可控等离子体推进装置，通过介质阻挡放电等离子体，采用连续的高频高压的交流电施加在电极上；另外在两个电极之间设有绝缘介质，通过上极板的下游产生推力。能够产生更加稳定的等离子体，可实现多变量的控制，无需额外的推进剂，无需储能装置，附着在支持构架上的柔性电极可以随支持构架角度的变化而变化，整体安装方便。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：双通道的电源模块、控制模块、支持构架和贴附于支持构架上的柔性激励器，控制模块包括：电子原型平台、驱动控制单元、功率场效应管和高压包，其中：电源模块的一个通道与电子原型平台相连，另一个通道与高压包相连以提供工作电压，驱动控制单元的输入端和输出端分别与电子原型平台的输出端和功率场效应管的输入端，电子原型平台发生信号，经过驱动控制单元改变信号的高电平，再由功率场效应管控制高压包的开关，高压包与柔性激励器相连使之形成介质阻挡放电。

所述的支持构架包括：至少一对相互连接的内圈和外圈，柔性激励器分别贴于内圈的内侧和外侧以及外圈的内侧和外侧。

所述的内圈和外圈的结构相同，横截面均为等腰三角形结构，内圈的外侧与外圈的内侧由连接部相连。

所述的内圈和外圈的壁面与中心轴的夹角为10°～45°。

所述的柔性激励器包括：绝缘层、设于其表面的裸露电极以及设于其底面的掩埋电极，其中：裸露电极和掩埋电极分别与高压包的输出端的正负电极相连。

所述的绝缘层的材质为硅胶薄膜，裸露电极和掩埋电极的材质为铜箔，使得整体成柔性。

所述的信号为频率为4KHZ，高电平为4V，低电平为0V，占空比为50%的方波，驱动控制单元改变其高电平为12V。

所述的高压包的升压比为1:500。

本发明通过编程控制电子原型平台输出初始信号，即频率、占空比可调的方波，该信号通过驱动单元控制场效应管的通断，进而控制进入高压包的电流的通断，由于电磁振荡，在高压包输出端输高频高压电；该高频高压电通过柔性激励器形成了介质阻挡放电，进而产生等离子体及诱导风，由于激励器是柔性的，可以环贴在具有一定弧度的支持构架上，诱导风产生反向的推动力。该推动力可以由电脑上通过改变输入信号的频率、占空比、输入直流电压的大小来改变诱导风的大小进而改变反向推动力，实现主动控制，也可以通过优化设计裸露电极和掩埋电极的横截面形状、厚度、长度、正负极横向间距、固定胶带的厚度、绝缘层的厚度、支持构架的形状来增强激励器的能力进而提升反向推动力。

技术效果

与现有技术相比，本发明产生等离子体的方式是介质阻挡放电等离子体，施加在电极上的是连续的高频高压的交流电，两个电极之间还有一层绝缘介质，推力产生的部位是上极板的下游，而不是两极板之间。与现有技术相比，本发明产生的等离子体更稳定，可实现多变量的控制，无需额外的推进剂，无需储能装置，所以更简便也更安全，而且本发明的电极是柔性的，附着在支持构架上，随着支持构架角度的变化而变化，所以安装更方便。

附图说明

图1为实施例1中控制模块连接示意图；

图2为实施例1中柔性激励器截面的结构示意图；

图3为实施例1中带柔性激励器的支持架构的结构示意图；

图4为实施例1中支持架构的结构示意图。

具体实施方式

下面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。

实施例1

本实施例包括：双通道的电源模块、控制模块、支持构架和贴附于支持构架上的柔性激励器，控制模块包括：电子原型平台4、驱动控制单元5、功率场效应管6和高压包7，其中：电源模块的一个通道与电子原型平台4相连，另一个通道与高压包7相连以提供工作电压，驱动控制单元5的输入端和输出端分别与电子原型平台4的输出端和功率场效应管6的输入端，电子原型平台4发生信号，经过驱动控制单元5改变信号的高电平，再由功率场效应管6控制高压包7的开关，高压包7与柔性激励器相连使之形成介质阻挡放电。

所述的支持构架包括：至少一对相互连接的内圈1和外圈2，柔性激励器分别贴于内圈1的内侧和外侧以及外圈2的内侧和外侧。

所述的内圈1和外圈2的结构相同，横截面均为等腰三角形结构，内圈1的外侧与外圈2的内侧由连接部3相连。

所述的内圈1和外圈2的壁面与中心轴的夹角为10°～45°。

所述的柔性激励器包括：绝缘层A、设于其表面的裸露电极以及设于其底面的掩埋电极，其中：裸露电极和掩埋电极C分别与高压包7的输出端的正负电极相连。

所述的绝缘层A的材质为硅胶薄膜，裸露电极和掩埋电极C的材质为铜箔，使得整体成柔性。裸露电极、掩埋电极C和绝缘层A由KAPTON胶带B固定并贴附于支持构架上。

所述的信号为频率为4KHZ，高电平为4V，低电平为0V，占空比为50%的方波，驱动控制单元5改变其高电平为12V。

所述的高压包7的升压比为1:500。

本实施例中，电子原型平台4为Arduino开源电子原型平台4，驱动单元为BTN7971B驱动芯片，功率场效应管6为NCE01H29T功率场效应管6，电子原型平台4输出了频率为4KHZ，高电平为4V，低电平为0V，占空比为50%的方波，通过BTN7971B驱动芯片，变为高电平12V，其他参数不变的方波，再经过NCE01H29T功率场效应管6控制高压包7的开关，此高压包7为自制，和普通黑白电视机高压包7相同，升压比为1:500。高压包7的输出正负极分别连接到柔性激励器的裸露电极和掩埋电极。

如图2、图3所示，柔性激励器的具体尺寸硅胶薄膜厚0.1mm、宽8mm，KAPTON胶带B厚0.02mm，宽8mm，裸露电极厚0.02mm、宽2mm，掩埋电极厚0.02mm、宽5mm，整体厚度为0.22mm，宽8mm，呈柔性，环贴在支持构架壁面上，在支持架构内圈1内外表面，外圈2内外表面一共四层，这样做主要是为了增加等离子体密度从而提高诱导速度进而提高推动力。

本实施例中涉及的支持构架如图4所示，外圈2直径86mm，内圈140mm，也可以是多圈，视情况而定，这样能够增加所贴激励器柔性电极的面积，从而提高推进效率，同时，支持构架有个关键尺寸是壁面与中心轴的角度，这个尺寸一般选10～45度，在本实施例中，所采用的角度为15度。

将带有柔性激励器的支持架构放置在电子秤上，尺寸大的一边朝下，诱导速度朝上，扣除装置自身的质量，待整个装置运行平稳后，实测推力为3mN。

Claims

1.一种在大气压下工作的可控等离子体推进装置，其特征在于，包括：双通道的电源模块、控制模块、支持构架和贴附于支持构架上的柔性激励器，控制模块包括：电子原型平台、驱动控制单元、功率场效应管和高压包，其中：电源模块的一个通道与电子原型平台相连，另一个通道与高压包相连以提供工作电压，驱动控制单元的输入端和输出端分别与电子原型平台的输出端和功率场效应管的输入端，电子原型平台发生信号，经过驱动控制单元改变信号的高电平，再由功率场效应管控制高压包的开关，高压包与柔性激励器相连使之形成介质阻挡放电。

2.根据权利要求1所述的推进装置，其特征是，所述的支持构架包括：至少一对相互连接的内圈和外圈，柔性激励器分别贴于内圈的内侧和外侧以及外圈的内侧和外侧。

3.根据权利要求2所述的推进装置，其特征是，所述的内圈和外圈的结构相同，横截面均为等腰三角形结构，内圈的外侧与外圈的内侧由连接部相连。

4.根据权利要求3所述的推进装置，其特征是，所述的内圈和外圈的壁面与中心轴的夹角为10°～45°。

5.根据权利要求1-4任一项所述的推进装置，其特征是，所述的柔性激励器包括：绝缘层、设于其表面的裸露电极以及设于其底面的掩埋电极，其中：裸露电极和掩埋电极分别与高压包的输出端的正负电极相连。

6.根据权利要求5所述的推进装置，其特征是，所述的绝缘层的材质为硅胶薄膜，裸露电极和掩埋电极的材质为铜箔，使得整体成柔性。

7.根据权利要求5所述的推进装置，其特征是，所述的信号为频率为4KHZ，高电平为4V，低电平为0V，占空比为50%的方波，驱动控制单元改变其高电平为12V。

8.根据权利要求5所述的推进装置，其特征是，所述的高压包的升压比为1:500。