CN106438251B - 新型空心阴极推力器 - Google Patents

Abstract

新型空心阴极推力器，涉及空心阴极推力器，为了解决现有空心阴极推力器无法适用于立方体卫星的问题。发射体嵌固在触持极套管的末端，发射体连接电源负极；发射体的中心设有节流孔；平板阳极嵌固在通气管的末端，平板阳极连接电源正极；通气管的侧壁设有气孔。或，发射体嵌固在触持极套管的末端，发射体连接电源负极；发射体的中心设有节流孔；阳极棒连接电源正极。本发明适用于立方体卫星。

Description

新型空心阴极推力器

技术领域

本发明涉及空心阴极推力器。

背景技术

在小卫星分类中，纳卫星质量为1～10kg，皮卫星的质量为0.1～1kg。立方体卫星(CubeSat)是新概念皮卫星规范，其质量在1kg左右，结构尺寸为10cm×10cm×10cm的正方体，又称为一个立方体卫星单元(1U)。数个立方体卫星单元又组装为纳卫星。立方体卫星具有结构简单、体积小、质量轻、成本低、研制周期短和发射成本低等特点，在空间演示验证和利用立方体卫星网络提高对地观测的空间、时间分辨率等方面具有广泛发展前景。

目前，立方体卫星在轨运行时的姿态控制利用微型三轴强磁计、微型动量轮和磁力矩器等微型组件构成姿态控制系统，完成对卫星的三轴稳定控制。另控制卫星姿态的方法是靠推进器来调整控制卫星姿态，同时推进器还负责卫星的轨道维持的任务。对于执行姿态调整和轨道机动任务的卫星推进系统，可以选择冷气推进系统和电推进系统。冷气推进器结构简单，能够产生的推力大，但是相比较于电推进，冷气推进器的比冲小，即单位重量流量的推进剂所产生的喷气速度较小。在携带相同质量推进剂的条件下，电推进的总冲会远大于冷气推进的总冲，使卫星的在轨寿命大幅延长。

但现有的霍尔推力器、离子推力器和脉冲等离子体推力器等电推进系统比较复杂，很难直接小型化到1U上。空心阴极作为霍尔和离子电推进的电子源和中和器，结构简单、体积小、重量轻、功耗低，可以直接利用现有的冷气作为工质，但喷气比冲可以提高5～10倍，是非常理想的立方体星推力器。但现有结构空心阴极是作为电子源设计的，离子无法直接向外喷出，产生的推力小无法适用于立方体卫星。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有空心阴极推力器无法适用于立方体卫星的问题，从而提供新型空心阴极推力器。

本发明所述的第一种新型空心阴极推力器，

发射体嵌固在触持极套管的末端，发射体连接电源负极；发射体的中心设有节流孔；

平板阳极嵌固在通气管的末端，平板阳极连接电源正极；通气管的侧壁设有气孔。

优选的是，发射体的一侧设有一圈凸起，凸起的外径与触持极套管的内径相匹配，通过凸起发射体嵌固在触持极套管的末端。

优选的是，触持极套管的末端嵌固有触持极顶，触持极顶的中心开有圆孔，发射体嵌固在圆孔中。

优选的是，触持极顶的厚度小于发射体的厚度，触持极顶的内端面与发射体的内端面平齐或触持极顶的外端面与发射体的外端面平齐。

优选的是，触持极顶的厚度大于发射体的厚度，触持极顶的外端面与发射体的外端面平齐。

优选的是，平板阳极的外径大于通气管的外径。

优选的是，平板阳极为球面电极。

优选的是，还包括加速阳极；加速阳极为空心结构，加速阳极的中心线与节流孔的中心线重合，加速阳极位于发射体外侧，加速阳极与发射体之间绝缘，加速阳极嵌固在第二陶瓷套管末端，第二陶瓷套管套固在触持极套管上。

优选的是，空心的形状为圆柱形、锥形且锥形的小孔径方向朝向节流孔或喷管形且喷管形的小孔径方向朝向节流孔。

本发明所述的第二种新型空心阴极推力器，

发射体嵌固在触持极套管的末端，发射体连接电源负极；发射体的中心设有节流孔；

阳极棒连接电源正极。

本发明将发射体和阳极的位置对调，使空心阴极放电产生的离子从原来的向内运动，改为向外喷出，从而提高空心阴极推力器的推力。

本发明的有益效果是：本发明的空心阴极推力器的结构简单、质量轻，能够满足立方体卫星对空间体积及载重质量的苛刻要求；同时空心阴极推力器的功耗小，发射体温度高，能够在低功率下获得相对较大的力；采用电推进能够增大推力器比冲，增加立方体卫星的有效载荷和延长使用寿命；将发射体外置，内部通气管接到电源正极有利于高能离子喷出，增大推力与比冲。

本发明适用于立方体卫星。

附图说明

图1是现有技术中的空心阴极推力器的结构示意图；

图2是具体实施方式一所述的新型空心阴极推力器的结构示意图；

图3是现有技术中的空心阴极推力器的电路连接示意图；

图4是新型空心阴极推力器的电路连接示意图；

图5是具体实施方式二中的发射体与触持极套管安装的结构示意图；

图6是具体实施方式四中的触持极顶的内端面与发射体的内端面平齐的结构示意图；

图7是具体实施方式四中的触持极顶的外端面与发射体的外端面平齐的结构示意图；

图8是具体实施方式五中的触持极顶的外端面与发射体的外端面平齐的结构示意图；

图9是具体实施方式六中的平板阳极的外径等于通气管的外径的结构示意图；

图10是具体实施方式六中的平板阳极的外径大于通气管的外径的结构示意图；

图11是具体实施方式七中的平板阳极为球面电极的结构示意图；

图12是具体实施方式九中的空心的形状为圆柱形的结构示意图；

图13是具体实施方式九中的空心的形状为锥形的结构示意图；

图14是具体实施方式九中的空心的形状为喷管形的结构示意图；

图15是具体实施方式十中的阳极棒的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的新型空心阴极推力器，

发射体1嵌固在触持极套管2的末端，发射体连接电源负极；发射体的中心设有节流孔3；

平板阳极4嵌固在通气管5的末端，平板阳极连接电源正极；通气管的侧壁设有气孔7。

图1中空心阴极推力器1a为发射体，4a为触持阳极，6为第一陶瓷套管；图3为现有技术中的空心阴极推力器的电路连接示意图，8为二极管，9为点火电源，10为维持电源。发射体嵌在通气管末端，触持阳极嵌在触持极套管末端，节流孔开在触持阳极中心位置。

新型空心阴极推力器的结构如图2所示，发射体整体嵌在触持极套管末端，内部的通气管末端为平板阳极。电路连接示意图如图3和图4所示，图3中虚线框内的为现有空心阴极推力器，图4中虚线框内的为新型空心阴极推力器，现有空心阴极推力器接到电源负极的通气管接到电源正极，而现有空心阴极推力器接到电源正极的触持极套管接到电源负极。其中电源包括点火电源与维持电源。发射体与触持极套管导通，平板阳极与通气管导通，因此电源可直接与触持极套管和通气管连接。

具体实施方式二：结合图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的新型空心阴极推力器作进一步说明，本实施方式中，发射体1的一侧设有一圈凸起1-1，凸起1-1的外径与触持极套管2的内径相匹配，通过凸起发射体嵌固在触持极套管的末端。

发射体整体镶嵌在触持极套管2的末端，之间的间隙利用钽铂焊接连接，起到固定密封的作用。本实施方式的发射体的结构减轻了推力器重量，缩小了触持极套管的直径，缩小了体积，同时增加了辐射散热强度，提高了工作电压，有利于增加离子能量。

具体实施方式三：结合图6和图7具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的新型空心阴极推力器作进一步说明，本实施方式中，触持极套管2的末端嵌固有触持极顶2-1，触持极顶2-1的中心开有圆孔，发射体1嵌固在圆孔中。

具体实施方式四：结合图6和图7具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的新型空心阴极推力器作进一步说明，本实施方式中，触持极顶2-1的厚度小于发射体1的厚度，触持极顶2-1的内端面与发射体1的内端面平齐或触持极顶2-1的外端面与发射体1的外端面平齐。

如图6所示，触持极顶的内端面与发射体的内端面平齐，这种结构的辐射散热面积较大，提高了工作电压，有利于增加离子能量，发射体与触持极顶间的缝隙利用钽箔在内端面焊接连接。

如图7所示，触持极顶的外端面与发射体的外端面平齐，这种结构减小了辐射散热面积，降低了辐射强度，从而降低推力器的工作电压，发射体与触持极顶间的缝隙利用钽箔在内端面焊接连接。

具体实施方式五：结合图8具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的新型空心阴极推力器作进一步说明，本实施方式中，触持极顶2-1的厚度大于发射体1的厚度，触持极顶2-1的外端面与发射体1的外端面平齐。

触持极顶的中心圆孔内部设有凸台，对发射体位置起定位作用，发射体与触持极顶间的缝隙利用钽铂焊接连接。触持极顶的厚度大于发射体的厚度，触持极顶的外端面与发射体的外端面平齐，这种结构能够进一步降低辐射换热强度，降低工作功率。

具体实施方式六：结合图9和图10具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的新型空心阴极推力器作进一步说明，本实施方式中，平板阳极4的外径大于通气管5的外径。

平板阳极与通气管为一体件，通气管除了起到导入气体的作用，还有当作电极的作用。通气管接到电源的正极，形成的电场方向由推力器内部指向外部，有利于高能电子喷出。阳极材料采用不锈钢材料，与图9所示的结构相比，图10中将平板阳极面积增大，从而使内部电场分布均匀。

具体实施方式七：结合图11具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的新型空心阴极推力器作进一步说明，本实施方式中，平板阳极为球面电极。

平板阳极与通气管为一体件，通气管除了起到导入气体的作用，还有当作电极的作用。通气管接到电源的正极，形成的电场方向由推力器内部指向外部，有利于高能电子喷出。阳极材料采用不锈钢材料，球面电极有利于增强发射体节流孔处的电场强度。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的新型空心阴极推力器作进一步说明，本实施方式中，还包括加速阳极；加速阳极为空心结构，加速阳极的中心线与节流孔的中心线重合，加速阳极位于发射体外侧，加速阳极与发射体之间绝缘，加速阳极嵌固在第二陶瓷套管末端，第二陶瓷套管套固在触持极套管上。

加速阳极安装在空心阴极推力器尾部，用于使发射体节流孔喷出的离子通过加速阳极得到加速。

具体实施方式九：结合图12至图14具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式八所述的新型空心阴极推力器作进一步说明，本实施方式中，空心的形状为圆柱形、锥形且锥形的小孔径方向朝向节流孔或喷管形且喷管形的小孔径方向朝向节流孔。

加速阳极采用不锈钢材料，加速阳极与发射体之间利用陶瓷垫片绝缘，图12中空心的形状为圆柱形，图13中空心的形状为锥形，不仅可以加速离子，同时使加热的气体工质膨胀加速。图14中空心的形状为喷管形，不仅可以加速离子，同时使加热的气体工质膨胀加速。

具体实施方式十：结合图15具体说明本实施方式，本实施方式所述的新型空心阴极推力器，

发射体嵌固在触持极套管的末端，发射体连接电源负极；发射体的中心设有节流孔；

阳极棒连接电源正极。

阳极棒采用钨材料，此时阳极不再起导入气体的作用，只是一根实心钨棒，气体直接通入到触持极套管腔内，此种结构简化了推力器结构。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.新型空心阴极推力器，其特征在于，发射体(1)嵌固在触持极套管(2)的末端，发射体(1)连接电源负极；发射体的中心设有节流孔(3)；

平板阳极(4)嵌固在通气管(5)的末端，平板阳极(4)连接电源正极；通气管(5)的侧壁设有气孔(7)；

发射体(1)的一侧设有一圈凸起(1-1)，凸起(1-1)的外径与触持极套管(2)的内径相匹配，通过凸起发射体(1)嵌固在触持极套管(2)的末端。

2.根据权利要求1所述的新型空心阴极推力器，其特征在于，触持极套管(2)的末端嵌固有触持极顶(2-1)，触持极顶(2-1)的中心开有圆孔，发射体(1)嵌固在圆孔中。

3.根据权利要求2所述的新型空心阴极推力器，其特征在于，触持极顶(2-1)的厚度小于发射体(1)的厚度，触持极顶(2-1)的内端面与发射体(1)的内端面平齐或触持极顶(2-1)的外端面与发射体(1)的外端面平齐。

4.根据权利要求2所述的新型空心阴极推力器，其特征在于，触持极顶(2-1)的厚度大于发射体(1)的厚度，触持极顶(2-1)的外端面与发射体(1)的外端面平齐。

5.根据权利要求1所述的新型空心阴极推力器，其特征在于，平板阳极(4)的外径大于通气管(5)的外径。

6.根据权利要求1所述的新型空心阴极推力器，其特征在于，平板阳极(4)为球面电极。

7.根据权利要求1所述的新型空心阴极推力器，其特征在于，还包括加速阳极；加速阳极为空心结构，加速阳极的中心线与节流孔(3)的中心线重合，加速阳极位于发射体(1)外侧，加速阳极与发射体(1)之间绝缘，加速阳极嵌固在第二陶瓷套管末端，第二陶瓷套管套固在触持极套管(2)上。

8.根据权利要求7所述的新型空心阴极推力器，其特征在于，空心的形状为圆柱形、锥形且锥形的小孔径方向朝向节流孔或喷管形且喷管形的小孔径方向朝向节流孔。