CN106640568B - 一种双极固体烧蚀型等离子体加速器 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种空间电推进装置，具体公开一种双极固体烧蚀型等离子体加速器，该加速器的直流电源的正极分别与主高压控制开关、次高压控制开关的一端连接，主高压控制开关的另一端分别与主放电电容、主电极的一端连接，主放电电容的另一端分别与直流电源的负极、主可控硅的阴极连接，主可控硅的阳极与主电极的另一端连接；次高压控制开关的另一端分别与次放电电容、次电极的一端连接，次放电电容的另一端分别与直流电源的负极、次可控硅的阴极连接，次可控硅的阳极与次电极的另一端连接。该装置能够有效解决固体烧蚀型等离子体加速器效率低下的问题。

Description

一种双极固体烧蚀型等离子体加速器

技术领域

本发明属于一种空间电推进装置，具体涉及一种微小卫星在轨推进用的高效双极固体烧蚀型等离子体加速器。

背景技术

微小卫星(10～100Kg)以其成本低、研制周期短、组网容易、发射灵活且有效载荷高等特点，在低成本空间试验、通信、对地观测和导航定位等领域具有广阔的应用前景。进入21世纪以来，随着微电子技术、微加工及新型材料研制技术等现状高技术的发展，微小卫星的研究逐渐升温，其空间发射数量所占比例呈现出飞跃增涨趋势。然而由于总体功率和质量的限制，微小卫星在轨推进技术要求推进系统具有功耗低、重量轻、体积小、寿命长等特点，传统的化学推进系统很难满足这些要求。与传统化学推进系统相比，电推进装置更适用于微小卫星推进的需求。电推进装置利用电能加热或直接加速工质形成高速射流而产生推力，比冲远高于化学推进，有利于减少卫星对推进剂的需求，从而有助于降低卫星的重量和体积，已成为当前航天推进技术发展的热点。

在众多电推进类型中，固体烧蚀型等离子体加速器以其小功率下的高比冲能力(运行功率低至5w，比冲仍可达3000m/s)、结构简单、推力微小(微牛量级)且推进剂稳定易储存、无需储箱和管路、便于与飞行器集成等优势适宜于微小卫星，特别是微、纳卫星的在轨推进应用，典型代表即平行板电极尾部馈送型脉冲等离子体推力器。该类型电推力器的工作原理可以简单描述为：在电容放电过程产生的脉冲电流作用下，固体推进剂气化、分解、电离形成等离子体，并被自身形成的感应磁场产生的洛仑兹力加速产成推力。然而，长期以来效率低下一直是限制其发展和空间应用的核心问题。

效率是衡量电推力器的主要性能参数，它表示推力器将电能转换为有效动能的程度。试验研究发现，造成固体烧蚀型等离子体加速器效率低下的原因在于该类型推力器所独有的工作模式—固体推进剂的放电烧蚀过程:在一次脉冲放电过程中，所存储的电能主要集中在推进剂表面释放，造成烧蚀产生的中性气体只有一小部分能够继续获得电离形成等离子体并在自感磁场作用下高速排出；而在主放电过程基本结束后，推进剂烧蚀过程仍然持续(该典型现象称滞后烧蚀)，在其表面形成大量未电离的中性气体工质。因此在这类电推力器的加速通道中形成两种典型气体团的加速过程：主放电过程中产生的高速等离子体团和放电结束后产生的低速滞后烧蚀中性气体团。然而这部分滞后烧蚀中性气体团在通道运动的过程中获得的后续放电能量极少甚至为零，无法形成有效的电离和电磁加速，只能以热膨胀的形式由热能向动能进行转换，严重制约着电能转换效率，造成推进效率低下。

发明内容

本发明的目的在于一种微小卫星在轨推进用的高效双极固体烧蚀型等离子体加速器，该装置能够效解决固体烧蚀型等离子体加速器效率低下的问题。

实现本发明目的的技术方案：一种双极固体烧蚀型等离子体加速器，该加速器包括直流电源、主高压控制开关、次高压控制开关、主放电电容、主可控硅、次放电电容、次可控硅、主电极、次电极，直流电源的正极分别与主高压控制开关、次高压控制开关的一端连接，主高压控制开关的另一端分别与主放电电容、主电极的一端连接，主放电电容的另一端分别与直流电源的负极、主可控硅的阴极连接，主可控硅的阳极与主电极的另一端连接；次高压控制开关的另一端分别与次放电电容、次电极的一端连接，次放电电容的另一端分别与直流电源的负极、次可控硅的阴极连接，次可控硅的阳极与次电极的另一端连接。

所述的直流电源通过主高压控制开关为主放电电容供电，直流电源通过次高压控制开关为次放电电容供电，充电完毕后，断开主高压控制开关、次高压控制开关；当卫星上的FPGA控制器接收到星载指令时，开启主放电工作模式，FPGA控制器发出高电平信号驱动主可控硅导通使主放电电容的电压加载到主电极；同时FPGA控制器连接点火装置，该点火装置采用通用的基于电容储能充放电的点火器，当受到FPGA控制器驱动时输出高压脉冲使火花塞点火，导致主放电电容放电，主放电电容放电引起的高温电弧烧蚀主电极上的固体推进剂表面，引起固体推进剂表面气化并电离形成等离子体；等离子体在主电极间电场的作用下构成闭合回路电流，电流自身感应出磁场，等离子体在电流和自感磁场形成的洛伦兹力作用下高速喷出产生推力，完成主放电工作模式；主放电之后固体推进剂表面继续有烧蚀现象出现，产生滞后烧蚀气体；当滞后烧蚀气体运动到次电极时，开启次放电工作模式，FPGA控制器发出高电平信号驱动次可控硅导通使次放电电容储存的电能在次电极释放，进一步电离滞后烧蚀气体使之形成等离子体；次电极放电形成了次放电电容、次电极回路电流，继而产生自感磁场，电磁加速滞后烧蚀气体电离所形成的等离子体产生向出口处的推力；完成了基于双极工作模式的放电过程。

所述的主电极包括第一阳极和第一阴极，主高压控制开关的另一端与第一阳极的一端连接，主可控硅的阳极与第一阴极的一端连接，第一阴极内嵌有火花塞，固体推进剂嵌在第一阳极和第一阴极之间；第一阴极与固体推进剂之间留有间隙。

所述的次电极包括第二阳极和第二阴极，次高压控制开关的另一端与第二阳极的一端连接，次可控硅的阳极与第二阴极的的一端连接。

所述的直流电源与主高压控制开关、次高压控制开关之间设有二极管，直流电源的正极与二极管的阳极连接，二极管的阴极与主高压控制开关、次高压控制开关连接。

所述的第一阳极和第二阳极之间设有主绝缘材料，第一阴极的第二阴极之间设有次绝缘材料。

所述的主绝缘材料和次绝缘材料的材料均采用聚醚酰亚胺。

所述的第一阳极、第一阴极、第二阳极、第二阴极的电极材料均采用铜电极。

所述的固体推进剂采用聚四氟乙烯

所述的火花塞采用击穿电压小于900V的同轴型半导体火花塞。

本发明的有益技术效果：本发明能够实现“放电能量的双级匹配释放”，同时规避了二次电能注入所再次引起的滞后烧蚀过程，并且由于结构简单在可靠性指标上会有跨越性的提高，易实现。

(1)结构简单。与传统固体烧蚀型等离子体加速器相比，只通过增加一组电极来构成本发明的等离子体加速器结构。

(2)采用双极工作模式，降低了系统的复杂性。在主电极工作模式中，通过火花塞触发脉冲放电烧蚀固体推进剂形成等离子体加速排出；当该模式结束后，固体推进剂由于滞后烧蚀效应继续“蒸发”生成大量中性气体；当中性气体运动到次电极区域时，次电极工作模式启动，通过次电极的脉冲放电来有效电离和加速滞后烧蚀气体，从而进一步提高固体推进剂的利用效率，提升加速器的冲量、比冲等性能。

(3)提出双组脉冲放电回路来实现上述双极工作模式。这种方式可以调节两个脉冲的时间间隔来设置两个工作模式释放的时序，设置放电能量在两个时段释放的比例，从而能够针对不同工作条件，有效控制主电极和次电极的工作模式使其合理匹配，从而保障等离子体加速器的工作可靠性。

(4)有效解决传统“二次放电”的诟病。传统“二次放电”是在主放电结束后，通过第二个储能电容器接着放电，期望将主放电结束后所产生的滞后烧蚀气体进一步电离。然而这种方法存在自身的诟病：即第二个储能电容器仍然在主电极放电，虽然能够电离一定程度的中性气体，但是二次放电所产生的高温电弧由于临近固体推进剂表面会继续烧蚀推进剂，因此当二次放电产生后出现新的滞后烧蚀现象。而本发明的双极工作模式则很好地规避了这个问题。即“二次放电”是在次电极产生；在次放电工作模式中，极板间所产生的高温电弧由于远离固体推进剂从而减弱甚至消除该位置放电对推进剂的传热效应，不会造成进一步的烧蚀现象。

附图说明

图1为本发明所提供的一种双极固体烧蚀型等离子体加速器的原理图。

图中：1为第一阳极；2为第一阴极；3为第二阳极；4为第二阴极；5为火花塞；6为直流电源；7为主高压控制开关；8为主绝缘材料；9为次绝缘材料；10为次高压控制开关；11为主放电电容；12为主可控硅；13为次放电电容；

14为次可控硅；15为固体推进剂；16为二极管，17.点火装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所提供的一种双极固体烧蚀型等离子体加速器包括第一阳极1和第一阴极2、第二阳极3和第二阴极4、火花塞5、直流电源6、主高压控制开关7、主绝缘材料8、次绝缘材料9、次高压控制开关10、主放电电容11、主可控硅12、次放电电容13、次可控硅14、固体推进剂15和二极管16。直流电源6的正极与二极管16的阳极连接，二极管16的阴极分别与主高压控制开关7、次高压控制开关10的一端连接。直流电源6通过主高压控制开关7为主放电电容11供电，直流电源6通过次高压控制开关10为次放电电容13供电。

主高压控制开关7的另一端分别与主放电电容11的一端、第一阳极1的一端连接，第一阳极1的另一端与主绝缘材料8的一端粘接，主绝缘材料8的另一端与第二阳极3粘接。主放电电容11的另一端分别与直流电源6的负极、主可控硅12的阳极连接，直流电源6的负极接地。主可控硅12的阴极与第一阴极2的一端连接，第一阴极2的另一端与次绝缘材料9的一端粘接，次绝缘材料9的另一端与第二阴极4粘接。主可控硅12的栅极与FPGA控制器的驱动信号输出1通道连接，FPGA控制器的地线端接地，FPGA控制器的驱动信号输出2通道与点火装置的输入端连接，第一阴极2内嵌有火花塞5，点火装置17的输出端与半导体火花塞5的阳极连接，火花塞5的阴极端嵌在第一阴极2内。固体推进剂15嵌在第一阳极1和第一阴极2之间。

次高压控制开关10的另一端分别与第二阳极3的中间位置、次放电电容13的一端连接；次放电电容13的另一端分别与直流电源6的负极、次可控硅14的阴极、FPGA控制器的地线端连接，且次放电电容13的该端接地。次可控硅14的阴极与第二阴极4的中间位置连接，次可控硅14的栅极与FPGA控制器的驱动信号输出3通道连接。

第一阳极1和第一阴极2、主放电电容11、主可控硅12、火花塞5和固体推进剂15实现主放电工作模式；第二阳极3和第二阴极4、次放电电容13、次可控硅14实现次放电工作模式；第一阳极1与第一阴极2组成主电极；第二阳极3与第二阴极4组成次电极。主电极与次电极通过主绝缘材料8和次绝缘材料9隔开。具体结构参数如下：

(1)主电极、次电极及主绝缘材料8和次绝缘材料9均为长方体型；考虑到高压放电环境及热效应，本发明中主绝缘材料8和次绝缘材料9采用聚醚酰亚胺。

(2)第一阳极1、第一阴极2、第二阳极3、第二阴极4的电极材料均使用导电性能良好的铜电极。

(3)主电极第一阳极1和第一阴极2的长度均为60mm，其中第一阳极1和第一阴极2的放电部分长度均为40mm；次电极第二阳极3和第二阴极4的长度均为40mm；第一阳极1、第一阴极2、第二阳极3和第二阴极4的宽度均为20～40mm，间距均为30～50mm，厚度均为10mm。主绝缘材料8和次绝缘材料9的长度均为10～30mm，主绝缘材料8和次绝缘材料9的宽度、间距、厚度均电极相同。

(4)固体推进剂15选用聚四氟乙烯；其中高度为32～52mm；宽度为20～40mm。

(5)为保证放电的稳定性和可靠性，本发明的火花塞5选用击穿电压低(<900V)的同轴型半导体火花塞，火花塞5的中心电极为镍锰合金，最大直径为14mm；火花塞5的外壳由高温合金钢制成；火花塞5的绝缘体材料为高铝瓷；火花塞5的半导体层宽1～1.2mm；火花塞5通过螺纹连接固定在第一阴极2上，其安装位置距离固体推进剂15表面的距离为2mm。

本发明中，所述主放电电容11的电容量为40μF～120μF之间，所加电压范围为1kv～3kv之间；所述次放电电容13的电容量为3000μF～5000μF之间，所加电压范围为100v～300v之间。

所述主电极通过点火装置17控制火花塞5的触发从而在第一阳极1与第一阴极2间释放主放电电容11储存的电能，实现主放电工作模式，点火装置受FPGA控制器驱动控制。

所述次电极利用次放电电容13储存的电能在第二阳极3与第二阴极4形成二次放电，进一步电离主放电产生的滞后烧蚀气体，实现次放电工作模式。

上述两个工作模式释放的时序由分别连接于主可控硅12、次可控硅14的FPGA控制器驱动信号输出1通道和3通道来设置，释放时序的时间间隔在40μs～100μs之间；主高压控制开关7、次高压控制开关10分别控制主放电电容11和次放电电容13储能及其大小，进一步调节放电能量在两个时段释放的比例。二极管16是防止已储能但未释放的主放电电容11或次放电电容13对直流电源6的反向充电。

如图1所示，本发明所提供的一种双极固体烧蚀型等离子体加速器的工作过程如下：首先闭合主高压控制开关7、次高压控制开关10，通过直流电源6分别将主放电电容11及次放电电容13充电至所需要的电压(100v～300v之间)，之后断开主高压控制开关7、次高压控制开关10。当FPGA接收到星载指令需要加速器工作时，通过驱动主可控硅12导通使主放电电容11的电压加载到主电极；同时通过驱动点火装置17使位于第一阴极2的火花塞5点火使主电极导通，导致主放电电容11放电，主放电电容放电引起的高温电弧烧蚀固体推进剂15表面，引起固体推进剂15表面气化并最终电离形成等离子体，等离子体在主电极间电场的作用下构成闭合回路电流，电流自身感应出磁场，等离子体在电流和自感磁场形成的洛伦兹力作用下高速喷出，产生推力，完成主放电工作模式。本次放电之后固体推进剂15表面继续有烧蚀现象出现，即滞后烧蚀现象。滞后烧蚀产生的气体绝大多数是未电离的中性气体，只能以热膨胀的形式运动，因此相对于等离子体来说，运动相对滞后。在主放电工作模式结束后经过了一段时间间隔后，这些滞后烧蚀气体运动到第二阳极3与第二阴极4组成次电极之间。然后开启次放电工作模式，即FPGA驱动次可控硅14导通使次放电电容13储存的电能在次电极释放，进一步电离滞后烧蚀气体使之形成等离子体，并且该位置远离固体推进剂15表面，不会产生后续的滞后烧蚀现象；此外由于放电形成了次放电电容13、第二阳极3、第二阴极4回路电流，继而产生自感磁场，电磁加速滞后烧蚀气体电离所形成的等离子体，产生向出口处的推力。整个基于双极工作模式的放电过程完成。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (10)

1.一种双极固体烧蚀型等离子体加速器，其特征在于：该加速器包括直流电源(6)、主高压控制开关(7)、次高压控制开关(10)、主放电电容(11)、主可控硅(12)、次放电电容(13)、次可控硅(14)、主电极、次电极，直流电源(6)的正极分别与主高压控制开关(7)、次高压控制开关(10)的一端连接，主高压控制开关(7)的另一端分别与主放电电容(11)、主电极的一端连接，主放电电容(11)的另一端分别与直流电源(6)的负极、主可控硅(12)的阴极连接，主可控硅(12)的阳极与主电极的另一端连接；次高压控制开关(10)的另一端分别与次放电电容(13)、次电极的一端连接，次放电电容(13)的另一端分别与直流电源(6)的负极、次可控硅(14)的阴极连接，次可控硅(14)的阳极与次电极的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种双极固体烧蚀型等离子体加速器，其特征在于：所述的直流电源(6)通过主高压控制开关(7)为主放电电容(11)供电，直流电源(6)通过次高压控制开关(10)为次放电电容(13)供电，充电完毕后，断开主高压控制开关(7)、次高压控制开关(10)；卫星上的FPGA控制器接收到星载指令，驱动主可控硅(12)导通使主放电电容(11)的电压加载到主电极；同时驱动点火装置(17)使火花塞(5)点火，导致主放电电容(11)放电，主放电电容(11)放电引起的高温电弧烧蚀主电极上的固体推进剂(15)表面，引起固体推进剂(15)表面气化并电离形成等离子体；等离子体在主电极间电场的作用下构成闭合回路电流，电流自身感应出磁场，等离子体在电流和自感磁场形成的洛伦兹力作用下高速喷出产生推力，完成主放电工作模式；主放电之后固体推进剂(15)表面继续有烧蚀现象出现，产生滞后烧蚀烧蚀气体；滞后烧蚀气体运动到次电极，开启次放电工作模式，FPGA控制器驱动次可控硅(14)导通使次放电电容(13)储存的电能在次电极释放，进一步电离滞后烧蚀气体使之形成等离子体；次电极放电形成了次放电电容(13)、次电极回路电流，继而产生自感磁场，电磁加速滞后烧蚀气体电离所形成的等离子体产生向出口处的推力；完成了基于双极工作模式的放电过程。

3.根据权利要求2所述的一种双极固体烧蚀型等离子体加速器，其特征在于：所述的主电极包括第一阳极(1)和第一阴极(2)，主高压控制开关(7)的另一端与第一阳极(1)的一端连接，主可控硅(12)的阳极与第一阴极(2)的一端连接，第一阴极(2)内嵌有火花塞(5)，固体推进剂(15)嵌在第一阳极(1)和第一阴极(2)之间；第一阴极(2)与固体推进剂(15)之间留有间隙。

4.根据权利要求3所述的一种双极固体烧蚀型等离子体加速器，其特征在于：所述的次电极包括第二阳极(3)和第二阴极(4)，次高压控制开关(10)的另一端与第二阳极(3)的一端连接，次可控硅(14)的阳极与第二阴极(4)的的一端连接。

5.根据权利要求4所述的一种双极固体烧蚀型等离子体加速器，其特征在于：所述的直流电源(6)与主高压控制开关(7)、次高压控制开关(10)之间设有二极管(16)，直流电源(6)的正极与二极管(16)的阳极连接，二极管(16)的阴极与主高压控制开关(7)、次高压控制开关(10)连接。

6.根据权利要求5所述的一种双极固体烧蚀型等离子体加速器，其特征在于：所述的第一阳极(1)和第二阳极(3)之间设有主绝缘材料(8)，第一阴极(2)和第二阴极(4)之间设有次绝缘材料(9)。

7.根据权利要求6所述的一种双极固体烧蚀型等离子体加速器，其特征在于：所述的主绝缘材料(8)和次绝缘材料(9)的材料均采用聚醚酰亚胺。

8.根据权利要求7所述的一种双极固体烧蚀型等离子体加速器，其特征在于：所述的第一阳极(1)、第一阴极(2)、第二阳极(3)、第二阴极(4)的电极材料均采用铜电极。

9.根据权利要求8所述的一种双极固体烧蚀型等离子体加速器，其特征在于：所述的固体推进剂(15)采用聚四氟乙烯。

10.根据权利要求9所述的一种双极固体烧蚀型等离子体加速器，其特征在于：所述的火花塞(5)采用击穿电压小于900V的同轴型半导体火花塞。