CN106742073B - 一种微弧阴极放电微型电推进模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微弧阴极放电微型电推进模块，包括电源、电感线圈、控制开关、分流器、阴极、阳极和电磁线圈；电源提供直流电，并用分流器进行测量，控制开关闭合时为电感线圈充电，控制开关断开时对外界产生瞬间高压，若外界电路导通，则向外界提供电流直至电感线圈储存的电能完全释放；阴极和阳极受到瞬间高压时放电击穿导通，烧蚀阴极表面并生成等离子体，在电磁线圈的磁力线作用下，等离子体聚焦加速喷出，产生推力。本发明采用固体金属作为推进剂，解决了微推进模块体积较大的问题；通过电磁线圈和控制开关配合并利用电弧放电剩余电流，解决了电感线圈功耗浪费的问题；通过电磁线圈聚焦推进器阴极表面的等离子体，提高了推进器比冲。
Description
技术领域
本发明涉及一种微弧阴极放电微型电推进模块，尤其适用于微纳卫星的在轨运行，属于微型电推进模块技术领域。
背景技术
随着微纳技术的发展，小卫星渐趋微型化，与传统的大卫星相比，微纳卫星体积小、质量轻、转动惯量小，用于轨道与姿态控制所需推力小，要求精度高，一般为毫牛量级，甚至到微牛量级；另外，微纳卫星能够提供的电源功率都不高。因此，传统大型卫星上采用的化学推进装置以及电推进装置均不适合微纳卫星。
微纳卫星一般在较低轨道运行，所在轨道空气密度较大，为延长微纳卫星的在轨时间或者提高姿态调控及轨道机动性，亟需研制适用于微纳卫星特性的微型推进模块。在现有技术中，较成熟的微推进模块有冷气微推进模块和微型化学推进模块，由于质量的限制，常规的微推进模块能够提供的总冲普遍较低。
传统的微推进模块存在如下问题：
第一、体积较大，传统的微型推进装置，例如微型冷气推进模块、微型化学推进模块、以及微型霍尔推进模块或微型离子推进模块等微型电推进模块均需要采用专门的推进剂贮罐、管路、阀门等贮供装置，造成体积较大。
第二、功耗浪费，现有模块通电后，各部分均开始产生静态功耗，有些部分并不需要工作，这就造成了功耗浪费，这在大卫星上尚可接受，但会使本来能源就很紧张的微纳卫星出现能源紧缺的状况。
第三、总冲较低，现有较成熟的微型冷气推进模块和微型化学推进模块比冲均比较低，由于微纳卫星对重量的限制，导致微型冷气推进模块、微型化学推进模块等常规微推进模块能够提供的总冲普遍较低。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种微弧阴极放电微型电推进模块，通过采用固体金属作为推进剂，去除了专门的推进剂贮供模块，大幅缩小了微推进模块的体积，解决了传统微推进模块体积较大的问题；通过电磁线圈和控制开关的配合且有效利用电弧放电的剩余电流，有效降低了微推进模块的功耗，解决了电感线圈功耗浪费的问题；通过电磁线圈聚焦推进器阴极表面的等离子体，提高了推进器的比冲，显著提升了微推进模块的总冲，克服了传统微推进模块总冲较低的难题。
本发明的技术解决方案是：
一种微弧阴极放电微型电推进模块，包括电源控制单元和推进器，其中：
电源控制单元包括电源、电感线圈、控制开关和分流器；电源提供直流电，并通过分流器进行测量，控制开关闭合时为电感线圈充电，控制开关断开时对外界产生瞬间高压，若外界电路导通，则向外界提供电流直至电感线圈储存的电能完全释放；
推进器包括阴极、绝缘环、阳极和电磁线圈；阴极和阳极受到瞬间高压时放电击穿绝缘环表面导通，烧蚀阴极表面并生成等离子体，在电磁线圈所生成的磁力线作用下，等离子体聚焦加速喷出，产生推力。
在上述的一种微弧阴极放电微型电推进模块中，所述电源正极与电感线圈一端相连，电感线圈另一端与控制开关一端连接，控制开关另一端分别与分流器一端和电源负极相连，分流器另一端接地。
在上述的一种微弧阴极放电微型电推进模块中，所述电感线圈一端还与电磁线圈一端相连，电感线圈另一端与阴极相连，阴极另一端与阳极之间设有绝缘环，阳极另一端接地并通过分流器6与电源负极相连。
在上述的一种微弧阴极放电微型电推进模块中，所述电源提供的电压范围是5～25V。
在上述的一种微弧阴极放电微型电推进模块中，所述控制开关采用IGBT控制开关。
在上述的一种微弧阴极放电微型电推进模块中，所述控制开关的工作频率范围是1～100Hz。
在上述的一种微弧阴极放电微型电推进模块中，所述阴极采用材料为钛或镍。
在上述的一种微弧阴极放电微型电推进模块中，所述绝缘环采用材料为陶瓷。
在上述的一种微弧阴极放电微型电推进模块中，所述阳极采用材料为铜。
在上述的一种微弧阴极放电微型电推进模块中，所述电磁线圈采用标称直径为0.5mm的漆包线缠绕两层，每层15匝。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明通过采用固体金属作为推进剂及自动供给机构，不需要专门的推进剂贮供模块，大幅缩小了微推进模块的体积，解决了传统微推进模块体积较大的问题。
2、本发明的电磁线圈与阴极和阳极所在电路串联，控制放电的开关同时也控制电磁线圈的供电，当推进器不工作时，电磁线圈也不供电，且电磁线圈可以利用电弧放电的剩余电流，节省电能，减小功耗。
3、本发明通过电磁线圈聚焦推进器阴极表面的等离子体，提高推进器比冲，可显著提升了微推进模块的总冲，克服了传统微推进模块总冲较低的难题。
4、本发明通过电感线圈和控制开关的配合，可以将5～25V的较低电压转化为瞬间高电压，实现了推力器阴极和推力器阳极的电弧低电压击穿导通，有效降低了模块所需的工作电压。
5、本发明的电源、电感线圈、分流器和电磁线圈均为常规元件，便于维修和更换，大幅降低了生产成本。
6、本发明适用于多种工作环境，在复杂工况下依然能够保持微纳卫星的在轨生存能力和执行任务能力，可操作性强。
7、本发明具有质量小、功率大、效率高的特点，能够保证微纳卫星在轨姿控的长时间稳定工作。
8、本发明通过调整控制开关的工作频率，实现了精确控制推力器的脉冲频率，从而满足了模块的变推力工作需求，模块整体架构清晰、通用便捷，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明结构图
其中：1电源控制单元；2推进器；3电源；4电感线圈；5控制开关；6分流器；7阴极；8绝缘环；9阳极；10电磁线圈；
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种微弧阴极放电微型电推进模块，包括电源控制单元1和推进器2，其中：
电源控制单元1包括电源3、电感线圈4、控制开关5和分流器6；电源3为模块运行提供直流电，并通过分流器6进行测量，控制开关5闭合时为电感线圈4充电，控制开关5断开时对外界产生瞬间高压，若外界电路导通，则向外界提供电流直至电感线圈4储存的电能完全释放；
推进器2包括阴极7、绝缘环8、阳极9和电磁线圈10；阴极7和阳极9受到瞬间高压时放电击穿绝缘环8表面导通，烧蚀阴极7表面并生成等离子体，在电磁线圈10所生成的磁力线作用下，等离子体聚焦加速喷出，产生推力。
电源3正极与电感线圈4一端相连，电感线圈4另一端与控制开关5一端连接，控制开关5另一端分别与分流器6一端和电源3负极相连，分流器6另一端接地。
电感线圈4一端还与电磁线圈10一端相连，电感线圈4另一端与阴极7相连，阴极7另一端与阳极9之间设有绝缘环8，阳极9另一端接地并通过分流器6与电源3负极相连。
优选的，电源3提供的电压范围是5～25V。
控制开关5采用IGBT控制开关。
控制开关5的工作频率范围是1～100Hz。
阴极7采用材料为钛或镍。
绝缘环8采用材料为陶瓷。
阳极9采用材料为铜。
电磁线圈10采用标称直径为0.5mm的漆包线缠绕两层，每层15匝。
实际使用时，电磁线圈10的电阻R为0.438Ω(标称直径0.5mm的漆包线为2.19Ω/m，按照20cm计算)，每次放电的时间为0.5ms左右，电流按照I＝10A左右，若按照常规方案电磁线圈10一直导通计算，每秒钟消耗功耗为I2Rt＝(10A)2×0.438Ω×1s＝43.8J；而采用本方案在1Hz情况下，电磁线圈10每秒功耗为I2Rt＝(10A)2×0.438Ω×0.5ms＝0.0219J，在100Hz情况下，电磁线圈10每秒功耗也仅为I2Rt＝(10A)2×0.438Ω×0.5ms×100＝2.19J。这将大大减少整个模块不必要的功耗。
本发明的工作原理是：
利用电感储能装置和IGBT快速开关产生瞬间高电压，在阴极7和阳极9之间产生放电电弧烧蚀阴极7材料产生较高电离度的高速等离子体，并利用外加磁场加速聚焦等离子体以产生推力。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (8)
1.一种微弧阴极放电微型电推进模块，其特征在于：包括电源控制单元(1)和推进器(2)，其中：
电源控制单元(1)包括电源(3)、电感线圈(4)、控制开关(5)和分流器(6)；电源(3)提供直流电，并通过分流器(6)进行测量，控制开关(5)闭合时为电感线圈(4)充电，控制开关(5)断开时对外界产生瞬间高压，若外界电路导通，则向外界提供电流直至电感线圈(4)储存的电能完全释放；
推进器(2)包括阴极(7)、绝缘环(8)、阳极(9)和电磁线圈(10)；阴极(7)和阳极(9)受到瞬间高压时放电击穿绝缘环(8)表面导通，烧蚀阴极(7)表面并生成等离子体，在电磁线圈(10)所生成的磁力线作用下，等离子体聚焦加速喷出，产生推力；
所述电感线圈(4)一端还与电磁线圈(10)一端相连，电感线圈(4)另一端与阴极(7)相连，阴极(7)另一端与阳极(9)之间设有绝缘环(8)，阳极(9)另一端接地并通过分流器(6)与电源(3)负极相连；
所述控制开关(5)的工作频率范围是1～100Hz。
2.根据权利要求1所述的一种微弧阴极放电微型电推进模块，其特征在于：所述电源(3)正极与电感线圈(4)一端相连，电感线圈(4)另一端与控制开关(5)一端连接，控制开关(5)另一端分别与分流器(6)一端和电源(3)负极相连，分流器(6)另一端接地。
3.根据权利要求2所述的一种微弧阴极放电微型电推进模块，其特征在于：所述电源(3)提供的电压范围是5～25V。
4.根据权利要求2所述的一种微弧阴极放电微型电推进模块，其特征在于：所述控制开关(5)采用IGBT控制开关。
5.根据权利要求1所述的一种微弧阴极放电微型电推进模块，其特征在于：所述阴极(7)采用材料为钛或镍。
6.根据权利要求1所述的一种微弧阴极放电微型电推进模块，其特征在于：所述绝缘环(8)采用材料为陶瓷。
7.根据权利要求1所述的一种微弧阴极放电微型电推进模块，其特征在于：所述阳极(9)采用材料为铜。
8.根据权利要求1所述的一种微弧阴极放电微型电推进模块，其特征在于：所述电磁线圈(10)采用标称直径为0.5mm的漆包线缠绕两层，每层15匝。
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