CN107061210A - 一种基于电热电磁混合加速的脉冲等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于电热电磁混合加速的脉冲等离子体推力器，包括电源处理单元、微型脉冲形成网络、触发器，触发电路，主放电电路，毛细管放电腔体，阴极喷嘴、阳极基座、棒状阳极和回流外壳。由于巧妙的结构设计，本公开所述的推力器可以同时实现电热和电磁加速效果，对烧蚀产生的中性成分和带电成分均能起到良好的加速效果。在小能量状态下，可以显著改善推力器效率低的问题，适合应用在低功率微小卫星应用场合。

Description

一种基于电热电磁混合加速的脉冲等离子体推力器

技术领域

本公开属于放电等离子体领域，特别涉及一种基于电热电磁混合加速的脉冲等离子体推力器。

背景技术

微小卫星具有成本低、研制周期短、扩展能力强、发射方式灵活等优点，且可以组网完成单个大型空间飞行器的功能，可大幅降低成本和风险。

早期发射的微小卫星由于技术难度和没有相关任务需求的原因大多没有推进模块，入轨后仅能执行简单任务并且随着大气阻力等的作用逐渐脱离轨道，所以早期发射的微小卫星一般寿命为几个月到一年左右。但是随着对微小卫星更长寿命或更加复杂任务(组网、精确观测、科学试验等)的需求，对微小卫星在轨寿命提出了3-5年的要求。由此对微小卫星携带的推进模块提出了更高的总冲量要求。微型推进模块包括冷气推进模块、微型化学推进模块、微型电推进模块等。微型冷气推进模块的技术难度较低，易于实现，且功耗低，但是其比冲较低(一般仅有60s左右)，由于微小卫星体积、重量的限制无法实现较大的总冲；微型化学推进模块的比冲有了较大幅度的提升，可达200s量级，但最小推力较大，不能满足微小卫星精确姿态控制的需求；而微型电推进模块由于电能的加入可以实现较高比冲，因此相同质量的推进剂条件下总冲更高，特别是微型脉冲等离子体推进模块由于推进剂一般为固体所以不需要复杂的贮供部件，而采用脉冲工作形式可以降低电源部分的复杂性，可提供较小推力或较小元冲量(达μN或μNs量级)，可满足微小卫星长寿命和精确姿轨控制的需求。

传统脉冲等离子体推力器采用平行极板或同轴电极，放电电流贯穿电极间。放电电流产生感生磁场，电流在自感磁场的中受到安培力作用，经电磁加速喷射出电极产生推力。传统脉冲等离子体推力器存在滞后烧蚀效应和微粒发射，会产生大量中性气体和微粒。由于电磁加速机制只能作用于带电微粒，对中性成分作用甚微，因此传统脉冲等离子体推力器效率较低，通常在10％以下。在小功率条件下，由于工质电离率下降，中性成分增多，整体效率进一步下降，这限制了其在微小卫星领域中的应用。

毛细管型脉冲等离子体推力器以电热加速机制为主，通过在小尺寸腔体内放电产生电弧，烧蚀管壁工质产生等离子体，增大毛细管腔体内温度和压强，在电热力作用下，等离子体通过喷口喷射形成射流，进而产生推力。在小能量，低功率条件下，毛细管型脉冲等离子体推力器可以减小热能散失，有更高的能量沉积效率，相比传统电磁加速型脉冲等离子体推力器有更高的推功比和更高的总体效率。但是电热加速机制下，推力器比冲参数较低，工质利用率低，不能同时满足微小卫星对推力器高比冲，高效率的输出参数的要求。

发明内容

基于此，本公开解释了一种基于电热电磁混合加速脉冲等离子体推力器；

所述推力器包括：电源处理单元、触发器，触发电路、主放电电路、毛细管放电腔体、同轴加速电极和半导体火花塞；所述电源处理单元为主放电电路供电；

所述主放电电路用于在推力器点火前，在推力器的阳极和阴极之间施加高压，使毛细管放电腔体内部分布径向和轴向电场；

所述触发电路向触发器输出高压脉冲；

所述触发器在触发电路输出的脉冲高压作用下，触发器产生沿面闪络，释放初始带电粒子，初始带电粒子在推力器阳极和阴极构成的电场作用下进入毛细管放电腔体；

所述毛细管放电腔体的表面与初始带电粒子碰击，诱发毛细管放电腔体发生沿面闪络，产生初始等离子体，并对初始等离子体进行电热加速；

所述同轴加速电极队进入的初始等离子体进行二次电离和电磁加速，从而产生推力。

与现有技术相比，本公开具有的有益技术效果：

1、本公开提供的基于电热电磁混合加速机制脉冲等离子体推力器，不同于传统的电磁加速机制，通过毛细管放电腔体和同轴电极结构同时实现了对占烧蚀产物进行电热电磁加速的效果。既能保证对质量绝大部分的中性分子的进行电热加速，又能借助电磁加速作用提高输出粒子速度，提高推力器比冲参数，也有利于提高推力器整体能量利用效率。

2、本公开采用固态半导体开关构成触发电路，体积小重量轻。输出脉冲电压信号，可以在较小触发能量下使触发器工作，且具备稳定的触发效果。此外，触发电路可以精确调控工作频率，达到推力器耗电功率、推力和冲量均可调节的目的。

3、本公开实现了毛细管放电腔体与推力器本体的模块化组合，结构简单，活动部件少，可靠性高。采用同轴结构设计使推力器整体装置尺寸较小，安装方便。可在同一外部结构下方便调节毛细管放电腔体的尺寸，满足不同性能输出参数的要求。

附图说明

图1是本公开一个实施例中一种基于电热电磁混合脉冲等离子体推力器结构示意图；

图2所示为本公开一个实施例中推力器整体装置示意图；

其中：1为半导体材料；2为阴极喷嘴；3为回流外壳；4为护套；5为棒状阳极；6为触发器电极；7为工质；8为阴极传输极板；9为阳极传输极板；10为触发电路；11为供电电源；12为微型PFN。

具体实施方式

在一个实施例中，结合图1、图2，本公开揭示了一种基于电热电磁混合加速脉冲等离子体推力器，

所述推力器包括：电源处理单元、触发器，触发电路、主放电电路、毛细管放电腔体、同轴加速电极和半导体火花塞；所述电源处理单元为主放电电路供电；

所述主放电电路用于在推力器点火前，在推力器的阳极和阴极之间施加高压，使毛细管放电腔体内部分布径向和轴向电场；

所述触发电路向触发器输出高压脉冲；

所述触发器在触发电路输出的脉冲高压作用下，触发器产生沿面闪络，释放初始带电粒子，初始带电粒子在推力器阳极和阴极构成的电场作用下进入毛细管放电腔体；

所述毛细管放电腔体的表面与初始带电粒子碰击，诱发毛细管放电腔体发生沿面闪络，产生初始等离子体，并对初始等离子体进行电热加速；

所述同轴加速电极队进入的初始等离子体进行二次电离和电磁加速，从而产生推力。

更优的，所述推力器整体呈同轴状结构。

本实施例针对现有固体烧蚀型脉冲等离子体推力器重粒子加速效率低，能量转化效率低、无法同时兼具高比冲和高总体效率等问题，提供一种基于电热电磁混合加速的脉冲等离子体推力器。该推力器具备两级结构，毛细管腔体和同轴加速电极。毛细管腔体产生初始等离子体，并对等离子体进行电热加速；初始等离子体进入同轴电极，进行二次电离和电磁加速。毛细管放电腔体提高放电沉积能量，并充分利用电热加速作用，提高系统总体效率；同轴电极提供电磁加速机制，提高带电粒子速度。进而提高推力器比冲参数。该推力器可同时具备高总体效率和高比冲参数。

在一个实施例中，所述主放电电路包括微型脉冲形成网络、回流外壳；

所述微型脉冲形成网络用于对推力器进行储能；

所述回流外壳用于减小主放电电路的等效电感。

在一个实施例中，述推力器还包括有阴极喷嘴、阳极基座、棒状阳极；

所述阳极基座安装在毛细管放电腔体的一端；

所述棒状阳极安装在阳极基座上，置于毛细管放电腔体内部；

所述阴极喷嘴位于毛细管放电腔体另一端，通过螺孔与回流外壳相连；回流外壳套在毛细管放电腔体外部。

在本实施例中，阳极包括阳极基座和棒状阳极，通过机械紧配合连接，棒状阳极能够调节位置，以获得最佳输出参数。阴极喷嘴为直喷嘴，可以对喷射羽流有更好的约束作用，使其扩张角较小，减小羽流发散的问题。设有外螺纹与回流外壳连接，可以较为方便地调节毛细管放电腔体长度。

在一个实施例中，制成所述毛细管放电腔体材料为聚四氟乙烯。

更优的，所述毛细管放电腔体的尺寸参数能够调整，根据需要输出的元冲量、比冲参数改变圆柱状放电腔体的长度和内径；

毛细管放电腔体管径为5mm～10mm，长度为10mm～20mm。

在本实施例中，毛细管放电腔体采用固体聚四氟乙烯材料，其化学物理性质稳定，与其他聚合物工质相比，比冲和推功比参数优异。

在一个实施例中，所述触发电路为利用固态半导体开关元件构成的Marx电路；

所述固态半导体开关元件为雪崩三极管；

所述触发电路分为6级，每级电容为2nF。

在一个实施例中，所述微型脉冲形成网络由低感脉冲电容器与电感构成；

微型脉冲形成网络能够根据预期输出波形进行参数调节；

微型脉冲形成网络两端分别与脉冲等离子体推力器的阳极和阴极喷嘴相连；

微型脉冲形成网络的初始能量能够在0.5J～30J范围进行调节。

在一个实施例中，本公开揭示了一种基于电热电磁混合加速机制的脉冲等离子体推力器，所述推力器包括：电源处理单元、微型脉冲形成网络、触发器，触发电路，主放电电路，毛细管放电腔体，阴极喷嘴、阳极基座、棒状阳极和回流外壳。毛细管放电腔体为固体棒状聚四氟乙烯，中空结构为放电腔体。阳极基座安装在毛细管放电腔体一端，棒状阳极安装在阳极基座上，置于放电腔体内部。阴极喷嘴位于毛细管放电腔体另一端，通过螺孔与回流外壳相连；回流外壳套在棒状工质外部，其底部有螺纹，连接护套。整个装置为同轴结构。半导体火花塞位于推力器尾部，半导体火花塞沿面闪络释放初始带电粒子，用于诱发毛细管腔体内部沿面闪络。点火电路输出直流高压使火花塞发生沿面放电产生初始等离子体。传输线结构为板状结构，其厚度大于放电电流的趋肤深度。所述传输线的结构减小了传统推力器中连接引线的电感，提高了整体性能。微型脉冲形成网络经传输极板与推力器连接，构成主放电电路。

本公开涉及推力器在工作时分为四个主要物理过程：首先，触发电路接受外部控制信号，输出高压脉冲作用在触发器上。在幅值约为5kV的高压脉冲作用下，触发器发生沿面闪络，释放初始带电粒子；初始带电粒子在推力器阴极，阳极构成电场作用下进入毛细管放电腔体。由于棒状阳极的存在，垂直工质腔体表面的电场分量较强，带电粒子更容易撞击工质腔体表面，诱发工质发生沿面闪络；放电通道形成后，放电电流逐渐增大，向电弧转化；在电弧焦耳热作用下，毛细管放电腔体表面温度升高，聚四氟乙烯不断熔化、分解、电离，烧蚀产物进入腔体内部，使温度和压强升高；与此同时，电弧通道在箍缩效应的作用下，其尾部沿棒状阳极向喷嘴运动；最终，电弧在气动力和安培力的综合作用下喷出喷口，形成等离子体射流，转化为推力。

本公开中毛细管放电腔体采用固体聚四氟乙烯材料，其化学物理性质稳定，与其他聚合物工质相比，比冲和推功比参数优异。本公开为同时实现电热电磁加速机制，对毛细管放电腔体结构进行改进设计，使其可牢靠安装棒状阳极与触发器。此外，放电腔体尺寸可根据输出参数需求进行调整。

本公开中所述高性能火花塞半导体材料以碳化硅为基底，将二氧化锆、三氧化二铝和玻璃以一定比例与碳化硅混合烧结而成，气孔率为5％，吸水率为0.8％，可有效改善火花塞表面的积碳现象，增加推力器的使用寿命。真空中可在600V的直流电压下发生沿面闪络释放带电粒子。

本公开中所述触发电路为利用固态半导体开关元件构成的Marx电路。开关元件为雪崩三极管，整个电路为6级，每级电容为2nF。充电电压2kV时，触发电路可以输出幅值为7.5kV的负电压高压脉冲。触发电路体积小，质量轻，且能在真空环境中使用。触发电路通过同轴电缆与触发器相连，由于触发电路的等效阻抗较小，能量传递效率高。触发电路可以工作在重频模式，能够满足推力器重频工作时的触发需求。

本公开所述主放电电路包括一个微型脉冲形成网络。脉冲形成网络由低感脉冲电容器与电感构成。微型脉冲形成网络(μPFN)可以根据预期输出波形进行参数调节。微型脉冲形成网络(μPFN)两端分别与脉冲等离子体推力器的阳极和阴极喷嘴相连。微型脉冲形成网络(μPFN)的初始能量可在0.5J～30J范围进行调节。

本公开所述阴极和阳极采用同轴结构设置。阳极包括阳极基座和棒状阳极，通过机械紧配合连接，棒状阳极可以方便调节位置，以获得最佳输出参数。阴极喷嘴为直喷嘴，可以对喷射羽流有更好的约束作用，使其扩张角较小，减小羽流发散的问题。设有外螺纹与有机玻璃外壳连接，可以较为方便地调节毛细管放电腔体长度。

以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替代；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术所述的精神范围。

Claims (10)

1.一种基于电热电磁混合加速的脉冲等离子体推力器，其特征在于，

所述推力器包括：电源处理单元、触发器，触发电路、主放电电路、毛细管放电腔体、同轴加速电极和半导体火花塞；

所述电源处理单元为主放电电路供电；

所述主放电电路用于在推力器点火前，在推力器的阳极和阴极之间施加高压，使毛细管放电腔体内部分布径向和轴向电场；

所述触发电路向触发器输出高压脉冲；

所述触发器在触发电路输出的脉冲高压作用下，触发器产生沿面闪络，释放初始带电粒子，初始带电粒子在推力器阳极和阴极构成的电场作用下进入毛细管放电腔体；

所述毛细管放电腔体的表面与初始带电粒子碰击，诱发毛细管放电腔体发生沿面闪络，产生初始等离子体，并对初始等离子体进行电热加速；

所述同轴加速电极对进入的初始等离子体进行二次电离和电磁加速，从而产生推力。

2.根据权利要求1所述的推力器，其特征在于，优选的，所述推力器整体呈同轴状结构。

3.根据权利要求1所述的推力器，其特征在于：所述主放电电路包括微型脉冲形成网络和回流外壳；

所述微型脉冲形成网络用于对推力器进行储能；

所述回流外壳用于减小主放电电路的等效电感。

4.根据权利要求3所述的推力器，其特征在于：所述推力器还包括有阴极喷嘴、阳极基座、棒状阳极；

所述阳极基座安装在毛细管放电腔体的一端；

所述棒状阳极安装在阳极基座上，置于毛细管放电腔体内部；

所述阴极喷嘴位于毛细管放电腔体另一端，通过螺孔与回流外壳相连；回流外壳套在毛细管放电腔体外部。

5.根据权利要求4所述的推力器，其特征在于：所述棒状阳极的安装位置能够调节；

所述阴极喷嘴为直喷嘴。

6.根据权利要求1所述的推力器，其特征在于：制成所述毛细管放电腔体材料为聚四氟乙烯。

7.根据权利要求6所述的推力器，其特征在于：所述毛细管放电腔体的尺寸参数能够调整，根据推力器需要输出的元冲量、比冲参数改变圆柱状放电腔体的长度和内径。

8.根据权利要求7所述的推力器，其特征在于：所述毛细管放电腔体管径为5mm～10mm，长度为10mm～20mm。

9.根据权利要求1所述的推力器，其特征在于：所述触发电路为利用固态半导体开关元件构成的Marx电路；

所述固态半导体开关元件为雪崩三极管；

所述触发电路分为6级，每级电容为2nF。

10.根据权利要求3所述的推力器，其特征在于：所述微型脉冲形成网络能够根据预期输出波形进行参数的调节；

微型脉冲形成网络两端分别与脉冲等离子体推力器的阳极和阴极喷嘴相连；

微型脉冲形成网络的初始能量能够在0.5J～30J范围进行调节。