CN107178479A - 一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器及工作方法，属于微小卫星航天推进技术领域。本发明包括恒力弹簧、固定推进剂用的上绝缘板、半导体火花塞、增加元冲量用永磁铁、阴极极板、增加比冲用永磁铁、阳极极板、高压电源、主放电电容器、二极管、固定推进剂用的下绝缘板、固体推进剂；分别在阴极极板、阳极极板上增加用于减慢中性气体前进速度的气体储存腔，在气体储存腔后侧增大极板之间的间距，极板在靠近喷口末端为平行布设；在自感磁场相反方向上添加增加元冲量用永磁铁；在自感磁场相同方向上添加增加比冲用永磁铁。本发明能够提高固体脉冲等离子体推力器的推进剂利用率，具有成本低的优点，适合做微纳卫星的主推力器以及各种大卫星的调节装置。

Description

一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器及工作方法

技术领域

本发明涉及一种固体脉冲等离子体推力器及工作方法，属于微小卫星航天推进技术领域。

背景技术

成本低、研制周期短、发射灵活且有效载荷低是微小卫星的主要优点，目前微小卫星已在通信、遥感、对地观测和空间试验等领域具有广泛应用。近年来，国内外微小卫星的发展十分迅速，其空间发射数量在整体上呈增长趋势。由于微小卫星受到总功率、质量和体积的限制，其推进系统需要具备重量轻、功耗低、体积小、寿命长、推力精确等特点。电推进技术具有推力小、比冲高、推力可控等优点，非常适合作为微小卫星的推进技术。作为最早应用于航天任务的电推力器，脉冲等离子体推力器(Pulsed Plasma Thruster)具有比冲高、结构简单、控制方便灵活、能在低功率下稳定工作等特点，可以满足微小卫星，尤其是质量小于100kg的微小卫星对系统提出的低功耗和低质量等严苛要求。目前已成功应用于位置保持、姿态控制以及轨道转移等十余次在轨推进任务，是微小卫星电推进系统发展的重要方向。但目前固体脉冲等离子体推力器由于其极低的工作效率(通常小于10％)而饱受诟病。

发明内容

本发明公开的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器及工作方法要解决的技术问题为提高固体脉冲等离子体推力器的推进剂利用率，具有成本低的优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器，包括恒力弹簧、固定推进剂用的上绝缘板、半导体火花塞、增加元冲量用永磁铁、阴极极板、增加比冲用永磁铁、阳极极板、高压电源、主放电电容器、二极管、固定推进剂用的下绝缘板、固体推进剂。恒力弹簧用于给固体推进剂提供恒定推力。主放电电容器一端通过二极管与阳极极板相连接，另一端直接与阴极极板连接，并通过高压电源进行充电。对原有平板极板作如下改进，分别在阴极极板、阳极极板靠近半导体火花塞一侧增加用于减慢中性气体前进速度的气体储存腔，在气体储存腔后侧增大阴极极板与阳极极板之间的间距，且阴极极板与阳极极板在靠近喷口末端为平行布设。半导体火花塞镶嵌在阴极极板内。在等离子体团产生的自感磁场相反方向上添加增加元冲量用永磁铁，所述的增加元冲量用永磁铁固定在气体储存腔上，用于减慢等离子体团的前进速度。在等离子体团产生的自感磁场相同方向上添加增加比冲用永磁铁，所述的增加比冲用永磁铁固定在极板加速区域，用于增大等离子体的前进速度至满足推力器的比冲需求。

为防止中性气体团在未进入气体储存腔前从固体推进剂两侧扩散，将固体推进剂端面设计为半圆形凹槽。

为定位增加元冲量用永磁铁、增加比冲用永磁铁相对于阴极极板与阳极极板的位置，在阴极极板与阳极极板上增加定位圆柱，所述的圆柱用于与增加元冲量用永磁铁、增加比冲用永磁铁进行相互定位与固定。

所述的增加元冲量用永磁铁根据减慢等离子体的前进速度需要而定，优选一组。所述的增加比冲用永磁铁数量根据满足推力器的比冲需求而定，优选一组。

所述的在气体储存腔后侧增大阴极极板与阳极极板之间的间距的方式，优选由两段圆弧组成的过渡段。

电源转换装置能将微小卫星上通过太阳能板产生的低压电流转换成高压电流，通过低电阻导线输送到主放电电容器和主放电点火电路。主放电点火回路按照预设的触发信号产生低能量的高压脉冲并传输到镶嵌在阴极极板上的半导体火花塞，使半导体火花塞开始点火。固体推进剂的供应则通过恒力弹簧产生恒定力作用在固体推进剂上，保证固体推进剂能够在所需的速率送到本发明公开的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器进口处。本发明公开的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器的工作方法为：首先将主放电电容器充电至所需的高电压，虽然此时的阴极极板与阳极极板之间存在强电场，但在真空情况下缺少导通条件，不能自行击穿。当主放电点火回路接收到预设的触发信号时，半导体火花塞开始点火，发射出少量的粒子，所述的粒子包括电子、离子、中性粒子，粒子与固体推进剂表面碰撞后，推进剂表面由于二次电子现象会发射出大量的粒子，其中带电粒子在阴极极板与阳极极板的强电场作用下被加速，继续与固体推进剂表面及发射出的粒子碰撞，使推进剂表面发射出更多的粒子，然后烧蚀出的气体分子被分解并离子化成带电粒子，当等离子体团足够大时，主放电电容器、阴极极板、阳极极板和等离子体团构成RLC的电流回路，并在等离子体团后方产生自感磁场。等离子体团在自感磁场与外加磁场共同产生的安培力作用下喷出，并产生所需推力。由于固体推进剂表面采用凹槽形状，能够提高点火的成功率、并防止烧蚀出的中性气体还未电离就已经扩散。由于增加元冲量用永磁铁被固定在气体储存腔上，其磁场方向与等离子体团的自感磁场方向相反，减慢等离子体团的速度，气体储存腔减慢中性气体前进速度，磁铁的磁力作用与气体储存腔均能够增大带电的粒子与中性气体的碰撞概率，提高固体推进剂的电离率。由于RLC回路放电后期电流会衰减，单靠等离子体自感磁场加速比冲达不到推力需求，在等离子体团产生的自感磁场相同方向上添加增加比冲用永磁铁，增大等离子体的前进速度至满足推力器的比冲需求。增大极板间距以加速等离子体，由于且阴极极板与阳极极板在靠近喷口末端为平行布设，从而能够避免产生不必要的速度分量，即进一步提高推力器有效比冲。

有益效果：

1、本发明公开的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器，对原有平板极板作如下改进，分别在阴极极板、阳极极板靠近半导体火花塞一侧增加用于减慢中性气体前进速度的气体储存腔，并添加增加元冲量用永磁铁在气体储存腔上，磁体磁场方向与等离子体团产生的自感磁场方向相反，磁铁的磁力作用与气体储存腔均能够增大带电的粒子与中性气体的碰撞概率，提高推进剂的利用率。

2、本发明公开的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器，在气体储存腔后侧增大阴极极板与阳极极板之间的间距，且阴极极板与阳极极板在靠近喷口末端为平行布设，从而能够避免产生不必要的速度分量，即进一步提高推力器固体推进剂的利用率。

3、本发明公开的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器，在等离子体团产生的自感磁场相同方向上添加增加比冲用永磁铁，增大等离子体的前进速度，实现满足推力器的比冲需求。

4、本发明公开的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器，由于固体推进剂表面采用凹槽形状，能够提高点火的成功率、并防止烧蚀出的中性气体还未电离就已经扩散。

5、传统的固体脉冲推力器的推力效率通常小于10％，造成如此低工作效率的主要原因是推进剂的利用率极低，即在主放电电容器放电后，固体推进剂表面产生大量的中性气体不能完全电离成等离子体，以较低的速度喷出。本发明公开的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器，通过上述改进，可将固体推进剂利用率提高至60％左右，推力器总推力效率由小于10％提高至40％左右，并且总体设计简单、成本低，适用于微纳卫星的主推力器与大卫星的调节装置，包括姿态控制、位置保持、阻力补偿等任务。

附图说明

图1为一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器装置示意图。

图2为固体推进剂的俯视图。

图3为永磁铁与电极间定位与固定方式示意图。

其中：1-恒力弹簧、2-固定推进剂用的上绝缘板、3-半导体火花塞、4-增加元冲量用永磁铁、5-阴极极板、6-增加比冲用永磁铁、7-阳极极板、8-高压电源、9-主放电电容器、10-二极管、11-固定推进剂用的下绝缘板、12-固体推进剂。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

本实施例公开一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器，包括恒力弹簧1、固定推进剂用的上绝缘板2、半导体火花塞3、增加元冲量用永磁铁4、阴极极板5、增加比冲用永磁铁6、阳极极板7、高压电源8、主放电电容器9、二极管10、固定推进剂用的下绝缘板11、固体推进剂12。其中，阴极极板5、阳极极板7均采用总长度20mm且导电性能较好的铜电极，中性气体储存腔的长度为5mm、储存腔的高度为5～10mm、极板加速区域为10mm，根据具体工况，极板的宽度可调为20～40mm、极板最小间距可调为25～40mm。与电极极板相适应，固体推进剂12的长度可调为80mm、高度可调为25～40mm。半导体火花塞3与固体推进剂12凹槽端面的距离为5mm。主放电电容器9的容量为2～10μF，起始放电电压为1000～5000V。

恒力弹簧1用于给端面带有凹槽的固体推进剂12提供恒定推力。主放电电容器9一端通过二极管10与阳极极板7相连接，另一端直接与阴极极板5连接，并通过高压电源8进行充电。对原有平板极板作如下改进，分别在阴极极板5、阳极极板7靠近半导体火花塞3一侧增加用于减慢中性气体前进速度的气体储存腔，在气体储存腔后侧由两段圆弧组成的过渡段形式来增大阴极极板5与阳极极板7之间的间距，且阴极极板5与阳极极板7在靠近喷口末端为平行布设。半导体火花塞3镶嵌在阴极极板5内。在等离子体团产生的自感磁场相反方向上添加增加一组元冲量用永磁铁4，所述的增加元冲量用永磁铁4固定在气体储存腔上，用于减慢等离子体团的前进速度。在等离子体团产生的自感磁场相同方向上添加一组增加比冲用永磁铁6，所述的增加比冲用永磁铁6固定在极板加速区域，用于增大等离子体的前进速度至满足推力器的比冲需求。为定位增加元冲量用永磁铁4、增加比冲用永磁铁6相对于阴极极板5与阳极极板7的位置，在阴极极板5与阳极极板7上增加圆柱，所述的圆柱用于与增加元冲量用永磁铁4、增加比冲用永磁铁6进行相互定位与固定。

电源转换装置能将卫星上通过太阳能板产生的低压电流转换成高压电流，通过导线输送到主放电电容器9和主放电点火电路。主放电点火回路按照设定的触发信号产生低能量的高电压脉冲输送到镶嵌在阴极极板5上的半导体火花塞3，使半导体火花塞3开始点火。固体推进剂12的供应则通过恒力弹簧1产生恒定力作用在固体推进剂12上，保证固体推进剂12能够在所需的速率送到本实施例公开的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器进口处。本实施例公开的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器的工作方法为：首先将主放电电容器9充电至所需的高电压，此时，阴极极板5与阳极极板7之间虽然存在强电场，但在真空情况下不会自行击穿。当放电点火回路接收到设定的触发信号时，半导体火花塞3开始点火，产生少量的粒子，所述的粒子包括电子、离子、中性粒子，粒子与推进剂表面碰撞后，推进剂表面由于二次电子现象会发射出大量的粒子，其中带电粒子在阴极极板5与阳极极板7的强电场作用下被加速，继续与固体推进剂12表面及发射出的粒子碰撞，使推进剂表面发射出更多的粒子，然后烧蚀出的气体分子被分解并离子化成带电粒子，当等离子体团足够大时，主放电电容器9、阴极极板5、阳极极板7和等离子体团构成RLC的电流回路，并在等离子体团后方产生自感磁场。等离子体团在自感磁场与外加磁场共同产生的安培力作用下喷出，并产生所需推力。由于固体推进剂12表面采用凹槽形状，能够提高点火的成功率、并防止烧蚀出的中性气体还未电离就已经扩散。由于增加元冲量用永磁铁4被固定在气体储存腔上，其磁场方向与等离子体团的自感方向相反，减慢等离子体团的速度，气体储存腔减慢中性气体前进速度，磁铁的磁力作用与气体储存腔均能够增大带电的粒子与中性气体的碰撞概率，提高固体推进剂12的利用率。由于RLC回路放电后期电流会衰减，单靠等离子体自感磁场加速比冲达不到推力需求，在等离子体团产生的自感磁场相同方向上添加增加比冲用永磁铁6，增大等离子体的前进速度至满足推力器的比冲需求。增大极板间距以加速等离子体，由于且阴极极板5与阳极极板7在靠近喷口末端为平行布设，从而能够避免产生不必要的速度分量，即进一步提高推力器有效比冲。

以上描述对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器，包括恒力弹簧(1)、固定推进剂用的上绝缘板(2)、半导体火花塞(3)、阴极极板(5)、阳极极板(7)、高压电源(8)、主放电电容器(9)、二极管(10)、固定推进剂用的下绝缘板(11)、固体推进剂(12)；恒力弹簧(1)用于给固体推进剂(12)提供恒定推力；主放电电容器(9)一端通过二极管(10)与阳极极板(7)相连接，另一端直接与阴极极板(5)连接，并通过高压电源(8)进行充电；其特征在于：对原有平板极板作如下改进，分别在阴极极板(5)、阳极极板(7)靠近半导体火花塞(3)一侧增加用于减慢中性气体前进速度的气体储存腔，在气体储存腔后侧增大阴极极板(5)与阳极极板(7)之间的间距，且阴极极板(5)与阳极极板(7)在靠近喷口末端为平行布设；半导体火花塞(3)镶嵌在阴极极板(5)内；在等离子体团产生的自感磁场相反方向上添加增加元冲量用永磁铁(4)，所述的增加元冲量用永磁铁(4)固定在气体储存腔上，用于减慢等离子体团的前进速度；在等离子体团产生的自感磁场相同方向上添加增加比冲用永磁铁(6)，所述的增加比冲用永磁铁(6)固定在极板加速区域，用于增大等离子体的前进速度至满足推力器的比冲需求。

2.如权利要求1所述的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器，其特征在于：为防止中性气体团在未进入气体储存腔前从固体推进剂(12)两侧扩散，固体推进剂(12)端面为半圆形凹槽。

3.如权利要求1或2所述的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器，其特征在于：为定位增加元冲量用永磁铁(4)、增加比冲用永磁铁(6)相对于阴极极板(5)与阳极极板(7)的位置，在阴极极板(5)与阳极极板(7)上增加定位圆柱，所述的圆柱用于与增加元冲量用永磁铁(4)、增加比冲用永磁铁(6)进行相互定位与固定。

4.如权利要求1或2所述的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述的增加元冲量用永磁铁(4)根据减慢等离子体的前进速度需要而定，选一组；所述的增加比冲用永磁铁(6)数量根据满足推力器的比冲需求而定，选一组。

5.如权利要求1或2所述的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述的在气体储存腔后侧增大阴极极板(5)与阳极极板(7)之间的间距的方式，选由两段圆弧组成的过渡段。

6.如权利要求1或2所述的一种高推进剂利用率固体脉冲等离子体推力器，其特征在于：工作方法为，首先将主放电电容器(9)充电至所需的高电压，虽然此时的阴极极板(5)与阳极极板(7)之间存在强电场，但在真空情况下缺少导通条件，不能自行击穿；当主放电点火回路接收到预设的触发信号时，半导体火花塞(3)开始点火，发射出少量的粒子，所述的粒子包括电子、离子、中性粒子，粒子与固体推进剂(12)表面碰撞后，推进剂表面由于二次电子现象会发射出大量的粒子，其中带电粒子在阴极极板(5)与阳极极板(7)的强电场作用下被加速，继续与固体推进剂(12)表面及发射出的粒子碰撞，使推进剂表面发射出更多的粒子，然后烧蚀出的气体分子被分解并离子化成带电粒子，当等离子体团足够大时，主放电电容器(9)、阴极极板(5)、阳极极板(7)和等离子体团构成RLC的电流回路，并在等离子体团后方产生自感磁场；等离子体团在自感磁场与外加磁场共同产生的安培力作用下喷出，并产生所需推力；由于固体推进剂(12)表面采用凹槽形状，能够提高点火的成功率、并防止烧蚀出的中性气体还未电离就已经扩散；由于增加元冲量用永磁铁(4)被固定在气体储存腔上，其磁场方向与等离子体团的自感磁场方向相反，减慢等离子体团的速度，气体储存腔减慢中性气体前进速度，磁铁的磁力作用与气体储存腔均能够增大带电的粒子与中性气体的碰撞概率，提高固体推进剂(12)的电离率；由于RLC回路放电后期电流会衰减，单靠等离子体自感磁场加速比冲达不到推力需求，在等离子体团产生的自感磁场相同方向上添加增加比冲用永磁铁(6)，增大等离子体的前进速度至满足推力器的比冲需求；增大极板间距以加速等离子体，由于且阴极极板(5)与阳极极板(7)在靠近喷口末端为平行布设，从而能够避免产生不必要的速度分量，即进一步提高推力器有效比冲。