CN107191346A - 一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置 - Google Patents

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耿金越
龙军
刘旭辉
魏福智
仝颖刚
扈延林
毛威
陈君
沈岩
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0081—Electromagnetic plasma thrusters

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Abstract

本发明公开了一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，包括套筒、第一金属块、绝缘块、第二金属块、弹簧、磁芯和永磁体；套筒内设有台阶通孔，第一金属块、绝缘块、第二金属块和弹簧依次穿设在台阶通孔中并相互贴合，弹簧与法兰贴合，法兰与套筒一端固连，套筒另一端穿设在磁芯和永磁体中，磁芯与永磁体贴合。本发明通过设置套筒、第一金属块、绝缘块和第二金属块，缩减了装置质量，解决了传统微型电推进装置质量较大的问题；通过弹簧、磁芯和永磁体的配合，延长了装置工作时间，弥补了传统微型电推进装置工作周期较短的缺陷；通过控制第一金属块和绝缘块与磁芯和永磁体的相对位置，提升了装置精度，克服了传统微型电推进装置精度较低的难题。

Description

一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置
技术领域
本发明涉及一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，尤其适用于微纳卫星空间推进过程，属于微型推进装置技术领域。
背景技术
随着现代科学技术的发展，人们逐渐对探测卫星的成本以及制作时间周期有了新的要求。微纳卫星是未来卫星发展的一个重要方向，微纳卫星具有成本低、体积小、研制周期短、扩展能力强、发射方式灵活等优点，正因为微纳卫星具有上述优点，其在进行目标侦查时，便于对目标近距离、高精度逼近监视以及对抗，同时，又不会被目标发现，这在军事作战上具有重大意义。
微纳卫星对目标的长时间监视和高精度逼近对微纳卫星的推进模块提出了较高的要求，长期监控需要推进模块应具有较高的总冲，以便为微纳卫星提供较长时间的机动能力；高精度逼近则要求推进模块能够提供较小的元冲量；同时，微纳卫星也对推进模块的体积、重量、功率等提出了一定的限制。
微弧阴极放电推力器属于一种微型电推进装置，现有技术中，常规的微型电推进装置存在如下问题：
第一、质量较大，常规的微型电推进装置，例如微型霍尔推进模块、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，造成质量较大。
第二、总冲较低，常规微型电推进装置比冲一般为1000s左右，由于微纳卫星对重量的限制，导致常规微型电推进装置提升的总冲具有一定限制
第三、磁聚焦装置能量损耗大，常规微型电推进装置中采用电磁线圈产生磁场，聚焦加速带电粒子，但是电磁线圈工作过程中会有一定的能量损耗。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，通过合理设置套筒、第一金属块、绝缘块和第二金属块，且第二金属块同时作为固体推进剂，不再需要专门的贮供装置，大幅缩减了装置的质量，解决了传统微型电推进装置质量较大的问题；通过弹簧、磁芯和永磁体的配合，利用产生的磁场聚焦加速带电粒子，提高比冲，在推进剂质量不变的前提下提高总冲，一定程度上突破常规微型电推进装置总冲的限制；通过采用磁芯和永磁体的配合，取代常规微型电推进装置中采用的电磁线圈，避免了采用电磁线圈带来的能量损耗。
本发明的技术解决方案是：
一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，包括套筒、第一金属块、绝缘环、第二金属块、弹簧、法兰、磁芯和永磁体；套筒内设有台阶通孔，第一金属块、绝缘块、第二金属块和弹簧依次穿设在所述台阶通孔中并相互贴合，弹簧与法兰贴合，法兰与套筒一端固定连接，套筒另一端穿设在磁芯和永磁体中，磁芯与永磁体贴合。
在上述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置中，所述第一金属块和绝缘块的贴合面与磁芯和永磁体的贴合面位于同一平面内。
在上述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置中，所述套筒和法兰均采用聚四氟乙烯材料。
在上述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置中，所述第一金属块的形状为环形，第一金属块采用的材料为铜。
在上述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置中，所述绝缘块的形状为环形，绝缘块采用陶瓷材料。
在上述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置中，所述第二金属块的形状为环形，第二金属块采用的材料为钛。
在上述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置中，所述弹簧采用材料为1Cr18Ni9Ti，弹簧刚度为2N/mm。
在上述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置中，所述磁芯的厚度不超过2mm。
在上述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置中，所述磁芯的形状为环形，磁芯采用不锈钢材料。
在上述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置中，所述永磁体的形状为环形，永磁体采用耐高温钐钴材料。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明通过合理设置套筒、第一金属块、绝缘块和第二金属块，且第二金属块同时作为固体推进剂，不再需要专门的贮供装置，大幅缩减了装置的质量，解决了传统微型电推进装置质量较大的问题。
2、本发明利用产生的磁场聚焦加速带电粒子，提高比冲，在推进剂质量不变的前提下提高总冲，一定程度上突破常规微型电推进装置总冲的限制。
3、本发明通过采用磁芯和永磁体的配合，取代常规微型电推进装置中采用的电磁线圈，避免了采用电磁线圈带来的能量损耗。
4、本发明的弹簧、法兰、磁芯和永磁体均为常规元件，便于维修和更换，大幅降低了生产成本。
5、本发明适用于多种工作环境，在复杂工况下依然能够正常使用，可操作性强。
6、本发明具有质量轻、体积小、精度高的特点，能够保证长时间稳定工作。
7、本发明整体结构紧凑、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
图2为本发明示意图
图3为本发明主视图
图4为本发明等轴侧视图
图5为本发明右视图
其中：1套筒；2第一金属块；3绝缘块；4第二金属块；5弹簧；6法兰；7磁芯；8永磁体；
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，一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，包括套筒1、第一金属块2、绝缘块3、第二金属块4、弹簧5、法兰6、磁芯7和永磁体8；套筒1内设有台阶通孔，第一金属块2、绝缘块3、第二金属块4和弹簧5依次穿设在所述台阶通孔中并相互贴合，弹簧5与法兰6贴合，法兰6与套筒1 一端固定连接，套筒1另一端穿设在磁芯7和永磁体8中，磁芯7与永磁体8贴合。
第一金属块2和绝缘块3的贴合面与磁芯7和永磁体8的贴合面位于同一平面内。
优选的，套筒1和法兰6均采用聚四氟乙烯材料。
第一金属块2的形状为环形，第一金属块2采用的材料为铜。
绝缘块3的形状为环形，绝缘块3采用陶瓷材料。
第二金属块4的形状为环形，第二金属块4采用的材料为钛。
弹簧6采用材料为1Cr18Ni9Ti，弹簧刚度为2N/mm。
磁芯7的厚度不超过2mm。
磁芯7的形状为环形，磁芯7采用不锈钢材料。
永磁体8的形状为环形，永磁体8采用耐高温钐钴材料。
实际使用时，利用磁芯7和永磁体8配合可产生高达0.3T的磁场，该磁场若是采用电磁线圈产生，采用标称直径为0.5mm的漆包线700匝(约20m，则电阻为2.19Ω/m)，需要励磁电流I＝10A，标称直径0.5mm的漆包线每米电阻值为2.19Ω/m，计算可知励磁线圈电阻为R＝2.19Ω/m×20m＝43.8Ω，则每秒钟的功耗最大可达I2Rt＝(10A)2×43.8Ω×1s＝4.38kJ，同时还有热量产生。而采用磁芯7和永磁体8配合产生磁场则可以节约这部分功耗，大大减小整个推力器的功耗。
本发明的工作原理是：
由外加的PPU模块提供瞬间高电压，在第一金属块2和第二金属块4之间产生放电电弧烧蚀第二金属块4材料产生较高电离度的高速等离子体，并利用磁芯7和永磁体8配合产生的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 (10)

1.一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，其特征在于：包括套筒(1)、第一金属块(2)、绝缘环(3)、第二金属块(4)、弹簧(5)、法兰(6)、磁芯(7)和永磁体(8)；套筒(1)内设有台阶通孔，第一金属块(2)、绝缘块(3)、第二金属块(4)和弹簧(5)依次穿设在所述台阶通孔中并相互贴合，弹簧(5)与法兰(6)贴合，法兰(6)与套筒(1)一端固定连接，套筒(1)另一端穿设在磁芯(7)和永磁体(8)中，磁芯(7)与永磁体(8)贴合。
2.根据权利要求1所述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，其特征在于：所述第一金属块(2)和绝缘块(3)的贴合面与磁芯(7)和永磁体(8)的贴合面位于同一平面内。
3.根据权利要求1所述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，其特征在于：所述套筒(1)和法兰(6)均采用聚四氟乙烯材料。
4.根据权利要求1所述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，其特征在于：所述第一金属块(2)的形状为环形，第一金属块(2)采用的材料为铜。
5.根据权利要求1所述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，其特征在于：所述绝缘块(3)的形状为环形，绝缘块(3)采用陶瓷材料。
6.根据权利要求1所述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，其特征在于：所述第二金属块(4)的形状为环形，第二金属块(4)采用的材料为钛。
7.根据权利要求1所述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，其特征在于：所述弹簧(6)采用的材料为1Cr18Ni9Ti，弹簧(6)刚度为2N/mm。
8.根据权利要求1所述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，其特征在于：所述磁芯(7)的厚度不超过2mm。
9.根据权利要求1所述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，其特征在于：所述磁芯(7)的形状为环形，磁芯(7)采用不锈钢材料。
10.根据权利要求1所述的一种环形微弧阴极放电等离子体推进装置，其特征在于：所述永磁体(8)的形状为环形，永磁体(8)采用耐高温钐钴材料。
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