CN107587989A - 一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器，属于等离子体微推进领域。该推力器的优化阴极与优化阳极交叉放置，需保证二者的烧蚀区域横板相互平行；优化阴极与优化阳极的烧蚀区域横板间的空间中放置固体推进剂；所述烧蚀区域横板与绝缘塞接触连接；支撑板置于烧蚀区域与主放电电容器之间；所述的主放电电容器通过连接铜板与优化电极相连接，并通过高压电源进行充电。本发明增强了推力器本体的一体性，去除了传统推力器的火花塞点火装置，提高了推力器的工作可靠性；且明显提高了推力器的比冲与工作效率，使其更加适合做微小卫星的主推力器及担任大卫星的巡航任务，包括姿态控制、位置保持、阻力补偿等。

Description

一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器
技术领域
本发明涉及一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器，属于等离子体微推进领域。
背景技术
近年来，随着国内外微小卫星的迅速发展，各种空间微推力器需求呈现出增长趋势。作为最早应用于航天任务的电力式微推力器，固体脉冲等离子体推力器具有高比冲、结构简单、控制方便灵活、能在低功率下稳定工作等特点，可满足微小卫星，尤其是质量小于100kg的微小卫星对推力器提出的低功耗和低质量等严苛要求。目前其已成功应用于位置保持、姿态控制以及轨道转移等在轨推进任务，是微小卫星电推进系统发展的重要方向。但固体脉冲等离子体推力器仍存在着工作效率低、高频(～100Hz)下工作可靠性低等缺点。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在工作效率低、高频下工作可靠性低的问题，提供一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器，包括：优化电极、支撑板、主放电电容器、连接铜片、绝缘塞和固体推进剂。
优化电极由优化阴极和优化阳极组成；
所述的优化阴极由烧蚀区域和加速区域组成；烧蚀区域的侧壁上垂直固定有横板；加速区域为烧蚀区域侧壁的外延伸部分，需保证加速区域与烧蚀区域侧壁的原延伸方向成角度；
所述优化阳极与优化阴极相同；
所述支撑板的侧面端部带有绝缘塞，以避免优化电极的相互串电；
所述的固体推进剂为扁平状的固体推进剂，以降低启动电压；
所述的优化阴极与优化阳极交叉放置，需保证二者的烧蚀区域横板相互平行；优化阴极与优化阳极的烧蚀区域横板间的空间中放置固体推进剂；所述烧蚀区域横板与绝缘塞接触连接；支撑板置于烧蚀区域与主放电电容器之间；所述的主放电电容器通过连接铜板与优化电极相连接，并通过高压电源进行充电。
所述的优化电极的加速区域与烧蚀区域侧壁的原延伸方向成角度，所述角度为70°～90°；
所述的支撑板上还固定安装有恒力弹簧，恒力弹簧给固体推进剂提供推力；
所述优化电极的烧蚀区域远离支撑板的一端处带有凸台，以便固定固体推进剂；
所述放置固体推进剂的空间处，长度与高度的比例越大，推力器性能越好；
所述优化电极加速区域的宽度与所述优化电极两个加速区域的间距的比例越小，推力器性能越好；
所述主放电电容器的容值为0.01-0.05μF，初始放电电压为2500-3500V，放电频率允许大于100Hz；
工作过程：脉冲直流高压电源先给主放电电容器充电至所需高压。当优化电极烧蚀区域横板两端电压达到击穿电压时，优化电极自行击穿，其间的大电流烧蚀固体推进剂产生少量中性气体。在高电压的作用下，烧蚀出的中性气体被瞬间电离成等离子体团。当产生的等离子体团脱离推进剂表面后，将被优化极板加速区域加速至被推出，产生脉冲推力。
有益效果
1、本发明公开的一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器，将烧蚀与加速过程有效分离，用于烧蚀固体推进剂的烧蚀区域横板宽度特别大，即在相同总电流下，用于烧蚀的电流密度较小，使其能在保持较低的温度条件下烧蚀固体推进剂，从而避免产生过多的滞后烧蚀现象，以提高推进剂利用率。用于加速等离子体团的加速区域电极宽高比特别小，使其能在较低的粒子浓度下加速等离子体团，将更有利于等离子体团的加速。初步实验可知，改进后的推力器总体工作效率可达60％以上，远远高于传统推力器的不足10％。
2、本发明公开的一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器，摒弃了传统脉冲等离子体推力器的半导体火花塞点火器，这样既减去了火花塞及其供给电源的质量，又为高频率放电推力器的稳定工作提高了可靠性。
附图说明
图1为一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器三维示意图；
图2为推力器的推进剂支撑结构三维示意图；
图3为推力器的前视二维图；
图4为推力器优化电极结构示意图。
其中：1-优化阴极，2-支撑板，3-主放电电容器，4-连接铜片，5-优化阳极，6-绝缘塞，7-恒力弹簧，8-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效率双状态固体脉冲等离子体推力器，包括：优化电极、支撑板2、主放电电容器3、连接铜片4、绝缘塞6和固体推进剂8，如图1所示。所述主放电电容器3的容值选取为0.05μF，初始放电电压选取为2500V，放电频率为100Hz；
所述的优化电极由优化阴极1和优化阳极5组成；如图4所示，所述的优化阴极1由烧蚀区域和加速区域组成；烧蚀区域的侧壁上垂直固定有三块横板；加速区域为烧蚀区域侧壁的外延伸部分，加速区域与烧蚀区域侧壁的原延伸方向成75°角；所述优化阳极5与优化阴极1相同；所述优化电极烧蚀区域横板的长度与所述优化电极烧蚀区域横板间距的比例为50；所述优化电极加速区域的宽度与所述优化电极加速区域间距的比例为6:25；所述的优化阴极1与优化阳极5交叉放置，需保证二者的烧蚀区域的六块横板相互平行；两烧蚀区域的六块横板间的空间中分别放置1.5cm的扁平状固体推进剂，如图3所示；所述优化电极的烧蚀区域远离支撑板2的一端处带有0.3cm的凸台，以便固定固体推进剂8；
如图2所示，所述支撑板2的侧面端部带有六块绝缘塞6，以避免优化电极的相互串电；所述优化电极烧蚀区域的六块横板与六块绝缘塞6接触连接；支撑板2置于优化电极烧蚀区域与主放电电容器3之间；所述的主放电电容器3通过连接铜板4与优化电极相连接，并通过脉冲直流高压电源进行充电。所述的支撑板2上还固定安装有十五根恒力弹簧7，以给五块固体推进剂8提供推力；
本推力器的工作过程如下：脉冲直流高压电源先给主放电电容器3充电至所需高压2500V。当优化电极烧蚀区域横板两端电压达到击穿电压时，优化电极自行击穿，其间的大电流烧蚀固体推进剂8产生少量中性气体。在高电压的作用下，烧蚀出的中性气体被瞬间电离成等离子体团。当产生的等离子体团脱离推进剂表面后，将被优化极板加速区域加速至被推出，产生脉冲推力。
本推力器将烧蚀与加速过程有效分离，用于烧蚀固体推进剂的烧蚀区域横板长度特别大，即在相同总电流下，用于烧蚀的电流密度较小，使其能在保持较低的温度条件下烧蚀固体推进剂8，从而避免产生过多的滞后烧蚀现象，以提高推进剂利用率。用于加速等离子体团的加速区域电极宽高比特别小，使其能在较低的粒子浓度下加速等离子体团，将更有利于等离子体团的加速。初步实验可知，本推力器总体工作效率可达60％以上，远远高于传统推力器的不足10％。此外，本推力器摒弃了传统脉冲等离子体推力器的半导体火花塞点火器，这样既减去了火花塞及其供给电源的质量，又为高频率放电推力器的稳定工作提高了可靠性。
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 (7)

1.一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器，其特征在于：包括：优化电极、支撑板(2)、主放电电容器(3)、连接铜片(4)、绝缘塞(6)和固体推进剂(8)；所述优化电极由优化阴极(1)和优化阳极(5)组成；
所述的优化阴极(1)由烧蚀区域和加速区域组成；烧蚀区域的侧壁上垂直固定有横板；加速区域为烧蚀区域侧壁的外延伸部分，需保证加速区域与烧蚀区域侧壁的原延伸方向成角度；所述优化阳极(5)与优化阴极(1)相同；所述支撑板(2)的侧面端部带有绝缘塞(6)；
所述的优化阴极(1)与优化阳极(5)交叉放置，需保证二者的烧蚀区域横板相互平行；优化阴极(1)与优化阳极(5)的烧蚀区域横板间的空间中放置固体推进剂(8)；所述烧蚀区域横板与绝缘塞(6)接触连接；支撑板(2)置于烧蚀区域与主放电电容器(3)之间；所述的主放电电容器(3)通过连接铜板(4)与优化电极相连接，并通过高压电源进行充电。
2.如权利要求1所述的一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述的固体推进剂(8)为扁平状的固体推进剂，以降低启动电压。
3.如权利要求1所述的一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述的优化电极的加速区域与烧蚀区域侧壁的原延伸方向成角度，所述角度为70°～90°。
4.如权利要求1所述的一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述的支撑板(2)上还固定安装有恒力弹簧(7)。
5.如权利要求1所述的一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述优化电极的烧蚀区域远离支撑板(2)的一端处带有凸台。
6.如权利要求1所述的一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述主放电电容器(3)的容值为0.01-0.05μF，初始放电电压为2500-3500V，放电频率允许大于100Hz。
7.如上述任意一项权利要求所述的一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器，其特征在于：工作过程为：脉冲直流高压电源先给主放电电容器(3)充电至所需高压；当优化电极烧蚀区域横板两端电压达到击穿电压时，优化电极自行击穿，其间的大电流烧蚀固体推进剂(8)产生少量中性气体；在高电压的作用下，烧蚀出的中性气体被瞬间电离成等离子体团；当产生的等离子体团脱离推进剂表面后，将被优化极板加速区域加速至被推出，产生脉冲推力。
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