CN107605687B - 低功率电弧加热推进器 - Google Patents

Abstract

低功率电弧推进器，主要应用于微小卫星的动力系统，属于电推进领域。本发明针对解决现有微小卫星无推进系统的问题，利用阴阳极间电弧放电原理，设计了一套完整的电推进器结构。该推进器结构主要组成为：1‑阴极夹座，2‑上绝缘体，3‑中绝缘体，4‑下绝缘体，5‑进气口，6‑阳极，7‑下盖，8‑下喷口，9‑上喷口，10‑阴极，11‑上盖。当阴阳极间达到起弧电压，使通入的推进剂受热膨胀，在喷口的作用下，产生超音速气体喷出，形成反作用推力。本发明整体结构尺寸小，重量轻。

Description

低功率电弧加热推进器

技术领域

本发明属于电推力领域，更具体地说涉及一种应用于微小卫星的低功率电弧加热推进器。

背景技术

随着空间任务需求的发展，对卫星机动的自主性、节能性和快速性提出了更高的要求。而具备快速机动能力的微小卫星因此也有着重要的战略价值和广阔的应用前景。它既可以作为一种武器完成特定的空间任务，也可以进行飞行演示验证，进行在轨操作，如故障维修、在轨燃料加注、在轨组装、空间载荷转移投放等，是未来航天器发展的重要方向之一。除此之外，随着微小卫星技术门槛的逐渐降低，其商业价值逐渐突显出来，例如通信、农业、教育和科学探测等行业中的应用。

微小卫星具有一系列优点，比如体积小、功耗低、开发周期短、具备快速响应等能力。但由于受整星功耗、重量、体积等约束，现有的推进技术不能满足微小卫星动力系统需求；而且也大大限制了微小卫星的活动范围和使用寿命，不能充分发挥微小卫星在商业、民用及国防军事方面的优势。

与此同时，微小卫星电推进技术尚未成熟，电推进成本较高，安全难以保障，对适用于微小卫星平台的电推力系统的需求极其迫切，适用于微小卫星的微型化电推力结构研制刻不容缓。

例如现有技术CN106385756A公开了一种电弧加热式螺旋波等离子体电推进装置，包括：螺旋波等离子体激发天线、石英放电室、套筒、喷管、空心阴极和阳极；套筒是一段直圆管，一端封闭并开孔，用于连接射频功率源，另一端连接阳极；石英放电室位于套筒内，一端紧贴套筒开孔端，另一端与空心阴极连接；螺旋波等离子体激发天线缠绕，在石英放电室外表面；空心阴极位于套筒内，一端连接石英放电室，另一端伸入阳极的空腔内，与阳极形成放电电极；阳极一端与套筒相连接；阳极另一端连接喷管。

另外，CN101539071A公开了一种电弧加热发动机供给管路的推进剂填充的装置，包括进舱回路、贮罐增压回路、真空舱、舱内回路和出舱回流回路。舱内回路进行抽取真空操作，完成舱内回路的真空填充过程；然后贮罐增压回路向进舱回路的贮罐内供入高压气体，使推进剂可以进入进舱回路；推进剂通过进舱回路到达舱内回路的四通处；然后从出舱回流回路流出，流入中和塔；待进舱回路和出舱回流回路被推进剂填充完毕，连通舱内回路，推进剂通过舱内回路到达发动机。

现有技术方案存在整体尺寸大、重量较重，且难以产生理想的推力，电弧的稳定性差等缺点。

发明内容

为了满足微小卫星的动力系统需求，克服电推力微型化技术难题，简化发动机够结构，本发明提供了一种微型低功率电弧加热电推进发动机结构。

微型低功率电弧加热电推进发动机结构主要包括四部分：外壳、绝缘体、阴、阳极和喷口。

本发明通过以下技术方案来实现，低功率电弧加热推进器，整体是一个圆筒状结构，其中，上盖11和下盖7连接形成一个半封闭筒状结构；中间的阴极夹座1和两侧的上绝缘体2固定于半封闭筒状结构内，阴极夹座1和下部的阴极10连接通电使得阴极能够与与阴极10下方的具有一个圆盘通孔结构的阳极6产生电弧，加热推进剂；上绝缘体2、中绝缘体3和下绝缘体4依次连接组成绝缘结构，使得阴极夹座1和阴极10与上盖11和下盖7断路；阴极10端部及下方具有喷口，由上喷口9和下喷口8组成，上喷口9和下喷口8固定阳极6，上喷口9能够压缩加速推进剂，下喷口8喷出超声速推进剂产生推力；推进剂主要通过设置于下绝缘体4下方的进气口5通入到产生电弧位置。

本发明的优选方案之一为阴极夹座1呈凸台状，且台底部镂空出一个矩形槽，通过该槽可以连接阴极10，其材料是不锈钢。

本发明的优选方案之一为上绝缘体2呈凸台状且中间镂空，中绝缘体3呈圆筒状，下绝缘体4呈凸台状，且其中间镂空和底部镂出一个矩形槽，它们之间的连接配合可以使阴极夹座1和阴极10固定和绝缘于上盖11和下盖7，它们材料是碳化硼。

本发明的优选方案之一为阴极10呈针型，其材料是钨金属。

本发明的优选方案之一为上喷口9和下喷口8呈凸台状，且它们中间都镂空出一个圆台，材料使用碳化硼。

本发明的优选方案之一为阳极6呈圆形通孔状，其材料是钨金属。

本发明的优选方案之一为进气口5呈圆筒状，通过激光焊接与下盖7连接，其材料是不锈钢。

本发明的优选方案之一为上盖11呈凹台状，下盖7呈圆筒状，它们之间通过螺纹连接，材料都是不锈钢。

本发明的优选方案之一为上喷口9和下喷口8除了固定阳极6外，还和阳极6一起组成拉瓦尔型喷口。

本发明的各部件的作用进一步包括：外壳是由上盖11和兼做导电介质的下盖7组成，上盖11是中空的圆柱凹台结构，中间的圆孔用于固定阴极夹座1和上绝缘体2，下部运用螺纹连接下盖7。绝缘体是由上绝缘体2、中绝缘体3和下绝缘体4组成，它们使阴极夹座1和阴极10与外壳绝缘，同时也起到封闭和固定内部结构的作用。阴极10是一个针型结构，应用过盈配合与阴极夹座1连接导电，阳极6是一个圆盘通孔结构，通过和下盖7接触导电。喷口是由上喷口9和下喷口8组成，它们都是中间被镂空出一个圆锥体的圆柱凸台结构，除了固定阳极6外，还和阳极6一起组成拉瓦尔型喷口。

本发明主要是利用阴、阳极间电弧原理，当阴极10和阳极6之间达到起弧电压，使通入的推进剂受热膨胀，在上喷口9和下喷口8的作用下，产生超音速气体喷出，形成反作用推力。同时部分推进剂电离为等离子体以维持电弧。

绝缘系统由上绝缘体2、中绝缘体3和下绝缘体4组成，将阴极夹座1和阴极10与上盖11和下盖7隔开绝缘。同时该系统也是内部的密封结构，保证推进剂不外泄。下绝缘体4上的切向孔，使进入弧室的气体形成旋流，可起到冷却阴极10的作用，是对相对容易烧蚀阴极的一种保护措施，另外这种方式有利于电弧的稳定及减少阳极6的烧蚀。

上喷口9和下喷口8与阳极6一起组成拉瓦尔喷口，其中上下喷口的材料采用碳化硼，其能够更好的提高热效率同时也能减少质量。

下盖7的内部部分掏空设计，能够使得低温的推进剂从进气口5通入空腔，与喷口中的气体形成逆向换热，将喷口外表面散热重新带入弧室，实现再生冷却的设计。

本发明相对于现有技术的优点包括：

(1)整体结构简单，外壳兼做阳极的导电介质，阴阳极供电方便；

(2)整体尺寸小、重量较轻，满足微小卫星推进系统的小尺寸、低重量要求；

(3)能够产生理想的推力，便于集成到微小卫星操作系统中。本发明中上喷口9和下喷口8不仅能够有效地阻止热量的损失，而且其材料设计还能减轻重量。氩气由进气口5通入，经过下绝缘体4的四个对称进气口产生螺旋气流，有利于电弧的稳定。此外，本发明成本较低，便于量产。

附图说明

图1是本发明低功率电弧推进器的内部上半部三维视图，整体是一个圆柱凸台结构。

图2是本发明低功率电弧推进器的内部下半部三维视图，整体也是一个圆柱凸台结构。

图3是本发明低功率电弧推进器的剖视图，各主要元件说明：1-阴极夹座，2-上绝缘体，3-中绝缘体，4-下绝缘体，5-进气口，6-阳极，7-下盖，8-下喷口，9-上喷口，10-阴极，11-上盖。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施方式对本发明作进一步详细描述，但不局限于此：

实施例1低功率电弧加热推进器，

参照图1、2和3所示，低功率电弧加热推进器，整体是一个圆筒状结构，其中，上盖11和下盖7连接形成一个半封闭筒状结构；中间的阴极夹座1和两侧的上绝缘体2固定于半封闭筒状结构内，阴极夹座1和下部的阴极10连接通电使得阴极能够与与阴极10下方的具有一个圆盘通孔结构的阳极6产生电弧，加热推进剂；上绝缘体2、中绝缘体3和下绝缘体4依次连接组成绝缘结构，使得阴极夹座1和阴极10与上盖11和下盖7断路；阴极10端部及下方具有喷口，由上喷口9和下喷口8组成，上喷口9和下喷口8固定阳极6，上喷口9能够压缩加速推进剂，下喷口8喷出超声速推进剂产生推力；推进剂主要通过设置于下绝缘体4下方的进气口5通入到产生电弧位置。

实施例2

参照图1、2和3所示，在实施例1的基础上，阴极夹座1呈凸台状，且台底部镂空出一个矩形槽，通过该槽可以连接阴极10，其材料是不锈钢。

上绝缘体2呈凸台状且中间镂空，中绝缘体3呈圆筒状，下绝缘体4呈凸台状，且其中间镂空和底部镂出一个矩形槽，它们之间的连接配合可以使阴极夹座1和阴极10固定和绝缘于上盖11和下盖7，它们材料是碳化硼。

阴极10呈针型，其材料是钨金属。

上喷口9和下喷口8呈凸台状，且它们中间都镂空出一个圆台，材料使用碳化硼。

阳极6呈圆形通孔状，其材料是钨金属。

进气口5呈圆筒状，通过激光焊接与下盖7连接，其材料是不锈钢。

上盖11呈凹台状，下盖7呈圆筒状，它们之间通过螺纹连接，材料都是不锈钢。

上喷口9和下喷口8除了固定阳极6外，还和阳极6一起组成拉瓦尔型喷口。

本发明前述实施例主要是利用阴、阳极间电弧原理，当阴极10和阳极6之间达到起弧电压，使通入的推进剂受热膨胀，在上喷口9和下喷口8的作用下，产生超音速气体喷出，形成反作用推力。同时部分推进剂电离为等离子体以维持电弧。

绝缘系统由上绝缘体2、中绝缘体3和下绝缘体4组成，将阴极夹座1和阴极10与上盖11和下盖7隔开绝缘。同时该系统也是内部的密封结构，保证推进剂不外泄。下绝缘体4上的切向孔，使进入弧室的气体形成旋流，可起到冷却阴极10的作用，是对相对容易烧蚀阴极的一种保护措施，另外这种方式有利于电弧的稳定及减少阳极6的烧蚀。

上喷口9和下喷口8与阳极6一起组成拉瓦尔喷口，其中上下喷口的材料采用碳化硼，其能够更好的提高热效率同时也能减少质量。

下盖7的内部部分掏空设计，能够使得低温的推进剂从进气口5通入空腔，与喷口中的气体形成逆向换热，将喷口外表面散热重新带入弧室，实现再生冷却的设计。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.低功率电弧加热推进器，整体是一个圆筒状结构，其特征在于，上盖(11)和下盖(7)连接形成一个半封闭筒状结构；中间的阴极夹座(1)和两侧的上绝缘体(2)固定于半封闭筒状结构内，阴极夹座(1)和下部的阴极(10)连接通电使得阴极能够与阴极(10)下方的具有一个圆盘通孔结构的阳极(6)产生电弧，加热推进剂；阴极夹座(1)呈凸台状，且台底部镂空出一个矩形槽，通过该槽可以连接阴极(10)，上绝缘体(2)、中绝缘体(3)和下绝缘体(4)依次连接组成绝缘结构，上绝缘体(2)呈凸台状且中间镂空，中绝缘体(3)呈圆筒状，下绝缘体(4)呈凸台状，且其中间镂空和底部镂出一个矩形槽，它们之间的连接配合可以使阴极夹座(1)和阴极(10)固定和绝缘于上盖(11)和下盖(7)，使得阴极夹座(1)和阴极(10)与上盖(11)和下盖(7)断路；阴极(10)端部及下方具有喷口，由上喷口(9)和下喷口(8)组成，上喷口(9)和下喷口(8)固定阳极(6)，上喷口(9)能够压缩加速推进剂，下喷口(8)喷出超声速推进剂产生推力；推进剂主要通过设置于下绝缘体(4)下方的进气口(5)通入到产生电弧位置，下绝缘体4设置有切向孔。

2.根据权利要求1所述的低功率电弧加热推进器，其特征在于，阴极夹座(1)的材料是不锈钢。

3.根据权利要求1所述的低功率电弧加热推进器，其特征在于，上绝缘体(2)、中绝缘体(3)和下绝缘体(4)的材料是碳化硼。

4.根据权利要求1所述的低功率电弧加热推进器，其特征在于，阴极(10)呈针型，其材料是钨金属。

5.根据权利要求1所述的低功率电弧加热推进器，其特征在于，上喷口(9)和下喷口(8)呈凸台状，且它们中间都镂空出一个圆台，材料使用碳化硼。

6.根据权利要求1所述的低功率电弧加热推进器，其特征在于，阳极(6)呈圆形通孔状，其材料是钨金属。

7.根据权利要求1所述的低功率电弧加热推进器，其特征在于，进气口(5)呈圆筒状，通过激光焊接与下盖(7)连接，其材料是不锈钢。

8.根据权利要求1所述的低功率电弧加热推进器，其特征在于，上盖(11)呈凹台状，下盖(7)呈圆筒状，它们之间通过螺纹连接，材料都是不锈钢。

9.根据权利要求1所述的低功率电弧加热推进器，其特征在于，上喷口(9)和下喷口(8)除了固定阳极(6)外，还和阳极(6)一起组成拉瓦尔型喷口。