CN108026902B - 内部线触发脉冲阴极电弧推进系统 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种推进系统，包括：固体导电或半导电阴极(130)；相对于所述阴极(130)具有势差的阳极(110)，所述势差在所述阳极(110)和所述阴极(130)之间产生电场；适于以脉冲形式从所述阴极(130)的上表面上的点触发电弧放电的绝缘触发器(150)，当所述触发器(150)和阴极(130)基本上处于真空中时，所述触发器被界定在阴极内，使得电弧被触发的点位于所述阴极的上表面。

Description

内部线触发脉冲阴极电弧推进系统

相关申请

本申请与纽曼空间有限公司于2015年9月15日提交的申请号为2015903748、题目为“内部线触发脉冲阴极电弧推进系统”的澳大利亚临时专利申请相关，其全部内容视同于全文引用而被引入本文中。

技术领域

本公开涉及一种脉冲阴极电弧推进系统。特别地，本公开涉及一种适于在航天器中使用的脉冲阴极电弧推进系统，其中电弧被构成阴极的材料所围绕的绝缘线或引脚触发。

背景技术

航天器是被设计为在太空中运作的机器或运载工具。此类航天器包括但不限于火箭、航天飞机、卫星和太空站。航天器被用于各种用途，包括通信、导航、科学研究与发现、气象学等。太空是近真空环境，其对操作、维修航天器和为航天器加油造成了困难。所涉及的远距离和执行那些操作随之带来的成本和时间放大了这些困难。

已经使用基于电和等离子的推进系统实施了用于轨道位置保持的引擎和长期航天飞行引擎。这些推进系统具有高比冲、是可控的、且在技术上是成熟的并且因此是可靠的。另外，基于电和等离子的推进系统具有有利的可传送质量分数，其是航天器的初始质量的可被传送至航天器的期望目的地的部分。

火箭推进的运载工具通过以高速释放推进剂而生成加速度，引起归因于不平衡力的动量的交换。由推进系统生成的推力是排放速度和归因于推进剂排出的航天器的质量的瞬时变化率的乘积。推力可被视为施加于航天器的外力。

需要大的有效载荷的传送的航天任务必须使用非常大的推进剂质量或者推进系统必须是多级的或者推进系统排放速度必须与所需的速度变化处于同一数量级或大于所需的速度变化。由于星际任务通常需要每秒数万米的速度变化，由此得知，应用在此类任务上的任何推进器的排放速度与该所需的速度变化必须是可相提并论的，并且是足够鲁棒的以能够长时间运行。在此环境中，相比化学燃料火箭，电推进技术因为高的推进剂排放速度和更少的机械部件而被视为是更可取的。

相对于化学推进系统，随电推进系统出现的一个问题是需要具有电源。化学推进器携带需要引起燃料的化学键内部的动量变化的能量，电推进系统需要具有提供给系统的能源。由于用于推进的任意电源增加了质量和体积，有必要使得电推进系统尽可能地节能。

喷射力与消耗功率的比率的确定允许运行的火箭的能量效率的简单确定，其中飞行评级系统(flight rated system)实现大约50-80％的能量效率值。该比率也可称为“推力效率”，因为其是排放动能与(在化学推进器中)可用的能量或(用于电推进系统的)输入功率的比率。

所有的气体燃料的电推进技术遭受相同的设计挑战，即来自推进剂罐和管道的增加的质量以及阀和压力调节器固有的机械故障模式。

使用气态燃料的所有的现有推进器系统存在缺点。加压罐、管道、阀和压力调节器系统对可致力于有效载荷的航天器增加了质量，并且引入了制造挑战和故障模式。倘若提供可靠且高效的固体燃料的电磁推进器，这些缺陷可被克服或被大致改善。

脉冲等离子推进器(Pulsed Plasma Thruster，PPT)使用固体燃料并且是可靠的，但在等离子脉冲之间的推进剂给料蒸发方面有问题。PPT通过使用放电电容器产生跨越推进剂汽缸表面的电弧放电片(arc discharge sheet)来烧蚀并电离推进剂给料的部分。产生的等离子响应于电弧的电场以及其自身的自感应磁场，使得等离子沿着放电腔室或喷嘴加速，导致稳健的推力。推进剂给料通常是固体材料棒，例如聚四氟乙烯(PTFE)，市面上由杜邦公司(E.I.du Pont de Nemours and Company，DuPont)出售为铁氟龙(Teflon)。PPT使用的推进剂通常具有相比于大多数金属更低的熔点。在形成电弧期间生成的热导致电弧脉冲之间的推进剂的蒸发，其耗费燃料而仅产生临界推力。因此，当与其他技术相比较时，PPT具有更低的系统效率和更小的总推力。

因此，存在提供适于在航天器中使用的改进的推进系统的需要。

发明内容

本公开涉及一种适于在航天器中使用的内部线触发脉冲阴极电弧推进系统。

在第一方面，本公开提供一种推进系统，包括：固体导电或半导电阴极；相对于所述阴极具有势差的阳极，所述势差在所述阳极和所述阴极之间产生电场；以及适于以脉冲形式从所述阴极的上表面上的点触发电弧放电的绝缘触发器，当所述触发器和阴极基本上位于真空中时，所述触发器被界定在阴极内，使得电弧被触发的点位于所述阴极的上表面上。

在第二方面，本公开提供一种包括上述推进系统的航天器推进系统。

在第三方面，本公开提供一种包括上述航天器推进系统的航天器。

根据另一方面，本公开提供一种用于实施前述方法的任一个的装置。

根据另一方面，本公开提供一种计算机程序产品，其包括其上记录有用于实施上述方法的任一个的计算机程序的计算机可读介质。

还提供了本公开的其他方面。

附图说明

现在将参考附图通过特定示例的方式描述本公开的一个或多个实施例，其中，

图1是内部线触发脉冲阴极电弧推进系统的示意性表示；

图2a和2b示出针对内部线触发阴极电弧推进系统的阴极斑点迁移和阴极侵蚀轮廓；

图3a和3b示出针对外部边缘触发阴极电弧推进系统的阴极斑点迁移和阴极侵蚀轮廓；

图4a是体现图1的内部线触发脉冲阴极电弧推进系统的推进系统的示意性表示；

图4b是图4a的推进系统的可选布置；

图5a是锯齿形电流轮廓的图示；

图5b是方形电流轮廓的图示；

图6a至6d是使用图1的内部线触发脉冲阴极电弧推进系统的等离子生成的示意性侧视图表示；

图7是具有磁化喷嘴和阴极进给机构的内部线触发脉冲阴极电弧推进系统的示意性表示；

图8是具有布置在推进器吊舱中的多个推进器的航天器的示意性表示；

图9是具有多个推进器的航天器的示意性表示；

图10示出展示一组子电容器组的电路图；

图11是图1的内部线触发脉冲阴极电弧推进系统的可选布置的示意性表示；以及

图12是具有阴极进给机构、触发器进给机构和触发器绝缘体进给机构的图7的内部线触发脉冲阴极电弧推进系统的示意性表示。

具体实施方式

除非表达或暗示相反的意图，附图中具有相同附图标记的方法步骤或特征被视作具有相同的功能或操作。

本公开提供适于在航天器中使用的脉冲阴极电弧(pulsed cathodic arc，PCA)推进系统和相关应用。此类使用可包括例如作为用于加速航天器的推进器的应用。PCA系统使用电弧放电生成等离子，其中等离子部分地沿着电场线流动，以形成电路。等离子由离子、电子和中性蒸汽构成。PCA系统在真空或如太空的近真空的环境中运作，并使用在20μs至500μs的范围内的极短脉冲。

本公开的PCA推进系统使用固体阴极形式的导电或半导电固体燃料。触发器在触发器引脚或线与阴极的上表面之间、跨越绝缘障壁施加短持续时间的高电流表面闪络。闪络在阴极的上表面生成阴极斑点，导致等离子的产生。阴极和阳极之间的势差维持等离子的产生，阴极斑点穿过阴极的上表面，正交于阴极表面定向地呈窄圆锥形高速喷射电离的材料。

固体燃料的使用排除了对成为气体燃料的电推进技术缺陷的罐、管道、阀或调节器的需求。PCA推进系统的实施例使用由适合的导电或半导电材料制成的固体阴极。适合的材料取决于特定的应用，但可包括例如镁、钛、铝、钙、碳、钒、钼、钨、钽、锡、铋、铬、铁、镍以及其合金或化合物。除了它们的允许电弧触发和电流流动的导电或半导电性质，此类阴极材料通常具有比PTFE高得多的熔点，克服了PPT展现的效率问题，如在等离子脉冲之间的推进剂给料的蒸发。

触发方法包括激光、机械和电触发方法。激光触发器烧蚀并电离少量的阴极材料来产生阴极和阳极之间的导电通道，其可运载维持电弧所需的电流。激光触发方法的优点在于激光可被用来使电弧开始于位于阴极表面的任意点。然而，激光孔必须具有至阴极表面的瞄准线。久而久之，在激光孔上将形成阴极材料的沉积，最终致使激光孔不透明。因此有必要清理孔，或通过使用镜子将激光束反射至阴极表面上但折损一些激光功率。

机械触发器出于该目的使用一段导电材料。在一种布置中，机械触发器使用连接至阳极的线并将线移动至与阴极的表面接触。然后从阴极的表面撤回机械触发器，在线的端头和阴极的表面之间产生电弧。机械方法使用尖头式导电元件，其被移动与阴极接触。对于激光触发方法，机械触发方法可在阴极的表面的任一点处触发电弧。然而，机械触发系统需要使用移动机械组件，其将被耗损和/或被沉积的阴极材料涂覆，久而久之导致系统故障。

电触发器利用在触发器线和阴极表面之间的跨越绝缘障壁的短持续时间的高电流表面闪络。触发器线和绝缘隔片可位于阴极表面上的任意位置。

电触发方法使用通常在千伏的范围内的高压的脉冲越过毫米的距离在绝缘材料表面上创造电击穿条件。这些电弧产生阴极斑点的产生所需的强烈的电场。通过阴极和阳极之间的势差维持等离子产生。阴极斑点沿着阴极表面移动，正交于阴极表面定向地呈圆锥形高速喷射电离的材料。电触发方法的优点包括无需移动部件以及鲁棒性。另外，电触发方法具有仅由用于驱动触发器的电源限制的重现率。

在内部线触发式电触发系统中，可使用封装在绝缘管中的由钨或一些其他难熔金属制成的线来实施触发器，所述管可由如氧化铝、氮化硼、PTFE或钢化玻璃的可接受的温度和真空稳定的非导电材料制成，其中触发器线的一端局部地突出阴极的上表面，其通常但并非一定位于阴极的中心，从而触发器线和绝缘管被包含在阴极的主要部分内。相反，边缘触发系统使用包围环状绝缘体或自环状绝缘体偏移的环形(圆环形)触发器，该环状绝缘体将圆柱形或管状的阴极与环状触发器分隔开。无论是引脚、线或环的触发器元件被快速充电，并且产生足以引发跨越触发器和阴极之间的绝缘体的表面的击穿的足够强的电场。密集的电弧沿着这些击穿通道前进至阴极，导致发生局部等离子生成。等离子生成位置被称为“阴极斑点”，在内部线触发电弧中的阴极斑点自由地穿过阴极的上表面。等离子引发阴极表面上的高电流放电，其被能够在短期内传送从数十至数千安培的电流的低阻抗电源驱动。触发器脉冲通常仅几微秒长并且具有低电流，因为触发器脉冲的存在仅用于通过创建从阴极至阳极的低阻抗通路来关闭需要点燃电弧的“开关”。

图1是当在真空中运行时适于生成等离子放电的内部线触发脉冲阴极电弧推进系统100的示意性表示。系统100包括阳极110和阴极130。通过阴极底座120使得阴极130处于合适位置。阴极130是由镁、钛、铝、钙、碳、钒、钼、钨、钽、锡、铋、铬以及其合金或化合物制成的固体阴极。在该示例中，固体阴极130是由镁制成，触发器引脚/线与圆柱形阳极同轴、其中短的突出长度位于阴极的外表面的中心作为“中心触发的”电弧。

系统100还包括用于在阴极130的上表面上触发电弧的触发器，从而生成阴极斑点并因此导致等离子放电的生成。电触发方法使用通常在千伏范围内的高压的脉冲越过毫米的距离在绝缘材料表面上创造电击穿条件。在该示例中，触发器是具有穿过阴极130的中间安置的细长的触发器引脚150的电中心触发器。触发器绝缘体140位于触发器引脚150和阴极130之间。

在运行中，在阳极110和阴极130之间施加大约50V至500V范围内的充电电压，其在阳极110和阴极130之间建立电场。高压触发信号被施加至触发器引脚150，其在触发器绝缘体140表面上创造电击穿条件并在阴极130的上表面上生成阴极斑点。触发信号在从大约1kV至20kV的千伏范围内。在一个示例中，触发信号为1.2kV。

从阴极斑点喷射的材料形成密集的等离子。当等离子电弧在操作时，在阳极110和阴极130之间维持大约30V至100V的“运行”或“燃弧”电压。在图1的内部线触发系统100中，阴极斑点遵从树枝状图案从触发器位置向外径向前进，即，随着类似于树枝的分支(好像这些分支从中心位置或枝干放射出)的半随机移动或运动。该径向运动是由逆行J×B运动的现象引起的斥力驱动的。

阴极斑点的斥力与两条平行电流的期望的引力相反。在边缘触发系统中观察到类似的斥力效应，但由于阴极斑点是在阴极的边缘上产生的，斑点绕阴极的边缘前进，有时朝向中心移动。尽管斑点运动显现出宏观的平滑，这是由于在由先前的斑点产生的弧坑的边缘处个别斑点熄灭而新的斑点点燃。因此此运动倾向于是不连续和跳跃的。图2a和2b示出针对具有位于中心的触发器线的内部线触发阴极电弧推进系统的阴极斑点迁移和阴极侵蚀轮廓。图2b展示触发器引脚210和阴极的表面上的被侵蚀的材料220。图3a和3b示出针对边缘触发阴极电弧推进系统的阴极斑点迁移和阴极侵蚀轮廓。图3b展示从阴极的表面侵蚀的被侵蚀的材料320。

由于等离子羽定向为正交于局部阴极表面，通过确保侵蚀轮廓尽可能地平坦来优化推力。内部线触发系统具有的优点是，可通过在每个脉冲期间根据斑点的径向位置调谐电弧电流的幅值来调整被侵蚀的区域的斜度。阴极斑点的逆行运动(retrograde motion)导致边缘触发系统中的阴极斑点优先地从阴极的边缘对材料进行侵蚀，造成非期望的凸侵蚀轮廓，在延续使用之后这将导致平行于系统的纵轴输送的等离子的减少以及因此导致推力的损失。虽然在内部线触发阴极电弧的使用期间造成的耗损图案导致相比于非侵蚀的阴极表面的降低的效率，相比于凸侵蚀轮廓，凹侵蚀引起性能上的较小降低，其可通过适合的脉冲成形而得到缓和。

图11是图1的内部线触发脉冲阴极电弧推进系统的可选布置1100的示意性表示。图11的布置1100包括环形阴极斑点抑制剂(Cathode Spot Inhibitor，CSI)形式的绝缘体1150。CSI环1150用来停止或抑制阴极斑点发生旁弧现象(side-arcing)或从阴极130前进至阴极底座120自身，因此提升系统效率和寿命。在一种布置中，CSI 1150是由真空且热稳定的陶瓷制成，如氧化铝、钢化玻璃、氮化硼或其他合适的材料。在一种布置中，使用例如螺栓、螺杆等合适的紧固件固定CSI环1150。

图4a是体现图1的内部线触发脉冲阴极电弧推进系统100的推进系统400的示意性表示。推进系统400包括连接至阳极110的阳极电压探针435。并联至阳极电压探针435的是用于测量为阳极110供给的电流的阳极电流罗戈夫斯基(Rogowski)线圈430。推进系统400还包括连接至阴极底座120的阴极电压探针415和布置用来测量向阴极130供给的电流的阴极电流罗戈夫斯基线圈405。电压探针435、415和罗戈夫斯基线圈430、405用来测量等离子参数。

系统400还包括高压触发电源425，在图4a的示例中其额定电压大约为1200V。高电压触发电源425经由触发器开关428连接至触发器引脚150。闭合触发器开关428使得高压触发信号被施加至触发器引脚150，以在触发器绝缘体140表面上生成电击穿条件，如上所述。在图4a的示例中，触发信号为大约1.2kV。系统400还包括在0-450V的范围内的额定21mF的主电容器组420。主电容器组420可在少于1毫秒的时期内通过阴极130消耗其存储的能量，因此提供激活阴极斑点所需的大功率。

一旦电弧被触发，电弧在阴极130和阳极110之间形成低阻抗短路，主电容器组420通过该短路放电。这意味着触发器电路充当用于主电容器组420的开关，允许电流流过阴极130，然后通过等离子流至阳极110和接地前的接地壁。触发器电路自身可使用计算机程序控制。

电容器的各种配置可将电流提供至阴极作为具有方形或锯齿形轮廓的脉冲。阴极130的侵蚀轮廓随电流轮廓而变化。主电容器组420通常传送锯齿形脉冲。在图4a的示例中，靠近阴极安装的快速升压的“加速”电容器组410可经由用以改变电流轮廓以传送方形脉冲的开关440连接至电路。在图4a的示例中，加速电容器组410将额外的1.5mF供给至电源的总电容。

图4b是图4a的推进系统400的可选布置。在图4b的示例中，推进系统400包括磁喷嘴490和相关联的磁线圈电源495。磁喷嘴490可被用于通过改变施加至推进系统400的开口的磁场对从阴极130发出等离子羽465进行定向。

图4b的推进系统400将触发器开关428替换为触发器控制系统470。可例如通过使用一个或多个开关和用来控制那些开关的开合的相关联的控制器来实施触发器控制系统470。在一种布置中，触发器控制系统470包括处理器、存储器和存储于存储器中的且适于在处理器上执行的计算机程序，当被执行时，程序提供对用户的接口以使得用户在开关的断开和闭合状态之间进行选择，因而控制从高压触发电源425至触发器引脚150的高压触发信号的施加。

图4b的推进系统400还包括脉冲控制和终止系统，其控制主电容器组420在脉冲的结尾处的接地，以确保指定的脉冲持续时间。在一种布置中，脉冲控制和终止系统480包括处理器、存储器和存储于存储器中的且适于在处理器上执行的计算机程序，当被执行时，程序控制主电容器组420的接地。

图5a是由主电容器组420传送的锯齿形电流轮廓的图示，图5b是由与快速升压的加速电容器组410串联的主电容器组420传送的方形电流轮廓的图示。

通过阴极130的电流和在阳极110收集的电流之间的差值是可用于产生推力的等离子的度量。在这两个电流之间的差值叫做净喷射电流(Net Ejected Current，NEC)，其是有多少等离子流出阳极110口的度量。

高NEC指示大量等离子材料溢出，并因此生成推力。相反地，低NEC指示大多数等离子材料直接前进至阳极，在阳极处碰撞并因此生成小的合力。NEC的随脉冲的持续时间的积分确定净喷射电荷(Net Ejected Charge，NEQ)。NEQ强相关于PCA推进器传送的冲量，其中冲量是附接PCA推进器的航天器经历的动量的总变化的度量。

在电弧被引发之后，归因于阴极斑点之间的斥力，阴极斑点将迁移至阴极130的上表面的边缘。如果当阴极斑点到达阴极表面的边缘时电弧不停止，阴极斑点将移动至阴极130的侧表面上。由于随后将正交于阴极侧面投射等离子，等离子将直接移动至阳极110的壁，而不是离开阳极口。该现象称为“旁弧”并可导致效率的严重损失。

图6a至6d是使用图1的内部线触发脉冲阴极电弧推进系统的等离子生成的示意性侧视图表示。特别地，图6a至6d示出阴极斑点的移动和电弧从触发到发生旁弧的演变。图6a示出在通过对触发器引脚150的上端施加大约1200V的高压而触发电弧605的时间点时的图1的系统100。以脉冲施加高压，以在触发器引脚150和阴极130之间生成闪络。在50-400V的范围内的势差存在于阴极130和阳极110之间。

在电弧被触发并且在阴极130和阳极110之间的电子流被维持后，阴极斑点610的产生在靠近触发器150的位置处发生，如图6b所示。这些斑点相互排斥并且受向外的力，因为它们侵蚀阴极材料而形成电弧等离子615，如图6c所示。图6d示出旁弧625。如果通过在正确的时间将电源接地没有停止电弧，那么阴极斑点将继续相互外推，使得阴极斑点穿越阴极130的上表面的边缘并且开始从阴极130的侧面侵蚀材料直至阳极110。应注意，图6d是侧视图；所有阴极斑点位于靠近阴极上表面的边缘处，仅少数移动至侧表面而开始发生旁弧，并且似乎是靠近触发器位置产生等离子的那些斑点移动以远离观察者而进入页面。

在航天器中体现的任何PCA推进器需要运行数小时来使任意轨道转移策略起作用并且能够在在轨道位置保持或航线修正策略的情况下在数天至数月的休眠期之后开始运行。这需要电弧能够可靠地长时间操作，以及可靠地触发的成千上万的脉冲。

随着电弧点燃，其从阴极的表面侵蚀材料，逐渐消蚀阴极的表面，并且在触发器引脚和阴极之间的距离过大的情况下导致难以触发电弧。在一种布置中，内部线触发脉冲阴极推进系统包括用于使得侵蚀阴极前进以确保优化的阴极点燃的进给机构。此类进给机构使阴极周期性地前进，以确保触发引脚和阴极之间的距离不会太大。

在一个实施中，进给机构包括用以随着阴极侵蚀使阴极相对于触发器前进而偏置的弹簧。在另一实施中，进给机构包括用来使阴极相对于触发器前进的机械致动器。此类机械致动器可包括例如蜗杆传动，其中蜗杆传动包括适于与形成阴极的部分的蜗杆螺钉啮合的蜗轮。马达驱动蜗轮，其反过来与蜗杆螺钉啮合以使阴极在期望的方向上前进。蜗杆螺钉可以与阴极结合或可被附接在阴极的外表面。

内部线触发脉冲阴极电弧推进系统的一种布置可包括用以使触发器绝缘体140和触发器引脚150前进的触发器进给机构。在使用期间，触发器绝缘体140和触发器引脚150的耗损率可能与阴极130的耗损率不同。触发器绝缘体140和触发器引脚150也可被从阴极斑点排出的离子喷镀。图12是附加触发器进给机构1210和触发器绝缘体进给机构1220的图7的内部线触发脉冲阴极电弧推进系统的示意性表示。触发器进给机构1210和触发器绝缘体进给机构1220可被用来使触发器绝缘体140和触发器引脚150前进或回退，以确保优化的运行。至于以上关于阴极描述的进给机构，可使用偏置弹簧、如蜗杆传动布置的机械致动器或其他合适的机构实施触发器进给机构1210和触发器绝缘体进给机构1220中的每个。

为了从阴极所释放的等离子获得最大的推力，对等离子进行定向是有利的。等离子从每个阴极斑点正交于阴极表面呈圆椎形扩张、具有圆锥形的空间等离子分布、具有近似余弦角分布。即，等离子主要正交于阴极表面的平面喷射，其中较少量以偏离法线方向的角度被喷射。一种布置应用磁场聚集等离子，以使得较高比例的等离子羽被正交地定向并因此增强推力。

一个实施使用永久磁铁对等离子羽进行定向。另一实施使用放电电流生成磁场来对等离子羽进行定向。在此实施中，阴极电流或阳极电流或阴极和阳极电流二者流过位于阴极表面的下游的场线圈。另一实施具有诸如分离的电容器组的专用电源来将电流传送至场线圈。所有实施以最小的或无额外的功率消耗和小的质量增加提供提升的推力。

图7是具有磁化喷嘴760和阴极进给机构的内部线触发脉冲阴极电弧推进系统700的示意性表示。该磁喷嘴可被放置于阴极前表面的前面、周围或后面，以使得来自喷嘴的磁场线根据燃料和电荷组合的特定需求而会聚、平行或发散。推进系统700包括附接于阴极底座720的阴极730和阳极710。势差被施加在阴极730和阳极710之间。

推进系统700还包括具有触发器引脚和相关联的绝缘体750的位于中心的电触发器系统。如参照图4a和4b和图6a至6d所描述的，施加至触发器的高压引起在阴极730的上表面上的电弧放电。产生的等离子羽770通常呈圆锥状并且正交于阴极730的上表面被发射。使用如永久磁铁或磁线圈的一个或多个磁铁实施磁化喷嘴760。将磁化喷嘴760放置在阳极110的口处来对等离子羽770进行定向，以提升推进系统700的推力。

使用由阴极前进马达745驱动的蜗杆传动740来实施阴极进给机构。在此布置中，蜗杆传动740适于与切入阴极730的外表面的蜗杆螺纹啮合。可通过对阴极底座720切割螺纹实施蜗杆传动740，阴极730和阴极底座720上的螺纹相同从而彼此啮合。马达被连接至用以基于阴极730的上表面的侵蚀或期望的侵蚀而使得阴极730以预定速率前进的控制系统。阴极730的实际尺寸取决于电荷电压、持续时间和所使用的材料的特定组合。在一种布置中，由镁制成并适于长时间太空任务的阴极至少500mm长并且具有在10mm至100mm范围内的直径。

关于本公开的内部线触发脉冲阴极推进系统的另一优点涉及等离子排放羽的净负电荷。脉冲电弧因此将不需要如霍尔效应推进器或网格离子推进器所需的电荷中和系统。

另一布置包括操控设备，用以操控跨越阴极的表面的阴极斑点。可例如通过在正确的时间将更多电容器切换为放电来实施此类操控设备，其通过电弧操作的侵蚀过程使得在阴极表面上左边的脊上的被侵蚀的材料的沉积最小化。操控机构的另一实施可以是使用磁喷嘴的副作用，因为强加的磁场归因于逆行J×B效应会导致阴极斑点以螺旋图案移动。

图10示出展示向与对应于图4a的主电容器组420的主电容器组C_m并联的一组子电容器组C₁，……，C_n供电的电容器充电电源1050的样本电路图1000。主电容器组C_m与电感L_m和开关S_m串联。子电容器组C₁，……，C_n的每个被布置为相似的配置，其中电容器C₁与电感L₁和开关S₁串联，以此类推电容器C_n与电感L_n和开关S_n串联。电路100的每个并联分支包括用以确保单向电流流经电路1000的二极管。

在图10的示例中，子电容器组C₁，……，C_n的每个被充以与主电容器组C_m相同的电压。开关S_m与图4b的触发器开关460相对应。当开关S_m闭合时，对应于触发器开关被闭合，主电容器组C_m放电电流通过电感L_m并流入阴极130以向等离子电弧供电。在短的、预定的时间间隔(如，几十到几百微秒)之后，开关S₁被闭合，允许电流从子电容器组C₁流出，经过电感L₁流至阴极130。电感L₁用来确保子组C₁的升压时间是足够小的。增加流至阳极130的电流增加了在阴极130的表面上形成的阴极斑点的数量。增加阴极斑点的数量确保在阴极130的上表面上形成的更少的表面脊。

在另一预定的时间间隔之后，开关S₂被闭合，允许电流从子电容器组C₂流出，经过电感L₂流至阴极130。针对开关S₃，……，S_n的每个依次地重复该过程。在一种布置中，图4b的脉冲控制和终止系统480控制开关S₁，……，S_n的操作。

图8是具有布置在推进器吊舱820中的多个推进器的航天器800的示意性表示。在图8的示例中，航天器800是具有体部分810、太阳能板阵列815和推进器吊舱820的卫星。在该示例中，推进器吊舱820包括七个推进器，其中每个推进器使用本文描述的类型的PCA推进系统。每个推进器包括阴极-阳极PCA推进系统825和磁喷嘴830。磁喷嘴830可被用来控制从各个推进器喷射的等离子羽的方向。可理解的是，推进器吊舱820中的推进器的数量和那些推进器的布置将取决于特定的应用，包括航天器的大小。

推进器吊舱820被用于轨道位置保持，其中推进器吊舱820中的推进器的一个或多个被激活作为推进器燃烧来将卫星800放置或保持于指定的轨道。此类推进器燃烧可被用来例如补偿来自地球、太阳、月球的引力和大气阻力。

图9是具有多个PCA推进系统推进器的航天器900的示意性表示。在图9的示例中，航天器900是具有主体部分910和太阳能板阵列915的通信卫星900。卫星900还包括在卫星900的体910的对端的纵向相对的第一和第二推进器920、925。第一和第二推进器920、925被用于在北/南方向上的卫星900的位置保持。卫星900还包括第三推进器930和第四推进器(未示出)，其关于体910的中间部分横向相对。第三推进器930和第四推进器被用于在东/西方向上的卫星900的位置保持。

工业实用性

所描述的布置可适用于航天工业。

前文描述了本发明的仅一些实施例，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可对其作出修改和/或变化，实施例是示例性的而不是限制性的。

在该说明书的上下文中，术语“包括”及其相关联的语法结构表示“主要包括而不是必须唯一”或“具有”或“包含”，而不是“仅由……组成”。词语“包括”的变形如“包含”和“含有”具有相应的各种含义。

如贯穿该说明书所使用的，除非另有规定，描述一般或相关对象的顺序形容词“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等的使用指示对那些一般或相关对象的不同实例的参考，并不意在暗示所描述的对象必须具有或被布置为给定的顺序或次序，也不是时间上、空间上的排序或任何其他方式。

尽管参照特定示例描述了本发明，本领域技术人员应理解的是，本发明也可以以很多其他形式体现。

Claims (23)

1.一种在航天器中使用的脉冲阴极电弧推进系统，包括：

固体阴极，其中所述阴极是导电或半导电的；

相对于所述阴极具有势差的阳极，所述势差在所述阳极和所述阴极之间产生电场；以及

绝缘电触发器，包括触发器引脚以及在所述触发器和所述阴极之间的绝缘体，所述绝缘电触发器适于从所述阴极的上表面上的点触发电弧放电，当所述绝缘电触发器和所述阴极处于真空或近真空的太空环境中时，所述绝缘电触发器被界定在所述阴极内，所述阳极和所述阴极被布置为使得所述电弧放电推进所述航天器，

其中所述绝缘电触发器包括：

高压触发电源，所述高压触发电源被配置为在真空或近真空的太空环境中操作，并且在所述阴极和所述阳极之间施加50V至500V范围内的充电电压，并产生触发器脉冲，以在所述触发器引脚与所述阴极的上表面之间、跨越所述绝缘体产生高电流表面闪络，以产生等离子，并且所述高压触发电源还被配置为通过在所述触发器脉冲之后的20μs至500μs之间的持续时间期间在所述阴极与所述阳极之间施加30V与100V之间的燃弧电压来维持所述等离子的产生。

2.根据权利要求1所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述固体阴极选自由镁、钛、碳、铝、钙、碳、钒、钼、钨、钽、锡、铋、镍、铁、铬组成的群组。

3.根据权利要求1所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述固体阴极是合金或化合物，所述合金或化合物包括由镁、钛、碳、铝、钙、碳、钒、钼、钨、钽、锡、铋、镍、铁、和铬组成的群组中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述绝缘电触发器是在所述阴极的上表面上的触发点处从所述阴极突出的线，并且其中所述绝缘电触发器还在所述阴极的内部。

5.根据权利要求1所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述绝缘电触发器位于所述阴极的上表面上的触发点处，所述触发点在所述上表面的周界内。

6.根据权利要求5所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述触发点位于或靠近于所述阴极的上表面的中心。

7.根据权利要求6所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述触发点位于或接近于所述阴极的中心开孔的孔洞的边缘，其中所述绝缘电触发器的至少部分位于所述中心开孔的孔洞内。

8.根据权利要求5所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述触发点坐落为与所述阴极的上表面的中心之间的距离少于从所述阴极的上表面的中心至所述阴极的上表面的周边的距离的一半。

9.根据权利要求8所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述触发点坐落为与所述阴极的上表面的中心之间的距离少于从所述阴极的上表面的中心至所述阴极的上表面的周边的距离的四分之一。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述高压触发电源在1kV至20kV的范围内。

11.根据权利要求10所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述高压触发电源是1.2kV。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述绝缘电触发器引脚包括难熔金属。

13.根据权利要求12所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述难熔金属为钨。

14.根据权利要求1至9中任一项所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述等离子形成与所述阴极的上表面正交的等离子羽。

15.根据权利要求1至9中任一项所述的脉冲阴极电弧推进系统，还包括：控制所述阴极相对于所述绝缘电触发器的移动的进给机构。

16.根据权利要求15所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述进给机构包括蜗杆传动，所述蜗杆传动包括适于与形成所述阴极的部分的蜗杆螺钉啮合的蜗轮，所述蜗轮由马达驱动。

17.根据权利要求15所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述进给机构包括被偏置以随着所述阴极因所述电弧放电耗损而使所述阴极相对于所述绝缘电触发器前进的弹簧。

18.根据权利要求14所述的脉冲阴极电弧推进系统，还包括：

用于使所述等离子羽定向的磁喷嘴。

19.根据权利要求18所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述磁喷嘴包括至少一个永久磁铁。

20.根据权利要求1至9中任一项所述的脉冲阴极电弧推进系统，还包括：

适于操控所述阴极的上表面上的电弧放电的点的磁导引件。

21.根据权利要求20所述的脉冲阴极电弧推进系统，其中所述磁导引件包括磁线圈或永久磁铁中的至少一个。

22.一种航天器推进系统，包括权利要求1所述的脉冲阴极电弧推进系统。

23.一种航天器，包括权利要求22所述的航天器推进系统，其中所述航天器选自由火箭、航天飞机、卫星和太空站组成的群组。

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