CN108194293B - 一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器，包括筒体，距离所述筒体的筒口远的一端的内部设有阴极，所述阴极与所述筒体的内壁紧密接触，另一端的外部设有阳极，阳极和阴极之间设有感应电极，所述感应电极和所述阴极的间距为0.1‑30mm，所述阴极距离所述筒体的筒口为1‑30mm。本发明所述推进器的感应触发电极结构简单，无需额外设计电源电路。它可以很好地解决三结合点触发电压过高的问题，并保证了良好的放电效果。感应电极可以在电极相对距离增大的情况下保证其较低的放电电压，从而可以有效增大聚四氟工质的有效燃烧长度，提高等离子体的生成密度和传播速度。

Description

一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器

技术领域

本发明涉及卫星推进器技术领域，尤其涉及一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器。

背景技术

目前脉冲等离子体推进器是在微小卫星领域应用最为广泛的推进器之一。脉冲等离子体推进器主要通过燃烧聚四氟乙烯工质生成等离子体，从而产生推进冲力。目前常用的脉冲等离子体推进器通常设置火花塞，放电前使用储能电容在电极间施加一定电压，然后使用火花塞点火生成微量带电粒子，引发电弧放电进而燃烧工质生成等离子体，实现推进效果。火花塞的触发方式需要独立的供电电路，因而增加了推进器的体积、质量和结构复杂度。同时，火花塞存在使用寿命，火花塞表面易受等离子体的腐蚀和碳沉积的影响，造成火花塞损坏或触发失败。同轴脉冲等离子体推进器的阴极与聚四氟工质的接触区域会存在一定间隙，形成典型的阴极三结合区域。根据真空沿面放电理论，在阴极和阳极之间施加电压时，阴极三结合点区域的电位线分布异常，形成强电场区域，从而引起沿面放电的发生。

发明内容

本发明首先针对采用三结合点触发的方式进行了燃烧聚四氟乙烯工质类型的脉冲等离子体推进器的研究，但是三结合点触发对放电电压的要求较高，增大了脉冲等离子体推进器电源的设计难度。在对同轴电极类型的沿面放电研究中发现，真空下的聚四氟乙烯燃烧电弧为扩散型，不存在大电流状态下电流密度极高的丝状放电通道。在此基础上，本发明又提出一种感应触发式电极结构的等离子体推进器，通过感应电极的设置增大阴极三结合点处的电场强度，降低电极的起始放电电压，使其可以更好的应用于脉冲等离子体推进器中。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器，包括筒体，距离所述筒体的筒口远的一端的内部设有阴极，所述阴极与所述筒体的内壁紧密接触，距离所述筒体的筒口近的一端的外部设有阳极，阳极和阴极之间设有感应电极，所述感应电极与所述阴极间距为第一间距，所述阴极与所述筒体的筒口的间距为第二间距。

进一步地，所述筒体为聚四氟乙烯筒。

进一步地，所述感应电极由两根金属棒交叉成十字形组成，每根所述金属棒的直径为0.1-2mm。

进一步地，所述十字形的感应电极的四个端部均向外延伸凸出，所述的四个端部均与所述筒体的内壁紧密接触。

进一步地，所述的阴极、阳极和感应电极均为金属材质。

进一步地，所述阴极为圆柱形，所述阳极为圆环形，所述阴极的外壁与所述筒体的内部紧密接触。

进一步地，所述筒体的外壁上套有电流线圈，所述电流线圈与所述阳极连接。

进一步地，所述第一间距为0.1-30mm，所述第二间距为1-30mm，所述感应电极和所述阴极的间距最佳为1mm，所述阴极与所述筒体的筒口间距最佳为10mm。

进一步地，所述电流线圈为螺旋状电流线圈。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提出的感应触发电极结构简单，无需额外设计电源电路。它可以很好地解决三结合点触发电压过高的问题，并保证了良好的放电效果。通过电场分析，感应电极可以在施加电压不变的情况下显著增大三结合点附近的电场强度，并保持电极内部整体场强大体保持不变。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器的平面结构示意图；

图3a为本发明实施例提供的非感应式同轴电极的电场仿真示意图；

图3b为本发明实施例提供的感应式同轴电极的电场仿真示意图；

图4a为本发明实施例提供的非感应式同轴电极电流波形的示意图；

图4b为本发明实施例提供的感应式同轴电极电流波形的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器的加装螺旋线圈示意图；

图6为本发明实施例提供的一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器的直线形感应电极示意图；

图7为本发明实施例提供的一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器的三角形型感应电极示意图；

图8为本发明实施例提供的一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器的四边形感应电极示意图。

【附图标记】

1筒体；2阴极；3感应电极；4阳极；5螺旋状电流线圈。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明实施例提供的一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器的立体结构示意图；图2为平面结构示意图，如图1、图2所示：

本发明提供了一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器，包括筒体1，距离所述筒体1的筒口远的一端的内部设有阴极2，所述阴极2与所述筒体1的内壁紧密接触，另一端的外部设有阳极4，阳极4和阴极2之间设有感应电极3，所述感应电极3和所述阴极2的间距为第一间距，所述阴极2与所述筒体1的筒口间距为第二间距。

在一个具体的实施例中，所述筒体1的外径为10mm，所述筒体1的内径为5mm，所述筒体1为聚四氟乙烯筒。

在一个具体的实施例中，所述感应电极3由两根金属棒交叉成十字形组成，每根所述金属棒的直径为0.1-2mm。

在一个具体的实施例中，所述十字形的感应电极3的四个端部均向外延伸凸出，所述的四个端部均与所述筒体的内壁紧密接触。

本领域技术人员应能理解上述感应电极的十字型结构仅为举例，其他现有的或今后可能出现的上述感应电极的形状如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

在一个具体的实施例中，如图6、7、8所示，所述感应电极3还可以为一根金属棒，或者为金属棒拼接的三角形，或者为金属棒拼接的四边形。

在一个具体的实施例中，所述的阴极2、阳极4和感应电极3均为金属材质。

在一个具体的实施例中，所述阴极2为圆柱形，所述阳极4为圆环形，所述阴极2的外壁与所述筒体1的内部紧密接触。

在一个具体的实施例中，所述筒体1的外壁上套有电流线圈，所述电流线圈与所述阳极4连接。

在一个具体的实施例中，所述第一间距为0.1-30mm，所述第二间距为1-30mm，所述感应电极3和所述阴极2的间距最佳为1mm，所述阴极2与所述筒体1的筒口间距最佳为10mm。

在一个具体的实施例中，所述电流线圈5为螺旋状电流线圈5。

本发明实施例所述的感应触发式脉冲等离子体推进器，包括聚四氟乙烯筒，聚四氟乙烯筒的一端的内部设有圆柱型金属阴极，金属阴极与聚四氟乙烯筒紧密接触；聚四氟乙烯筒的另一端的外部设有圆环形金属阳极；所述聚四氟乙烯筒内部还固定有感应电极，感应电极和金属阴极的距离为1mm；工质轴向燃烧距离为10mm。

本发明实施例中所述聚四氟乙烯筒作为燃烧工质，其内径为5mm，外径为10mm。圆柱型金属阴极置于聚四氟筒内部并与其紧密接触。圆环形金属阳极固定于聚四氟筒外侧端部位置。感应电极为两根金属棒交叉形成的“十字形”，金属棒直径为0.4mm，所述感应电极的四个端部均向外延伸凸出，其端部与聚四氟筒内壁紧密接触，阴极、阳极和感应电极均为金属材质。

感应触发式放电电极特点：

将普通同轴电极模型和本发明所述的感应触发式同轴电极模型阴极均设置为-15kV，阳极接地，感应电极不施加电压，仿真结果如图3a、图3b所示。从图中可以看出，两种电极模型的场强最大值点均出现在三结合点处。同轴电极模型和感应触发式同轴电极模型的最大场强分别为5.64E6V/m和1.80E7V/m。

放电效果：

设计阴极距离聚四氟筒口10mm，即聚四氟筒工质内壁的轴向燃烧距离为10mm。如图4a、图4b所示，普通同轴脉冲等离子体推进器实验模型的电极最低放电电压约为15kV，感应触发式同轴脉冲等离子体推进器模型的最低放电电压降低为10kV左右，放电电压降低了约1/3。两种电极结构下放电电流的幅值和维持时间基本没有发生变化。对感应触发式同轴电极模型施加10kV电压进行仿真，得到其最大电场强度为7.01E6V/m，证明了实验结果的合理性。

轴向燃烧距离为10mm时，两种同轴脉冲等离子体推进器的等离子体生成效果对比(见表1)：

表1

感应电极存在时放电电压由15kV下降到10kV左右，放电电流基本没有变化。感应电极存在时的等离子体生成密度相对于不存在感应电极有少许下降，传播速度相对于不存在感应电极少许增加。分析可得，在聚四氟工质的轴向燃烧长度没有发生改变的情况下，两种同轴脉冲等离子体推进器的放电电流没有发生较大变化。当燃烧距离一定时，感应电极可以在电极电压为10kV的情况下使三结合点达到15kV时的电场强度，并且达到类似的等离子体生成效果。

在不同轴向燃烧距离时，感应电极的等离子体生成效果对比(见表2)：

表2

在感应电极存在的情况下，轴向燃烧距离为15mm时，电极在16kV左右电压即可发生放电。相对于燃烧轴向距离为10mm时，放电电流显著增大。等离子体由放电电流的烧蚀和离子化作用生成。放电电流的增大，使聚四氟工质的烧蚀作用加强，同时伴随着烧蚀距离的增大，使等离子体密度进一步增加。在与速度垂直的自感应磁场和电场的共同作用下，洛伦兹力生成并加速带电粒子。同时，聚四氟筒内部的气压随着等离子体的生成迅速增大，同时，聚四氟筒外部空间的压强相对较少。等离子体会在气动力学的机制下进行加速。放电电流的增大使等离子体密度增大，因此，气动力学的加速效果会同步增加。在以上两种加速机制的作用下，同轴脉冲等离子体推进器的等离子体生成密度和传播速度均明显增大。

可加螺旋线圈：

表3

聚四氟工质烧蚀生成的等离子体在传播的过程中会与工质内壁接触，损失大量粒子，并使等离子体的密度和传播受到影响。通过在同轴电极模型的等离子体生成过程中施加轴向磁场，可以减少带电粒子在边壁上的损失。本发明实施例提出的利用放电电流生成自磁场对聚四氟工质生成的等离子体进行束缚的方式如图5所示，阳极与螺旋线圈相连通，放电时阴极与电源负高压输出端相连接，螺旋线圈接地电极。在电极放电过程中，放电电流通过螺旋线圈，可以在聚四氟筒内部的轴向上生成较强的磁场。

由表3可知，在螺旋线圈生成的磁场约束的情况下，放电电流有所增大，同时等离子体的生成密度和运动速度也增大为原来的2倍左右。实验证明本发明实施例提出的自磁场束缚可以很好地约束径向扩散的等离子体，增大了轴向等离子体的密度。径向等离子体的束缚可以减少等离子体在内壁上的能量损失，使等离子体扩散速度增加。

综上所述，本发明实施例所述的感应触发电极结构简单，无需额外设计电源电路。它可以很好地解决三结合点触发电压过高的问题，并保证了良好的放电效果。通过电场分析，感应电极可以在施加电压不变的情况下显著增大三结合点附近的电场强度，并保持电极内部整体场强大体保持不变。同轴电极的放电实验证明感应电极具有明显的降低放电电压的效果。

感应电极可以在电极相对距离增大的情况下保证其较低的放电电压，从而可以有效增大聚四氟工质的有效燃烧长度，提高等离子体的生成密度和传播速度。螺旋线圈可以利用放电电流生成自磁场束缚，其应用于燃烧聚四氟乙烯类型的脉冲等离子体推进器，可以显著增大等离子体的生成密度和传播速度，进一步为脉冲等离子体推进器的推进效果的改善提供了可能。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种同轴式感应触发脉冲等离子体推进器，其特征在于，包括筒体，距离所述筒体的筒口远的一端的内部设有阴极，所述阴极与所述筒体的内壁紧密接触，距离所述筒体的筒口近的一端的外部设有阳极，阳极和阴极之间设有感应电极，所述感应电极与所述阴极间距为第一间距，所述阴极与所述筒体的筒口的间距为第二间距；所述筒体为聚四氟乙烯筒；所述感应电极由两根金属棒交叉成十字形组成，每根所述金属棒的直径为0.1-2mm；所述十字形的感应电极的四个端部均向外延伸凸出，所述的四个端部均与所述筒体的内壁紧密接触；

所述的阴极、阳极和感应电极均为金属材质；

所述阴极为圆柱形，所述阳极为圆环形，所述阴极的外壁与所述筒体的内部紧密接触。

2.根据权利要求1所述的轴式感应触发脉冲等离子体推进器，其特征在于，所述筒体的外壁上套有电流线圈，所述电流线圈与所述阳极连接。

3.根据权利要求2所述的轴式感应触发脉冲等离子体推进器，其特征在于，所述第一间距为0.1-30mm，所述第二间距为1-30mm，所述感应电极和所述阴极的间距最佳为1mm，所述阴极与所述筒体的筒口间距最佳为10mm。

4.根据权利要求3所述的轴式感应触发脉冲等离子体推进器，其特征在于，所述电流线圈为螺旋状电流线圈。