CN108194295A - 一种能降低真空电弧推力器起弧能量的无触发式电极 - Google Patents

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赵杨
邓永锋
方吉汉
王妍
李光熙
杨明
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    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0093—Electro-thermal plasma thrusters, i.e. thrusters heating the particles in a plasma

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Abstract

本发明提供了一种能降低真空电弧推力器起弧能量的无触发式电极，解决了现有真空电弧推力器起弧所需能量大，以及电源结构复杂，电源尺寸重量大的问题。该无触发式电极，包括阳极和阴极，所述阳极为圆柱状；所述阴极为同轴套设在阳极外部的圆筒状；所述阴极与阳极之间还设置有圆筒状的绝缘介质，且所述阴极和阳极均与绝缘介质接触；所述绝缘介质暴露的表面上涂覆一层导电材料。本发明采用无触发式放电方式，增加产生闪络电弧的概率，极大程度降低了真空电弧推力器起弧所需要的能量，简化电源结构，减小电源尺寸与重量，拓展了真空电弧推力器的应用领域，使真空电弧推力器具有更高的应用价值。

Description

一种能降低真空电弧推力器起弧能量的无触发式电极
技术领域
本发明属于真空电弧推力器技术领域，具体涉及一种能降低真空电弧推力器起弧能量的无触发式电极，适用于真空电弧推力器的点火启动。
背景技术
真空电弧推力器作为一种新型的高比冲、低功率、小型化微推力系统，越来越多的被考虑作为微纳卫星平台的动力来源。
真空电弧推力器使用的传统电极中，阴极与阳极均为圆柱状，因两者为同轴相对设置，且之间存在真空间隙，使得真空电弧推力器起弧需要的能量非常大，例如真空环境下，阴极与阳极相距1毫米的间隙，起弧电压可达30千伏，需要的功率高达千瓦量级。因此，对电源的要求很高，电源的结构较为复杂，尺寸重量很大，如此导致真空电弧推力器的整个系统庞杂。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足之处而提供一种能降低真空电弧推力器起弧能量的无触发式电极。
为实现上述目的，本发明提供的技术解决方案是：
一种能降低真空电弧推力器起弧能量的无触发式电极，其特殊之处在于，包括阳极和阴极，所述阳极为圆柱状；所述阴极为同轴套设在阳极外部的圆筒状；所述阴极与阳极之间还同轴设置有圆筒状的绝缘介质，且所述阴极和阳极均与绝缘介质接触，所述绝缘介质的上表面涂覆有一层导电材料。
进一步地，所述阴极与阳极之间的间隙距离为0.1mm～2mm。
进一步地，所述绝缘介质为陶瓷。
进一步地，所述导电材料为石墨，厚度为10μm～800μm。
进一步地，所述阴极与阳极之间的阻值范围为1Ω～100KΩ。
进一步地，采用气相薄膜沉积法将石墨涂覆在陶瓷上。
本发明的工作原理及有益效果：
本发明采用无触发式放电方式，将圆柱状的阳极与圆筒状的绝缘介质、圆筒状的阴极同轴地沿径向由内向外设置，且阴极与阳极均与绝缘介质接触，并在绝缘介质的上表面上涂覆有一层导电材料，以在阴极与阳极之间搭建电流桥路，允许电流通过。由于金属本身具有的特性，其表面具有金属颗粒凸起，当阳极端加载较高的电压时，在阴极与绝缘介质接触的凸起处，集中产生大量的焦耳热，使阴极金属汽化，产生一定量的金属蒸汽，大幅度增加产生闪络电弧的概率，有效降低真空电弧推力器的起弧电压和起弧电流，将起弧电压由通常的千伏量级降至百伏量级，所需功率降至瓦级，极大程度降低了真空电弧推力器起弧所需要的能量，简化电源结构，减小电源尺寸与重量，同时也拓展了真空电弧推力器的应用领域，使真空推力器具有更高的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例中电极的局部结构示意图；
图2为图1的A处放大图。
附图标记为：1-阴极；2-阳极；3-陶瓷；4-石墨；5-凸起。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明进行清楚、完整的说明：
真空电弧推力器采用的无触发式电极结构如图1及图2所示，阴极1与阳极2之间使用陶瓷3进行隔离，将圆柱状的阳极2和圆筒状的陶瓷3、圆筒状的阴极1同轴地沿径向由内向外设置，陶瓷3的高度低于阳极2和阴极1的高度；阴极1与阳极2因金属本身所具备的特性，其表面均具有金属颗粒凸起5，该凸起5与陶瓷3表面接触，且阴极1与阳极2之间的距离为0.1mm～2mm；而陶瓷3的上表面采用气相薄膜沉积法涂覆有一层石墨4，石墨4厚度为10μm～800μm，使得阴极与阳极之间的阻值为1Ω～100KΩ。
在陶瓷上涂覆不同厚度的石墨层，测量真空电弧推力器起弧所需能量的大小，对本发明进行验证：
实施例1
(1)将圆柱状的阳极和圆筒状的陶瓷、圆筒状的阴极同轴地沿径向由内向外设置，使得阴极与阳极之间的间隔距离为0.1mm～2mm；
(2)利用气相薄膜沉积的镀膜方式在陶瓷上表面涂覆一层石墨，气相沉积20个小时，陶瓷表面石墨层的厚度为100μm；
(3)测量阴极与阳极之间的阻值，阻值为7KΩ；
(4)向真空电弧推力器加载高压，真空电弧推力器的起弧电压为320V，起弧电流为60A；
(5)真空电弧推力器的电源尺寸为100mm*100mm*100mm。
实施例2
(1)将圆柱状的阳极和圆筒状的陶瓷、圆筒状的阴极同轴地沿径向由内向外设置，使得阴极与阳极之间的间隔距离为0.1mm～2mm；
(2)利用气相薄膜沉积的镀膜方式在陶瓷上表面涂覆一层石墨，气相沉积35个小时，陶瓷表面石墨层的厚度为300μm；
(3)测量阴极与阳极之间的阻值，阻值为2.5KΩ；
(4)向真空电弧推力器加载高压，推力器的起弧电压为300V，起弧电流为60A；
(5)真空电弧推力器的电源尺寸为100mm*100mm*100mm。
实施例3
(1)将圆柱状的阳极和圆筒状的陶瓷、圆筒状的阴极同轴地沿径向由内向外设置，使得阴极与阳极之间的间隔距离为0.1mm～2mm；
(2)利用气相薄膜沉积的镀膜方式在陶瓷上表面涂覆一层石墨，气相沉积40个小时，陶瓷表面石墨层的厚度为500μm；
(3)测量阴极与阳极之间的阻值，阻值为1KΩ；
(4)向真空电弧推力器加载高压，推力器的起弧电压为280V，起弧电流为60A；
(5)真空电弧推力器的电源尺寸为100mm*100mm*100mm。
因此，在10μm～800μm范围内，石墨涂层的厚度越大，所需起弧能量就越小，采用本发明中设计的电极，不仅可以将真空电弧推力器的起弧电压大大降低，还可简化电源结构，减小电源尺寸与重量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种能降低真空电弧推力器起弧能量的无触发式电极，其特征在于：包括阳极和阴极，所述阳极为圆柱状；所述阴极为同轴套设在阳极外部的圆筒状；所述阴极与阳极之间还同轴设置有圆筒状的绝缘介质，且所述阴极和阳极均与绝缘介质接触，所述绝缘介质的上表面涂覆有一层导电材料。
2.根据权利要求1所述的无触发式电极，其特征在于：所述阴极与阳极之间的间隙距离为0.1mm～2mm。
3.根据权利要求2所述的无触发式电极，其特征在于：所述导电材料为石墨，厚度为10μm～800μm。
4.根据权利要求1-3任一所述的无触发式电极，其特征在于：所述绝缘介质为陶瓷。
5.根据权利要求4所述的无触发式电极，其特征在于：所述阴极与阳极之间的阻值范围为1Ω～100KΩ。
6.根据权利要求5所述的无触发式电极，其特征在于：采用气相薄膜沉积法将石墨涂覆在陶瓷上。
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