CN109538431A - 一种基于多阳极结构的真空弧推进器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于多阳极电极结构的真空弧推进器，包括：阴极结构、多阳极结构和绝缘部件。阴极结构外接负高压，多阳极结构接地。阴极结构为带锥状的圆柱型结构，用于生成金属等离子体。多阳极结构包括第一阳极和第二阳极：第一阳极为喷嘴状，外覆绝缘介质包裹；第二阳极为环状，置于与阴极结构间隔预设距离的位置。第一阳极、第二阳极与阴极结构圆锥体中心轴线重合。多阳极结构可实现长间隙真空击穿，形成真空金属弧；绝缘部件为圆筒状，包覆于阴极结构的外部，并嵌置于第一阳极的内部，对阴极结构和第一阳极进行绝缘和机械固定。本发明提出的真空弧推进器，可减少等离子体径向扩散，改善真空弧推进器的推进性能。

Description

一种基于多阳极结构的真空弧推进器

技术领域

本发明涉及真空弧推进器技术领域，尤其涉及一种基于多阳极结构的真空弧推进器。

背景技术

VAT(Vacuum arc thruster，真空弧推进器)具有质量小、体积小、结构简单等特点，被广泛应用于微小卫星推进器技术领域。微小卫星技术的快速发展在推进方面提出了更高的要求；因此，对真空弧推进器推进效果的优化具有重要意义。

决定真空弧推进器的推进效果的关键因素是它的等离子体生成特性，它在很大程度上受电极结构参数的影响。有研究人员在2015年研究了锥型收缩的低功率真空弧推进器设计，发现改变阴极轴向截面形状会影响等离子体羽流的分布甚至在某些特定情况下会影响推力效果。有学者提出，在相同功率级别下，在传统的阴极材料烧蚀的基础上使用可烧蚀阳极会增大推力。然而，在现有技术中，人们所研究的真空弧推进器均是基于传统的电极结构；在传统的电极结构中，阴极和阳极均设置在真空弧推进器内部，可以提升等离子体方向性的Z箍缩只是存在于推进器内部。当等离子体羽流喷射出喷嘴时，它会向径向发生扩散，从而减小真空弧推进器的推进效果。

外部磁场的应用也是优化等离子体羽流的重要方法。有研究人员研究了基于磁场增强的同轴真空弧推进器和基于环状电极的推进器，发现在磁场的影响下等离子体羽流的径向扩散显著减小。除了常用的轴向磁场，有学者提出使用一种曲线磁场可得到有效的等离子体传输和定向羽流；结果证明，这种磁场可以增强等离子体羽流并形成可以增强推进器运行时间的均匀烧蚀。然而，外部磁场的应用会增加推进器的质量和体积，不利于真空弧推进器的应用。

因此，有必要设计一种真空弧推进器，在实现推进器外部等离子体羽流束缚的同时，避免引入磁场带来的推进器的质量和体积增加的问题。等离子体羽流的径向束缚，可以实现显著增大轴向喷射的等离子体密度，提高推进器的元冲量和推力-功率比，提高推进器的推进效果。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于多阳极结构的真空弧推进器，以解决上述背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明的实施例提供的一种基于多阳极结构的真空弧推进器，其特征在于，该真空弧推进器为同轴电极结构，包括：阴极结构、多阳极结构和绝缘部件，所述阴极结构通过接线柱与外电路的负高压端子相连接，所述多阳极结构通过导线与外电路的地端相连接；

所述阴极结构为带锥状的圆柱型结构，置于所述绝缘部件的一端，用于生成金属等离子体，其中，锥状的尖端部分用于在放电过程中生成金属等离子体；

所述多阳极结构包括第一阳极和第二阳极，所述第一阳极置于所述绝缘部件的另一端，所述第二阳极为环状结构，置于与所述阴极结构间隔预设距离的位置，所述多阳极结构用于在所述阴极结构附近形成一个强电场，引发场致发射生成金属等离子体，同时使所述金属等离子体将长真空间隙击穿，形成真空金属弧；

所述绝缘部件为圆筒状结构，包覆于所述阴极结构的外部，并嵌置于所述第一阳极的内部，用于对所述阴极结构和所述第一阳极进行绝缘和机械固定。

优选地，所述阴极结构的一端为锥状结构，锥状结构的锥角为：0°-120°，锥状结构的尖端部分为弧形或球形；

锥状结构的尖端部分与所述绝缘部件的另一端出口的间距为：0-10mm；

所述阴极结构的圆柱型直径为：1-10mm。

优选地，所述绝缘部件的一端包覆所述阴极结构形成封闭结构，所述绝缘部件的另一端内嵌于所述第一阳极内部形成空心结构；

所述绝缘部件的内径与所述阴极结构的圆柱型直径相等；

所述绝缘部件的壁厚为：1-3mm。

优选地，所述绝缘部件采用的材料包括但不限于：聚四氟乙烯、氧化铝陶瓷。

优选地，所述第一阳极为喷嘴状结构，一端为筒状，另一端为喇叭状，所述绝缘部件内嵌于所述第一阳极筒状部分的内部；

所述第一阳极为绝缘阳极，进行完全的绝缘包裹处理；

所述第一阳极的筒状部分内径与所述绝缘部件的外径相等；

所述第一阳极的轴线与所述阴极结构的圆锥体中心轴线重合。

优选地，所述第二阳极为环状，环状内径与所述阴极结构的圆柱型直径相同，环状外径为：15-20mm，其轴向长度小于其外径；

所述第二阳极为远端阳极，与所述阴极结构之间的距离为：10-100mm；

所述第二阳极的轴线与所述阴极结构的圆锥体中心轴线重合。

优选地，所述多阳极结构，用于在所述阴极结构连通负高压时，在所述第一阳极与所述第二阳极之间形成一个电场矢量方向相反的A区域，所述A区域在金属等离子体到达所述第二阳极之前，维持极间电压，使金属等离子体的生成持续进行；

所述阴极结构产生的金属等离子体传播至所述A区域之前，所述A区域的位置保持不变，当金属等离子体传播至所述A区域并向所述第二阳极继续运动时，所述A区域伴随着金属等离子体前端向前移动，金属等离子体前端的一部分电子在所述A区域被电场抽离，并在电场的作用下到达所述第二阳极，当金属等离子体到达所述第二阳极时，在所述阴极结构和所述第二阳极之间形成真空金属弧。

优选地，所述阴极结构和所述第二阳极之间形成的真空金属弧，对等离子体羽流的径向扩散进行束缚；

所述阴极结构和所述第二阳极之间的等离子体羽流，完全被电流层束缚，在等离子体羽流的内部，金属等离子体基本呈平衡态。

优选地，所述真空弧推进器在真空条件下进行放电，真空条件的气压值设置为：10^-4Pa。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种基于多阳极结构的真空弧推进器，包括：阴极结构、多阳极结构和绝缘部件，阴极结构通过接线柱与外电路的负高压端子相连接，多阳极结构通过导线与外电路的地端相连接；阴极结构为带锥状的圆柱型结构，置于绝缘部件的一端，用于生成金属等离子体；多阳极结构包括：第一阳极和第二阳极，第一阳极为喷嘴状结构并完全绝缘包裹，置于绝缘部件的另一端，第二阳极为环状结构，置于与阴极结构间隔预设距离的位置，第一阳极与第二阳极的轴线分别与阴极结构的圆锥体中心轴线重合，多阳极结构用于在阴极结构尖端附近形成一个强电场，引发场致发射，使金属等离子体击穿真空间隙，形成真空金属弧；绝缘部件为圆筒状结构，包覆于阴极结构的外部，并嵌置于第一阳极的内部，用于对阴极结构和第一阳极进行绝缘和机械固定。本发明提出的真空弧推进器，可实现长间隙真空击穿，引导电弧电流通过等离子羽流，将Z箍缩效果扩展到推进器喷口外的等离子体羽流，减少等离子体径向扩散，改善推进器的推进性能。

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为本发明的实施例提供的一种基于多阳极结构的真空弧推进器的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的一种基于多阳极结构的真空弧推进器的实验系统示意图；

图3为本发明的实施例提供的传统电极结构的电场强度分布图；

图4为本发明的实施例提供的多阳极电极结构的电场强度分布图；

图5为本发明的实施例提供的多阳极电极结构的电场矢量分布图；

图6为本发明的实施例提供的传统电极结构在相同放电参数下的典型电压和电流波型图；

图7为本发明的实施例提供的多阳极电极结构在相同放电参数下的典型电压和电流波型图；

图8为本发明的实施例提供的传统电极结构的金属等离子体羽流相机拍摄图；

图9为本发明的实施例提供的多阳极电极结构的金属等离子体羽流相机拍摄图；

图10为本发明的实施例提供的基于传统电极结构推进器的工作原理图；

图11为本发明的实施例提供的基于多阳极电极结构推进器的工作原理图；

图12为本发明的实施例提供的基于传统电极结构推进器和基于多阳极电极结构推进器的羽流截面分布对比图；

图13为本发明实施例提供的电子密度空间分布测量原理示意图；

图14为本发明的实施例提供的在相同放电参数下基于传统电极结构推进器生成的等离子体羽流的电子密度的空间分布图；

图15为本发明的实施例提供的在相同放电参数下基于多阳极电极结构推进器生成的等离子体羽流的电子密度的空间分布图；

图16为本发明的实施例提供的对基于多阳极结构的真空弧推进器的推力测量系统；

图17为本发明的实施例提供的基于传统电极结构推进器和基于多阳极电极结构推进器的元冲量关于电容C能量的变化图；

图18为本发明的实施例提供的基于传统电极结构推进器和基于多阳极电极结构推进器的推力-功率比关于电容C能量的变化图；

其中，1-阴极结构，2-第一阳极，3-第二阳极，4-绝缘部件，5-绝缘层。

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。

实施例一

本发明实施例提供了一种基于多阳极结构的真空弧推进器，通过独特的阳极结构设置，采用真空间隙击穿放电机制，改善真空弧推进器的推进性能。

本发明实施例提供的一种基于多阳极结构的真空弧推进器采用真空间隙击穿放电机制，这种放电的引发机制为强电场引起的阴极附近场致电子发射，场致发射导致产生阴极点的爆炸，生成的等离子体一般称为金属等离子体，这种等离子体主要由金属离子和电子组成。

本发明实施例提供的一种基于多阳极结构的真空弧推进器的结构示意图如图1所示，该真空弧推进器为同轴电极结构，包括：阴极结构1、多阳极结构(2、3)和绝缘部件4，多阳极结构包括：第一阳极和第二阳极，阴极结构1和多阳极结构分别置于绝缘部件4的两端，所述阴极结构1通过接线柱与外电路的负高压端子相连接，所述多阳极结构通过导线与外电路的地端相连接。

该真空弧推进器各部件的具体内容如下：

(1)阴极结构

阴极结构1为带锥状的圆柱型结构，置于所述绝缘部件4的一端，其中，锥状的尖端部分用于在放电过程中生成金属等离子体并向外喷射。

阴极结构1的一端为锥状结构，锥状结构的锥角为：0°-120°，锥状结构的尖端部分为弧形或球形。

锥状结构的尖端部分与所述绝缘部件4的另一端出口的间距可设置为：0-10mm。

阴极结构1的圆柱型直径为：1-10mm。

(2)多阳极结构

多阳极结构包括：第一阳极2和第二阳极3。

所述第一阳极2为喷嘴状结构，在第一阳极外部设置绝缘层5，进行完全的绝缘包裹处理，置于所述绝缘部件4的另一端。所述第二阳极3为环状结构，置于与所述阴极结构1间隔预设距离的位置。所述多阳极结构用于在所述阴极结构1附近形成一个强电场，引发场致发射生成金属等离子体，同时使所述金属等离子体将较长的真空间隙击穿，形成真空金属弧。

多阳极结构，用于在所述阴极结构1连通负高压时，在所述第一阳极2与所述第二阳极3之间形成一个电场矢量方向相反的A区域，所述A区域在金属等离子体到达所述第二阳极之前，使得较高的极间电压得以维持，从而使金属等离子体的生成可持续进行。

所述阴极结构1产生的金属等离子体传播至所述A区域之前，所述A区域的位置保持不变，当金属等离子体传播至所述A区域并向所述第二阳极3继续运动时，所述A区域伴随着金属等离子体前端向前移动，金属等离子体前端的一部分电子在所述A区域被电场抽离，并在电场的作用下到达所述第二阳极3，当金属等离子体到达所述第二阳极3时，在所述阴极结构1和所述第二阳极3之间形成真空金属弧。

阴极结构和第二阳极之间形成的真空金属弧，可对金属等离子体羽流的径向扩散进行束缚。所述阴极结构1和所述第二阳极3之间的金属等离子体羽流，完全被电流层束缚，在金属等离子体羽流的内部，金属等离子体基本呈平衡态。

A、第一阳极

第一阳极2的一端为筒状，另一端为喇叭状，所述绝缘部件4内嵌于所述第一阳极筒状部分的内部。

所述第一阳极2为绝缘阳极，在第一阳极表面包覆一层绝缘层，进行完全绝缘处理。

所述第一阳极2的筒状部分的内径与所述绝缘部件的外径相等。

所述第一阳极2的轴线与所述阴极结构1的圆锥体中心轴线重合。

B、第二阳极

第二阳极3为环状，环状内径与所述阴极结构1的圆柱型直径相同，可将环状外径设置为：15-20mm，其轴向长度小于其外径。

所述第二阳极3为远端阳极，第二阳极3与所述阴极结构1间隔的预设距离为：40-100mm。

所述第二阳极3的轴线与所述阴极结构1的圆锥体中心轴线重合。

本发明实施例提供的基于多阳极结构的真空弧推进器，其中，第一阳极(绝缘阳极)可以在阴极结构的表面附近构造出强电场，因而它可以实现与第二阳极(裸露阳极)相同的阴极场致发射。本发明实施例提供的多阳极结构的独特设计导致的极间电压的维持则进一步巩固了这种场致发射机制，使之能够生成足够量的金属等离子体，从而为阴极和阳极的导通提供了条件。

(3)绝缘部件

绝缘部件为圆筒状结构，包覆于所述阴极结构的外部，并嵌置于所述第一阳极的内部，用于对所述阴极结构和所述第一阳极进行绝缘和机械固定。

绝缘部件的一端包覆阴极结构形成封闭结构，所述绝缘部件的另一端内嵌于所述第一阳极内部形成空心结构；所述绝缘部件的内径与所述阴极结构的圆柱型直径相等；所述绝缘部件的壁厚为：1-3mm。

绝缘部件采用的材料包括但不限于：聚四氟乙烯、氧化铝陶瓷。

本发明提供的基于多阳极结构的真空弧推进器，在高真空条件下进行放电，可将真空条件的气压值设置为：10^-4Pa。

实施例二

该实施例提供了一种基于多阳极结构的真空弧推进器的实验系统，对本发明提出的真空弧推进器进行实验验证，该实验系统的实现结构如图2所示，具体可以包括如下的内容：

一种基于多阳极结构的真空弧推进器的应用系统，包括：一个脉冲功率电源，一个真空放电装置和诊断系统。

脉冲功率电源使用储能电容作为放电的能量来源。在放电前，储能电容C被充电至特定电压。当开关SG闭合时，电容C的电压开始通过限流电阻R1和电感L施加到电极两端。因此，由于真空间隙击穿，放电发生。与电路串联的二极管D用来防止电路电流反向流动，从而避免电流的振荡。

在该实验过程中，将放电过程设置在高真空条件下进行，且气压维持在10^-4Pa。在放电过程中，将A点与地之间的电压定义为极间电压，极间电压的具体数值可通过高压探头获得；通过罗氏线圈可分别获得流过阴极和阳极的具体电流值。通过改进的朗缪尔探针可获得等离子体的电子密度。

基于上述实验系统，可将传统的同轴电极结构推进器与本发明提供的推进器进行对比分析，具体如下：

传统的同轴电极结构如图3所示，主要由一个阴极，一个阳极和绝缘部件组成。在电极结构中，将聚四氟乙烯筒用作绝缘介质，且绝缘介质的内径和外径分别为5mm和7mm。阴极由铅制成，阳极由不锈钢制成。阴极是带锥状的圆柱型，直径为5mm，其一端为锥状，锥角为60°。阴极置于聚四氟乙烯筒内部，阴极的锥尖与聚四氟乙烯筒的出口的距离为6mm。阳极为喇叭状喷嘴极结构，固定于聚四氟乙烯筒与锥尖的同一端。

本发明实施例提供的多阳极电极结构基于传统的同轴电极结构设置完成。绝缘结构的内径和外径分别为5mm和7mm；阴极由铅制成，阳极由不锈钢制成；阴极结构为带锥状的圆柱型结构，圆柱型直径为5mm，其一端为锥状，锥角为60°；阴极结构的锥尖与绝缘结构出口的距离为6mm；在多阳极电极结构中，第一阳极(绝缘阳极)位于阴极结构旁边，并进行完全绝缘包裹处理；第二阳极(远端阳极)为环状位于轴向远离阴极结构的100mm处。第二阳极(远端阳极)的内径为5mm，外径为15mm。

本发明实施例提供的推进器利用场致发射机制来引发放电，并在阴极和阳极之间生成真空金属弧。当高电压施加在阴极和阳极之间时，阴极结构附近会形成一个强电场，从而引发场致发射并形成真空放电。采用Maxwell仿真软件可分析这种电极结构的电场分布，这两种电极结构的场强分布分别如图3和图4所示。

从图3和图4可以看出，两种电极结构的最大场强均出现在阴极锥尖附近，达到了8×10⁶V/m级别。阴极锥尖表面的发射点的场强，通常由于场增强因子β的放大作用会增大至原来的几十至几百倍。因此，在这个电压级别下，发射点可能达到场致发射的临界场强(10⁸V/m)。在传统电极结构中，阴极可以直接与阳极形成放电通道。然而，在多阳极电极结构中，由于其特殊的多阳极结构设置，有着不同的放电特性。

本发明实施例提供的多阳极电极结构的电场矢量分布如图5所示，当阴极结构与第一阳极的距离从100mm降至40mm时，电场矢量的分布特点保持不变；因此图中阴极结构与第一阳极的距离设置为40mm可便于显示与分析。在图5中，第一阳极(绝缘阳极)和第二阳极(远端阳极)之间存在一个电场矢量方向相反的区域，这个区域被称作A区域。通过进一步仿真发现，在等离子体传播至A区域之前，A区域的位置保持不变；当金属等离子体传播至A区域并向第二阳极(远端阳极)继续运动时，A区域伴随着金属等离子体前端向前移动。A区域的存在，对放电初期电子的定向漂移运动产生了重要影响。

在放电初始阶段，阴极结构发出的电子在电场的作用下主要向第一阳极(绝缘阳极)运动，其中一部分电子会穿过第一阳极(绝缘阳极)继续向第二阳极(远端阳极)运动。但是，由于受到第一阳极(绝缘阳极)与A区域之间电场的影响，电子的定向漂移受到抑制，几乎无法达到第二阳极(远端阳极)。因为阴极无法同时与绝缘阳极和远端阳极形成电路连通，极间电压的下降受到抑制，金属等离子体得以继续生成。当金属等离子体到达A区域并继续朝向远端阳极运动时，金属等离子体前端的一部分电子会在A区域被电场抽离，并在电场的作用下到达远端阳极。因此，电流开始缓慢增大，极间电压降低。最终，当金属等离子体到达远端阳极时，在阴极与远端阳极之间形成真空金属弧。

传统电极结构与本发明实施例提供的多阳极电极结构，在相同放电参数下的典型电压和电流波形图分别如图6和图7所示。

从图6可以看出，传统电极结构的真空击穿瞬时发生，极间电压在0.56μs内下降至电弧电压(电弧电压小于200V因此图中未展示)。流过阴极和阳极的电流(分别简称阴极电流和阳极电流)在放电发生后同步增大。等离子体从喷嘴中喷出并形成等离子体羽流。根据基尔霍夫电流定律，可知流过等离子体羽流的电流很小。

而本发明实施例提供的多阳极电极结构具有和传统电极一样的放电可靠性。多阳极电极结构的击穿电压基本与传统电极结构相同。然而，多阳极结构的极间电压和放电电流在放电过程中有着不同的特性。

从图7可以看出，放电过程中流过绝缘阳极的电流基本为0，阴极电流的幅值降为裸阳极电极结构的58.6％。极间电压和阴极电流在不同的时间阶段表现出不同的特性。在第一个时间阶段T1(0-t1)，极间电压和阴极电流表现出一些波动但并没有明显改变；这是由于场致电子在放电初期无法迅速到达远端阳极引起的。在第二个时间阶段T2(t1-t2)，伴随着波动，极间电压开始下降，阴极电流开始缓慢上升。在这段时间内等离子体到达了A区域，A区域伴随着等离子体前端一起向前移动。越来越多的电子被抽离并在电场的作用下进入远端阳极，导致极间电压和放电电流的改变。在T2结束的时候，等离子体传播至远端阳极，阴极与远端阳极之间的真空金属弧形成。因此，极间电压下降至电弧电压，电流波形的扰动被消除。

基于传统电极结构推进器和基于多阳极结构推进器生成的等离子体羽流有很大不同；两种电极结构等离子体羽流的照片如图8和图9所示。

从图8可以看出，传统电极结构推进器喷口外的羽流明亮并呈发散状。可知，由于电流较大，等离子体的生成比较剧烈，带电粒子密度增加。然而，由于没有束缚，等离子体羽流在径向方向呈现明显的扩散。与此相反的是，本发明实施例提供的多阳极结构的推进器的羽流亮度有所下降，但呈现更明显的汇聚效果。本发明实施例提供的多阳极结构的推进器生成的等离子体的量随着电流的降低而下降；但等离子体羽流被电流层所束缚并增强，有一个较好的方向性。

基于传统电极结构推进器和基于多阳极结构推进器的运行机制的不同，具体如图10-12所示。

如图10所示，基于传统电极结构的推进器的电流层生成于推进器内部，位于喷嘴外的羽流由于内部压强而发生扩散。与之相比，从图11可以发现基于多阳极结构推进器的电弧电流流过阴极与远端阳极之间的金属等离子体；金属等离子体在传播过程中完全被电流层束缚。这两种推进器的羽流截面分布差异如图12所示，基于传统电极结构推进器的金属等离子体羽流没有被束缚而向径向扩散，而基于多阳极结构推进器的金属等离子体羽流完全被电流层束缚，其内部等离子体基本呈平衡态。

已知压力P_θ与径向位移r之间的关系，可按如下公式进行计算：

其中，R₀是电流层的外半径,r₀是电流层的内半径，i是电流层的总电流，μ₀是真空磁导率。

根据公式(1)可知，电流层对等离子体的束缚力随着放电电流的增大而增大。束缚力的增大导致等离子体羽流半径的降低，它会与等离子体内部压力相平衡。根据热力学定律，带电粒子的密度和温度会随着压强的增大而增大。本发明实施例提供的多阳极电极结构产生的束缚力可增大金属离子的密度和温度，这对于推进器的效果有重要作用。

为验证等离子体的束缚效果，分别测量了相同放电参数下，基于传统电极结构推进器和基于多阳极结构推进器生成的金属等离子体羽流的电子密度的空间分布。因为等离子体基本呈电中性，电子密度分布可以反映等离子体羽流的分布状态，具体如图13-15所示。

由图13可以看出，两种推进器的电子密度分布均呈现轴向(0°)密度大，随着角度的增大密度减小的趋势。相对于基于传统电极结构推进器，基于多阳极结构推进器的金属等离子体羽流在轴向电子密度更大，径向电子密度更小。基于多阳极结构推进器0°的电子密度为7.46×10¹⁶m^-3，约为基于传统电极结构推进器的2倍。基于多阳极结构推进器其它角度的电子密度下降更为明显，15°和30°的电子密度为1.80×10¹⁶m^-3和8.65×10¹⁵m^-3，约为0°时电子密度的24.13％和11.60％。相反，基于传统电极结构推进器15°和30°的电子密度为3.16×10¹⁶m^-3和2.65×10¹⁶m^-3，为0°时电子密度的83.60％和70.10％。两种推进器其它角度的电子密度仍然存在较大差异。

由于更大的放电电流，基于传统电极结构推进器生成的金属等离子体数量，大于基于多阳极结构推进器生成的金属等离子体数量。然而，没有径向束缚，基于传统电极结构推进器的金属等离子体羽流，由于内在压强而发生径向扩散，导致了其定向性较差。相反，尽管基于多阳极结构推进器生成的等离子体的数量相对较少，但其羽流受到径向束缚力的作用，束缚力生成的压强使带电粒子的密度和能量有所增大。因此，基于多阳极结构推进器在等离子体生成数量少的情况下，在轴向反而有着更大的电子密度。

实施例三

该实施例提供了一种基于多阳极结构的真空弧推进器，将阴极结构和远端阳极的距离(简称D)对多阳极电极结构的放电特性的影响进行对比，具体对比结果如下：

在相同电压下，当D分别为100mm，80mm，60mm，40mm时，根据D的值和极间电压下降为电弧电压的时间，计算得出等离子体的传播速度，分别为：6.38km/s,6.24km/s,6.22km/s，6.02km/s。

根据电场仿真，当D分别为100mm，80mm，60mm，40mm时，阴极结构距离A区域初始位置分别为：25.64mm，25.81mm，23.48mm，18mm。假设金属等离子体在传播过程中速度保持不变，T1的持续时间分别为：4.02μs，4.14μs，3.95μs，2.96μs。随着D的减小，多阳极结构在放电初期生成的等离子体传播至远端阳极所需的时间(T1和T2)随之减小。因而阴极结构和远端阳极可以在更短的时间内通过金属等离子体形成电路连通。电路连通后，阴极锥尖附近生成的带电粒子的密度迅速增大，得以生成真空金属弧。真空金属弧的阻抗由于较大的带电粒子密度迅速减小，因而电容能量可以通过真空金属弧形成的通路得到迅速释放。D减小时可以增大真空金属弧形成时释放的电容能量，从而增大放电过程中的电弧电流幅值。对阴极电流在其持续时间内进行积分，可以得到通过阴极的总电荷量，分别为：1.2×10^-3C，1.29×10^-3C，1.24×10^-3C，1.3×10^-3C。因此，可以得出，阴极电流的幅值随着D的减小而增大。

随着D的减小，金属等离子体羽流延长。可以推断，D的减小导致了阴极电弧电流的增大。而电弧电流的增大，一方面导致金属等离子体生成的增多，另一方面增强了金属等离子体的束缚力，使径向扩散的金属等离子体减小，从而在较大的轴向距离处，金属等离子体羽流可以保持一个较高的等离子体密度，因而，金属等离子体羽流随D的减小而延长。

金属等离子体的生成量随着D的减小而增大，与电弧电流的增大相符。不同参数下的金属等离子体羽流，有着相同的电子密度分布规律，并且随着D的减小呈增大的趋势。0°时的电子密度从D为100mm时的7.46×10¹⁶m^-3增大到D为40mm时的2.15×10¹⁷m^-3，增大了2.88倍。然而，金属等离子体径向扩散的等离子体密度占轴向等离子体密度的比值随D的减小而增大。15°和30°时的电子密度比值从D为100mm时的24.13％和11.60％增大到D为40mm时的44.64％和18.57％。可以推断，金属等离子体生成量的增多将会增大带电粒子的密度，导致金属等离子体内部压强的增大。如果保持同样的束缚效果，所需要的与这个压强平衡的束缚力也会增大。基于这方面的原因，金属等离子体在径向方向的扩散比例有所增大。尽管如此，轴向的电子密度随着D的减小而显著增大，所以基于多阳极结构推进器的推进效果会提升。

实施例四

该实施例提供了一种对基于多阳极结构的真空弧推进器的推进效果进行测试的实验，具体如下：

本实施例使用的微推力测量系统为Liu提出，这种推力测量系统通过PVDF压电薄膜传感器获得脉冲电推进器的推力。压电薄膜在推力测量中的应用已由Wong进行了校准，并且，Takahashi已经证明等离子体流对目标的推力与直接测量的推力有很高的吻合度。测量系统结构参数如图11所示。

推力T可由以下公式得出：

其中，T为微推力，h为PVDF薄膜的厚度，L为PVDF薄膜的长度，d₃₁为PVDF薄膜压电系数，K为电压放电倍数。

在推力测量中，传感器位于推进器轴向110mm处。基于多阳极结构的真空弧推进器的元冲量可以通过推力与时间的积分获得，推进器消耗的能量可以由极间电压和电流波型得到。元冲量和推力-功率比的计算公式如下：

I_bit＝∫Tdt (3)

其中，I_bit是元冲量，T/P是推力-功率比，P是放电功率，E是每个脉冲电极消耗的能量，t是脉冲维持时间。

同时，为分析多阳极结构推进器在不同功率下的推力变化，在放电过程中，改变了脉冲电源中电容C的能量，从而改变了电极的放电功率。多阳极结构的推进器的元冲量和推力-功率比关于电容C能量的变化如图17和图18所示。

从图17可知，相对于传统电极结构推进器，多阳极结构推进器的元冲量显著增大。在相同的放电条件下，多阳极结构推进器的元冲量随着D的减小而增大。而传统电极结构推进器的元冲量，从储能能量为4J时的0.07μNs增大至9.8J时的0.20μNs。与之对比，当D为40mm时，多阳极结构的推进器的元冲量在相同条件下，从1.36μNs增大至5.27μNs，最大元冲量增大了26倍。这说明本发明提出的多阳极电极结构可以有效地提升推进器的推进效果，同时随着放电功率的增大，推进效果的提升更加显著。另外，随着D的减小，多阳极结构推进器的羽流在轴向的密度明显增大，多阳极结构推进器的推进效果的变化与之相符。而更高的放电功率会生成更大的放电电流，从而生成更强的等离子体束缚效果，使轴向的等离子体密度进一步增大。因此，随着放电功率的提高，多阳极结构推进器的元冲量的提升效果相对于传统电极结构推进器更加显著。

传统电极结构推进器和多阳极结构推进器的推力-功率比也呈现出了很大不同，如图18所示。传统电极结构推进器的推力-功率比随着放电功率的增大稍微降低。然而，多阳极结构推进器的推力-功率比随着放电功率的增大呈现出了明显的上升趋势。同时当D减小时，推力-功率比的上升趋势更加显著。当D为100mm时，放电功率较低时，多阳极推进器的推力-功率比要小于传统推进器。而当D为40mm时，多阳极结构推进器的推力-功率比要明显大于传统电极结构推进器。当D为40mm，多阳极结构推进器的推力-功率比在电容能量为9.8J时增大至1.81，约为传统推进器的4.5倍。推力-功率比可以反映每消耗单位能量的推力效果。在传统电极结构推进器中，由于更大的电流会生成密度更高的等离子体，从而径向扩散的等离子体也会增大。随扩散的等离子体损失的能量同步增大，因此其推力-功率比随放电功率的提高而降低。在之前的研究中，Lun以总累积脉冲电荷量作为自变量得到了相同的结论。多阳极结构推进器中更大的电流会对等离子体生成更大的束缚力，因此等离子体扩散量的增多被抑制。D的减小也有助于降低金属等离子体在径向方向的扩散。结果，减小了损失的能量，提升了多阳极结构推进器的推进效果。因此，多阳极结构推进器的推进效果和推进效率明显优于传统电极结构推进器。

综上所述，本发明实施例通过提供了一种基于多阳极结构的真空弧推进器，基于同轴电极结构进行结构改进，包括：阴极结构、多阳极结构和绝缘部件，阴极结构通过接线柱与外电路的负高压端子相连接，多阳极结构通过导线接地；阴极结构为带锥状的圆柱型结构，置于绝缘部件的一端，用于生成金属等离子体，其中，锥状的尖端部分用于在放电过程中喷射金属等离子体；多阳极结构包括：第一阳极和第二阳极，第一阳极为喷嘴状结构，置于绝缘部件的另一端，第二阳极为环状结构，置于与阴极结构间隔预设距离的位置，第一阳极与第二阳极的轴线分别与阴极结构的圆锥体中心轴线重合，第一阳极在阴极结构附近形成一个强电场，引发场致发射，使金属等离子体击穿真空间隙，在阴极结构和第二阳极之间形成真空金属弧；绝缘部件为圆筒状结构，包覆于阴极结构的外部，并嵌置于第一阳极的内部，用于对阴极结构和第一阳极进行绝缘和机械固定。本发明提出的真空弧推进器，可实现长间隙真空击穿，引导电弧电流通过等离子羽流，将Z箍缩效果扩展到推进器喷口外的等离子体羽流，减少等离子体径向扩散，改善了推进器的推进性能，提升了推进效果和推进效率。

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 (9)

1.一种基于多阳极结构的真空弧推进器，其特征在于，该真空弧推进器为同轴电极结构，包括：阴极结构、多阳极结构和绝缘部件，所述阴极结构通过接线柱与外电路的负高压端子相连接，所述多阳极结构通过导线与外电路的地端相连接；

所述阴极结构为带锥状的圆柱型结构，置于所述绝缘部件的一端，用于生成金属等离子体，其中，锥状的尖端部分用于在放电过程中生成金属等离子体；

所述多阳极结构包括第一阳极和第二阳极，所述第一阳极置于所述绝缘部件的另一端，所述第二阳极为环状结构，置于与所述阴极结构间隔预设距离的位置，所述多阳极结构用于在所述阴极结构附近形成一个强电场，引发场致发射生成金属等离子体，同时使所述金属等离子体将长真空间隙击穿，形成真空金属弧；

所述绝缘部件为圆筒状结构，包覆于所述阴极结构的外部，并嵌置于所述第一阳极的内部，用于对所述阴极结构和所述第一阳极进行绝缘和机械固定。

2.根据权利要求1所述的基于多阳极结构的真空弧推进器，其特征在于，所述阴极结构的一端为锥状结构，锥状结构的锥角为：0°-120°，锥状结构的尖端部分为弧形或球形；

锥状结构的尖端部分与所述绝缘部件的另一端出口的间距为：0-10mm；

所述阴极结构的圆柱型直径为：1-10mm。

3.根据权利要求2所述的基于多阳极结构的真空弧推进器，其特征在于，所述绝缘部件的一端包覆所述阴极结构形成封闭结构，所述绝缘部件的另一端内嵌于所述第一阳极内部形成空心结构；

所述绝缘部件的内径与所述阴极结构的圆柱型直径相等；

所述绝缘部件的壁厚为：1-3mm。

4.根据权利要求3所述的基于多阳极结构的真空弧推进器，其特征在于，所述绝缘部件采用的材料包括但不限于：聚四氟乙烯、氧化铝陶瓷。

5.根据权利要求3所述的基于多阳极结构的真空弧推进器，其特征在于，所述第一阳极为喷嘴状结构，一端为筒状，另一端为喇叭状，所述绝缘部件内嵌于所述第一阳极筒状部分的内部；

所述第一阳极为绝缘阳极，进行完全的绝缘包裹处理；

所述第一阳极的筒状部分内径与所述绝缘部件的外径相等；

所述第一阳极的轴线与所述阴极结构的圆锥体中心轴线重合。

6.根据权利要求1所述的基于多阳极结构的真空弧推进器，其特征在于，所述第二阳极为环状，环状内径与所述阴极结构的圆柱型直径相同，环状外径为：15-20mm，其轴向长度小于其外径；

所述第二阳极为远端阳极，与所述阴极结构之间的距离为：10-100mm；

所述第二阳极的轴线与所述阴极结构的圆锥体中心轴线重合。

7.根据权利要求1所述的基于多阳极结构的真空弧推进器，其特征在于，所述多阳极结构，用于在所述阴极结构连通负高压时，在所述第一阳极与所述第二阳极之间形成一个电场矢量方向相反的A区域，所述A区域在金属等离子体到达所述第二阳极之前，维持极间电压，使金属等离子体的生成持续进行；

所述阴极结构产生的金属等离子体传播至所述A区域之前，所述A区域的位置保持不变，当金属等离子体传播至所述A区域并向所述第二阳极继续运动时，所述A区域伴随着金属等离子体前端向前移动，金属等离子体前端的一部分电子在所述A区域被电场抽离，并在电场的作用下到达所述第二阳极，当金属等离子体到达所述第二阳极时，在所述阴极结构和所述第二阳极之间形成真空金属弧。

8.根据权利要求7所述的基于多阳极结构的真空弧推进器，其特征在于，所述阴极结构和所述第二阳极之间形成的真空金属弧，对等离子体羽流的径向扩散进行束缚；

所述阴极结构和所述第二阳极之间的等离子体羽流，完全被电流层束缚，在等离子体羽流的内部，金属等离子体基本呈平衡态。

9.根据权利要求1所述的基于多阳极结构的真空弧推进器，其特征在于，所述真空弧推进器在真空条件下进行放电，真空条件的气压值设置为：10^-4Pa。