CN109737023A - 一种环形椎体结构阳极的自击穿型脉冲等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形椎体结构阳极的自击穿型脉冲等离子体推力器，阳极外表面设置环形椎体结构，使得该处与阴极筒之间，具有局部强电场，有助于在其周围气压环境合适时，实现自击穿放电，从而使得推力器能够稳定正常工作，也省去了点火器及点火电路等组件，极大减轻了系统重量和复杂程度；阳极、陶瓷、阴极组成了一个狭小腔室，有助于气体的聚集和均匀分布，形成自击穿放电所需要的气压环境，从而使得推力器能够实现自击穿。

Description

一种环形椎体结构阳极的自击穿型脉冲等离子体推力器

技术领域

本发明属于航天器推进技术领域，具体涉及一种环形椎体结构阳极的自击穿型脉冲等离子体推力器。

背景技术

脉冲等离子体推力器是一种由电容器储能，依靠火花塞诱导或者自持放电，在正负电极间产生高电流电弧放电，使得工质电离成为等离子体，在自感电磁力和气动力作用下喷出产生推力的脉冲等离子体装置。以功率小、高比冲、结构简单、质量轻，特别适合用于微纳卫星自旋消除、轨道定位、轨道机动、姿态控制、编队飞行等任务。

目前广泛应用的脉冲等离子体推力器典型的推进剂为聚四氟乙烯，该工质烧蚀后会产生碳和氟等物质，造成了空间飞行器的污染。为此，研制无污染、性能高以及具有广泛适用性的脉冲等离子体微推力器具有重要意义。

微脉冲等离子体常推力器常用的工质有聚四氟乙烯、气体(Argon，He，Ne等惰性气体)和液体(水，乙醇)；其中，聚四氟乙烯烧蚀后会产生碳和氟等物质，造成了空间飞行器的污染；液体存在液态工质的等离子体总电阻比较大，造成了推工比小；并且需要储箱和喷注器等液体供给系统，降低了系统的可靠性。气体工质推进剂虽也存在容器和流量控制阀，但该技术具有较高的技术成熟度。另外，气体还具有无污染性，推工比高，比冲大，可控性好等优点，是脉冲等离子体推力器未来发展的一个重要方向。典型的气体推力器组成为：气体容器、控制阀门、点火系统(含点火器以及控制部分)，一定程度上增加了系统的复杂程度，并且供气往往通过陶瓷实现气体供应。一定程度上增加了陶瓷的复杂性，降低了推力器的可靠性。此外，同轴平板型推力器自持击穿要求较小的放电间距，一定程度上也限制了推力器口径的增加和性能的进一步提升。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种环形椎体结构阳极的自击穿型脉冲等离子体推力器，能够实现自击穿放电，降低系统的复杂度，并提升可靠性。

一种脉冲等离子体推力器，从外到内依次包括阴极筒(1)、绝缘筒(2)以及阳极(3)，所述绝缘筒(2)环绕在阳极(3)的前半段；阳极(3)后半段的外表面上设置有环形锥体(31)；环形锥体(31)将阴极筒(1)、绝缘筒(2)以及阳极(3)围成的空腔分为气体增压腔I和推力加速腔II，其中，靠近前端的空腔为气体增压腔I，后端的为推力加速腔II；阳极(3)前半段沿轴向开有阳极进气孔(33)；阳极(3)后半段表面上沿径向开有联通阳极进气孔(33)和气体增压腔I的阳极出气孔(32)。

进一步的，还包括电容器(4)和电源(5)；电源(5)的两极之间并联电容器(4)后又分别接到阴极筒(1)与阳极(3)上。

进一步的，还包括气体容器(7)和控制阀门(6)；所述气体容器(7)中的工质气体通过控制阀门(6)输送到阳极进气孔(33)。

较佳的，所述阳极出气孔(32)均匀分布在阳极(3)表面。

较佳的，所述阳极进气孔(33)的数量为八个。

较佳的，所述绝缘筒(2)材料为陶瓷。

本发明具有如下有益效果：

1)、本发明的阳极的外表面设置环形椎体结构，使得该处与阴极筒之间，具有局部强电场，有助于在其周围气压环境合适时，实现自击穿放电，从而使得推力器能够稳定正常工作，也省去了点火器及点火电路等组件，极大减轻了系统重量和复杂程度；阳极、陶瓷、阴极组成了一个狭小腔室，有助于气体的聚集和均匀分布，形成自击穿放电所需要的气压环境，从而使得推力器能够实现自击穿；

采用阳极环形椎体结构，在无点火器和点火电路情况下，合理设置好椎体至阴极筒间距，仅通过控制阀门实现气体供应与否，即控制等离子体产生所需的气压环境，就可控制放电频率，进而实现系统总冲的精确控制；

采用自击穿同轴型推力器结构，规避了复杂了点火器和点火电路，有利于推力器集成阵列化，提高了推力器适用性。

2)、阳极设置的1个大尺寸进气孔和多个小尺寸的出气孔构型结构，延长了气体传播路径，增大了流体阻力，利于气体压强增加，有利于自击穿等离子体形成，提高推力器稳定性和可靠性。

3)、便于有限空间的阵列化集成，从而提高推力器的总冲，可广泛应用于对微推进系统要求苛刻的微纳卫星诸如姿、轨控以及编队飞行等。

附图说明

图1为本发明的等离子体推力器结构示意图；

图2为本发明中阳极的立体两角度示意图。

其中，1-阴极筒、2-绝缘筒、3-阳极、31-环形锥体、32-阳极出气孔、33-阳极进气孔；4-电容器、5-电源、6-控制阀门、7-气体容器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1和图2所示，本发明的一种环形椎体结构阳极的自击穿型脉冲等离子体推力器，从外到内依次包括阴极筒1、绝缘陶瓷筒2以及阳极3；

所述绝缘陶瓷筒2环绕在阳极3的前半段；阳极3后半段的外表面上设置有环形锥体31；环形锥体31将阴极筒1、绝缘陶瓷筒2以及阳极3围成的空腔分为气体增压腔I和推力加速腔II，其中，靠近前端的空腔为气体增压腔I，后端的为推力加速腔II；阳极3前半段沿轴向开有阳极进气孔33；阳极3后半段表面上沿径向开有联通阳极进气孔33和气体增压腔I的阳极出气孔32。

另外，还包括电容器4、气体容器7、控制阀门6和电源5。电源5的两极之间连接电容器4，为阴极筒1与阳极3供电。气体容器7中的工质气体通过控制阀门6输送到阳极进气孔33。

本发明的推力器的工作过程如下：

电源5首先给电容器4充电到2000V左右，实现能量的压缩，以能够同时提供千伏量级的击穿高压和几千安培量级的放电电流，规避了航天大功率电源研制的工程难题；电容器4两端分别连接阳极3和阴极筒1，根据帕邢定律，气体击穿电压仅是pd(p：气体气压，d：放电极板间距)乘积的函数，在10^-2Pa以下的真空环境中，1mm以上的放电间距，击穿电压达到上万伏，为此，1mm以上的推力器阴极板和阳极板间不能够自行击穿。为实现2000V以下合适电压下的自击穿，本发明对推力器结构进行了两方面的改进：一是在放电间距确定的情况下(通过矩阵优化试验，实现间距的合理设置)，增加气体压强；另一方面是在pd值确定情况下，改造阳极3的电极形成尖端(即环形锥体的尖锐端部)，这样曲率越小，面电荷密度越高，其附近场强越强，更易实现气体击穿放电。

基于此，气体容器7储存的气体通过控制阀门6提供给阳极3，阳极3设置的1个大尺寸阳极进气孔33和8个对称分布的小尺寸阳极出气孔32构型的迷宫式结构，延长了气体传播路径，增大了流体阻力，使得气体在气体增压腔I分布均匀，并且在环形椎体31结构阻挡作用下，气体增压腔I内气体更易实现气体压强的增加，进而实现合适的气体压强(低气压环境)，形成较低击穿电压的条件；进一步，阳极环形椎体31结构是类似于无数个尖端排列，避免了单尖结构易腐蚀寿命低的缺点，提高了使用寿命；并且这种结构具有非常对称均匀的局部强电场，相比无尖端的平行板结构，可以进一步降低击穿电压，这样为初始充电电压一定情况下，放电间距提升进而推力器放电口径提高提供了可能。此外，降低击穿电压，消弱了高电压放电下的不稳定性，提高了推力器整体的放电稳定性。相比无气压增压腔和阳极环形椎体结构的同轴平板型推力器，本发明的等离子体推力器，可以将推力器的推力加速腔口径做的更大，相应可以提供更大体积的放电等离子体，进而提高推力器的元冲量、推力等性能指标，增强推力器的普遍适用性。

基于以上设计，当气体增压腔I内的工质气体环境气压增加达到一定值时(几pa至几千pa量级)，在环形椎体31结构和阴极筒1之间强电场作用下，实现了无点火器的气体自击穿放电，电离工质成为等离子体，在瞬态大电流形成的自感磁场和气动热力推动下，在推力加速腔II内实现等离子体的加速，最终从喷口处喷出而产生推力。

阴极筒1和阳极3材料均采用低阻抗、较低的腐蚀率、良好的机械特性、热特性的无氧铜；阳极进气孔33的数量为八个，均匀分布在阳极3表面。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种脉冲等离子体推力器，从外到内依次包括阴极筒(1)、绝缘筒(2)以及阳极(3)，其特征在于，所述绝缘筒(2)环绕在阳极(3)的前半段；阳极(3)后半段的外表面上设置有环形锥体(31)；环形锥体(31)将阴极筒(1)、绝缘筒(2)以及阳极(3)围成的空腔分为气体增压腔I和推力加速腔II，其中，靠近前端的空腔为气体增压腔I，后端的为推力加速腔II；阳极(3)前半段沿轴向开有阳极进气孔(33)；阳极(3)后半段表面上沿径向开有联通阳极进气孔(33)和气体增压腔I的阳极出气孔(32)。

2.如权利要求1所述的一种脉冲等离子体推力器，其特征在于，还包括电容器(4)和电源(5)；电源(5)的两极之间并联电容器(4)后又分别接到阴极筒(1)与阳极(3)上。

3.如权利要求1所述的一种脉冲等离子体推力器，其特征在于，还包括气体容器(7)和控制阀门(6)；所述气体容器(7)中的工质气体通过控制阀门(6)输送到阳极进气孔(33)。

4.如权利要求1所述的一种脉冲等离子体推力器，其特征在于，所述阳极出气孔(32)均匀分布在阳极(3)表面。

5.如权利要求4所述的一种脉冲等离子体推力器，其特征在于，所述阳极进气孔(33)的数量为八个。

6.如权利要求1所述的一种脉冲等离子体推力器，其特征在于，所述绝缘筒(2)材料为陶瓷。