CN110012584B - 带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器，包括：阴极、绝缘套筒、第一阳极和第二阳极；绝缘套筒套在阴极的外表面，绝缘套筒为中空结构，所述绝缘套筒的内部与所述阴极的外表面部分接触；第一阳极和第二阳极间隔的套在绝缘套筒的外表面，绝缘套筒的外表面与所述第一阳极和第二阳极的内表面相接触，第一阳极靠近阴极，第二阳极远离阴极，第一阳极和第二阳极的外表面分别包裹有绝缘层，第二阳极的绝缘层上平行于绝缘套筒方向处设置有微孔，微孔位于远离阴极的一侧。本发明的脉冲真空弧等离子体推进器，在不影响推进器放电的前提下，显著地提高了等离子体的生成量及传播速度，提高了脉冲等离子体推进器的效率。

Description

带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器

技术领域

本发明涉及微小卫星推进器技术领域，尤其涉及一种带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器。

背景技术

脉冲真空弧等离子体推进器是一种电磁型推进器，具有结构简单、体积小、质量轻等特点。与传统的化学推进系统相比，它需要的功率输入低，能够产生高比冲、精确控制的推力，因而非常适合用于微小卫星推进系统，执行微、纳卫星的位置保持、轨道转移及姿态调整等空间任务。

目前为止，脉冲真空弧等离子体推进器最大的缺点就是推进器的效率较低，而该效率低的主要原因是由于生成的等离子体源的密度和传播速度较低。基于前期研究，文献“田甲，刘文正，高永杰，赵潞翔.Discharge and metallic plasma generationcharacteristics of an insulated anode with a micropore[J].Physics of Plasmas,26,023511(2019).”中提出了一种带有微孔绝缘阳极电极结构的放电电极结构，在不影响等离子体生成的前提下，使放电生成的更多的等离子体沿绝缘套筒喷射出去，提高了等离子体源的密度和传播速度。但是，与传统的非分段裸阳极电极结构相比，等离子体的生成量并没有显著增大。因此，需要设计一种可以明显提高等离子体生成量及传播速度的等离子体推进器，以进一步提高脉冲真空弧等离子体推进器的效率。

发明内容

本发明提供了一种带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器，以提高等离子体生成量及传播速度。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明提供了一种带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器，包括：阴极、绝缘套筒、第一阳极和第二阳极；

所述的绝缘套筒套在所述阴极的外表面，所述绝缘套筒为中空结构，所述绝缘套筒的内部与所述阴极的外表面部分接触；

所述第一阳极和第二阳极间隔的套在所述绝缘套筒的外表面，所述绝缘套筒的外表面与所述第一阳极和第二阳极的内表面相接触，所述第一阳极靠近所述阴极，所述第二阳极远离所述阴极，所述第一阳极和第二阳极的外表面分别包裹有绝缘层，所述第二阳极的绝缘层上平行于所述绝缘套筒方向处设置有微孔，所述微孔位于远离所述阴极的一侧。

优选地，阴极套于所述绝缘套筒内部的一端设置有放电端，所述放电端为凸起状结构。

优选地，阴极上未与所述绝缘套筒接触的一端电路连接外电路负高压端子，所述第一阳极和第二阳极通过带有绝缘层的金属导线接地。

优选地，阴极为导磁金属材料。

优选地，第一阳极和第二阳极为金属材料。

优选地，阴极的放电端边缘切线位于所述第一阳极两个边线之间。

优选地，阴极放电端边缘的几何中心与所述第一阳极的几何中心重合。

优选地，阴极为圆柱体或柱状体。

优选地，第二阳极的带有微孔的一端与所述绝缘套筒末端齐平。

优选地，绝缘套筒为陶瓷材料，所述的绝缘层为特氟龙材料。

由上述本发明的带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器提供的技术方案可以看出，本发明通过在脉冲真空弧等离子体推进器中绝缘阳极设置带有分段微孔结构，在不影响推进器放电的前提下，提高了等离子体的生成量及传播速度，显著地提高了脉冲等离子体推进器的效率。

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为本发明实施例的带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器结构图；

图2为本发明实施例的带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器的放电电路图；

图3为本发明实施例的带有非分段裸阳极的脉冲真空弧等离子推进器结构图；

图4为本发明实施例的测得的带有非分段裸阳极和带有分段微孔绝缘阳极生成的等离子体密度分布情况图；

图5为本发明实施例的测得的带有非分段裸阳极和带有分段微孔绝缘阳极生成的等离子体传播速度图；

附图标记说明：

1-阴极 2-绝缘套筒 3-第一阳极 4-第二阳极

5-第一阳极绝缘层 6-第二阳极绝缘层 7-微孔 8-放电端

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。

实施例

图1为本发明实施例的带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器结构图，参照图1，该脉冲真空弧等离子体推进器包括：阴极1、绝缘套筒2、第一阳极3和第二阳极4；绝缘套筒套在阴极1的外表面，绝缘套筒为中空的圆筒状结构，绝缘套筒的内部与阴极的外表面部分接触；第一阳极3和第二阳极4间隔的套在绝缘套筒2的外表面，第二阳极2的带有微孔的一端与所述绝缘套筒末端齐平。绝缘套筒2的外表面与第一阳极3和第二阳极4的内表面相接触，第一阳极3靠近阴极1，第二阳极4远离阴极1，第一阳极3和第二阳极4的外表面分别包裹有绝缘层(5和6)，第二阳极4的绝缘层6上平行于绝缘套筒2方向处设置有微孔7，微孔7位于远离阴极1的一侧，该微孔为圆形孔。

需要说明的是，在实际应用中，上述第二阳极也可以设置在第一阳极远离阴极方向的其它位置。本发明实施例并不局限上述第二阳极的具体放置位置，上述第二阳极在脉冲等离子体推进器中的任何放置位置满足远离阴极方向的其它位置都在本发明实施例的保护范围中。

阴极1为圆柱状，阴极1套于绝缘套筒2内部的一端设置有放电端8，放电端8为圆台形，用于束缚生成的等离子体的绝缘筒2和包裹第一阳极3的绝缘层5和包裹第二阳极4的带有微孔7的阳极绝缘层6。阴极放电端8的上表面半径和下表面半径之比为1:1-1:10，本实施例中具体为上表面半径和下表面半径之比为＝1:2。

放电端8的形状还可以为楔形、弧形、多面体等有突起的形状。放电端8的具体形状并不受上述形状的限制，其形状由本领域技术人员可根据实际情况具体设置。

阴极1的放电端8边缘切线位于第一阳极3的两个边线之间。阴极1的放电端8边缘的几何中心与第一阳极3的几何中心重合。

阴极1上未与绝缘套筒2接触的一端电路连接外电路负高压端子，第一阳极3和第二阳极4通过带有绝缘层的金属导线接地。

阴极1由铅材料制成，第一阳极3和第二阳极4都由铜材料制成，绝缘套筒2由陶瓷材料制成，第一阳极绝缘层5和第二阳极绝缘层6由特氟龙材料制成。

为便于理解，下面给出一组放电电极的详细尺寸。阴极1采用铅金属，阴极1的圆柱状部分的长度为20mm，直径为4mm，圆台形放电端的长度为4mm，放电端顶端的直径为2mm，圆柱端直径为4mm。第一阳极3的宽度为4mm，第一阳极3的外直径为5mm,第二阳极4的宽度为4mm，第二阳极4的外直径为5mm，第一阳极和第二阳极的材料都为金属铜。阳极绝缘层的材料为特氟龙，阳极绝缘层厚度为2mm。第一阳极和第二阳极的间距为6mm。微孔7位于第二阳极绝缘层轴向侧面，微孔7的横截面为圆型，半径为0.2mm。阴极放电端上表面的几何中心与第一阳极的几何中心重合。

阴极1与外部放电电路的负高压端子相连接。放电电源采用脉冲放电形式，其具体放电电路如图2所示。220V交流电源，经过变压器升压，倍压整流电路变换后给电容C₂充电。当给三点间隙施加点火脉冲时，三点间隙导通，经C₂、27Ω电阻、240μH电感和真空间隙构成回路，真空间隙击穿产生放电现象。阴极通过接线柱接电源高压端，阳极通过导线接地。

在放电实验过程中，对带有两种不同阳极的推进器结构进行了放电实验研究，两种推进器的结构分别是如图3所示的非分段裸阳极电极结构及如图1所示的分段微孔绝缘阳极电极结构。对于非分段裸阳极电极结构，阴极1采用铅金属，阴极1的圆柱状部分的长度为20mm，阴极直径为4mm，圆台形放电端的长度为4mm，放电端顶端的直径为2mm，圆柱端直径为4mm。阳极3的长度为14mm，外直径为5mm，材料为金属铜。相比较而言，对于分段微孔绝缘阳极电极结构为上述本实施例的带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器。

采用带有不同阳极结构的脉冲真空弧等离子体推进器放电，实验测得的等离子体生成效果对比如下表1所示，图4为采用非分段裸阳极电极和分段微孔绝缘阳极电极放电生成的等离子体的密度分布图；图5为采用非分段裸阳极电极和分段微孔绝缘阳极电极放电生成的等离子体的传播速度分布图。

表1不同阳极结构下的等离子体测量结果

由表1中的参数可知，在相等的施加电压条件下，非分段裸阳极电极结构放电时的阴极电流幅值为178A，阳极电流幅值为123A。阳极电流幅值占阴极电流幅值的69％。分段微孔绝缘阳极电极结构放电时的阴极电流幅值为205A，阳极电流幅值为48，阳极电流只占阴极电流的23％。推测可知，采用带有分段微孔绝缘阳极的电极放电能够提高生成的等离子体量，并且使更多的带电粒子沿绝缘套筒喷射出去形成推力源。由图4和图5可知，相比于非分段裸阳极电极结构，采用分段微孔绝缘阳极电极结构生成的等离子体源的性能明显提高。生成等离子体源的密度、传播速度、射流长度分别提高为原来的29.1倍、4.43倍、6.8倍。说明利用分段微孔绝缘阳极电极结构可以获得更高密度、更高能量的等离子体源。因此，采用分段微孔绝缘阳极结构能够提高等离子体推力源的性能。

综上所述，本发明的带有分段微孔绝缘阳极的设计在不影响推进器放电的前提下，明显提高了等离子体推力源的性能，提高了脉冲等离子体推进器的效率。

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)

1.一种带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器，其特征在于，包括：阴极、绝缘套筒、第一阳极和第二阳极；

所述的绝缘套筒套在所述阴极的外表面，所述绝缘套筒为中空结构，所述绝缘套筒的内部与所述阴极的外表面部分接触；

所述第一阳极和第二阳极间隔的套在所述绝缘套筒的外表面，所述绝缘套筒的外表面与所述第一阳极和第二阳极的内表面相接触，所述第一阳极靠近所述阴极，所述第二阳极远离所述阴极，所述第一阳极和第二阳极的外表面分别包裹有绝缘层，所述第二阳极的绝缘层上平行于所述绝缘套筒方向处设置有微孔，所述微孔位于远离所述阴极的一侧。

2.根据权利要求1所述的带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器，其特征在于，所述的阴极套于所述绝缘套筒内部的一端设置有放电端，所述放电端为凸起状结构。

3.根据权利要求1所述的带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器，其特征在于，所述的阴极上未与所述绝缘套筒接触的一端电路连接外电路负高压端子，所述第一阳极和第二阳极通过带有绝缘层的金属导线接地。

4.根据权利要求1所述的带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器，其特征在于，所述的阴极为导磁金属材料。

5.根据权利要求1所述的带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器，其特征在于，所述的第一阳极和第二阳极为金属材料。

6.根据权利要求2所述的带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器，其特征在于，所述阴极的放电端边缘切线位于所述第一阳极两个边线之间。

7.根据权利要求1所述的带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器，其特征在于，所述的阴极为圆柱体或柱状体。

8.根据权利要求1所述的带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器，其特征在于，所述的第二阳极的带有微孔的一端与所述绝缘套筒末端齐平。

9.根据权利要求1所述的带有分段微孔绝缘阳极的脉冲真空弧等离子体推进器，其特征在于，所述的绝缘套筒为陶瓷材料，所述的绝缘层为特氟龙材料。

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