CN110131120A - 固体烧蚀型磁等离子体推力器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固体烧蚀型磁等离子体推力器,包括阴极体、阳极体、固体推进剂、电源与火花塞，所述阴极体、阳极体均与电源电性相连，所述阴极体与阳极体之间围成烧蚀腔与放电腔；所述固体推进剂位于烧蚀腔内且两端分别与位于烧蚀腔两端的阴极体、阳极体相连，所述固体推进剂内设有从烧蚀腔对应阳极体的一端到烧蚀腔对应阴极体的一端贯穿固体推进剂的贯穿孔，所述贯穿孔通过连接通道与放电腔连通；所述火花塞设在连接通道内且与电源电性相连，所述放电腔内设有加速磁场。使等离子体经历了两次加速过程，推进性能进一步得到了有效提高。本发明应用于航天技术与等离子体领域。

Description

固体烧蚀型磁等离子体推力器
技术领域
本发明涉及航天技术与等离子体领域，尤其涉及一种固体烧蚀型磁等离子体推力器。
背景技术
磁等离子体推力器作为一种高功率空间电推进装置，主要利用电磁力以及气动力来加速等离子体以产生推力。与其他电推进装置相比，磁等离子体推力器具有高排气速度、大推力、高效率和较轻重量，在大型航天器轨道提升、行星际飞行和深空探测等领域更具有优势。
然而，磁等离子体推力器一般选用氢气与锂蒸气作为推进剂，但是氢气和锂蒸气易于空气发生化学反应，具有一定的危险性。同时气体推进剂的使用，磁等离子体推力器需要配置存储气体推进剂的装置和复杂的供气系统为推力器放电提供气态推进剂，受供气系统管路和阀门的限制，常规磁等离子体推力器响应慢，且容易造成推进剂浪费。同时限于繁琐的供气系统，当前的磁等离子体推力器组成阵列群组进行工作时，极其笨重。固体推进剂具有容易集成、便于携带且结构简单等优点，目前空间任务中电推力器对固体推进剂逐渐青睐起来。
发明内容
针对现有技术中磁等离子体推力器供气系统复杂、推力响应速度慢、阴极烧蚀严重且不易小型化和集成化等问题，本发明的目的是提供一种固体烧蚀型磁等离子体推力器。
其采用的技术方案是：
固体烧蚀型磁等离子体推力器，其特征在于，包括阴极体、阳极体、固体推进剂、电源与火花塞，所述阴极体、阳极体均与电源电性相连，所述阴极体与阳极体之间围成烧蚀腔与放电腔；
所述固体推进剂位于烧蚀腔内且两端分别与位于烧蚀腔两端的阴极体、阳极体相连，所述固体推进剂内设有从烧蚀腔对应阳极体的一端到烧蚀腔对应阴极体的一端贯穿固体推进剂的贯穿孔，所述贯穿孔通过连接通道与放电腔连通；
所述火花塞设在连接通道内且与电源电性相连，所述放电腔内设有加速磁场。
进一步优选的，所述阴极体包括一体成型的第一阴极与第二阴极，所述阳极体包括第一阳极与第二阳极，所述第一阴极、第二阴极、第一阳极与第二阳极均与电源电性相连；
所述第一阴极与第一阳极相对设立且之间围成烧蚀腔，所述固体推进剂位于烧蚀腔内且两端分别抵接第一阴极与第一阳极，所述固体推进剂上设有从第一阳极到第一阴极贯穿固体推进剂的贯穿孔，所述第一阴极上设有第一通孔；
所述第二阴极与第二阳极之间围成放电腔，所述第二阴极上设有第二通孔，所述第一通孔与第二通孔连通组成连接通道。
进一步优选的，所述第二阴极与第二阳极均为空心柱状结构，所述第二阴极体位于第二阳极的空腔内，所述第二阴极外壁与第二阳极内壁之间围成环形腔，所述放电腔由环形腔以及第二阳极中剩余的空腔组成，所述第二阳极体的外壁上环绕有磁线圈，所述加速磁场由磁线圈生产。
进一步优选的，所述第一阴极为板状结构，所述第一阴极的正面朝向第一阳极，所述第一阴极的反面朝向第二阳极，所述第二阴极位于第一阴极反面的中心位置，所述第二阳极的端部抵接在第一阴极的反面上。
进一步优选的，所述第二阴极的轴线与第二阳极的轴线重合，所述第二阴极的长度为第二阳极长度的1/3～1/2。
进一步优选的，所述第一阴极的反面上设有绝缘层。
进一步优选的，所述电源包括：
点火电路，与火花塞电性相连；
放电电路，与第一阳极、第二阳极、阴极体电性相连。
进一步优选的，所述点火电路包括：
第一充电电源，用于为第一电容充电；
第一电容，包括第一端子与第二端子，第一电容的第一端子与第一充电电源的阳极耦合，第一电容的第二端子与第一充电电源的阴极耦合并接地；
第一可控硅整流器，包括第一端子与第二端子，第一可控硅整流器的第一端子与第一电容的第一端子、第一充电电源的阳极耦合，第一可控硅整流器的第二端子与火花塞耦合。
进一步优选的，所述放电电路包括第二充电电源、第二可控硅整流器、二极管、保护电阻、继电器、n个第二电容C1～Cn与n个电感L1～Ln，其中，n为大于1的自然数；
所述第二可控硅整流器、保护电阻、继电器以及每个第二电容均包括第一端子与第二端子；
第一个第二电容C1的第一端子与第二充电电源的阳极耦合，第i个第二电容Ci的第一端子与第i+1个第二电容Ci+1的第一端子通过第i个电感Li耦合，每一个第二电容C1～Cn的第二端子均与第二充电电源的阴极耦合，其中，1≤i<n；
第n个第二电容Cn的第一端子还通过第n个电感Ln与二极管的输入端耦合，二极管的输出端通过匹配电阻与第一阳极、第二阳极耦合；
所述第二可控硅整流器的第一端子分别与第二充电电源的阴极、每一个第二电容C1～Cn的第二端子耦合，所述第二可控硅整流器的第二端子与阴极体耦合；
第一个第二电容C1的第一端子还与保护电阻的第一端子耦合，所述保护电阻的第二端子与继电器的第一端子耦合，第二个第二电容C2的第二端子与继电器的第二端子耦合并接地。
本发明的有益技术效果：
本发明通过第一阴极与第一阳极围成烧蚀腔进而烧蚀固体推进剂产生等离子体，等离子体在烧蚀腔的电热加速下进入由第二阴极与第二阳极围成的放电腔，再次在电场和加速磁场耦合作用下进一步电离和电磁加速喷出，从而产生推力，其中以固体材料作为推进剂，省去了复杂的推进剂供给装置，减小了推力器整体重量和成本，具有更易集成化与小型化的特点，且相比传统磁等离子体推力器，本发明中等离子体经历了两次加速过程，推进性能进一步得到了有效提高。
附图说明
图1是本实施例中推力器的剖视图；
图2是本实施例中点火电路的电路示意图；
图3是本实施例中放电电路的电路示意图。
具体实施方式
为了使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下结合具体实施例，并根据附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，未描述的内容以及部分英文简写为所属技术领域中普通技术人员所熟知的内容。本实施例中给定的一些特定参数仅作为示范，在不同的实施方式中该值可以相应地改变为合适的值。
如图1-3所示的固体烧蚀型磁等离子体推力器，包括阴极体1、阳极体2、固体推进剂3、电源与火花塞5等部件，这些部件有效实现了固体推进剂3的烧蚀，电离产生等离子体，和等离子体加速喷出等过程，从而稳定产生推力，其具体连接结构结构为：
阴极体1包括一体成型的第一阴极11与第二阴极12，阳极体2包括第一阳极21与第二阳极22，第一阴极11、第二阴极12、阳极体2均与电源电性相连；其中，第一阳极21与第一阴极11均为板状或柱状结构，第二阴极12与第二阳极22均为空心柱状结构，第一阴极11的正面朝向第一阳极21，第一阴极11的反面朝向第二阳极22，第二阴极12位于第一阴极11反面的中心位置，第二阳极22的端部抵接在第一阴极11的反面上，其中，第一阴极11的正面即图1中第一阴极11左侧的一面，第一阴极11的反面即图1中第一阴极11右侧的一面。
第一阴极11与第一阳极21如图1中所示相对设立以使得第一阴极11与第一阳极21之间围成烧蚀腔，固体推进剂3位于烧蚀腔内，固体推进剂3的一端抵接在第一阴极11上，另一端抵接在第一阳极21上，安装过程中可以直接将第一阴极11安装在固体推进剂3的一端，将第一阳极21安装在固体推进剂3的另一端。
固体推进剂3上设有沿第一阳极21到第一阴极11的方向贯穿固体推进剂3的贯穿孔31，贯穿孔31的数量至少为一个，且有一个贯穿孔31位于固体推进剂3的中心位置，图1中所示的即为只有一个贯穿孔31时的固体推进剂3；贯穿孔31的存在使得固体推进剂3需要满足毛细管型结构，可以采用特氟龙、聚甲醛和树脂等固体聚合物制成，随着固体推进剂3在烧蚀腔内被烧蚀产生等离子体，推进剂的表面即会发生沿面闪络的放电效果，进而实现对等离子体的第一次电热加速，第一阴极11上设有第一通孔111；
第二阴极12与第二阳极22之间围成放电腔7，具体的：第二阴极12为空心柱状结构，第二阳极22为空心扩张环结构，第二阴极12位于第二阳极22的空腔内，使得第二阴极12外壁与第二阳极22内壁之间围成环形腔，环形腔以及阳极体2中剩余的空腔组成共同组成放电腔7，其中，阳极体2中剩余的空腔指的是阳极体2的空腔中除去环形腔与第二阴极12占据的部分后所剩余的部分。
优选的，第二阴极12的轴与第二阳极22的轴相互平行；进一步的，第二阴极12的轴与第二阳极22的轴重合，其中具体的：第二阴极12的长度为第二阳极22的长度的1/3～1/2，本实施例中第二阴极12的长度为第二阳极22的长度的1/3；优选的，第二阴极12的一端与第二阳极22的一端位于同一横截面上，第二阴极12的另一端位于第二阳极22的空腔内。第二阴极12上设有第二通孔121，本实施例中第二通过即第二阴极12上的空腔，火花塞5设在第二通孔121内且与电源电性相连，起到点火作用。
同时第二阳极22的外壁上环绕有磁线圈6，磁线圈6通电后即在放电腔7内产生沿第二阳极22轴向的加速磁场；位于固体推进剂3中心的贯穿孔31、第一通孔111、第二通孔121与放电腔7依次连通，使得在贯穿孔31内经过第一次电热加速后的等离子体能够直接进入放电腔7，并在放电腔7中的电场与加速磁场作用下进一步电离和电磁加速喷出，从而产生推力；
优选的，第一阴极11的反面上设有绝缘层112，以促使第二阳极22只和第二阴极12构成放电回路，产生的放电电弧更强更大，对等离子体的电磁加速效应更好。
优选的，第一阳极21与第二阳极22相连，以保持第一阳极21与第二阳极22的电势相同。
电源主要包括主要包括点火电路41和放电电路42。点火电路41与火花塞5电性相连以用于对第二通孔121内进行点火操作；放电电路42，与第一阳极21、第二阳极22、阴极体1电性相连以用于向烧蚀腔与放电腔7提供电能。
参考图2，其中点火电路41包括：第一充电电源411、第一电容412和第一可控硅整流器413。点火电路41的第一充电电源411为低功率高压充电电源，第一电容412为低容量电容，第一充电电源411用于为低容量高电压的电容充电；第一可控硅整流器413用于控制点火电路41与火花塞5之间的导通，同时防止反向电流流入点火电路41。其中，第一电容412与第一可控硅整流器413上均设有第一端子与第二端子。点火电路用来输出脉冲高压使得火花塞5发生沿面放电产生初始带电粒子，带电粒子沿着第二通孔121、第一通孔111进入固体推进剂3中，不停的碰撞电离产生等离子体，造成对固体推进剂3的烧蚀。
点火电路41的具体结构为：第一电容412的第一端子与第一充电电源411的阳极耦合，第一电容412的第二端子与第一充电电源411的阴极耦合并接地；第一可控硅整流器413的第一端子与第一电容412的第一端子、第一充电电源411的阳极耦合，第一可控硅整流器413的第二端子与火花塞5耦合。
参考图3，放电电路42包括：第二充电电源421、n个第二电容C1～Cn、n个电感L1～Ln、二极管422、第二可控硅整流器423、保护电阻424和一继电器25，其中，n为大于1的自然数。放电电路42的第二充电电源421为高功率大电流充电电源，第二电容为大容量电容，第二充电电源421用于为大容量电容充电；第二电容与电感的匹配组合为推力器提供所需的放电波形；二极管422用于阻止点火电路41的高压充电电源向放电电路42的电容充电；第二可控硅整流器423用于控制放电电路42与推力器之间的导通，同时防止反向电流流入放电电路42；保护电阻424用于在推力器放电失效情况下，将放电电路42存储的电能通过保护电阻424释放；继电器25用于控制保护电阻424与放电电路42的联通与断开。图2中的匹配电阻43用于对放电电路阻抗和推力器放电阻抗之间进行负载匹配，以提高推力器能量利用效率。其中，第二可控硅整流器423、保护电阻424、继电器25以及每个第二电容均设有第一端子与第二端子。放电电路用来烧蚀推进剂并加速等离子体，将主电容能量转换为等离子体动能，从而形成等离子体喷射，产生推力。
放电电路42的具体结构为：第一个第二电容C1的第一端子与第二充电电源421的阳极耦合，第i个第二电容Ci的第一端子与第i+1个第二电容Ci+1的第一端子通过第i个电感Li耦合，每一个第二电容C1～Cn的第二端子均与第二充电电源421的阴极耦合，其中，1≤i<n；第n个第二电容Cn的第一端子还通过第n个电感Ln与二极管422的输入端耦合，二极管422的输出端通过匹配电阻43与包括第一阳极21、第二阳极22在内的阳极体2耦合；第二可控硅整流器423的第一端子分别与第二充电电源421的阴极、每一个第二电容C1～Cn的第二端子耦合，第二可控硅整流器423的第二端子与阴极体1耦合；第一个第二电容C1的第一端子还与保护电阻424的第一端子耦合，保护电阻424的第二端子与继电器25的第一端子耦合，第二个第二电容C2的第二端子与继电器25的第二端子耦合并接地。
本实施例的工作过程为：点火电路输出脉冲高压使火花塞5发生沿面放电产生初始带电粒子；初始带电离子沿第二通孔121、第一通孔111、贯穿孔31进入固体推进剂3中，通过不断的碰撞电离产生等离子体；固体推进剂3为毛细管管型，随着等离子体的产生，推进剂表面发生沿面闪络形成放电电路中电容的放电；电容放电进一步烧蚀推进剂产生等离子体并加速等离子体，进而使等离子体沿第一通孔111、第二通孔121的方向从第二阴极12喷出；第二阴极12和第二阳极22在放电电路下，触发大电流放电电弧，进而形成感生磁场；从第二阴极12喷出的等离子体在放电电弧作用下进一步电离并且在感生磁场下加速喷出，产生推力；磁线圈6生成轴向附加加速磁场，作用于加速通道内的等离子体，提高等离子体喷射效率，提高推力。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (9)

1.固体烧蚀型磁等离子体推力器，其特征在于，包括阴极体、阳极体、固体推进剂、电源与火花塞，所述阴极体、阳极体均与电源电性相连，所述阴极体与阳极体之间围成烧蚀腔与放电腔；
所述固体推进剂位于烧蚀腔内且两端分别与位于烧蚀腔两端的阴极体、阳极体相连，所述固体推进剂内设有从烧蚀腔对应阳极体的一端到烧蚀腔对应阴极体的一端贯穿固体推进剂的贯穿孔，所述贯穿孔通过连接通道与放电腔连通；
所述火花塞设在连接通道内且与电源电性相连，所述放电腔内设有加速磁场。
2.根据权利要求1所述固体烧蚀型磁等离子体推力器,其特征在于，所述阴极体包括一体成型的第一阴极与第二阴极，所述阳极体包括第一阳极与第二阳极，所述第一阴极、第二阴极、第一阳极与第二阳极均与电源电性相连；
所述第一阴极与第一阳极相对设立且之间围成烧蚀腔，所述固体推进剂位于烧蚀腔内且两端分别抵接第一阴极与第一阳极，所述固体推进剂上设有从第一阳极到第一阴极贯穿固体推进剂的贯穿孔，所述第一阴极上设有第一通孔；
所述第二阴极与第二阳极之间围成放电腔，所述第二阴极上设有第二通孔，所述第一通孔与第二通孔连通组成连接通道。
3.根据权利要求2所述固体烧蚀型磁等离子体推力器,其特征在于，所述第二阴极与第二阳极均为空心柱状结构，所述第二阴极体位于第二阳极的空腔内，所述第二阴极外壁与第二阳极内壁之间围成环形腔，所述放电腔由环形腔以及第二阳极中剩余的空腔组成，所述第二阳极的外壁上环绕有磁线圈，所述加速磁场由磁线圈生产。
4.根据权利要求3所述固体烧蚀型磁等离子体推力器,其特征在于，所述第一阴极为板状结构，所述第一阴极的正面朝向第一阳极，所述第一阴极的反面朝向第二阳极，所述第二阴极位于第一阴极反面的中心位置，所述第二阳极的端部抵接在第一阴极的反面上。
5.根据权利要求3所述固体烧蚀型磁等离子体推力器,其特征在于，所述第二阴极的轴线与第二阳极的轴线重合，所述第二阴极的长度为第二阳极长度的1/3～1/2。
6.根据权利要求4所述固体烧蚀型磁等离子体推力器,其特征在于，所述第一阴极的反面上设有绝缘层。
7.根据权利要求2至5任一项所述固体烧蚀型磁等离子体推力器,其特征在于，所述电源包括：
点火电路，与火花塞电性相连；
放电电路，与第一阳极、第二阳极、阴极体电性相连。
8.根据权利要求7所述固体烧蚀型磁等离子体推力器,其特征在于，所述点火电路包括：
第一充电电源，用于为第一电容充电；
所述一电容，包括第一端子与第二端子，第一电容的第一端子与第一充电电源的阳极耦合，第一电容的第二端子与第一充电电源的阴极耦合并接地；
第一可控硅整流器，包括第一端子与第二端子，第一可控硅整流器的第一端子与第一电容的第一端子、第一充电电源的阳极耦合，第一可控硅整流器的第二端子与火花塞耦合。
9.根据权利要求7所述固体烧蚀型磁等离子体推力器,其特征在于，所述放电电路包括第二充电电源、第二可控硅整流器、二极管、保护电阻、继电器、n个第二电容C1～Cn与n个电感L1～Ln，其中，n为大于1的自然数；
所述第二可控硅整流器、保护电阻、继电器以及每个第二电容均包括第一端子与第二端子；
第一个第二电容C1的第一端子与第二充电电源的阳极耦合，第i个第二电容Ci的第一端子与第i+1个第二电容Ci+1的第一端子通过第i个电感Li耦合，每一个第二电容C1～Cn的第二端子均与第二充电电源的阴极耦合，其中，1≤i<n；
第n个第二电容Cn的第一端子还通过第n个电感Ln与二极管的输入端耦合，二极管的输出端通过匹配电阻与第一阳极、第二阳极耦合；
所述第二可控硅整流器的第一端子分别与第二充电电源的阴极、每一个第二电容C1～Cn的第二端子耦合，所述第二可控硅整流器的第二端子与阴极体耦合；
第一个第二电容C1的第一端子还与保护电阻的第一端子耦合，所述保护电阻的第二端子与继电器的第一端子耦合，第二个第二电容C2的第二端子与继电器的第二端子耦合并接地。
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