CN110486243B - 一种微阴极电弧推进系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微阴极电弧推进系统，推进系统包括：电感器，在通电情况下进行充电，在充电完成后断电形成反压；电源处理单元，与电感器连接，用于控制电感器的通或断电；推力器，设置在电感器内部，分别与电源处理单元和电感器连接，当电感器反压时，在推力器的阴极与阳极之间形成脉冲电压，推力器在脉冲电压的作用下击穿绝缘层，同时阴极被蒸汽化形成等离子体，等离子体在电感器形成的磁场下被引出形成反作用推力。本发明将推力器置于电感器中，利用电感器通电时形成的磁场作为引导和加速离子的磁场，省去了推力器的励磁电路，减小了微阴极电弧推力器推进系统的总质量和总体积的目的，从而提高了推力器的推重比。
Description
技术领域
本发明涉及电推进技术领域，特别是涉及一种微阴极电弧推进系统。
背景技术
微阴极电弧推力器因其具有微功率化、高效率、高比冲、宽范围可调控、低成本等优点而成为微纳卫星的的理想电推进类型，可以应用于微纳卫星的轨道保持和编队飞行等任务。传统电推进系统由并车与保护单元(Paralleling and Protection Unit，简称PPU)和励磁电路两部分组成，PPU的功能为推力器提供数百伏的脉冲电压，其工作原理为：采用感性能量存储方式，由20V直流电源供电，通过绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，简称IGBT)控制电感的充电与放电，当开关闭合时，电感充电；开关断开，电感反压，在推力器上形成数百伏的瞬态高压。励磁电路通过直流线圈为推力器提供数百至数千高斯的磁场环境，用来引导和加速离子。其中电感元件的典型参数在0.5mH以上，其质量和体积较大。另外，微阴极电弧推力器达到最佳性能所需要的磁场较大，导致励磁线圈匝数较多，线圈体积与质量也较大。这些因素制约了推力器微型化，导致推进系统的推重比不能进一步提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种质量小、体积小、高推重比的电弧推进系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种微阴极电弧推进系统，所述推进系统包括：
电感器，在通电情况下进行充电，在充电完成后断电形成反压；
电源处理单元，与所述电感器连接，用于控制所述电感器的通或断电；
推力器，设置在所述电感器内部，分别与所述电源处理单元和所述电感器连接，当所述电感器反压时，在所述推力器的阴极与阳极之间形成脉冲电压，所述推力器在所述脉冲电压的作用下击穿绝缘层，同时阴极被蒸汽化形成等离子体，所述等离子体在所述电感器形成的磁场下被引出形成反作用推力。
优选地，所述微阴极电弧推进系统还包括：
电源，分别与所述电感器、所述推力器和所述电源处理单元连接，所述电源用于给所述电感器和所述推力器提供电能。
优选地，所述电源处理单元包括：
IGBT，所述IGBT的发射极分别与所述电源的负极和所述推力器的阳极连接，所述IGBT的集电极分别与所述电感器和所述推力器的阴极连接；所述IGBT闭合时，所述电源对所述电感器充电，在充电完成后，所述IGBT断开，所述电感器反压，在所述推力器的阴极与阳极之间形成脉冲电压。
优选地，所述电源处理单元还包括：保护器，设置在所述IGBT与所述电源之间，用于保护所述IGBT。
优选地，所述电源处理单元还包括：
脉冲发生器，与所述IGBT的栅极连接，用于控制所述IGBT的闭合与断开。
优选地，所述推力器的绝缘层的表面设置有导电薄膜，用于在所述脉冲电压作用下加热所述推力器的阴极，使得所述推力器的阴极蒸汽化，进一步加速形成等离子体，所述等离子体在所述电感器作用下被引出形成反作用推力，且所述等离子体有少量沉积在所述推力器的绝缘层表面形成新的导电薄膜。
优选地，所述电感器为空心电感器。
优选地，所述推力器为同轴型电弧推力器。
优选地，所述电感器的磁感应强度B的计算公式为：
通过公式H＝n×i/l计算出所述电感器的磁场强度H；
式中：n是所述电感器的线圈匝数，i是励磁电流，l是所述电感器的线圈长度；
再通过公式B＝μ0×H计算出所述电感器的磁感应强度B；
式中：μ0是真空磁导率。
优选地，所述电感器的电感值L的计算公式为：
式中：d是所述电感器的线圈直径。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明将推力器置于电感器中，利用电感器通电时形成的磁场作为引导和加速离子的磁场，简化了系统电路，减小了推进系统的总质量与总体积，从而提高了推进系统的推重比与系统的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明微阴极电弧推进系统的结构图。
图中：1-电源，2-推力器，3-电感器，4-IGBT，5-保护器，6-脉冲发生器，21-推力器的绝缘层，22-推力器的阴极，23-推力器的阳极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种质量轻、体积小、高推重比的电弧推进系统。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明微阴极电弧推进系统包括：推力器2、电源处理单元、电感器3。其中，所述电源处理单元与所述电感器3连接，控制所述电感器进行通电或断电。
所述电感器3在所述电源处理单元控制下通电时进行充电，电能会被所述电感器3用电磁场能的形式保存起来，在充电完成后所述电源处理单元控制所述电感器3断电，此时所述电感器3的电磁场能形成反压转换成电能对所述推力器2放电。
本实施例中，所述电感器3采用空心电感器。
所述推力器2设置在所述电感器内部，且分别与所述电源处理单元和所述电感器3连接；所述推力器2在所述电感器3的电磁场反压放电作用下，在所述推力器的阴极22与所述推力器的阳极23之间形成脉冲电压，所述推力器2在所述脉冲电压的作用下击穿所述推力器的绝缘层21，同时所述推力器的阴极22被蒸汽化形成等离子体，所述等离子体在所述电感器3形成的电磁场的作用下被高速引出形成反作用推力。
具体地，所述推力器的绝缘层21的表面设置有导电薄膜，所述导电薄膜在所述脉冲电压作用下加热所述推力器的阴极22，使得所述推力器的阴极22被蒸汽化，加快了所述推力器的阴极22形成等离子体的速度，使得所述推力器的阴极22在短时间内形成大量的等离子体，所述等离子体在所述电感器3的电磁场的作用下被高速引出形成反作用推力。
进一步地，所述等离子体有少量沉积在所述推力器的绝缘层21表面形成新的导电薄膜。
优选地，所述推力器2为同轴型电弧推力器。
所述微阴极电弧推进系统还包括有电源1。
所述电源1分别与所述电感器3、所述推力器2和所述电源处理单元连接，所述电源1用于给所述电感器3和所述推力器2提供电能。
具体地，所述电源处理单元包括：IGBT4、保护器5和脉冲发生器6。
其中，所述脉冲发生器6与所述IGBT4的栅极连接，所述脉冲发生器6用于控制所述IGBT4的闭合与断开。
所述IGBT4的发射极分别与所述电源1的负极和所述推力器的阳极23连接，所述IGBT4的集电极分别与所述电感器3和所述推力器的阴极22连接；所述IGBT4闭合时，所述电源1对所述电感器3充电，在充电完成后，所述IGBT断开，所述电感器3反压，在所述推力器的阴极22与所述推力器的阳极23之间形成脉冲电压。
所述保护器5分别与所述IGBT4的发射极和所述电源1的负极连接，用于保护所述IGBT4。
进一步地，所述保护器5为电阻等元器件。
在实际应用中，可根据实际需要确定所述电感器的匝数。
具体地，所述电感器3的磁场强度H的计算公式为：H＝n×i/l。
式中：n是所述电感器的线圈匝数，i是励磁电流，l是所述电感器的线圈长度。
所述电感器3的磁感应强度B的计算公式为：B＝μ0×H。
式中：μ0是真空磁导率。
所述电感器3的电感值L的计算公式为：
式中：d是所述电感器的线圈直径。
本发明通过将所述推力器2置于所述电感器3中，利用所述电感器3通电时形成的磁场作为引导和加速离子的磁场，省去了励磁电路，有效解决了微阴极电弧推进系统中电感线圈和推力器励磁线圈对于推进系统质量和体积的制约，简化了系统电路，进一步减小了推进系统的总质量与总体积，从而提高了推进系统的推重比与系统的可靠性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述推进系统包括：
电感器，在通电情况下进行充电，在充电完成后断电形成反压；
电源处理单元，与所述电感器连接，用于控制所述电感器的通或断电；
推力器，设置在所述电感器内部，分别与所述电源处理单元和所述电感器连接，当所述电感器反压时，在所述推力器的阴极与阳极之间形成脉冲电压，所述推力器在所述脉冲电压的作用下击穿绝缘层，同时阴极被蒸汽化形成等离子体，所述等离子体在所述电感器形成的磁场下被引出形成反作用推力；
电源，分别与所述电感器、所述推力器和所述电源处理单元连接，所述电源用于给所述电感器和所述推力器提供电能；
所述电源处理单元包括：
IGBT，所述IGBT的发射极分别与所述电源的负极和所述推力器的阳极连接，所述IGBT的集电极分别与所述电感器和所述推力器的阴极连接；所述IGBT闭合时，所述电源对所述电感器充电，在充电完成后，所述IGBT断开，所述电感器反压，在所述推力器的阴极与阳极之间形成脉冲电压；
脉冲发生器，与所述IGBT的栅极连接，用于控制所述IGBT的闭合与断开。
2.根据权利要求1所述的一种微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述电源处理单元还包括：保护器，设置在所述IGBT与所述电源之间，用于保护所述IGBT。
3.根据权利要求1所述的一种微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述推力器的绝缘层的表面设置有导电薄膜，用于在所述脉冲电压作用下加热所述推力器的阴极，使得所述推力器的阴极蒸汽化，进一步加速形成等离子体，所述等离子体在所述电感器作用下被引出形成反作用推力，且所述等离子体有少量沉积在所述推力器的绝缘层表面形成新的导电薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述电感器为空心电感器。
5.根据权利要求1所述的一种微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述推力器为同轴型电弧推力器。
6.根据权利要求1所述的一种微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述电感器的磁感应强度B的计算公式为：
通过公式H＝n×i/l计算出所述电感器的磁场强度H；
式中：n是所述电感器的线圈匝数，i是励磁电流，l是所述电感器的线圈长度；
再通过公式B＝μ0×H计算出所述电感器的磁感应强度B；
式中：μ0是真空磁导率。
7.根据权利要求6所述的一种微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述电感器的电感值L的计算公式为：
式中：d是所述电感器的线圈直径。
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