CN111465163A - 基于星载射频放电的等离子体接触器 - Google Patents

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王俊峰
刘庆海
李涛
赵华
任琼英
唐振宇
李�昊
彭毓川
葛丽丽
丁亮
郑慧奇
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Abstract

本发明公开一种基于星载射频放电的等离子体接触器，主要包括底座、盖板、放电管、Boswell天线、橡胶塞、进气管和永磁体圆环，放电管插入Boswell天线里形成嵌套结构，随后再嵌套到永磁体圆环内，一端堵上橡胶塞，另一端完全敞开，进气管穿透橡胶塞伸进管内，另一端连接气体储罐，嵌套结构整体容纳在底座中，进气管一端穿透橡胶塞伸进放电管一侧的管内，全部部件组合固定在底座上，并顶部封装，天线通过两天线伸出到盖板和底座形成的结构外。本发明产生的等离子体密度不仅远远大于其他放电方式，并克服了过去的冷阴极等电极放电方式中，由于电极放电烧蚀带来的寿命短的问题。

Description

基于星载射频放电的等离子体接触器
技术领域
本发明属于星载结构设计技术领域，具体来说，本发明涉及一种在星载环境中用于支持射频放电的结构及其固定方式。
背景技术
货运飞船采用100V的高电压太阳能电池，驱动货运飞船相对于太阳帆板和周围空间等离子体的电位处于-100V的电压。当宇航员出舱工作与周围空间等离子体电位相近时，宇航员相对于货运飞船工作舱的电压差约为-80V。远远大于人体安全电压差36V。当宇航员完成舱外任务回到飞船时，宇航员与货运飞船之间巨大的电压差可能造成放电，严重威胁宇航员的生命安全。为了确保宇航员的出舱工作安全，美国宇航局制定了在宇航员出舱工作时将工作舱的电位控制到-40V的安全规范。
为满足这一规范要求，确保宇航员的出舱工作安全，最有效的方式就是设计一种装置(即等离子体源)向太空发射等离子体以改变飞船电位，从而减小宇航员与货运飞船之间的电压差。
基于70年代国际上等离子体发生器的研制水平，早期前苏联的货运飞船采用脉冲等离子体喷射器(Pulsed Plasma Thruster，PPT)作为货运飞船电位主动控制的等离子体源，原理是采用固体氟塑料作源材料，通过储存于电容器的能量脉冲放电烧蚀、离化，形成等离子体的束流，但是它采用脉冲工作方式，造成货运飞船的电位有较大的扰动，不利于舱内的载荷工作。另外喷射的等离子体工质造成货运飞船舱段的表面的污染也是不利的因素之一。
国际空间站(ISS)上采用的是基于等离子体接触器(Plasma contactor)的主动电位控制措施，为空间站提供较大的电子电流，主动控制空间站电位。
空心阴极通过热致电子发射机制产生热电子，电子在加速静电场的作用下加速已达到电离工质气体的动能。加速电子碰撞中性气体分子产生电离。电离的等离子体通过栅极称为等离子体源。可见，电子在静电加速电场加速的同时，等离子体离子也会受到静电场反向加速的作用，并撞击到热电子发射极上对空心阴极产生溅射损伤。空间阴极可能会受到杂质气体的污染而产生中毒效应，减弱热电子发射率；静电场在加速离子时不可避免地将一部分电功率消耗在无用的、而且是有害的离子加热上。因而空心阴极的电能利用率存在天然缺陷。空心阴极的寿命在很大程度上依赖于阴极的研制工艺和工艺控制。这是由于基于空心阴极的等离子体源自身所具有的特性，促使国际上逐渐转向应用更加先进的等离子体源技术—螺旋波等离子体源技术。
上述前苏联与美国同类相关文献：
鲁文涛.基于脉冲等离子源的航天器表面电位主动控制的研究[D].中国科学院空间科学与应用研究中心硕士学位论文，2010；
Michael J.Patterson and John A.Hamley.AIAA-93-2228Plasma ContactorTechnology forSpace Station Freedom[R].NASA Technical Memorandum 106291；
张书峰，路润喜.航天器主动电位控制[J].2008计量与测试学术交流会论文集.233-236；
随着等离子体源技术的发展，我国的货运飞船也已经利用等离子体源(也称为“等离子体接触器”，但产生机理与国际空间站不同)产生高密度等离子体，主动控制货运飞船电位，确保航天员出舱的安全工作。这一技术是将射频波源通过Boswell天线耦合到玻璃放电管内的气体中实现射频放电，产生的等离子体与天线无接触，相比于上述前苏联与美国的同类产品，其突出优点是结构简单，效率高，可产生高密度等离子体(达1019m-3--1020m-3)。
附图1是我国“天舟一号”货运飞船上的电位主动控制装置，核心部件就是本发明的内容--等离子体接触器，其余部分都是为之供电、供气的配套部件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子体接触器，该等离子体基于星载射频放电产生高密度等离子体，主动控制货运飞船电位，确保航天员出舱的安全工作。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术解决方案：
本发明的等离子体接触器，主要包括底座、盖板、放电管、Boswell天线、橡胶塞、进气管和永磁体圆环，以及还包含了气体储罐，其中，放电管插入中空的圆柱状Boswell天线里形成嵌套结构，随后整体再嵌套到中空的永磁体圆环内，其中一端堵上橡胶塞，另一端完全敞开对着外太空，进气管一端穿透橡胶塞伸进管内，另一端连接气体储罐，为放电管提供气体工质，放电管、Boswell天线和永磁体圆环形成的嵌套结构整体容纳在底座中形成的容纳空间中，穿过容纳空间外部侧面的进气管一端穿透橡胶塞伸进放电管一侧的管内，全部部件组合固定在底座上，并通过盖板覆盖于顶部封装，Boswell天线通过两天线伸出到盖板和底座形成的结构外。
其中，等离子接触器还包括射频功率源，伸出的天线连接射频功率源，为整个等离子体接触器提供电功率输入。
进一步地，底座和盖板材料为聚酰亚胺YS-20；
进一步地，放电管材料为石英玻璃，Boswell天线材料为紫铜。
其中，橡胶塞材料为航空橡胶1140；
其中，进气管材料为铝合金2A12；永磁体圆环材料为钕铁硼。
本发明的优点在于，产生的等离子体密度不仅远远大于其他放电方式，而且采用的是无极放电方式，克服了过去的冷阴极等电极放电方式中，由于电极放电烧蚀带来的寿命短的问题。
附图说明
图1为本发明的等离子体接触器的电位主动控制装置结构图。
图2为本发明的等离子体接触器零件组装图。
其中，1、底座；2、放电管；3、Boswell天线；4、橡胶塞；5、进气管；6、永磁体圆环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式作进一步地说明，这些说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。
参照图1，图1显示了本发明的等离子体接触器的电位主动控制装置结构图。图2为本发明的等离子体接触器零件组装图。从图中可以看出，本发明的等离子体接触器，主要包括底座1、盖板、放电管2、Boswell天线3、航空橡胶1140制成的橡胶塞4、进气管5和永磁体圆环6，其中，圆柱状的放电管2插入中空的圆柱状Boswell天线3里形成嵌套结构，随后整体再嵌套到中空的永磁体圆环6内，其中一端堵上橡胶塞4，另一端完全敞开对着外太空，放电管2、紫铜制的Boswell天线3和永磁体钕铁硼圆环6形成的嵌套结构整体容纳在底座1中形成的容纳空间中，穿过容纳空间外部侧面的进气管5一端穿透橡胶塞伸进放电管2一侧的管内，进气管5采用铝合金2A12制成，进气管另一端连接气体储罐，为放电管提供气体工质。全部部件组合固定在底座1上，并通过盖板覆盖于顶部封装，Boswell天线3通过两天线伸出到盖板和底座1形成的结构外。等离子接触器还包括射频功率源，伸出的天线连接射频功率源，为整个等离子体接触器提供电功率输入。
本发明的等离子体接触器，按照以下步骤工作：
1.通过进气管道，向放电管内供气(氩气)；
2.通过射频功率源，给Boswell天线供电，激发Boswell天线套着的放电管内气体放电，并被电离成为等离子体。
3.调节射频源的输出，可改变等离子体密度、温度、方向等参数。
本发明的等离子体接触器，产生高密度等离子体，可主动控制货运飞船电位，确保航天员出舱的安全工作，是确保后续空间站建设及航天员出舱执行任务时的安全必要措施，而且使得在轨长期工作时太阳帆板、表面材料的性能在服役期间满足航天器的要求。本发明通过设计一种基于星载射频放电的固定方式，已经成功用于我国首艘货运飞船“天舟一号”，为后续开展各种航天器电位控制方法的研究提供技术支撑。
为减轻结构质量，提高结构刚度和强度，虽然可以在结构形式、结构尺寸等方面进行各种设计和改进，但最直接和最有效的办法是选择密度小而模量和强度高的材料。同样，为了减小结构的热变形和热应力，最有效的方法是选用线膨胀系数小的结构材料。在工作环境中，还包含了真空、带电粒子辐射、太阳紫外辐射、高度温度交变、原子氧等各种条件，综合考虑韧性、比热容、热导率、电导率、真空放气、制造工艺等多种因素，所选材料如下：
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，相关技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.基于星载射频放电的等离子体接触器，主要包括底座、盖板、放电管、Boswell天线、橡胶塞、进气管和永磁体圆环，以及还包含了气体储罐，其中，放电管插入中空的圆柱状Boswell天线里形成嵌套结构，随后整体再嵌套到中空的永磁体圆环内，其中一端堵上橡胶塞，另一端完全敞开对着外太空，进气管一端穿透橡胶塞伸进管内，另一端连接气体储罐，为放电管提供气体工质，放电管、Boswell天线和永磁体圆环形成的嵌套结构整体容纳在底座中形成的容纳空间中，穿过容纳空间外部侧面的进气管一端穿透橡胶塞伸进放电管一侧的管内，全部部件组合固定在底座上，并通过盖板覆盖于顶部封装，Boswell天线通过两天线伸出到盖板和底座形成的结构外。
2.如权利要求1所述的基于星载射频放电的等离子体接触器，其中，等离子接触器还包括射频功率源，伸出的天线连接射频功率源，为整个等离子体接触器提供电功率输入。
3.如权利要求1或2所述的基于星载射频放电的等离子体接触器，其中，底座和盖板材料为聚酰亚胺YS-20。
4.如权利要求1或2所述的基于星载射频放电的等离子体接触器，其中，放电管材料为石英玻璃，Boswell天线材料为紫铜。
5.如权利要求1或2所述的基于星载射频放电的等离子体接触器，其中，橡胶塞材料为航空橡胶1140。
6.如权利要求1或2所述的基于星载射频放电的等离子体接触器，其中，进气管材料为铝合金2A12；永磁体圆环材料为钕铁硼。
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