CN111472954B - 一种带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器 - Google Patents

一种带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器，包括阴极(1)、辅助悬浮电位电极(2)、绝缘套筒(3)、绝缘阳极(4)和阳极绝缘层(5)；绝缘阳极(4)套在绝缘套筒(3)上，且绝缘阳极(4)的表面由阳极绝缘层(5)包裹；绝缘套筒(3)套在阴极(1)上，且阴极(1)的表面与绝缘套筒(3)的内壁紧密接触；辅助悬浮电位电极(2)位于绝缘套筒(3)的内部，且与绝缘套筒(3)的内壁紧密接触，增大了阴极电流幅值，等离子体源的密度高，且等离子体源形成定向喷射，提高了阴极弧推进器的效率，本发明在不影响等离子体生成的条件下，减小了射流等离子体径向发散，使得更多的等离子体沿绝缘套筒(3)定向喷射出去形成推力，大大提高了阴极弧推进器的推进能力。

Description

一种带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器
技术领域
本发明涉及推进器技术领域，具体涉及一种带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器。
背景技术
随着微小卫星技术的发展，对其推进系统提出了新的要求，需要其能够实现高比冲，高效率的输出。电推进系统由于自身结构及功能上的优势逐渐取代了传统的化学推进系统而成为微小卫星系统的主要推进方式。由于阴极弧推进器具有结构简单，质量轻，比冲高等特点，受到全世界越来越多的关注。
现有的阴极弧推进器采用裸金属放电电极结构。但是生成的大部分等离子体在外电场的作用下进入金属电极，形成了电路电流。只有少部分等离子体从电极外喷射出去形成推力。
文献1“田甲，刘文正，崔伟胜，高永杰.Generation characteristics of a metalion plasma jet in vacuum discharge[J].Plasma Science and Technology,2018,20:1-7.”中提出一种全绝缘阳极，阻碍了放电生成的带电粒子传播到电极的通道，从而使得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。与裸金属阳极电极结构相比，采用全绝缘阳极放电生成的阴极电流幅值减小，从放电现象上来看，等离子的喷射长度没有明显增加，等离子体源的密度不高，定向性差，推进器的效率低。
发明内容
为了克服上述现有技术中阴极电流幅值减小、等离子体源的密度不高、定向性差以及推进器的效率低的不足，本发明提供一种带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器，包括阴极(1)、辅助悬浮电位电极(2)、绝缘套筒(3)、绝缘阳极(4)和阳极绝缘层(5)；所述辅助悬浮电位电极(2)和绝缘阳极(4)均为套筒结构，所述绝缘阳极(4)套在所述绝缘套筒(3)上，且所述绝缘阳极(4)的表面由阳极绝缘层(5)包裹；所述绝缘套筒(3)套在所述阴极(1)上，且所述阴极(1)的表面与绝缘套筒(3)的内壁紧密接触；所述辅助悬浮电位电极(2)位于所述绝缘套筒(3)的内部，且与所述绝缘套筒(3)的内壁紧密接触，增大了阴极电流幅值，提高了等离子体源的密度，且等离子体源形成定向喷射，提高了阴极弧推进器的效率。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器，包括阴极(1)、辅助悬浮电位电极(2)、绝缘套筒(3)、绝缘阳极(4)和阳极绝缘层(5)；
所述辅助悬浮电位电极(2)和绝缘阳极(4)均为套筒结构，所述绝缘阳极(4)套在所述绝缘套筒(3)上，且所述绝缘阳极(4)的表面由阳极绝缘层(5)包裹；所述绝缘套筒(3)套在所述阴极(1)上，且所述阴极(1)的表面与绝缘套筒(3)的内壁紧密接触；所述辅助悬浮电位电极(2)位于所述绝缘套筒(3)的内部，且与所述绝缘套筒(3)的内壁紧密接触。
还包括电阻R和电容C；
所述电阻R和电容C串联后，形成RC支路，所述RC支路一端与绝缘阳极(4)连接，其另一端与辅助悬浮电位电极(2)连接。
所述阴极(1)为圆柱状，其两端分别为放电端(6)和平面端(7)；
所述放电端(6)位于所述第一绝缘套筒(3)内部，其为凸台结构；
所述平面端(7)位于所述第一绝缘套筒(3)外部，其端面为圆形。
所述凸台为圆台形、棱台形、弧形或立方体形。
所述辅助悬浮电位电极(2)靠近放电端(6)的端面、绝缘阳极(4)靠近放电端(6)的端面与放电端(6)相平。
所述阴极(1)、放电端(6)和辅助悬浮电位电极(2)均采用导电材料制成；
所述绝缘阳极(4)采用金属制成。
所述绝缘套筒(3)采用绝缘材料制成。
所述绝缘材料包括聚四氟乙烯和陶瓷。
所述平面端(7)通过接线柱连接外电路高压端，所述绝缘阳极(4)接地。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器包括阴极(1)、辅助悬浮电位电极(2)、绝缘套筒(3)、绝缘阳极(4)和阳极绝缘层(5)；辅助悬浮电位电极(2)和绝缘阳极(4)均为套筒结构，所述绝缘阳极(4)套在所述绝缘套筒(3)上，且所述绝缘阳极(4)的表面由阳极绝缘层(5)包裹；所述绝缘套筒(3)套在所述阴极(1)上，且所述阴极(1)的表面与绝缘套筒(3)的内壁紧密接触；所述辅助悬浮电位电极(2)位于所述绝缘套筒(3)的内部，且与绝缘套筒(3)的内壁紧密接触，增大了阴极电流幅值，提高了等离子体源的密度，且等离子体源形成定向喷射，提高了阴极弧推进器的效率；
本发明中的辅助悬浮电位电极(2)为圆筒结构，辅助悬浮电位电极(2)位于绝缘套筒(3)的内部，且与绝缘套筒(3)的内壁紧密接触，辅助悬浮电位电极(2)不会影响等离子体生成，能够发生静电感应现象并且对阴极(1)近旁产生的等离子体中的电子有吸引作用，近一步改变阴极(1)附近带电粒子空间分布；
本发明在不影响等离子体生成的条件下，减小了射流等离子体径向发散，使得更多的等离子体沿绝缘套筒(3)定向喷射出去形成推力，大大提高了阴极弧推进器的推进能力。
附图说明
图1为本发明实施例中带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器第一种结构图；
图2为本发明实施例中带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器第二种结构图；
图3为本发明实施例中带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器放电电路图；
图4为本发明实施例中带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器两种结构各自生成的等离子体密度分布情况图；
图5为本发明实施例中带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器两种结构各自生成的等离子体传播速度情况图；
图中，1-阴极，2-辅助悬浮电位电极，3-绝缘套筒，4-阳极，5-阳极绝缘层，6-放电端，7-平面端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供一种带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器，如图1所示，包括阴极1、辅助悬浮电位电极2、绝缘套筒3、绝缘阳极4和阳极绝缘层5；
辅助悬浮电位电极2和绝缘阳极4均为圆筒结构，绝缘阳极4套在绝缘套筒3上，且绝缘阳极4的表面由阳极绝缘层5包裹；绝缘套筒3套在阴极1上，且阴极1的表面与绝缘套筒3的内壁紧密接触；辅助悬浮电位电极2位于绝缘套筒3的内部，且与绝缘套筒3的内壁紧密接触。
如图2所示，本发明实施例还包括电阻R和电容C，电阻和电容的值分别为0.7MΩ和1000pF；
所述电阻R和电容C串联后，形成RC支路，所述RC支路一端与绝缘阳极(4)连接，其另一端与辅助悬浮电位电极(2)连接。
电容C和电阻R的设置提高了阴极近旁电子的吸引能力，改变了阴极近旁带电粒子的空间分布，近而增大了阴极电流，使得阴极产生的等离子体量增多，进而增大了等离子体的密度，提高了阴极弧推进器的定向喷射性能。
阴极1为圆柱状，其两端分别为放电端6和平面端7；
平面端7位于第一绝缘套筒3外部，其端面为圆形；
放电端6位于第一绝缘套筒3内部，其为凸台结构；放电端6的凸台为圆台形、棱台形、弧形或立方体形，放电端6采用导电材料制成，本发明实施例中放电端6为圆台形，放电端6采用金属铅制成。
绝缘套筒3用于束缚放电端6生成的等离子体。
辅助悬浮电位电极2采用导电材料制成，本发明实施例中辅助悬浮电位电极2长度为1mm，厚度为0.5mm，材质是不锈钢。
绝缘套筒3和辅助悬浮电位电极2同轴布置，辅助悬浮电位电极2靠近放电端6的端面、绝缘阳极4靠近放电端6的端面与放电端6相平。
阴极1采用导电材料制成，本发明实施例中，阴极1采用导磁金属制成；阴极1总长为24mm，阴极1的圆柱状部分的长度：半径＝24mm:2mm，放电端6的长度和上底圆直径之比为2:3～2:1，圆台形放电端的长度为2mm，放电端顶端的直径为1.4mm。
绝缘阳极4采用金属铁制成，绝缘阳极4的长度：厚度＝2mm：1mm，阳极绝缘层5由特氟龙材料制成，阳极绝缘层5的厚度为2mm。
绝缘套筒3采用绝缘材料制成，本发明实施例中绝缘材料为聚四氟乙烯。
放电电源采用脉冲放电形式，带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器放电电路图如图3所示，图3中，D为二极管，C为电容，R为电阻，L为电感，Trigger system为触发系统，Discharge gap为放电间隙，Electrode structure为电极结构，电路由主放电电路和触发电路组成。首先，通过升压变压器Transform、倍压电路1、主放电电容C充电至0-30kV。然后，操作触发系统促使大气中的三点间隙导通，将电压施加到真空腔中的阴阳极之间。由于电容C2的一端接地，在阴极端输出为负电位。最后引发电极间放电。在放电闭合回路中，电感L是为了延长电流持续时间，这提高了射流等离子体的生成量。在电路中串联二极管D是为了防止电流回流，并且减少电流的振荡。阴极通过接线柱接电源高压端，阳极通过导线接地。
带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器两种结构各自生成的等离子体密度分布情况图如图4所示，其中(1)、(2)分别表示图1所示的阴极弧推进器、图2所示的包括电阻和电容的绝缘阳极阴极弧推进器，(1)所表示的阴极弧推进器中，辅助悬浮电位电极2的长度为1mm，厚度为0.5mm，(2)所表示的阴极弧推进器中，电阻和电容的值分别为0.7MΩ和1000pF，从图4可知，与(1)所表示的阴极弧推进器相比，采用带电阻和电容的绝缘阳极阴极弧推进器生成的等离子体密度较大。说明利用带电阻和电容的绝缘阳极阴极弧推进器可以获得更高密度的等离子体源。
带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器两种结构各自生成的等离子体传播速度情况图如图5所示，其中(1)、(2)分别表示图1所示的阴极弧推进器、图2所示的包括电组和电容的绝缘阳极阴极弧推进器，(1)所表示的阴极弧推进器中，辅助悬浮电位电极2的长度为1mm，厚度为0.5mm，(2)所表示的绝缘阳极阴极弧推进器中，电阻和电容的值分别为0.7MΩ和1000pF，从图5可知，与(1)所表示的阴极弧推进器相比，采用带电阻和电容的绝缘阳极阴极弧推进器生成的等离子体传播速度较大，说明利用带电阻和电容的绝缘阳极阴极弧推进器可以获得更高能量的等离子体源。
采用图1-图2两种结构的阴极弧推进器进行放电，测得的等离子体生成效果对比如表1：
表1
Figure BDA0002425261280000051
由表1可知，在主放电电容上施加相同的电压，与图1所示的结构相比，采用图2所示的结构时，放电电压下降。并且图2所示的结构中，阴极电流峰值增大了7.8％。这是因为辅助悬浮电位电极2发生静电感应现象，电容两端存在电位差，辅助悬浮电位电极2上的电子会被储存到电容器一端。这为辅助悬浮电位电极2在放电初始阶段吸收更多的电子提供了可能性，电子容易逃离阴极近旁，近一步增大了阴极近旁的正的空间电位。由于绝缘阳极4金属被阳极绝缘层5全部包裹，因而测得的阳极电流幅值为0。
由等离子体测量参数可知，与图1所示的结构相比，采用图2所示的结构时，射流长度从24mm增长到45mm，等离子体密度峰值增大并且等离子体传播速度提高了66.7％。综上可知，辅助悬浮电位电极2和绝缘阳极4间串联RC支路提高了等离子体射流的性能。
在放电实验过程中。基于图2所示的结构，探究接入的电容的大小变化对等离子体生成效果的影响，等离子体生成效果如表2：
表2
Figure BDA0002425261280000061
由表2中的参数可知，随着辅助悬浮电位电极2和阳极间接入的电容的幅值增大，阴极电流的幅值明显增大。分析可知，这是因为随电容值不断增大，放电过程中由辅助悬浮电位电极2转移到电容中的电子就会越多。结果，Hump电位建立时间会缩短并且阴极近旁正的空间电位增大。近一步增强了电子场致发射。当电容值不断增大，等离子体的密度不断增大、传播速度增大了80％、射流长度增长了1.3倍。因此，采用较大电容值的推进器，提高了生成的等离子体喷射性能。
图2所示的结构在不影响等离子体生成的前提下，通过辅助悬浮电位电极2和绝缘阳极4间接入电阻和电容影响了阴极近旁空间带电粒子的分布，近而使更多的等离子体喷射出去形成推力源，提高了等离子体的喷射性能。图2所示的结构中采用较大电容值的电容器，可以进一步减少等离子体的损失，提高等离子体源的密度和传播速度。
为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器，其特征在于，包括阴极(1)、辅助悬浮电位电极(2)、绝缘套筒(3)、绝缘阳极(4)和阳极绝缘层(5)；
所述辅助悬浮电位电极(2)和绝缘阳极(4)均为套筒结构，所述绝缘阳极(4)套在所述绝缘套筒(3)上，且所述绝缘阳极(4)的表面由阳极绝缘层(5)包裹；所述绝缘套筒(3)套在所述阴极(1)上，且所述阴极(1)的表面与绝缘套筒(3)的内壁紧密接触；所述辅助悬浮电位电极(2)位于所述绝缘套筒(3)的内部，且与所述绝缘套筒(3)的内壁紧密接触。
2.根据权利要求1所述的带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器，其特征在于，还包括电阻R和电容C；
所述电阻R和电容C串联后，形成RC支路，所述RC支路一端与绝缘阳极(4)连接，其另一端与辅助悬浮电位电极(2)连接。
3.根据权利要求1所述的带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器，其特征在于，所述阴极(1)为圆柱状，其两端分别为放电端(6)和平面端(7)；
所述放电端(6)位于所述绝缘套筒(3)内部，其为凸台结构；
所述平面端(7)位于所述绝缘套筒(3)外部，其端面为圆形。
4.根据权利要求3所述的带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器，其特征在于，所述凸台为圆台形、棱台形、弧形或立方体形。
5.根据权利要求3所述的带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器，其特征在于，所述辅助悬浮电位电极(2)靠近放电端(6)的端面、绝缘阳极(4)靠近放电端(6)的端面与放电端(6)相平。
6.根据权利要求3所述的带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器，其特征在于，所述阴极(1)、放电端(6)和辅助悬浮电位电极(2)均采用导电材料制成；
所述绝缘阳极(4)采用金属制成。
7.根据权利要求1所述的带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器，其特征在于，所述绝缘套筒(3)采用绝缘材料制成。
8.根据权利要求7所述的带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器，其特征在于，所述绝缘材料包括聚四氟乙烯和陶瓷。
9.根据权利要求3所述的带辅助悬浮电位电极的绝缘阳极阴极弧推进器，其特征在于，所述平面端(7)通过接线柱连接外电路高压端，所述绝缘阳极(4)接地。
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