CN111486070A - 一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统。所述基于加速电极的微阴极电弧推力系统包括：功率处理单元、绝缘栅双极型晶体管、推力器、加速电极和电源；功率处理单元分别与绝缘栅双极型晶体管、推力器连接；绝缘栅双极型晶体管与推力器连接；电源分别与功率处理单元、绝缘栅双极型晶体管、推力器和加速电极连接；加速电极设置在推力器的喷口处；绝缘栅双极型晶体管用于控制电源为功率处理单元充放电以及控制电源为加速电极供电；功率处理单元用于使推力器的两极板间产生瞬态高压，形成等离子体流；加速电极用于对等离子体流加速。本发明能够提高微阴极电弧推力器的推力。

Description

一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统

技术领域

本发明涉及卫星微推进技术领域，特别是涉及一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统。

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。传统电推进系统由推力器与保护单元(Paralleling and ProtectionUnit，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(InsulatedGateBipolarTransistor，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，在电感反压，在推力器上形成数百伏的瞬态高压。该传统的电推进系统具有以下缺点：由于推力器结构与尺寸的限制，磁场强度有限，无法进一步提高等离子体羽流聚焦度，导致推进系统的推力有待提高；电压反压过程中，因为电感具有放电不稳定的特性，反压的不稳定将会直接影响推力器工作的特性；由于电感的反压特性，以及电路的布置将会导致PPU电路功耗较大，导致推力器输入功率升高，整体效率降低。

发明内容

基于此，有必要提供一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统，以提高微阴极电弧推力器的推力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统，包括：功率处理单元、绝缘栅双极型晶体管、推力器、加速电极和电源；所述功率处理单元分别与所述绝缘栅双极型晶体管、所述推力器连接；所述绝缘栅双极型晶体管与所述推力器连接；所述电源分别与所述功率处理单元、所述绝缘栅双极型晶体管、所述推力器和所述加速电极连接；所述加速电极设置在所述推力器的喷口处；所述绝缘栅双极型晶体管用于控制所述电源为所述功率处理单元充放电以及控制所述电源为所述加速电极供电；所述功率处理单元用于使所述推力器的两极板间产生瞬态高压，形成等离子体流；所述加速电极用于对所述等离子体流加速。

可选的，所述功率处理单元包括电容和保护器；所述保护器的一端与所述电源的正极连接，所述保护器的另一端与所述电容的一端、所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接；所述电容的另一端与所述电源的负极连接。

可选的，所述推力器包括由内到外依次设置的阳极、第一绝缘层、阴极和磁场产生装置；所述阳极与所述绝缘栅双极型晶体管的发射极连接；所述阴极与所述电源的负极连接。

可选的，所述加速电极设置在所述阴极与所述磁场产生装置之间；所述加速电极与所述电源的正极连接。

可选的，所述加速电极延伸出所述推力器的喷口，且所述加速电极呈喇叭状。

可选的，所述加速电极为导电体，且所述加速电极中与所述阴极、所述磁场产生装置正对的部分的表面设置有第二绝缘层。

可选的，所述微阴极电弧推力系统，还包括：脉冲发生器；所述脉冲发生器与所述绝缘栅双极型晶体管的栅极连接；所述脉冲发生器用于控制所述绝缘栅双极型晶体管的断开和闭合。

可选的，所述保护器为电阻。

可选的，所述电源的电压为500V；所述电阻的阻值为50kΩ。

可选的，所述磁场产生装置为励磁线圈或永磁铁。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统。所述微阴极电弧推力系统在推力器喷口处接入加速电极，通过将接入加速电极的推力器形成的磁聚焦电路与功率处理单元耦合，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关断开时，电源为功率处理单元供电，功率处理单元进行充电；IGBT开关闭合时，电源为加速电极供电，加速电极上存在高电势；功率处理单元放电，推力器阴极产生等离子体流。等离子体流在加速电极电场力的作用下，径向速度减小，轴向速度升高，等离子体聚焦度提高，从而达到提高推力器推力的目的。本发明将磁聚焦电路与功率处理单元的耦合，简化了微阴极电弧推力系统，提高了系统的可靠性。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统的结构示意图。

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。

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。

图1为本发明实施例一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统的结构示意图。

参见图1，本实施例基于加速电极的微阴极电弧推力系统包括：包括：功率处理单元、绝缘栅双极型晶体管1、推力器、加速电极2和电源3；所述功率处理单元分别与所述绝缘栅双极型晶体管1、所述推力器连接；所述绝缘栅双极型晶体管1与所述推力器连接；所述电源3分别与所述功率处理单元、所述绝缘栅双极型晶体管1、所述推力器和所述加速电极2连接；所述加速电极2设置在所述推力器的喷口处；所述绝缘栅双极型晶体管1用于控制所述电源3为所述功率处理单元充放电以及控制所述电源3为所述加速电极2供电；所述功率处理单元用于使所述推力器的两极板间产生瞬态高压，形成等离子体流；所述加速电极2用于对所述等离子体流加速。

作为一种可选的实施方式，所述功率处理单元包括电容4和保护器5；所述保护器5的一端与所述电源3的正极连接，所述保护器5的另一端与所述电容4的一端、所述绝缘栅双极型晶体管1的集电极连接；所述电容4的另一端与所述电源3的负极连接；所述电源3的负极接地。

本实施方式中，绝缘栅双极型晶体管1(IGBT)开关断开时，电源3为电容4供电，电容4进行充电；IGBT开关闭合时，电源3为加速电极2供电，加速电极2上存在高电势；电容4放电，推力器阴极产生等离子体流。等离子体流在加速电极2电场力的作用下，径向速度减小，轴向速度升高，等离子体聚焦度提高，从而达到提高推力器推力的目的。

本实施方式中将传统功率处理单元中的电感更换为电容4，利用电容4稳定放电的特性，达到为微阴极电弧推力器稳定工作的目的；采用电容4，电容4放电期间，输入电源3不对功率处理单元进行功率输入，输入电源3脉冲式工作，从而达到降低推力器输入功率的目的；功率处理单元采用电容4，在电容4放电期间电路中额外功较小，推力器放电击穿电压恒定，放电重复性好，提高了工作寿命。

作为一种可选的实施方式，所述推力器包括由内到外依次设置的阳极6、第一绝缘层7、阴极8和磁场产生装置9；所述阳极6与所述绝缘栅双极型晶体管1的发射极连接；所述阴极8与所述电源3的负极连接。

作为一种可选的实施方式，所述加速电极2设置在所述阴极8与所述磁场产生装置9之间；所述加速电极2与所述电源3的正极连接。

作为一种可选的实施方式，所述加速电极2延伸出所述推力器的喷口，且所述加速电极2呈喇叭状。

作为一种可选的实施方式，所述加速电极2为导电体，且所述加速电极2中与所述阴极、所述磁场产生装置正对的部分的表面设置有第二绝缘层，即所述加速电极2中除去延伸出所述推力器的喷口的部分，其余部分设置第二绝缘层。

作为一种可选的实施方式，所述微阴极电弧推力系统，还包括：脉冲发生器10；所述脉冲发生器10与所述绝缘栅双极型晶体管1的栅极连接；所述脉冲发生器10用于控制所述绝缘栅双极型晶体管1的断开和闭合。

作为一种可选的实施方式，所述保护器5为电阻。

作为一种可选的实施方式，所述电源3的电压为500V；所述电阻的阻值为50kΩ。

作为一种可选的实施方式，所述磁场产生装置9为励磁线圈或永磁铁。

所述微阴极电弧推力系统的工作原理如下：

当绝缘栅双极型晶体管1开关断开时，电源3为功率处理单元中的电容4供电，电容4进行充电；当绝缘栅双极型晶体管1开关闭合时，电源3为加速电极2供电，加速电极2上存在高电势；电容4放电，推力器的阴极8产生等离子体流，等离子体流在加速电极2电场力的作用下，径向速度减小，轴向速度升高，等离子体聚焦度提高，从而达到提高推力器推力的目的。

当加大输入电源3的电压时，一方面，可以提高微阴极电弧推力器两极板电压，从而增加推力器中的等离子密度；另一方面，可以提高加速电极2对等离子体流的加速以及束流水平。这样在保证电路中各元件正常工作的条件下，加大输入电压可以达到提高推力器推力的目的。

具体的，所述微阴极电弧推力系统中的加速电极2会对离开喷口的等离子体产生两方面的作用：一方面，等离子体受到来自加速电极2的径向作用力，从而减小了在径向上的发散，达到对等离子体进行束流的目的；另一方面，等离子体受到来自加速电极2轴向的作用力，从而达到加速等离子体流的目的。在加速电极2电压一定的情况下，等离子体流受到的两种作用力是相互制约的，当加速电极2扩张程度减小时，等离子体流中轴向运动的等离子体数目增加，轴向加速效果减弱；当加速电极2扩张程度增大时，等离子体流中轴向运动的等离子体数目减少，轴向效果增加。根据推力器不同的工作要求可适当调整加速电极2的扩张角度为15度、20度、30度等，加速电极2长度可以为4cm或5cm，加速电极2的材料可选择为不锈钢或抗离子溅射能力强的钛等，从而达到推力器最佳工作状态。

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方法及其核心思想；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 (10)

1.一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统，其特征在于，包括：功率处理单元、绝缘栅双极型晶体管、推力器、加速电极和电源；所述功率处理单元分别与所述绝缘栅双极型晶体管、所述推力器连接；所述绝缘栅双极型晶体管与所述推力器连接；所述电源分别与所述功率处理单元、所述绝缘栅双极型晶体管、所述推力器和所述加速电极连接；所述加速电极设置在所述推力器的喷口处；所述绝缘栅双极型晶体管用于控制所述电源为所述功率处理单元充放电以及控制所述电源为所述加速电极供电；所述功率处理单元用于使所述推力器的两极板间产生瞬态高压，形成等离子体流；所述加速电极用于对所述等离子体流加速。

2.根据权利要求1所述的一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统，其特征在于，所述功率处理单元包括电容和保护器；所述保护器的一端与所述电源的正极连接，所述保护器的另一端与所述电容的一端、所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接；所述电容的另一端与所述电源的负极连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统，其特征在于，所述推力器包括由内到外依次设置的阳极、第一绝缘层、阴极和磁场产生装置；所述阳极与所述绝缘栅双极型晶体管的发射极连接；所述阴极与所述电源的负极连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统，其特征在于，所述加速电极设置在所述阴极与所述磁场产生装置之间；所述加速电极与所述电源的正极连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统，其特征在于，所述加速电极延伸出所述推力器的喷口，且所述加速电极呈喇叭状。

6.根据权利要求5所述的一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统，其特征在于，所述加速电极为导电体，且所述加速电极中与所述阴极、所述磁场产生装置正对的部分的表面设置有第二绝缘层。

7.根据权利要求1所述的一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统，其特征在于，还包括：脉冲发生器；所述脉冲发生器与所述绝缘栅双极型晶体管的栅极连接；所述脉冲发生器用于控制所述绝缘栅双极型晶体管的断开和闭合。

8.根据权利要求2所述的一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统，其特征在于，所述保护器为电阻。

9.根据权利要求8所述的一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统，其特征在于，所述电源的电压为500V；所述电阻的阻值为50kΩ。

10.根据权利要求3所述的一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统，其特征在于，所述磁场产生装置为励磁线圈或永磁铁。

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