CN111878338A - 脉冲等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲等离子体推力器，脉冲等离子体推力器中，壳体形成与真空环境隔离的内部腔室，阳极固定于所述壳体，所述阳极通过阳极连接线连接到脉冲电源的正极，所述阳极设有朝向阴极的通孔，阴极固定于所述壳体，所述阴极通过阴极连接线连接到脉冲电源的负极，金属丝穿过所述通孔抵接阴极，所述阳极、金属丝和阴极暴露于真空环境中，响应于脉冲信号，所述金属丝加载脉冲电流电爆炸形成等离子体。

Description

脉冲等离子体推力器

技术领域

本发明属于航天技术领域，特别是一种脉冲等离子体推力器。

背景技术

在航天领域，基于等离子体的电推进技术是太空航行的必由之路。但是传统基于脉冲放电的等离子体推力器以热等离子体烧蚀推进剂产生推力为主，能量利用率低、放电稳定性不高、可控性较差，这严重制约了等离子体在航天领域的应用。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种脉冲等离子体推力器采用脉冲电流驱动金属丝电爆炸，能量利用率高、放电稳定性高、可控性较好的推力方式，在航天推力器具有广阔的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种脉冲等离子体推力器包括：

壳体，其形成与真空环境隔离的内部腔室，

阳极，其固定于所述壳体，所述阳极通过阳极连接线连接到脉冲电源的正极，所述阳极设有朝向阴极的通孔，

阴极，其固定于所述壳体，所述阴极通过阴极连接线连接到脉冲电源的负极，

金属丝，其穿过所述通孔抵接阴极，所述阳极、金属丝和阴极暴露于真空环境中，响应于脉冲信号，所述金属丝加载脉冲电流电爆炸形成等离子体。

所述的脉冲等离子体推力器中，脉冲等离子体推力器还包括邻近所述金属丝且位于所述内部腔室的推进单元，所述推进单元包括被所述等离子体烧蚀的推进剂和用于输送推进剂的送料机构，所述送料机构输送推进剂距离金属丝预定距离。

所述的脉冲等离子体推力器中，所述脉冲等离子体推力器还包括用于加速等离子体的磁场装置，所述磁场装置设在所述内部腔室中。

所述的脉冲等离子体推力器中，所述磁场装置提供不同位型和磁场强度的磁场。

所述的脉冲等离子体推力器中，所述脉冲等离子体推力器还包括用于矫正金属丝位置的矫丝机构，其设在所述内部腔室且固定于阳极远离阴极的一侧。

所述的脉冲等离子体推力器中，所述矫丝机构包括套管。

所述的脉冲等离子体推力器中，所述脉冲等离子体推力器还包括持续输送金属丝穿过通孔抵达阴极的送丝机构，所述送丝机构设在所述内部腔室。

所述的脉冲等离子体推力器中，所述送丝机构包括收放卷单元。

所述的脉冲等离子体推力器中，所述脉冲等离子体推力器还包括用于时序控制单元，其连接所述送丝机构和矫丝机构使得金属丝重复频率电爆炸。

所述的脉冲等离子体推力器中，位于阳极和阴极质检的金属丝长度在0.1cm～20cm之间，直径在5um～1000um之间。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

相比于传统热等离子体推进，本发明采用脉冲电流驱动金属丝电爆炸，工作时金属丝被脉冲电流驱动实现电爆炸，将预定参数的脉冲电流通过纤细的金属丝中，会导致金属丝快速气化爆炸并产生高密度，可达1023/cm³的金属等离子体。金属丝电爆炸过程能量沉积效率高，通过调节回路参数达到匹配，电爆炸过程中负载消耗的能量可达初始储能的90％以上。同时，等离子体电离率高，可以产生高密度的金属离子。金属丝电爆炸产生的金属等离子体密度高，金属离子质量大，一次电爆炸放电能产生很高的冲量，爆炸产物以一定速度向外喷射，产生初始推力；同时，电爆炸过程中会形成等离子体，等离子体在磁场的作用下向外加速，产生进一步推力；此外，电爆炸过程中的粒子、辐射会导致推力器侧推进剂烧蚀，以一定速度向外运动，产生后续推力。本发明对于脉冲等离子体推力器相关应用具有十分重要的意义。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的脉冲等离子体推力器的结构示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1所示，脉冲等离子体推力器包括，

壳体1，其形成与真空环境隔离的内部腔室，

阳极5，其固定于所述壳体1，所述阳极5通过阳极连接线11连接到脉冲电源的正极，所述阳极5设有朝向阴极8的通孔，

阴极8，其固定于所述壳体1，所述阴极8通过阴极连接线9连接到脉冲电源的负极，

金属丝6，其穿过所述通孔抵接阴极8，所述阳极5、金属丝6和阴极8暴露于真空环境中，响应于脉冲信号，所述金属丝6加载脉冲电流电爆炸形成等离子体。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，脉冲等离子体推力器还包括邻近所述金属丝6且位于所述内部腔室的推进单元7，所述推进单元7包括被所述等离子体烧蚀的推进剂和用于输送推进剂的送料机构10，所述送料机构10输送推进剂距离金属丝6预定距离。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，所述脉冲等离子体推力器还包括用于加速等离子体的磁场装置2，所述磁场装置2设在所述内部腔室中。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，所述磁场装置2提供不同位型和磁场强度的磁场。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，所述脉冲等离子体推力器还包括用于矫正金属丝6位置的矫丝机构4，其设在所述内部腔室且固定于阳极5远离阴极8的一侧。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，所述矫丝机构4包括套管。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，所述脉冲等离子体推力器还包括持续输送金属丝6穿过通孔抵达阴极8的送丝机构3，所述送丝机构3设在所述内部腔室。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，所述送丝机构3包括收放卷单元。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，所述脉冲等离子体推力器还包括用于时序控制单元，其连接所述送丝机构3和矫丝机构4使得金属丝6重复频率电爆炸。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，位于阳极5和阴极8质检的金属丝6长度在0.1cm～20cm之间，直径在5um～1000um之间。金属丝长度在0.1cm～20cm范围内，能够保证较好的能量沉积和稳定的触发效果；金属丝直径在5um～1000um范围内能够确保稳定的触发效果。通过调节金属丝长度和直径配合方案，可以在宽范围内实现丝爆触发过程的调节和元冲量输出调节。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，壳体1外的所述阳极5、金属丝6和阴极8构造成喷射结构，使得金属丝6电爆炸产生的推力朝向预定方向。

进一步地，所述喷射结构为凹形构造，其凹口背向所述推进单元7。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，所述的脉冲等离子体推力器为平板型脉冲等离子体推力器。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，所述时序控制器连接所述脉冲电源以调节脉冲参数。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，所述时序控制器连接所述脉冲电源，时序控制器发出脉冲信号，脉冲电源响应于所述脉冲信号生产预定参数的脉冲电流。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，所述阴极8设有通孔，金属丝6穿过阴极8的通孔抵达阳极5。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，金属丝6通过阳极5中的小孔送至阴极8，所述金属丝6与部分阳极5和阴极8暴露在真空环境中，其他部分通过外壳与支撑实现固定与密封。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，阳极5通过阳极连接线11连接到脉冲电源的正极，阴极8通过阳极连接线11连接到脉冲电源的负极，工作时，脉冲电流加载在金属丝6上，引发电爆炸。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，外壳与支撑实现内部机构与外部空间的隔离。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，所述的外部空间为实验室腔体或真实宇宙空间或地表临近空间。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，磁场装置2可以为电磁线圈，也可以为永磁体。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，通过送丝机构3与矫丝机构4实现电极间金属丝6推送，时序与控制通过控制线12连接，以便实现推力器重复频率运行。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，推进剂通过送料机构10保持在金属丝6附近。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，推进剂具有预定的电气绝缘强度。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，单根金属丝6长度在0.1cm～20cm之间，直径在5um～1000um之间。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，金属丝6材质可以为任意金属材质或合金，或具有一定电导率的复合材料，也可以为碳纤维，也可以为半导体材质。

所述的脉冲等离子体推力器的优选实施例中，脉冲等离子体推力器包括平板形状的阳极5和阴极8，阳极5设有小孔，送丝机构3与矫丝机构4配合将金属丝6穿过阳极5小孔到达阴极8，实现阳极5与阴极8的电气连接；阳极5、阴极8之外设有磁场装置2，用于提供不同位型的磁场。

工作时金属丝6被脉冲电流驱动实现电爆炸，爆炸产物以一定速度向外喷射，产生初始推力；同时，电爆炸过程中会形成等离子体，等离子体在磁场的作用下向外加速，产生进一步推力；此外，电爆炸过程中的粒子、辐射会导致推力器侧推进剂烧蚀，以一定速度向外运动，产生后续推力；整个系统通过外壳与支撑在机械上将上述结构固定，并提供电气连接与电气绝缘。本发明、基于金属丝6电爆炸，增加了放电的稳定性，降低了异常放电概率，结合相变、电磁、加热机制，增加了推力器推力。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种脉冲等离子体推力器，其包括，

壳体，其形成与真空环境隔离的内部腔室，

阳极，其固定于所述壳体，所述阳极通过阳极连接线连接到脉冲电源的正极，所述阳极设有朝向阴极的通孔，

阴极，其固定于所述壳体，所述阴极通过阴极连接线连接到脉冲电源的负极，

金属丝，其穿过所述通孔抵接阴极，所述阳极、金属丝和阴极暴露于真空环境中，响应于脉冲信号，所述金属丝加载脉冲电流电爆炸形成等离子体。

2.根据权利要求1所述的脉冲等离子体推力器，其中，优选的，脉冲等离子体推力器还包括邻近所述金属丝且位于所述内部腔室的推进单元，所述推进单元包括被所述等离子体烧蚀的推进剂和用于输送推进剂的送料机构，所述送料机构输送推进剂距离金属丝预定距离。

3.根据权利要求1所述的脉冲等离子体推力器，其中，所述脉冲等离子体推力器还包括用于加速等离子体的磁场装置，所述磁场装置设在所述内部腔室中。

4.根据权利要求3所述的脉冲等离子体推力器，其中，所述磁场装置提供不同位型和磁场强度的磁场。

5.根据权利要求1所述的脉冲等离子体推力器，其中，所述脉冲等离子体推力器还包括用于矫正金属丝位置的矫丝机构，其设在所述内部腔室且固定于阳极远离阴极的一侧。

6.根据权利要求5所述的脉冲等离子体推力器，其中，所述矫丝机构包括套管。

7.根据权利要求5所述的脉冲等离子体推力器，其中，所述脉冲等离子体推力器还包括持续输送金属丝穿过通孔抵达阴极的送丝机构，所述送丝机构设在所述内部腔室。

8.根据权利要求7所述的检测装置，其中，所述送丝机构包括收放卷单元。

9.根据权利要求7所述的脉冲等离子体推力器，其中，所述脉冲等离子体推力器还包括用于时序控制单元，其连接所述送丝机构和矫丝机构使得金属丝重复频率电爆炸。

10.根据权利要求1所述的脉冲等离子体推力器，其中，位于阳极和阴极质检的金属丝长度在0.1cm～20cm之间，直径在5um～1000um之间。

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