CN112392675B - 一种阵列式电热等离子体加速装置 - Google Patents

一种阵列式电热等离子体加速装置 Download PDF

Info

Publication number
CN112392675B
CN112392675B CN202011148657.4A CN202011148657A CN112392675B CN 112392675 B CN112392675 B CN 112392675B CN 202011148657 A CN202011148657 A CN 202011148657A CN 112392675 B CN112392675 B CN 112392675B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cathode
ignition
circuit
array type
cavity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011148657.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112392675A (zh
Inventor
刘祺
杨磊
赵絮
黄玉平
郑再平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls
Original Assignee
Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls filed Critical Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls
Priority to CN202011148657.4A priority Critical patent/CN112392675B/zh
Publication of CN112392675A publication Critical patent/CN112392675A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112392675B publication Critical patent/CN112392675B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0093—Electro-thermal plasma thrusters, i.e. thrusters heating the particles in a plasma
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0006—Details applicable to different types of plasma thrusters
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54—Plasma accelerators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

一种阵列式电热等离子体加速装置，属于空间电推进技术领域，克服现有技术存在的烧蚀不可控、推力难以精确控制、总冲低下等问题，通过阵列式的设计，对参与放电的腔体单元进行控制，在保持加速装置结构与可靠性优势的条件下达到控制烧蚀量、从而调节推力的效果，并通过阵列式的推进剂排布形成放电腔组，提升加速装置的总冲，使其满足多样化的空间推进任务需求，并拓展应用的领域。

Description

一种阵列式电热等离子体加速装置
技术领域
本发明涉及一种阵列式电热等离子体加速装置，属于空间电推进技术领域。
背景技术
随着商业航天的蓬勃发展，微小型航天器领域不断进行着技术革新和进步。为提升其在轨寿命，微小型航天器对微推进系统的需求日益增长。
电热等离子体加速装置具有系统体积小，成本低，在低功率下仍能保持高比冲等特点，是最具潜力的微小型航天器在轨推进系统之一，极具发展前景。脉冲电热加速装置采用固体推进剂，系统中不含推进剂储箱，因此大大简化了推进系统结构，并提升了系统的可靠性。
面对愈加多样化的空间推进任务，如轨道保持、姿态调整、编队飞行等，低轨微小型卫星的推进装置需要具有推力可控的能力，然而，电热等离子体加速装置的固体推进剂的烧蚀供给不可控。另外，微小型卫星长期在轨的需求也对推进装置的总冲提出了要求，而目前电热等离子体加速装置的总冲偏低，难以开展长时间多任务的在轨推进工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术存在的总冲低下、推力调节范围小等问题，提供了一种阵列式电热等离子体加速装置，实现对参与放电的腔体单元的选择和点火控制，在保持加速装置结构与可靠性优势的条件下达到控制总烧蚀供给量、扩大推力调节范围的效果，并通过阵列式的推进剂排布形成放电腔组，提升加速装置的总冲，使其满足多样化的空间推进任务需求，并拓展应用的领域。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种阵列式电热等离子体加速装置，包括阴极支架、阳极底板、单喷管阴极、火花塞、绝缘安装板、单腔固体推进剂、控制电路；
所述阴极支架上设有多个环向排布的安装孔，每个安装孔内均安装有所述单喷管阴极；所述阴极支架和单喷管阴极上均设有固定孔，所述火花塞同时穿过阴极支架和单喷管阴极的固定孔，用于点火，每个单喷管阴极对应一个独立的火花塞，所述火花塞由所述控制电路的点火子电路控制点火；所述绝缘安装板位于阴极支架和阳极底板之间用于绝缘，绝缘安装板上设有多个通孔，通孔位置与所述安装孔位置对应，每个通孔内均安装有单腔固体推进剂，各单腔固体推进剂阵列式排布构成腔组；所述阳极底板上设有伸入每个所述通孔的凸起，所述单喷管阴极的头部伸入到所述通孔内，单腔固体推进剂位于所述凸起和单喷管阴极的头部之间；所述单喷管阴极和阳极底板之间持有电压；
所述阴极支架、阳极底板均为导体，各单喷管阴极由阴极支架导通；所述阴极支架与阳极底板之间并联多个可单独控制充电的储能电容；所述多个可单独控制充电的储能电容构成控制电路的充电子电路。
上述阵列式电热等离子体加速装置，优选的，所述单腔固体推进剂为带有中空腔体的圆柱体。
上述阵列式电热等离子体加速装置，优选的，所述多个安装孔沿圆周均匀分布。
上述阵列式电热等离子体加速装置，优选的，所述固定孔为螺纹孔。
上述阵列式电热等离子体加速装置，优选的，所述单腔固体推进剂采用聚四氟乙烯材料。
上述阵列式电热等离子体加速装置，优选的，所述单喷管阴极为带有中空圆锥腔体的圆柱体。
上述阵列式电热等离子体加速装置，优选的，所述安装孔的数量为6个或8个或9个。
上述阵列式电热等离子体加速装置，优选的，所述控制电路的点火子电路用于独立控制每个火花塞点火。
上述阵列式电热等离子体加速装置，优选的，所述控制电路还包括控制模块；所述充电子电路用于提供电压作用于所述单喷管阴极和阳极底板之间；所述点火子电路提供脉冲电压用于火花塞点火；所述控制模块用于控制点火子电路和充电子电路。
上述阵列式电热等离子体加速装置，优选的，通过所述点火子电路控制点火的火花塞的数量，调节所述加速装置的推力。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明所涉及的加速装置通过阵列式的排布形成放电腔组，提升加速装置的总冲；
(2)本发明装置阵列中参与点火的放电腔数目可调，因此固体推进剂的总烧蚀供给量可控，扩大了推力性能的调节范围；
(3)本发明装置阵列式的布局在保障总烧蚀供给的条件下，降低单个放电腔的烧蚀质量，减缓了放电过程中放电腔内径增大的进程，使推力器性能平稳并提高元冲量和总冲；
(4)本发明装置各个放电腔之间阴极相互导通，阳极也相互导通，加速装置仅使用一套充电子电路，保持结构简单；
(5)本发明装置中具有相同编号的火花塞和储能电容受到同一组控制模块开关信号的控制，使工作的火花塞数目与充电的储能电容数目一致，每个放电室分配的能量保持相同，使推力器性能易于控制；
(6)本发明装置的点火控制策略能够使各放电腔之间的烧蚀量均匀，延长加速装置的寿命；
(7)本发明装置使用独立的单腔固体推进剂结构，有效避免了腔组中各腔体之间的沿面放电现象的发生，提升了装置的可靠性。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的主视图及侧视剖面图；
图3为本发明装置中控制电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本发明所述的阵列式电热等离子体加速装置如图1所示，包括阴极支架1、阳极底板2、单喷管阴极3、火花塞4、绝缘安装板5、单腔固体推进剂6。
单喷管阴极3安装在阴极支架1的安装孔内，安装孔均布在多孔阴极支架1的圆周上，如图2侧视剖面图所示。单腔固体推进剂6是有中心腔体的圆柱体，单腔固体推进剂6安装在多孔绝缘安装板5的孔内。独立的单腔固体推进剂结构有效避免了腔组中各腔体之间的沿面放电现象的发生。阴极支架1为导体，使单喷管阴极3之间相互导通。阴极支架1和单喷管阴极3均设有用于安装火花塞4的螺纹孔，火花塞4的螺纹将二者定位和连接。
阳极底板2上沿圆周均布着与单腔固体推进剂6外径相同的圆柱凸起，阴极底板2的圆柱状凸起结构和单喷管阳极3的头部在安装时均进入到多孔绝缘安装板5的孔内，能够将各个单腔推进剂隔绝，避免结构缝隙导致的腔组内腔体之间的放电现象。各个放电腔的阴极彼此导通，阳极也彼此导通，多个放电腔共用一套充电设备，简化充电模块和加速装置结构。
本发明还包括控制电路，如图3所示，所述控制电路用于独立控制每个火花塞4点火和储能电容充电。所述控制电路包括点火子电路8、充电子电路9、控制模块10；所述点火子电路8提供脉冲电压用于N个火花塞4点火；所述充电子电路9用于提供电压作用于所述单喷管阴极3和阳极底板2之间；所述控制模块10用于控制充电子电路和充电子电路。
本发明所述的阵列式电热等离子体加速装置能够控制放电腔数目，实现推力性能的调节，具体实施方法如下：
充电子电路9中，采用储能电容，由N个电容器并联组成，每个并联支路上设有控制开关，即每个电容可独立控制。点火子电路8中，利用开关对每个火花塞进行单独控制。N个放电腔体、与放电腔体相对应的N个点火输出子电路开关(以及相应的N个火花塞)、N个并联的储能电容(以及储能电容的开关)分别有1～N的编号。通过改变点火输出子电路开关闭合数目，控制加速装置的烧蚀量；通过改变接入电路的储能电容数目，控制放电总能量。点火子电路的开关和储能电容的开关中，具有相同编号的两个开关受到控制模块10中同一组控制开关信号控制，使工作的火花塞数目与充电的储能电容数目一致，保证各放电腔的放电能量恒定，不受每次点火的放电腔数目变化的影响。通过以上方法，控制开关闭合数目，使加速装置的推力可调。
本发明中控制模块选择放电腔进行点火控制的策略能够保证长时间工作后不同放电腔内的工质烧蚀程度基本一致，具体控制策略如下：
按照火花塞1～N的编号由小到大的顺序进行点火控制。例如，根据空间任务对推力的要求，在某一工况下选择k(1≤k≤N)个放电腔同时点火，则控制模块在第一次脉冲工作中选择1～k号火花塞同时点火，对应的1～k号放电腔体进行放电；第二次脉冲工作时顺次选择(k+1)～2k号火花塞同时点火，以此类推，当N个火花塞全部进行了一次点火，则循环回到编号为1的火花塞。由此，在长时间工作后，不同放电腔内的工质烧蚀程度能够保持一致。
与传统单腔结构的电热等离子体加速装置相比，在相同能量注入的条件下，本发明的总冲性能具有显著优势，具体分析如下：
加速装置的总冲Itotal表示为
Itotal＝nIbit (1)
其中n为点火次数，Ibit为元冲量，元冲量与单次脉冲烧蚀供给质量mbit的关系为
Ibit＝mbitv (2)
其中v为等离子体喷出速度。在推进装置点火次数(放电频率)以及加速条件一定时，扩大烧蚀表面积A能够增大烧蚀供给，因此，提升元冲量Ibit及总冲Itotal的关键在于扩大烧蚀表面积。烧蚀表面积A表示为
A＝πdL (3)
其中L为推进剂轴向长度，d为放电腔直径，加长L或增大d都能达到扩大A的效果，然而L的加长使阴极与阳极之间的击穿电压提高，要求充电子电路9提供更高的充电电压，增加了系统的复杂性；d的增大将削减气动力，阻碍元冲量的提升。因此，本发明阵列式的布局能够在不增大充电电压且不削减气动力的条件下提升单次放电的元冲量，并有效提高总冲；同时，阵列式的布局在保障总烧蚀供给的条件下，降低单个放电腔的烧蚀质量，减缓了放电过程中放电腔内径增大的进程，使推力器性能平稳。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种阵列式电热等离子体加速装置，其特征在于，包括阴极支架（1）、阳极底板（2）、单喷管阴极（3）、火花塞（4）、绝缘安装板（5）、单腔固体推进剂（6）、控制电路；
所述阴极支架（1）上设有多个环向排布的安装孔，每个安装孔内均安装有所述单喷管阴极（3）；所述阴极支架（1）和单喷管阴极（3）上均设有固定孔，所述火花塞（4）同时穿过阴极支架（1）和单喷管阴极（3）的固定孔，用于点火，每个单喷管阴极（3）对应一个独立的火花塞（4），所述火花塞（4）由所述控制电路的点火子电路（8）控制点火；所述绝缘安装板（5）位于阴极支架（1）和阳极底板（2）之间用于绝缘，绝缘安装板（5）上设有多个通孔，通孔位置与所述安装孔位置对应，每个通孔内均安装有单腔固体推进剂（6），各单腔固体推进剂（6）阵列式排布构成腔组；所述阳极底板（2）上设有伸入每个所述通孔的凸起（7），所述单喷管阴极（3）的头部伸入到所述通孔内，单腔固体推进剂（6）位于所述凸起（7）和单喷管阴极（3）的头部之间；所述单喷管阴极（3）和阳极底板（2）之间持有电压；
所述阴极支架（1）、阳极底板（2）均为导体，各单喷管阴极（3）由阴极支架（1）导通；所述阴极支架（1）与阳极底板（2）之间并联多个可单独控制充电的储能电容；所述多个可单独控制充电的储能电容构成控制电路的充电子电路（9）；点火子电路（8）的开关和储能电容的开关相对应，且受同一信号控制，使工作的火花塞（4）数目与充电的储能电容数目一致；
控制电路通过点火控制策略使得长时间工作后不同放电腔内的工质烧蚀程度基本一致；
所述固定孔为 螺纹孔。
2.根据权利要求1所述的一种阵列式电热等离子体加速装置，其特征在于，所述单腔固体推进剂（6）为带有中空腔体的圆柱体。
3.根据权利要求1所述的一种阵列式电热等离子体加速装置，其特征在于，所述多个安装孔沿圆周均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种阵列式电热等离子体加速装置，其特征在于，所述单腔固体推进剂（6）采用聚四氟乙烯材料。
5.根据权利要求1所述的一种阵列式电热等离子体加速装置，其特征在于，所述单喷管阴极（3）为带有中空圆锥腔体的圆柱体。
6.根据权利要求1所述的一种阵列式电热等离子体加速装置，其特征在于，所述安装孔的数量为6个或8个或9个。
7.根据权利要求1所述的一种阵列式电热等离子体加速装置，其特征在于，所述控制电路的点火子电路（8）用于独立控制每个火花塞（4）点火。
8.根据权利要求6所述的一种阵列式电热等离子体加速装置，其特征在于，所述控制电路还包括控制模块（10）；所述充电子电路（9）用于提供电压作用于所述单喷管阴极（3）和阳极底板（2）之间；所述点火子电路（8）提供脉冲电压用于火花塞（4）点火；所述控制模块（10）用于控制点火子电路（8）和充电子电路（9）。
9.根据权利要求1~8之一所述的一种阵列式电热等离子体加速装置，其特征在于，通过所述点火子电路（8）控制点火的火花塞（4）的数量，调节所述加速装置的推力。
CN202011148657.4A 2020-10-23 2020-10-23 一种阵列式电热等离子体加速装置 Active CN112392675B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011148657.4A CN112392675B (zh) 2020-10-23 2020-10-23 一种阵列式电热等离子体加速装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011148657.4A CN112392675B (zh) 2020-10-23 2020-10-23 一种阵列式电热等离子体加速装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112392675A CN112392675A (zh) 2021-02-23
CN112392675B true CN112392675B (zh) 2022-03-04

Family

ID=74596989

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011148657.4A Active CN112392675B (zh) 2020-10-23 2020-10-23 一种阵列式电热等离子体加速装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112392675B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6279314B1 (en) * 1998-12-30 2001-08-28 Societe Nationale D'etude Et De Construction De Moteurs D'aviation-S.N.E.C.M.A. Closed electron drift plasma thruster with a steerable thrust vector
CN105649906A (zh) * 2015-12-25 2016-06-08 上海空间推进研究所 小孔阵列微型静电式电推力器
CN105704901A (zh) * 2016-02-29 2016-06-22 中国科学院工程热物理研究所 一种蜂窝型介质阻挡放电等离子体推进装置
CN109386443A (zh) * 2018-09-28 2019-02-26 四川大学 阵列式电容耦合射频等离子体微推进器
CN110131120A (zh) * 2019-06-28 2019-08-16 中国人民解放军国防科技大学 固体烧蚀型磁等离子体推力器
CN111140447A (zh) * 2019-12-23 2020-05-12 北京航空航天大学 一种用于电推进的包括旁置电磁线圈的矢量磁喷管

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6279314B1 (en) * 1998-12-30 2001-08-28 Societe Nationale D'etude Et De Construction De Moteurs D'aviation-S.N.E.C.M.A. Closed electron drift plasma thruster with a steerable thrust vector
CN105649906A (zh) * 2015-12-25 2016-06-08 上海空间推进研究所 小孔阵列微型静电式电推力器
CN105704901A (zh) * 2016-02-29 2016-06-22 中国科学院工程热物理研究所 一种蜂窝型介质阻挡放电等离子体推进装置
CN109386443A (zh) * 2018-09-28 2019-02-26 四川大学 阵列式电容耦合射频等离子体微推进器
CN110131120A (zh) * 2019-06-28 2019-08-16 中国人民解放军国防科技大学 固体烧蚀型磁等离子体推力器
CN111140447A (zh) * 2019-12-23 2020-05-12 北京航空航天大学 一种用于电推进的包括旁置电磁线圈的矢量磁喷管

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
毛细管型脉冲等离子体推力器研究现状综述;王亚楠等;《电工技术学报》;20181130;第5358-5367页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112392675A (zh) 2021-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106050593B (zh) 基于Marx发生器的等离子体合成射流串联放电装置及方法
CN107091210B (zh) 一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器
CN210106081U (zh) 固体烧蚀型磁等离子体推力器
CN112392675B (zh) 一种阵列式电热等离子体加速装置
CN109737023B (zh) 一种环形椎体结构阳极的自击穿型脉冲等离子体推力器
US20100024385A1 (en) Pulsed plasma thruster and method of operation thereof
CN106523313A (zh) 一种微脉冲等离子体推力器
CN110131120B (zh) 固体烧蚀型磁等离子体推力器
CN106704133A (zh) 一种采用储气电极的无触发式微真空弧推进器
CN107654347B (zh) 一种高性能固体烧蚀型脉冲等离子体电推进装置
CN116771548A (zh) 一种空间用化学-电弧组合动力推力器及其运用方法
CN113716074B (zh) 一种具有电推进系统的卫星
US11629706B2 (en) Vacuum cathode arc-induced pulsed thruster
McDaniel et al. The ZR refurbishment project
CN113187622B (zh) 一种电-化学混合动力空间推力器
CN112373728B (zh) 一种用于空间引力波探测的组合式电推进装置及控制方法
CN206592256U (zh) 一种采用储气电极的无触发式微真空弧推进器
US6173565B1 (en) Three axis pulsed plasma thruster with angled cathode and anode strip lines
CN107587989B (zh) 一种高效率双状态固体脉冲等离子体推力器
Kim Development of a deployable vacuum arc thruster system for the post-mission disposal of micro/nano satellites
CN208221008U (zh) 同轴极板型激光支持的脉冲等离子体推力器
CN220909842U (zh) 多电极电控固体微推进器
CN115247632B (zh) 阵列式电控固体电弧微推力器
Liu et al. Experimental study on ignition reliability of pulsed plasma thrusters
CN116546716B (zh) 一种同时放电的多路等离子体合成射流装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant