CN113027718B - 一种基于点火器的微阴极电弧推进系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于点火器的微阴极电弧推进系统，属于卫星微推进技术领域。本发明由微阴极电弧推力器本体、磁路系统、电源系统、限流电阻、储能电容和点火电路系统组成，通过点火电路系统控制点火器点火来产生初始带电粒子，从而诱导电极间电弧放电。系统的优点在于点火器点火方式相较于无触发点火方式更加稳定可控，同时避免了由于导电薄膜不均匀烧蚀带来的推力器提前失效问题，延长了使用寿命。此外，由于采用电容储能方式，相比于传统的电感储能方式放电更为稳定，能够提高微阴极电弧推进系统的工作稳定性。

Description

一种基于点火器的微阴极电弧推进系统
技术领域
本发明属于卫星微推进技术领域，具体涉及一种基于点火器的微阴极电弧推进系统。
背景技术
近年来，随着微纳卫星的迅猛发展，适用于其的微型电推力器具有非常好的发展前景。微阴极电弧推力器由于采用固态推进工质，金属阴极既作为放电阴极又作为推力器的推进工质，所以不需要额外的工质储存系统，使得整体结构简单，体积小，系统质量轻，在微纳卫星的姿态控制、轨道保持等任务上，有非常良好的应用前景。
传统的微阴极电弧推力器为了降低输入电压，减小推力器尺寸，通常采用电感储能和无触发点火相结合的方式。通过绝缘栅双极型晶体管控制电感的充放电，使得在较低的输入电压下就能在推力器阴阳极间产生数百伏的瞬时高压，用以击穿绝缘体表面的导电薄膜，产生微量的初始等离子体来诱发阴阳极间的电弧放电。无触发点火方式虽然不需要额外的点火装置，简化了系统结构，但导电薄膜的不均匀烧蚀会影响点火的稳定性，甚至导致推力器提前失效，限制了推力器的寿命。
发明内容
针对无触发点火方式由于导电薄膜不均匀烧蚀带来的点火不稳定和推力器提前失效问题，本发明提供了一种基于点火器的微阴极电弧推进系统，能够保证推力器的点火稳定性并延长其使用寿命。
本发明的技术方案如下：
一种基于点火器的微阴极电弧推进系统，包括：
微阴极电弧推力器本体、磁路系统、电源系统、限流电阻、储能电容和点火电路系统；
所述微阴极电弧推力器本体包括阳极杆、工质阴极、绝缘介质、点火器阳极和点火器阴极；所述磁路系统位于所述微阴极电弧推力器本体喷口外围，为其提供轴向磁场；所述电源系统包括主放电电源和点火电路电源，分别为所述储能电容和所述点火电路系统供电；所述主放电电源正极与所述限流电阻一端连接，所述限流电阻另一端分别与所述阳极杆和所述储能电容一端连接，所述储能电容另一端、所述工质阴极与所述主放电电源负极连接；所述点火电路电源正极与所述点火器阳极连接，所述点火电路电源负极与所述点火器阴极连接。
可选的，所述磁路系统不需要提供额外的电源和电路系统，而是将与储能电容相串联的电磁线圈缠绕于微阴极电弧推力器本体的喷口外围，利用推力器工作时的放电电流来产生自感磁场。
可选的，所述主放电电源为400V直流电源，为储能电容供电。
可选的，所述点火电路电源为28V低压直流电源，为点火电路系统供电。
可选的，所述限流电阻与主放电电源相串联，其阻值为5kΩ。
可选的，所述储能电容选择造价低、耐压高、频率高的陶瓷电容。
可选的：所述点火电路系统，具体包括：
点火电源单元、点火启动单元、点火控制单元和电压调节单元；
所述点火电源单元用于将低压直流电源转换为高压脉冲，所述点火启动单元用来接受点火信号并将电容的能量瞬间释放，所述点火控制单元用于发出点火信号并控制点火频率，所述电压调节单元用于稳定和调节初级变压器次级线圈的输出电压值，以保持稳压输出。
可选的：所述工质阴极、所述储能电容另一端、所述点火器阴极、所述主放电电源负极和所述点火电路电源负极均接地。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
1.本发明用点火器点火的方式取代了传统的非触发点火方式，使推力器点火更加稳定可控，同时避免了由于导电薄膜不均匀烧蚀带来的推力器提前失效问题，延长了其使用寿命。
2.本发明中磁路系统采用的是将电磁线圈串联在主放电电路当中，利用点火时的放电电流来产生自感磁场，无需再提供额外的电源和电路系统，简化了微阴极电弧推进系统，提高了系统的可靠性。
3.本发明采用电容储能方式，相比于传统的电感储能方式放电更为稳定，能够提高微阴极电弧推进系统的工作稳定性。
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为本发明实施例中微阴极电弧推力器本体结构图；
图2为本发明实施例中微阴极电弧推进系统电路图；
图3为本发明实施例中点火电路系统结构图。
附图标号说明：1-阳极杆；2-工质阴极；3-绝缘介质；4-点火器阳极；5-点火器阴极；6-磁路系统；7-限流电阻；8-储能电容；9-点火电路系统；10-主放电电源；11-点火电路电源；12-点火电源单元；13-点火启动单元；14-点火控制单元；15-电压调节单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。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、图2和图3分别为本发明实施例中的微阴极电弧推力器本体结构图、微阴极电弧推进系统电路图和点火电路系统结构图。
参见图1、图2和图3，本实施例中一种基于点火器的微阴极电弧推进系统，包括：微阴极电弧推力器本体、磁路系统6、电源系统、限流电阻7、储能电容8和点火电路系统9；所述微阴极电弧推力器本体包括阳极杆1、工质阴极2、绝缘介质3、点火器阳极4和点火器阴极5；所述磁路系统6位于微阴极电弧推力器本体喷口外围，为其提供轴向磁场；所述电源系统包括主放电电源10和点火电路电源11，分别为所述储能电容8和所述点火电路系统9供电；所述主放电电源10正极与所述限流电阻7一端连接，所述限流电阻7另一端分别与所述阳极杆1和所述储能电容8一端连接，所述储能电容8另一端和所述工质阴极2与所述主放电电源10负极连接；所述点火电路电源11正极与所述点火器阳极4连接，所述点火电路电源11负极与所述点火器阴极5连接。
作为一种可选的实施方式，所述磁路系统6不需要提供额外的电源和电路系统，而是将与储能电容8相串联的电磁线圈缠绕于微阴极电弧推力器本体的喷口外围，利用推力器工作时的放电电流来产生自感磁场。
作为一种可选的实施方式，所述主放电电源10为400V直流电源，为储能电容8供电。
作为一种可选的实施方式，所述点火电路电源11为28V低压直流电源，为点火电路系统供电9。
作为一种可选的实施方式，所述限流电阻7与主放电电源10相串联，其阻值为5kΩ。
作为一种可选的实施方式，所述储能电容8选择造价低、耐压高、频率高的陶瓷电容。
作为一种可选的实施方式：所述点火电路系统9，具体包括：
点火电源单元12、点火启动单元13、点火控制单元14和电压调节单元15；
所述点火电源单元12用于将低压直流电源转换为高压脉冲，所述点火启动单元13用来接受点火信号并将电容的能量瞬间释放，所述点火控制单元14用于发出点火信号并控制点火频率，所述电压调节单元15用于稳定和调节初级变压器次级线圈的输出电压值，以保持稳压输出。
作为一种可选的实施方式：所述工质阴极2、所述储能电容8另一端、所述点火器阴极4、所述主放电电源10负极和所述点火电路电源11负极均接地。
所述微阴极电弧推力系统的工作原理如下：
当点火控制单元14中的开关断开时，主放电电源10为储能电容8供电，点火电路电源11为点火启动单元13当中的电容供电，两部分电容同时进行充电；当点火控制单元14中的开关闭合时，点火启动单元13接收到点火信号后将电容中储存的能量瞬间释放，点火器阳极4和点火器阴极5间产生瞬时高压，点火器点火被击穿产生微量初始带电粒子；这些初始带电粒子引发阳极杆1和工质阴极2间击穿，导致储能电容8开始放电；工质阴极2受到焦耳放热效应烧蚀产生等离子体流，等离子体流在磁路系统6产生的磁场作用下加速喷出，从而产生推力。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于点火器的微阴极电弧推进系统，其特征在于，包括：
微阴极电弧推力器本体、磁路系统(6)、电源系统、限流电阻(7)、储能电容(8)和点火电路系统(9)；
所述微阴极电弧推力器本体包括阳极杆(1)、工质阴极(2)、绝缘介质(3)、点火器阳极(4)和点火器阴极(5)；所述磁路系统(6)位于推力器本体喷口外围，为其提供轴向磁场；所述电源系统包括主放电电源(10)和点火电路电源(11)，分别为所述储能电容(8)和所述点火电路系统(9)供电；所述主放电电源(10)正极与所述限流电阻(7)一端连接，所述限流电阻(7)另一端分别与所述阳极杆(1)和所述储能电容(8)一端连接，所述储能电容(8)另一端和所述工质阴极(2)与所述主放电电源(10)负极连接；所述点火电路电源(11)正极与所述点火器阳极(4)连接，所述点火电路电源(11)负极与所述点火器阴极(5)连接。
2.如权利要求1所述的一种基于点火器的微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述磁路系统(6)不需要提供额外的电源和电路系统，而是将与储能电容(8)相串联的电磁线圈缠绕于微阴极电弧推力器本体的喷口外围，利用推力器工作时的放电电流来产生自感磁场。
3.如权利要求1所述的一种基于点火器的微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述主放电电源(10)为400V直流电源，为储能电容(8)供电。
4.如权利要求1所述的一种基于点火器的微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述点火电路电源(11)为28V低压直流电源，为点火电路系统(9)供电。
5.如权利要求1所述的一种基于点火器的微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述限流电阻(7)与主放电电源(10)相串联，其阻值为5kΩ。
6.如权利要求1所述的一种基于点火器的微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述储能电容(8)选择陶瓷电容。
7.如权利要求1所述的一种基于点火器的微阴极电弧推进系统，其特征在于：所述点火电路系统(9)，具体包括：
点火电源单元(12)、点火启动单元(13)、点火控制单元(14)和电压调节单元(15)；
所述点火电源单元(12)用于将低压直流电源转换为高压脉冲，所述点火启动单元(13)用来接受点火信号并将电容的能量瞬间释放，所述点火控制单元(14)用于发出点火信号并控制点火频率，所述电压调节单元(15)用于稳定和调节初级变压器次级线圈的输出电压值，以保持稳压输出。
8.如权利要求1所述的一种基于点火器的微阴极电弧推进系统，其特征在于：所述工质阴极(2)、所述储能电容(8)另一端、所述点火器阴极(5)、所述主放电电源(10)负极和所述点火电路电源(11)负极均接地。
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