CN113123936B - 一种栅极加速微阴极电弧推进系统 - Google Patents

一种栅极加速微阴极电弧推进系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113123936B
CN113123936B CN202110422992.7A CN202110422992A CN113123936B CN 113123936 B CN113123936 B CN 113123936B CN 202110422992 A CN202110422992 A CN 202110422992A CN 113123936 B CN113123936 B CN 113123936B
Authority
CN
China
Prior art keywords
power supply
ignition
micro
cathode
grid
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
CN202110422992.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113123936A (zh
Inventor
王昊义
李健
吴建军
张宇
王墨戈
何振
赵元政
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.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
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 National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN202110422992.7A priority Critical patent/CN113123936B/zh
Publication of CN113123936A publication Critical patent/CN113123936A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113123936B publication Critical patent/CN113123936B/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
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0043—Electrostatic ion thrusters characterised by the acceleration grid
    • 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

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)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

本发明公开了一种栅极加速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、功率处理单元、电源系统和点火电路系统组成，通过在微阴极电弧推力器喷口处添加阴性加速栅极产生静电场，使喷出的等离子体流中的离子进一步加速。系统的优点在于能够提高微阴极电弧推力器的推进性能。此外，由于采用电容储能和点火器点火的方式，推力器的点火和放电都更为稳定。

Description

一种栅极加速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，具体涉及一种栅极加速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。虽然电感储能方式能够显著降低输入电压，但实际实验过程中发现，电感电路放电不稳定，电压的波动较大。同时，峰值放电电流较小，使得电弧对阴极材料的烧蚀较弱，无法提供大量的等离子体来产生推力，导致μ-CAT的推进性能较差。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
针对传统微阴极电弧推力器推进性能较差的问题，本发明提供了一种栅极加速微阴极电弧推进系统，能够通过阴性加速栅极产生静电场，使等离子体流中的离子进一步加速，以提高微阴极电弧推力器的推进性能。
本发明的技术方案如下：
一种栅极加速微阴极电弧推进系统，包括：
微阴极电弧推力器、功率处理单元、电源系统和点火电路系统；
所述微阴极电弧推力器包括阳极杆、工质阴极、绝缘介质、点火器阳极、点火器阴极、电磁线圈、限位喷管和加速栅极；所述功率处理单元包括储能电容和限流电阻；所述电源系统包括主放电电源、点火电路电源和加速栅极电源；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；所述加速栅极电源负极与加速栅极连接。
可选的：所述电磁线圈不需要提供额外的电源和电路系统，而是将其与储能电容串联后缠绕于微阴极电弧推力器的喷口外围，利用推力器工作时的放电电流来产生自感磁场。
可选的：所述储能电容选择造价低、耐压高、频率高的陶瓷电容，其电容量为25μF；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：所述加速栅极电源为100V直流电源，为加速栅极供电。
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、所述点火电路电源负极和所述加速栅极电源正极均接地。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
1.本发明中微阴极电弧推力器喷口处的阴性加速栅极能够产生静电场，使推力器喷口处喷出的等离子体流中的离子进一步加速，以提高推力器的推进性能。
2.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。
3.本发明采用点火器点火方式，相比于传统的无触发点火方式更为稳定，同时避免了由于导电薄膜不均匀烧蚀造成的提前失效问题，延长了推力器的使用寿命。
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-限位喷管；8-加速栅极；9-储能电容；10-限流电阻；11-主放电电源；12-点火电路源；13-加速栅极电源；14-点火电路系统；15-点火电源单元；16-点火启动单元；17-点火控制单元；18-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，本实施例中一种栅极加速微阴极电弧推进系统，包括：微阴极电弧推力器、功率处理单元、电源系统和点火电路系统14；所述微阴极电弧推力器包括阳极杆1、工质阴极2、绝缘介质3、点火器阳极4、点火器阴极5、电磁线圈6、限位喷管7和加速栅极8；所述功率处理单元包括储能电容9和限流电阻10；所述电源系统包括主放电电源11、点火电路电源12和加速栅极电源13；所述主放电电源11正极与所述限流电阻10一端连接，所述限流电阻10另一端分别与所述阳极杆1和所述储能电容9一端连接，所述储能电容9另一端、所述工质阴极2与所述主放电电源11负极连接；所述点火电路电源12正极与所述点火器阳极4连接，所述点火电路电源12负极与所述点火器阴极5连接；所述加速栅极电源13负极与加速栅极8连接。
作为一种可选的实施方式，所述电磁线圈6不需要提供额外的电源和电路系统，而是将其与储能电容9串联后缠绕于微阴极电弧推力器的喷口外围，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，所述储能电容9选择造价低、耐压高、频率高的陶瓷电容，其电容量为25μF；所述限流电阻10与主放电电源11相串联，其阻值为5kΩ。
作为一种可选的实施方式，所述主放电电源11为400V直流电源，为储能电容9供电。
作为一种可选的实施方式，所述点火电路电源12为28V低压直流电源，为点火电路系统14供电。
作为一种可选的实施方式，所述加速栅极电源13为100V直流电源，为加速栅极8供电。
作为一种可选的实施方式，所述点火电路系统14，具体包括：
点火电源单元15、点火启动单元16、点火控制单元17和电压调节单元18；
所述点火电源单元15用于将低压直流电源转换为高压脉冲，所述点火启动单元16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17用于发出点火信号并控制点火频率，所述电压调节单元18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9另一端、所述点火器阴极5、所述主放电电源11负极、所述点火电路电源12负极和所述加速栅极电源13正极均接地。
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17中的开关断开时，主放电电源11为储能电容9供电，点火电路电源12为点火启动单元16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17中的开关闭合时，点火启动单元16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9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，等离子体流在电磁线圈6产生的磁场和加速栅极8产生的静电场作用下加速喷出，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)

1.一种栅极加速微阴极电弧推进系统，其特征在于，包括：
微阴极电弧推力器、功率处理单元、电源系统和点火电路系统(14)；
所述微阴极电弧推力器包括阳极杆(1)、工质阴极(2)、绝缘介质(3)、点火器阳极(4)、点火器阴极(5)、电磁线圈(6)、限位喷管(7)和加速栅极(8)；所述功率处理单元包括储能电容(9)和限流电阻(10)；所述电源系统包括主放电电源(11)、点火电路电源(12)和加速栅极电源(13)；所述主放电电源(11)正极与所述限流电阻(10)一端连接，所述限流电阻(10)另一端分别与所述阳极杆(1)和所述储能电容(9)一端连接，所述储能电容(9)另一端、所述工质阴极(2)与所述主放电电源(11)负极连接；所述点火电路电源(12)正极与所述点火器阳极(4)连接，所述点火电路电源(12)负极与所述点火器阴极(5)连接；所述加速栅极电源(13)负极与所述加速栅极(8)连接。
2.如权利要求1所述的一种栅极加速微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述电磁线圈(6)不需要提供额外的电源和电路系统，而是将其与储能电容(9)串联后缠绕于微阴极电弧推力器的喷口外围，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所述的一种栅极加速微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述储能电容(9)选择耐压高、频率高的陶瓷电容，其电容量为25μF；所述限流电阻(10)与主放电电源(11)相串联，其阻值为5kΩ。
4.如权利要求1所述的一种栅极加速微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述主放电电源(11)为400V直流电源，为储能电容(9)供电。
5.如权利要求1所述的一种栅极加速微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述点火电路电源(12)为28V低压直流电源，为点火电路系统(14)供电。
6.如权利要求1所述的一种栅极加速微阴极电弧推进系统，其特征在于，所述加速栅极电源(13)为100V直流电源，为加速栅极(8)供电。
7.如权利要求1所述的一种栅极加速微阴极电弧推进系统，其特征在于：所述点火电路系统(14)，具体包括：
点火电源单元(15)、点火启动单元(16)、点火控制单元(17)和电压调节单元(18)；
所述点火电源单元(15)用于将低压直流电源转换为高压脉冲，所述点火启动单元(16)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(17)用于发出点火信号并控制点火频率，所述电压调节单元(18)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所述的一种栅极加速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(9)另一端、所述点火器阴极(5)、所述主放电电源(11)负极、所述点火电路电源(12)负极和所述加速栅极电源(13)正极均接地。
CN202110422992.7A 2021-04-17 2021-04-17 一种栅极加速微阴极电弧推进系统 Active CN113123936B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110422992.7A CN113123936B (zh) 2021-04-17 2021-04-17 一种栅极加速微阴极电弧推进系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110422992.7A CN113123936B (zh) 2021-04-17 2021-04-17 一种栅极加速微阴极电弧推进系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113123936A CN113123936A (zh) 2021-07-16
CN113123936B true CN113123936B (zh) 2022-03-04

Family

ID=76777789

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110422992.7A Active CN113123936B (zh) 2021-04-17 2021-04-17 一种栅极加速微阴极电弧推进系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113123936B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115681057B (zh) * 2023-01-03 2023-06-02 国科大杭州高等研究院 一种霍尔推进系统及其运行方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3053856B1 (fr) * 2016-07-07 2020-11-27 Airbus Defence & Space Sas Systeme d’alimentation electrique d’un propulseur electrique a effet hall
CN107091210B (zh) * 2017-05-18 2018-12-04 西安交通大学 一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器
CN111348224B (zh) * 2020-04-16 2022-05-24 哈尔滨工业大学 一种微阴极电弧推进系统
CN111486070B (zh) * 2020-04-16 2021-05-25 哈尔滨工业大学 一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113123936A (zh) 2021-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN201162635Y (zh) 双电极固体脉冲等离子体推进器
CN201315550Y (zh) 基于三极点火开关的高电压脉冲发生器
CN110486243B (zh) 一种微阴极电弧推进系统
US5296665A (en) Method of restarting a plasma arc torch using a periodic high frequency-high voltage signal
CN106640568A (zh) 一种双极固体烧蚀型等离子体加速器
CN111486070B (zh) 一种基于加速电极的微阴极电弧推力系统
CN113123936B (zh) 一种栅极加速微阴极电弧推进系统
US20230257135A1 (en) Micro-cathode arc propulsion system
CN113027718B (zh) 一种基于点火器的微阴极电弧推进系统
CN107143475A (zh) 用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路
CN111365207A (zh) 分段式脉冲等离子体推力器
US7482786B2 (en) Electric discharger using semiconductor switch
CN109731689B (zh) 一种静电除尘器用iegt大功率高压脉冲电源
CN115038207A (zh) 高频率大电流脉冲型氙灯预燃系统
RU2559027C1 (ru) Управляемый вакуумный разрядник
CN112104254A (zh) 一种静电除尘器用高压脉冲电源
CN204929372U (zh) 用于等离子体点火装置引弧的高频高压脉冲电路
CN117792142B (zh) 一种大功率高频脉冲等离子体电源及其充放电方法
US4185244A (en) High voltage nanosecond pulser using a repetitive series interrupter
CN215997403U (zh) 一种基于液电效应的震源装置
CN112383240B (zh) 一种基于磁开关的多脉冲放电装置和方法
CN106301061A (zh) 电子枪双极性高压电源
CN110912439B (zh) 一种基于脉冲变压器的高压脉冲升压电路及调节方法
US20030226827A1 (en) Method and apparatus for automatically re-igniting vacuum arc plasma source
RU2775741C1 (ru) Цепь зажигания и поддержания электронного разряда для электрической двигательной установки, содержащей бесподогревный диспенсерный катод

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