CN113137318A - 一种基于电阻加热方式的离子推进剂电点火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于电阻加热方式的离子推进剂电点火方法。包括在推力器中的推进剂流道中设置成对电极，成对电极连接电源系统，利用电源系统通过导线给所述成对电极接入电压，成对电极的中间留有一定距离的电极间隙；当离子推进剂流入推进剂流道后，离子推进剂的液体充满电极间隙，利用离子推进剂的自有阻抗将推进剂流道的电路导通，电流流过离子推进剂，离子推进剂在电流热效应的作用下被加热，离子推进剂发生蒸发分解反应，随着离子推进剂的温度逐渐升高，离子推进剂逐渐被点燃。本发明利用离子推进剂自有电阻在通电状态下产生热量实现加热离子推进剂自身，从而实现离子推进剂的蒸发和分解。将电能转化为离子推进剂的能量，转化效率高。

Description

一种基于电阻加热方式的离子推进剂电点火方法
技术领域
本发明涉及推进剂点火技术领域，尤其涉及一种基于电阻加热方式的离子推进剂电点火方法。
背景技术
过去几十年以来，无水肼单组元推进剂被广泛用于卫星的姿轨控制、小卫星推进系统以及导弹动力系统等。但是肼毒性大，可致癌，易燃易爆，需要昂贵的地面支持和保障系统，这无疑增加了发动机制造和发射的成本。基于对绿色无毒推进剂的需求，上世纪开始航天技术人员便开始高能绿色无毒单组元液体推进剂的研究，目前被认为具有应用前景的单组元绿色无毒推进剂主要有ADN(二硝酰胺铵，Ammonium dinitramide)基单组元液体推进剂和HAN(硝酸羟胺，hydroxylammonium nitrate)基单组元液体推进剂。而且基于绿色无毒推进剂的空间发动机以及实现在轨验证。
目前，现有技术中的一种空间发动机的结构如图1所示，主要分为三个部分：催化床、燃烧室和喷管。如图1所示。在空间发动机工作过程中，推进剂通过雾化喷嘴喷射进入发动机的催化床中，在已经加热至高温的催化床的作用下，推进剂在催化床内逐渐蒸发，并且推进剂中的氧化性组分发生分解反应，生成大量的氧化性产物，氧化性产物与推进剂中的燃料在燃烧室中进行燃烧反应产生高温高压的气体，燃烧产生的高温气体通过喷管喷出发动机，从而产生推力。
推进剂的分解燃烧过程主要依赖于高温催化床的催化作用，因此催化床的预热过程和催化剂活性对推进剂的分解燃烧过程起着重要的作用。而高能配方的推进剂燃烧温度相对较高，催化剂高温失活的缺陷限制了催化剂的寿命，进而决定了空间发动机的寿命。另外催化床需要提前预热才能实现发动机点火，因此无法在紧急情况下启动发动机。
上述现有技术中的空间发动机的缺点为：目前在轨验证的ADN基或HAN基空间发动机的工作过程严重依赖催化床的催化作用，在发动机启动时，催化床需要预热到目标温度，才能实现空间发动机启动过程，因此无法在紧急情况下实现发动机的冷启动。另外催化剂的催化分解严重依赖催化剂的活性，而推进剂在工作过程中燃烧温度通常超过1200℃，高能配方的推进剂燃烧温度更高，催化剂的活性容易在高温下失效，因此催化剂的活性与推进剂的高燃烧温度相矛盾，从而限制了空间发动机性能的提升。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于电阻加热方式的离子推进剂电点火方法，以实现离子推进剂稳定的点火。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
在推力器中的推进剂流道中设置成对电极，所述成对电极连接电源系统，利用电源系统通过导线给所述成对电极接入电压，所述成对电极的中间留有一定距离的电极间隙；
当离子推进剂流入所述推进剂流道后，离子推进剂的液体充满电极间隙，利用所述离子推进剂的自有阻抗将所述推进剂流道的电路导通，电流流过离子推进剂，离子推进剂在电流热效应的作用下被加热，离子推进剂发生蒸发分解反应，随着离子推进剂的温度逐渐升高，离子推进剂逐渐被点燃。
优选地，所述成对电极包括一对电极或者多对电极。
优选地，所述推进剂流道为推力器内部的燃烧室或者分解室。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明利用离子推进剂自有电阻在通电状态下产生热量实现加热离子推进剂自身，从而实现离子推进剂的蒸发和分解。将电能转化为离子推进剂的能量，转化效率高。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一种在空间发动机的结构图；
图2为本发明实施例提供的一种推进剂液滴点火方法原理图；
图3为本发明实施例提供的一种离子推进剂流动过程中点火方法原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例主要解决空间发动机使用过程中无法实现冷启动和催化剂失活的问题，用电点火技术替代催化分解燃烧技术，从而实现发动机可在紧急情况下的冷启动问题和解决使用催化剂带来的缺陷，从而进一步提高空间发动机的性能。
图2为本发明实施例提供的一种离子推进剂液滴点火方法原理图，由第一电极1、第二电极3和离子推进剂2组成。第一电极1、第二电极3连接电源系统，该电源系统可以为直流电源、交流电源或脉冲电源等，第一电极1、第二电极3的前端进入离子推进剂中，第一电极1、第二电极3的中间留有一定距离的电极间隙，离子推进剂液体会充满电极间隙。离子推进剂作为离子液体，具有导电性，也具有一定的电阻值。在点火过程中，通过导线将离子推进剂两端的第一电极1、第二电极3接入适当电压，通电后，通过离子推进剂将电路导通，电流流过离子推进剂，在离子推进剂内部形成电场，离子推进剂在电流热效应的作用下开始迅速被加热，离子推进剂发生蒸发分解反应，随着离子推进剂温度逐渐升高，离子推进剂逐渐被点燃，进而开始燃烧。从而实现基于电阻加热方式的离子推进剂电点火。
图3为本发明实施例提供的一种离子推进剂流动过程中点火方法原理图。当离子推进剂流经推进剂流道时，该推进剂流道可以为推力器内部的燃烧室或者分解室，离子推进剂接触到第一电极1、第二电极3，推进剂流道中的电路瞬间被导通，流动的离子推进剂在电流热效应的作用下迅速被加热，离子推进剂开始蒸发分解，随着反应的进行，离子推进剂温度升高逐渐被点燃。本发明实施例中的电极形式可以采用多种，例如图3中一对电极或者多对电极方案。
综上所述，本发明实施例方法利用离子推进剂自身阻抗在通电条件下产生电流热效应，从而实现直接利用电能使离子推进剂加热且温度升高，实现离子推进剂蒸发分解、点火和燃烧。由于利用电能直接加热离子推进剂，不经过其他间接方法，因此电能转化为离子推进剂热能的过程迅速而且其他能量损耗，因此可以实现空间发动机的冷启动过程。另一方面不需要催化剂的催化作用，因此可以避免传统技术中催化剂高温易失活的问题。通过解决空间发动机冷启动和催化剂失活的问题，可以提高空间发动机紧急情况响应能力以及推动绿色无毒空间发动机向大推力方向发展。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于电阻加热方式的离子推进剂电点火方法，其特征在于，包括：
在推力器中的推进剂流道中设置成对电极，所述成对电极连接电源系统，利用电源系统通过导线给所述成对电极接入电压，所述成对电极的中间留有一定距离的电极间隙；
当离子推进剂流入所述推进剂流道后，离子推进剂的液体充满电极间隙，利用所述离子推进剂的自有阻抗将所述推进剂流道的电路导通，电流流过离子推进剂，离子推进剂在电流热效应的作用下被加热，离子推进剂发生蒸发分解反应，随着离子推进剂的温度逐渐升高，离子推进剂逐渐被点燃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成对电极包括一对电极或者多对电极。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述推进剂流道为推力器内部的燃烧室或者分解室。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子推进剂加热原理为利用电流通过带有阻抗的离子推进剂产生的热效应加热离子推进剂。
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