CN113316302B - 一种级联弧放电等离子体推进器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种级联弧放电等离子体推进器，包括进气管道(1)、阴极压板(2)、阴极支座(3)、阴极(4)、固定螺栓(5)、阴极针尖放电区(6)、绝缘部件(7)、分段阳极(8)、面向等离子体部件(9)、阳极(10)和放电通道(11)。该推进器稳定电弧放电，具有较高的比冲和推力；无级可控，等离子体参数范围宽且连续可调；推力大，可实现N级推力；无需中和器，降低系统电能损耗和工质损耗；无需磁场，等离子体的产生无需磁场，进一步降低磁场功耗。
Description
技术领域
本发明属于等离子体推进领域，涉及一种级联弧放电等离子体推进器，应用于轨道维持、南北位保和深空推进的等离子体电推进任务。
背景技术
随着人类不断对太空资源的探索，不同的推进系统应运而生。等离子体推进技术由于其高效率、高比冲和长寿命的优势，在国内外推进器的研究中引起了极大的关注。以美国和俄罗斯为代表的航天强国先后开展了霍尔、离子、MPDT和可变比冲磁等离子体推进器。目前霍尔和离子推进器已经先后被应用在通讯卫星和探测器中开展相关任务。MPDT和可变比冲磁等离子体推进器由于其具有高比冲和大推力的特点，是未来深空探测推进器的主要研究目标。但在国际上两者开展相关研究时间短、技术难度相对较大，研发周期较长等特点。随着世界各国对太空的开发力度加大，国内外竞相开展各种新型推进器的研发工作满足当下的推进任务需求。
国内发展电推进技术相比较晚，但对霍尔和离子推进器的研究已经完成了上天验证。针对霍尔和离子推进器，其原理上均是通过激发等离子体后使带电离子在电场和磁场作用下加速引出。因其放电原理的限制导致等离子体电子较低(1015m-3-1018m-3)，电子温度较高(0-几十eV)会造成对推进器本身部件的烧蚀，影响推进器的寿命和推进任务的执行。同时为防止离子在破坏电中性条件后运动过程的反流问题，等离子体推进器后端设有中和器用于保持等离子体的电中性条件。同时推进器中需要使用磁场以降低等离子体对推进器本身的刻蚀。然而，中和器和磁场的引入不仅会增加推进器的电能损耗和工质损耗，还提高了推进器的整体控制难度，增加了电推进器运行的风险。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种级联弧放电等离子体推进器。
本发明技术方案如下：
一种级联弧放电等离子体推进器，应用于轨道维持、南北位保和深空推进的等离子体电推进任务。其具有以下优点：1).稳定电弧放电，具有较高的比冲和推力；2).无级可控，等离子体参数范围宽(1015m-3-1021m-3)且连续可调；3).等离子体电子温度(0-1eV)，可有效降低对推进器自身的热负荷；4).推力大，可实现N级推力；5).无需中和器，降低系统电能损耗和工质损耗；6).无需磁场，等离子体的产生无需磁场，进一步降低磁场功耗。
采用级联弧放电特性，电弧等离子体较稳定。具有以下优点：等离子体以高马赫数(M＞1)喷出，具有较高的比冲和推力。
产生等离子体参数范围宽(1015m-3-1021m-3)且连续可调。具有以下优点：推力范围较宽，毫牛到牛量级推力连续可调。
该推进器无需中和器。具有以下优点：延长推进器服役寿命，降低推进器的电能和工质的损耗。
等离子体有阴极热电子激发产生无需磁场。具有以下优点：减少功率损耗，降低控制风险。
本发明提供一种级联弧放电等离子体推进器，包括进气管道1、阴极压板2、阴极支座3、阴极4、固定螺栓5、阴极针尖放电区6、绝缘部件7、分段阳极8、面向等离子体部件9、阳极10和放电通道11。进气管道1安装在阴极支座3上，阴极压板2在阴极支座3和分段阳极8之上通过阴极压板2进行固定，分段阳极8中心小孔组成了放电通道11，面向等离子体部件9镶嵌在分段阳极8内部，用于延长设备的服役寿命。
进一步地，阴极4采用单阴极或多阴极对称结构布置。
进一步地，固定螺栓5连接阴极压板2和阳极10，且保证阴极和阳极之间处于绝缘状态。
进一步地，分段阳极8在等离子体放电过程中处于电位悬浮状态。
进一步地，阳极10为接地极，等离子体出口位置设有角度为30-45°锥形喷口。
进一步地，放电通道11为等离子体路径，通道直径为3-7mm。
进一步地，绝缘部件7起到绝缘相邻部件的作用。
推进器系统组成如图1，其中1为进气管道、2为阴极压板、3为阴极支座、4为阴极、5为固定螺栓、6为阴极针尖放电区、7为绝缘部件、8为分段阳极、9为面向等离子体部件、10为阳极、11为放电通道。该推进器工作时，放电工质经过进气管道1进入阴极针尖放电区6，在与阴极针尖连接的阴极4上施加电流(0-300A)激励且阳极10接地时，阴极针尖通过发生热电子激发工质成为等离子体。等离子体在绝缘部件7、分段阳极8和面向等离子体部件9约束的放电通道11内在阴极4和阳极10之间电场作用下的加速。在阳极10设有锥形喷口，等离子体到达阳极喷口处在热压力梯度作用下加速喷出使推进器获得反向推力。在该结构下等离子体以高马赫数喷出，推进器具有较高的比冲和推力。阴极压板2用于压紧密封阴极支座3、绝缘部件7、分段阳极8、面向等离子体部件9和阳极10，使得放电通道内维持一定的真空环境，利于电弧稳定放电。阴极支座3为阴极支架，用于固定阴极和连接进气管道。
放电工质经流量控制器进入阴极针尖放电区，且进气管道1为金属管道防止气体泄漏。阴极压板2为不锈钢材料，确保挤压密封过程不会发生变形。阴极支座采用铜金属材质，有利于电极的换热，必要时可在内部增加水冷通道进行冷却。阴极4可采用单阴极或多阴极对称结构布置，有利于电弧等离子体的稳定。固定螺栓5连接阴极压板和阳极，且保证阴极和阳极之间处于绝缘状态。阴极针尖放电区6具有相对较大的半径，用于实现气体工质的充分电离。绝缘部件7起到绝缘相邻部件的作用；通常采用聚四氟乙烯和氟橡胶等材质。分段阳极8在等离子体放电过程中处于电位悬浮状态，用于维持等离子体电弧的稳定性，必要时可在内部设置水冷通道。面向等离子体部件9为主要承受热等离子体轰击的部件，选用耐高温的钨或钼作为主要材质。阳极10为接地极，等离子体出口位置设有角度为30-45°锥形喷口，用于等离子体加速喷出。放电通道11为等离子体的主要路径，通道直径为3-7mm。
本发明的优点主要在于：
1.稳定电弧放电，具有较高的比冲；2.无级可控，等离子体参数范围宽(1015m-3-1021m-3)且连续可调；3.推力大，可实现N级推力；4.无需中和器，降低系统电能损耗和工质损耗；5.无需磁场，等离子体的产生无需磁场，进一步降低磁场功耗。
附图说明
图1为本发明一种新型级联弧放电等离子体推进器。
其中：1为进气管道、2为阴极压板、3为阴极支座、4为阴极、5为固定螺栓、6为阴极针尖放电区、7为绝缘部件、8为分段阳极、9为面向等离子体部件、10为阳极、11为放电通道。
具体实施方式
下面结合图1和具体实例对本发明做进一步的详细说明。本发明的一种级联弧放电等离子体推进器，以下所述案例仅为本发明的其中之一的实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
如图1所示，本发明一种新型级联弧放电等离子体推进器，包括进气管道1、阴极压板2、阴极支座3、阴极4、固定螺栓5、阴极针尖放电区6、绝缘部件7、分段阳极8、面向等离子体部件9、阳极10和放电通道11。进气管道1安装在阴极支座3上，阴极压板2在阴极支座3和分段阳极8之上通过阴极压板2进行固定，分段阳极8中心小孔组成了放电通道11，面向等离子体部件9镶嵌在分段阳极8内部，用于延长设备的服役寿命。
固定螺栓5连接阴极压板2和阳极10，且保证阴极和阳极之间处于绝缘状态。
分段阳极8在等离子体放电过程中处于电位悬浮状态。
阳极10为接地极，等离子体出口位置设有角度为30-45°锥形喷口。
放电通道11为等离子体路径，通道直径为3-7mm。
绝缘部件7起到绝缘相邻部件的作用。
该推进器工作时，放电工质经过进气管道1进入阴极针尖放电区6，在与阴极针尖连接的阴极4上施加电流(0-300A)激励且阳极10接地时，阴极针尖通过发生热电子激发工质成为等离子体。等离子体在绝缘部件7、分段阳极8和面向等离子体部件9约束的放电通道11内在阴极4和阳极10之间电场作用下的加速。在阳极10设有锥形喷口，等离子体到达阳极喷口处在热压力梯度作用下加速喷出使推进器获得反向推力。在该结构下等离子体以高马赫数喷出，推进器具有较高的比冲和推力。阴极压板2用于压紧密封阴极支座3、绝缘部件7、分段阳极8、面向等离子体部件9和阳极10，使得放电通道内维持一定的真空环境，利于电弧稳定放电。阴极支座3为阴极支架，用于固定阴极4和连接进气管道1。
实施例：
本实施例采用直径为6mm×1.5mm的不锈钢进气管道1；不锈钢材质的阴极压板2；阴极支座采用无氧铜材质且内含水冷设计；三阴极结构相差120°环向布置且三阴极并联连接；固定螺栓5为M6螺纹，绝缘部件采用聚四氟乙烯；4个分段阳极，内设水冷通道，分段阳极8通过聚四氟或陶瓷等进行绝缘密封并列安装。面向等离子体部件9为纯钼材质，降低等离子体的刻蚀；阳极10为无氧铜材质，锥角45°；放电通道为5mm。
本装置在使用时将该推进器与设备主体进行连接，在进气管道1上不同的进气通道内加入一定流量的放电气体，在3个阴极上同时施加电流信号。分段阳极8中最后一级阳极进行接地。当放电电流和气压满足一定的条件下，给定的放电电流后，等离子体在放电通道内形成。形成的等离子体在气压和热梯度的驱动下加速喷出，从而给推进器获得反向推力。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (1)
1.一种级联弧放电等离子体推进器，其特征在于：包括进气管道(1)、阴极压板(2)、阴极支座(3)、阴极(4)、固定螺栓(5)、阴极针尖放电区(6)、绝缘部件(7)、分段阳极(8)、面向等离子体部件(9)、阳极(10)和放电通道(11)；进气管道(1)安装在阴极支座(3)上，阴极压板(2)在阴极支座(3)和分段阳极(8)之上通过阴极压板(2)进行固定，分段阳极(8)中心小孔组成了放电通道(11)，面向等离子体部件(9)镶嵌在分段阳极(8)内部；
阴极(4)采用单阴极或多阴极对称结构布置；
固定螺栓(5)连接阴极压板(2)和阳极(10)，且保证阴极和阳极之间处于绝缘状态；
分段阳极(8)在等离子体放电过程中处于电位悬浮状态；
阳极(10)为接地极，等离子体出口位置设有角度为30-45°锥形喷口；
放电通道(11)为等离子体路径，通道直径为3-7mm；
绝缘部件7起到绝缘相邻部件的作用；
该推进器工作时，放电工质经过进气管道(1)进入阴极针尖放电区(6)，在与阴极针尖连接的阴极(4)上施加电流激励且阳极(10)接地时，阴极针尖通过发生热电子激发工质成为等离子体；等离子体在绝缘部件(7)、分段阳极(8)和面向等离子体部件(9)约束的放电通道(11)内在阴极(4)和阳极(10)之间电场作用下的加速；在阳极(10)设有锥形喷口，等离子体到达阳极喷口处在热压力梯度作用下加速喷出使推进器获得反向推力；
阴极压板(2)用于压紧密封阴极支座(3)、绝缘部件(7)、分段阳极(8)、面向等离子体部件(9)和阳极(10)，使得放电通道内维持真空环境；阴极支座(3)为阴极支架，用于固定阴极(4)和连接进气管道(1)；
等离子体参数范围1015m-3-1021m-3且连续可调，推力范围毫牛到牛量级，推力连续可调；等离子体电子温度为0-1eV。
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