CN115234459A - 一种高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件，包括阳极板、聚四氟乙烯工质、聚乙烯工质、阴极板，阳极板与阴极板呈上、下结构平行设置，阳极板与阴极板之间设置聚乙烯工质，聚乙烯工质左右两侧对称设置两个聚四氟乙烯工质，聚乙烯工质前侧面上、下端中部对称设置阳极凸起、阴极凸起，阳极凸起固定在阳极板上，阴极凸起固定在所述阴极板上，阳极凸起与阴极凸起之间为放电区域。本发明易于实现导电击穿的特性，真空电弧的约束性好，降低了不同脉冲之间的离散度，微脉冲等离子体推力器放电稳定性好；实现了真空电弧的路径约束，降低了随机性，增强了稳定性；通过火花塞省却，排出了火花塞随机性放电对阴、阳极板间主放电的影响。

Description

一种高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件

技术领域

本发明涉及霍尔推力器技术领域，具体为一种高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件。

背景技术

微脉冲等离子体推力器(μ-PPT)用聚四氟乙烯工质，无毒而稳定，其工作原理为：电容器充电到数千伏，工质在电容器连接的两电极之间，用点火电极(通常火花塞)产生等离子体，由此引起电容器放电并烧蚀工质表面，汽化和热电离的工质在电磁力和气动力作用下喷出产生推力。

μ-PPT能够产生小而精确的离散脉冲，控制精度高，是最有望成为用作航天器精确姿、轨控制的微电推力系统。目前采用的μ-PPT通常为烧蚀型PPT，其放电形式为脉冲真空弧，而真空电弧工作过程中具有较强的波动性，此外引弧的火花塞放电过程也具有随机性，会加重PPT脉冲真空弧的波动性，这种波动性外在体现就是推力器不同放电脉冲所形成的元冲量(单次脉冲放电产生的冲量)的离散度上；离散低表示不同放电脉冲具有很高的一致性，即每次脉冲输出尽可能一致的冲量和比冲，意味着推力器放电稳定高，反之，则代表着较低的放电稳定性。

以前，虽然国际上曾经开展过μ-PPT的多次应用搭载实验，主要是美国和苏联开展的，但是这些实验中的μ-PPT都采用长工作时间模式，没有关注不同脉冲之间的离散性对总冲精度的影响，因为与总任务时间需求相比，μ-PPT单脉冲冲量之间的相对偏差是微不足道的。然而，当前微纳卫星精确姿态控制要求十分苛刻，元冲量必须小而精确，因为μ-PPT每次工作启动过程总冲需求很小，冲量脉冲次数大为减少，仅为千次甚至于数百次。如果μ-PPT元冲量的离散程度过大，则会导致每次μ-PPT任务启动提供的总冲出现较大的偏差起伏。

基于上述，随着微小平台发展，对μ-PPT推进系统要求越来越苛刻，比如，本发明申请人所在单位兰州空间技术物理研究所已经接到过多家用户单位对于μ-PPT的商业需求；但总体用户要求每次元冲量相对偏差小于 10％，以确保在有限工作次数内，完成卫星姿态精确控制，这就要求μ-PPT 等离子体放电要具有较高的可靠稳定性，如何抑制μ-PPT工作中这种不稳定，实现不同放电脉冲的良好一致性，是亟待解决的问题。

发明内容

因此，本发明要解决现有技术中μ-PPT工作中不稳定、不同放电脉冲一致性差等问题，从而提供一种高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件。

本发明的技术方案是：一种高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件，包括：阳极板、聚四氟乙烯工质、聚乙烯工质、阴极板，所述阳极板与所述阴极板呈上、下结构平行设置，所述阳极板与所述阴极板之间设置聚乙烯工质，所述聚乙烯工质左右两侧对称设置两个聚四氟乙烯工质，所述聚乙烯工质前侧面上、下端中部对称设置阳极凸起、阴极凸起，所述阳极凸起固定在阳极板上，所述阴极凸起固定在所述阴极板上，所述阳极凸起与阴极凸起之间为放电区域。

上述技术方案中，优选地，所述阳极凸起、阴极凸起均为形状相同的直三棱柱。

上述技术方案中，进一步地，所述阳极凸起的一个直角侧面与所述阳极板的底面固定，另一直角侧面与所述聚乙烯工质的前侧面正对并相互平行；所述阴极凸起的一个直角侧面与所述阴极板的上表面固定，另一直角侧面与所述聚乙烯工质的前侧面正对并相互平行设置。

上述技术方案中，进一步地，所述聚乙烯工质的后侧面中部连接一弹簧，所述弹簧的一端与所述聚乙烯工质弹性连接，所述弹簧的另一端与推力器弹性连接。

上述技术方案中，进一步地，所述聚乙烯工质可相对阳极板、两个聚四氟乙烯工质以及阴极板移动。

上述技术方案中，进一步地，每个聚四氟乙烯工质上、下端分别与阳极板、阴极板固定连接。

上述技术方案中，进一步地，所述阳极板通过推力器储能模块加载电压。

本发明技术方案，具有如下优点：

(1)通过工质干预，提出聚乙烯作为一种辅助性工质，夹于聚四氟乙烯之间，形成“三明治”型结构。聚乙烯易于脱氢，形成泡沫结构(只有C骨架)，相比聚四氟乙烯，导电性提高，从而可将真空电弧束缚在先前设计好的烧蚀路径上，提高放电稳定性；

(2)聚乙烯为无F原子等氧化性物质，电离度更高，同样条件下，能够增强放电；

(3)改造了推力器阴极和阳极板，在中间位置，对应聚乙烯位置处，设置了两个尖端突起，尖端曲率较大，且间距较近，更易于产生较强电场，使之真空电弧约束至两尖端之间路径上，进一步约束电弧的随机性，提升放电的稳定性；

(4)增加设置的两个尖端突起可取代火花塞，行使预电离功能，避免了火花塞随机性放电而引起喷嘴主放电随机性加大的隐患，从而进一步提升了稳定性；

(5)喷嘴结构省却了火花塞及附属的点火电路，减轻了微脉冲等离子体推进系统的重量，降低了系统复杂性，结构简洁，便于普遍推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例1的整体结构剖视示意图；

图2为本发明实施例1的侧视结构示意图。

图3为本发明实施例1的聚乙烯工质多尖阵列结构示意图。

附图标记说明：

1-阳极板、2-聚四氟乙烯工质、3-聚乙烯工质、4-阴极板、5-弹簧、6- 推力器、I-阳极凸起、II-阴极凸起、III-多尖阵列。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1：

请参见附图1-3，一种高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件，包括：阳极板1、聚四氟乙烯工质2、聚乙烯工质3、阴极板4，所述阳极板1与所述阴极板4呈上、下结构平行设置，所述阳极板1与所述阴极板4 之间设置聚乙烯2工质，所述聚乙烯工质左右两侧对称设置两个聚四氟乙烯3工质，所述聚乙烯工质3前侧面上、下端中部对称设置阳极凸起I、阴极凸起II，所述阳极凸起I固定在阳极板1上，所述阴极凸起II固定在所述阴极板4上，所述阳极凸起I与阴极凸起II之间为放电区域。

上述实施例中，整个工质模块置于阴、阳两个极板之间，其中，阴、阳极板在对应聚乙烯中间位置处，分别设置三角凸起，尖端分别指向阳、阴极板，具有较大尖端曲率，增强了局部电场，在进一步约束真空电弧至设计好的路径上同时，降低了击穿电压，也省却了火花塞，规避了火花塞放电引弧所致的极板间主放电随机性的隐患，增强了稳定性；同时，降低了系统重量和复杂性。

上述实施例中，优选地，所述阳极凸起I、阴极凸起II均为形状相同的直三棱柱。

上述实施例中，所述阳极凸起I的一个直角侧面与所述阳极板1的底面固定，另一直角侧面与所述聚乙烯工质3的前侧面正对并相互平行；所述阴极凸起II的一个直角侧面与所述阴极板4的上表面固定，另一直角侧面与所述聚乙烯工质3的前侧面正对并相互平行设置。

上述实施例中，所述聚乙烯工质3的后侧面中部连接一弹簧5，所述弹簧5的一端与所述聚乙烯工质3弹性连接，所述弹簧5的另一端与推力器6 弹性连接。

上述实施例中，所述聚乙烯工质3可相对阳极板1、两个聚四氟乙烯工质2以及阴极板4移动。

上述实施例中，每个聚四氟乙烯工质2上、下端分别与阳极板1、阴极板4固定连接。

上述实施例中，所述阳极板1通过推力器6储能模块加载电压。

本发明结构简单易于加工组装，其中，阳极凸起I、阴极凸起II在平行于聚乙烯工质3端面方向上，有一定宽度，形成了多尖阵列(见图3中的III所示，即凸起面向极板的“一”字形刃边线，锋利类似于很多尖端排列而成，具有很高的曲率，可以形成局部强电场)，增强了可靠性，避免了单尖烧蚀失效的风险。其工作原理为：聚乙烯工质3在压力弹簧5(详见图2)和阳极凸起I、阴极凸起II约束下，实现前后的力学平衡，其中，压力弹簧5另外一个支撑点置于推力器6其他部位(详见图2)；推力器6 储能模块加载电压至阳极板，在电压大小和凸起间距设置合适情况下(该两个参数可以通过矩阵化实验获得)产生放电，放电形式为真空电弧；由于聚乙烯导电性更好，以及中间位置处三角凸起局部电场约束，电弧行走路线基本按照之前设定的“三明治”结构中间的聚乙烯部分的中间路线，形成对真空电弧的约束，进而完成工质模块整个前端面(图1工质端面) 的烧蚀，待烧蚀完毕后，在压力弹簧推动下，工质模块前端面会自动复位至三角凸起位置处，从而完成一次脉冲放电；后续，推力器6储能模块充电，继续加载电压，以形成下一次的脉冲放电。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件，包括：阳极板(1)、聚四氟乙烯工质(2)、聚乙烯工质(3)、阴极板(4)，其特征在于，所述阳极板(1)与所述阴极板(4)呈上、下结构平行设置，所述阳极板(1)与所述阴极板(4)之间设置聚乙烯(2)工质，所述聚乙烯工质左右两侧对称设置两个聚四氟乙烯(3)工质，所述聚乙烯工质(3)前侧面上、下端中部对称设置阳极凸起(I)、阴极凸起(II)，所述阳极凸起(I)固定在阳极板(1)上，所述阴极凸起(II)固定在所述阴极板(4)上，所述阳极凸起(I)与阴极凸起(II)之间为放电区域。

2.根据权利要求1所述的高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件，其特征在于，所述阳极凸起(I)、阴极凸起(II)均为形状相同的直三棱柱。

3.根据权利要求2所述的高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件，其特征在于，所述阳极凸起(I)的一个直角侧面与所述阳极板(1)的底面固定，另一直角侧面与所述聚乙烯工质(3)的前侧面正对并相互平行；所述阴极凸起(II)的一个直角侧面与所述阴极板(4)的上表面固定，另一直角侧面与所述聚乙烯工质(3)的前侧面正对并相互平行设置。

4.根据权利要求3所述的高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件，其特征在于，所述聚乙烯工质(3)的后侧面中部连接一弹簧(5)，所述弹簧(5)的一端与所述聚乙烯工质(3)弹性连接，所述弹簧(5)的另一端与推力器(6)弹性连接。

5.根据权利要求4所述的高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件，其特征在于，所述聚乙烯工质(3)可相对阳极板(1)、两个聚四氟乙烯工质(2)以及阴极板(4)移动。

6.根据权利要求5所述的高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件，其特征在于，每个聚四氟乙烯工质(2)上、下端分别与阳极板(1)、阴极板(4)固定连接。

7.根据权利要求6所述的高放电稳定性的微脉冲等离子体推力器喷嘴组件，其特征在于，所述阳极板(1)通过推力器(6)储能模块加载电压。

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