CN116658391A - 一种双模式固体工质微型电热推力器装置 - Google Patents

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王亚楠
李林
贾晴晴
靳丽云
田泽明
任林渊
周珂辉
丁卫东
孙安邦
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Shanghai Institute of Space Propulsion
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    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

本发明提供一种双模式固体工质微型电热推力器装置，所述装置包括阳极喷嘴、毛细管腔体、触发电极、阴极基座；触发电极与阴极基座之间具有间隙，其间隙构成触发沿面，其用于发生沿面放电产生初始等离子体，诱发毛细管腔体中主间隙放电产生等离子体；主间隙放电形成后，施加不同电压形式使毛细管腔体固体工质放电回路导通，使得等离子体不断向阳极喷嘴运动，以向外喷射产生推力。本发明提供的双模式固体工质微型电热推力器可实现“大推力，低比冲”和“高比冲，小推力”两种工作模式输出，具有结构简单、质量低、系统功耗低、工质利用率高、输出参数范围宽的优点，适用于更多应用场景。

Description

一种双模式固体工质微型电热推力器装置
技术领域
本发明涉及微型电推力器技术领域，尤其涉及一种双模式固体工质微型电热推力器装置。
背景技术
基于毛细管放电的微型脉冲等离子体推力器是一种利用电容放电在毛细管腔体内产生脉冲电弧，烧蚀并电离管壁工质产生等离子体，在电热(主导)和电磁加速机制下喷射产生推力的脉冲等离子体设备。主要用于微纳卫星旋转消除、轨道插入、轨道维持、轨道和位置调整、姿态控制、编队飞行、卸轨等任务。
推力器放电腔体的工质材料采用固体工质，电控固体工质是一类无毒、由低感度材料制备的复合固体材料，具有施加电压、流通电流时持续燃烧，断电后熄灭，燃烧可通过外加电压或电流实时调节的特性，能够满足快速灵活调节的使用需求。微脉冲等离子体推力器可产生小而精确的离散化冲量，适用于微纳卫星的轨道调整、姿态控制等任务，但是对于“空间碎片的紧急碰撞规避”及“寿命末期主动离轨”等需要短时间内实现的任务不太适用。如何拓展推力器应用范围，扩大输出参数区间，且保持推进系统结构简单、质量轻、高比冲等优势特点情况下，进一步提高系统总体效率，对于微脉冲等离子体推力器具有重要意义。
现有微型脉冲等离子体推力器面临输出元冲量小，范围窄，总冲量低等问题，因此，本领域亟需研究一种新的双模式固体工质微型电热推力器装置解决上述技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明旨在提供一种双模式固体工质微型电热推力器装置。为达到上述目的，采用以下技术方案。
一种双模式固体工质微型电热推力器装置，所述装置包括阳极喷嘴、毛细管腔体、触发电极、阴极基座；
触发电极与阴极基座之间具有间隙，其间隙构成触发沿面，其用于发生沿面放电产生初始等离子体，诱发毛细管腔体中主间隙放电产生等离子体；
主间隙放电形成后，施加不同电压形式使毛细管腔体固体工质放电回路导通，使得等离子体不断向阳极喷嘴运动，以向外喷射产生推力。
可选的，所述毛细管腔体采用电控固体工质材料。
可选的，所述触发电极设置在毛细管腔体上，位于靠近阴极基座一侧。
可选的，所述阴极基座安装在所述毛细管腔体远离所述阳极喷嘴的一侧，所述阴极基座的轴向中心位置开设有通孔。
可选的，所述装置包括固体工质管道，所述通孔内安装有固体工质管道护套陶瓷管，所述固体工质管道贯穿所述固体工质管道护套陶瓷管。
可选的，所述固体工质管道的出口设置有筛板结构，其用于确保固体工质从所述固体工质管道喷射出来并充分燃烧。
可选的，所述固体工质管道位于毛细管腔体外的一端连接有固体工质驱动电路，所述驱动电路用于改变施加在固体工质的电压大小。
可选的，所述阴极基座的底侧连接有阴极引线，所述阳极喷嘴的底侧连接有阳极喷嘴引线，所述阴极引线和所述阳极喷嘴连接有同一个主放电电容。
可选的，所述触发电极的底侧连接有触发电极引线，所述触发电极引线连接有触发电路，所述触发电路用于形成沿面放电，以实现毛细管腔体的稳定触发。
本发明还公开了一种双模式固体工质微型电热推力器装置的应用方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、发生沿面放电产生初始等离子体，诱发毛细管腔体中主间隙放电产生等离子体；
步骤S2、主间隙放电形成后，施加不同电压形式使毛细管腔体固体工质放电回路导通，使得等离子体不断向阳极运动，以向外喷射产生推力。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
1.所述双模式固体工质微型电热推力器装置，通过触发电极与阴极基座的微间隙沿面放电产生初始等离子体，诱发主间隙放电；主间隙放电形成后，施加不同电压形式使固体工质放电回路导通，诱发复合固体工质材料烧蚀。
2.利用微间隙触发的方式替代了原有火花塞结构，大大减小了装置体积。
3.在准稳态电压驱动下，电控固体工质可以实现稳态燃烧，产生较大质量流量，等离子体喷射速度较低，对应“大推力，低比冲”工作模式；在脉冲电压作用下，电控固体工质实现消融控制电弧，产生较小的质量流量，但等离子体喷射速度高，对应“高比冲，小推力”工作模式。通过调节固体工质外加电压，可以实现推力器装置双模式输出，从而满足微纳卫星长期在轨运行时不同任务对比冲的需求。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种双模式固体工质微型电热推力器装置的结构主视图；
图2为本发明一个实施例提供的一种双模式固体工质微型电热推力器装置的结构侧视图；
图3为本发明一个实施例提供的一种双模式固体工质微型电热推力器装置的触发电极引线的触发回路结构示意图；
图4为本发明一个实施例提供的一种双模式固体工质微型电热推力器装置的固体工质驱动电路结构示意图；
附图标记：1、阳极喷嘴，2、毛细管腔体，3、固体工质管道筛板结构出口，4、触发电极，5、阴极基座，6、固体工质管道护套陶瓷管，7、固体工质管道，8、固体工质驱动电路，9、阴极引线，10、触发电极引线，11、阳极喷嘴引线，12、储能电容。
具体实施方式
下面结合附图1至图4和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
为了描述性目的，本公开可使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“在……下”、“下”、“在……上方”、“上”、“在……之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
在一个实施例中，提供一种双模式固体工质微型电热推力器装置，所述装置包括阳极喷嘴、毛细管腔体、触发电极、阴极基座；
触发电极与阴极基座之间具有间隙，其间隙构成触发沿面，其用于发生沿面放电产生初始等离子体，诱发毛细管腔体中主间隙放电产生等离子体；
主间隙放电形成后，施加不同电压形式使毛细管腔体固体工质放电回路导通，使得等离子体不断向阳极喷嘴运动，以向外喷射产生推力。
本实施例中，所述双模式固体工质微型电热推力器装置，通过触发电极与阴极基座的微间隙沿面放电产生初始等离子体，诱发主间隙放电；主间隙放电形成后，施加不同电压形式使固体工质放电回路导通，诱发复合固体工质材料烧蚀，以向外喷射产生推力。
在一个实施例中，所述毛细管腔体采用电控固体工质材料。
在一个实施例中，所述触发电极设置在毛细管腔体上，位于靠近阴极基座一侧。
在一个实施例中，所述阴极基座安装在所述毛细管腔体远离所述阳极喷嘴的一侧，所述阴极基座的轴向中心位置开设有通孔。
在一个实施例中，所述装置包括固体工质管道，所述通孔内安装有固体工质管道护套陶瓷管，所述固体工质管道贯穿所述固体工质管道护套陶瓷管。
在一个实施例中，所述固体工质管道的出口设置有筛板结构，其用于确保固体工质从所述固体工质管道喷射出来并充分燃烧。
在一个实施例中，所述固体工质管道位于毛细管腔体外的一端连接有固体工质驱动电路，所述驱动电路用于改变施加在固体工质的电压大小。
在一个实施例中，所述阴极基座的底侧连接有阴极引线，所述阳极喷嘴的底侧连接有阳极喷嘴引线，所述阴极引线和所述阳极喷嘴连接有同一个主放电电容。
在一个实施例中，所述触发电极的底侧连接有触发电极引线，所述触发电极引线连接有触发电路，所述触发电路用于形成沿面放电，以实现毛细管腔体的稳定触发。
在一个实施例中，本发明还公开了一种双模式固体工质微型电热推力器装置的应用方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、发生沿面放电产生初始等离子体，诱发毛细管腔体中主间隙放电产生等离子体；
步骤S2、主间隙放电形成后，施加不同电压形式使毛细管腔体固体工质放电回路导通，使得等离子体不断向阳极运动，以向外喷射产生推力。
下面，结合附图对本发明技术方案进行进一步具体说明。
参照图1、图2、图3和图4，一种双模式固体工质微型电热推力器装置，其包括阳极喷嘴1,毛细管腔体2，固体工质管道筛板结构出口3，触发电极4，阴极基座5，固体工质管道护套陶瓷管6，固体工质管道7，固体工质驱动电路8，阴极引线9，触发电极引线10，阳极喷嘴引线11，储能电容12；毛细管腔体2与阳极喷嘴1、阴极基座5均为螺纹连接，阴极基座5的通孔通过螺纹连接固体工质管道护套陶瓷管6，固体工质管道护套陶瓷管6与固体工质管道筛板结构出口3为螺栓连接，毛细管腔体2通过导轨连接触发电极4。
所述毛细管腔体2安装在所述阳极喷嘴1的左侧，喷嘴与轴向夹角为30°；所述触发电极4设置在所述毛细管腔体2上；所述阴极基座5安装在所述毛细管腔体2远离所述阳极喷嘴1的一侧，所述阴极基座5的轴向中心位置开设有通孔；所述固体工质管道7的一端贯穿所述通孔并延伸至所述毛细管腔体2内，设置有固体工质管道筛板结构出口3，筛板直径5mm，均匀布满正方形小孔，以确保固体工质充分燃烧；所述固体工质管道7的另一端连接有固体工质驱动电路8。
所述毛细管腔体2的两端均设置有内螺纹，与之连接的阳极喷嘴1和阴极基座5上分别设置有与所述内螺纹配合的外螺纹，所述阳极喷嘴1、毛细管腔体2和所述阴极基座5通过螺纹紧密连接。
所述触发电极4设置在毛细管腔体2上，位于靠近阴极基座5一侧，所述触发电极4与所述阴极基座5之间具有间隙，其间隙构成触发沿面。触发电源为幅值约10kV-15kV的脉冲高压，为保证触发间隙在重频工作模式下可靠重复导通，结合实验结果选取间隙距离为5mm-1cm范围。若间隙距离过小，则难以保证快速恢复绝缘强度，无法及时关断，难以满足重复触发需求；若间隙距离过长，则要求触发电压较高，难以保证触发可靠性。
所述通孔内通过螺纹连接固体工质管道护套陶瓷管6，所述固体工质管道7贯穿所述固体工质管道护套陶瓷管6。
所述毛细管腔体2采用电控固体工质材料(包括但不限于硝酸铵基电控固体工质、高氯酸盐基电控固体工质)，在高温高密度电弧的烧蚀作用下，不断相变、分解进入腔体内部，增大腔体内部压强，使得等离子体在压力梯度作用下不断向喷口运动，并最终向外喷射产生推力。
所述固体工质管道筛板结构出口3，用于确保固体工质从管道喷射出来从而充分燃烧。
参照图4，所述固体工质驱动电路8，为电容储能放电回路，用于改变对固体工质施加的电压，开关向A闭合时电源对储能电容进行充电，开关向B闭合时储能电容对负载进行放电；当施加准稳态电压达到100V以上时，可实现固体工质的稳定引燃；在脉冲电压作用下，当采用储能电容脉冲放电时，充电电压1kV至3kV，冲多少电就放多少电，通过调节放电电压实现能量调节，在脉冲电压工作模式下，放电电弧与管壁作用时间仅为微秒级。
所述阴极基座5的底侧连接有阴极引线9，所述阳极喷嘴1的底侧连接有阳极喷嘴引线11，阴极引线9和所述阳极喷嘴引线11连接有同一个储能电容12用于储能。所述触发电极4的底侧连接有触发电极引线10，如图3所示，所述触发电极引线10连接有触发回路，触发回路开关选用高压IGBT(Infineon，1600V/60A)，驱动电路接收信号发生器信号控制通断，当IGBT导通时形成沿面放电，实现毛细管腔体的稳定触发；在IGBT与触发电极间，还接入高压二极管，用于阻碍反向放电电流，避免主回路能量经触发回路释放。
本发明提供的双模式固体工质微型电热推力器装置的工作过程如下：
1、向触发电极4施加触发微秒级高压脉冲，诱发触发电极4与阴极基座5形成的触发间隙发生沿面放电产生初始等离子体，诱发毛细管腔体中发生主间隙放电。
2、主间隙放电形成后，施加准稳态电压或脉冲电压使固体工质放电回路导通，触发沿面放电产生的初始等离子体在电场力作用下向阳极喷嘴1的方向运动，诱发毛细管腔体2发生沿面放电产生等离子体；毛细管腔体2内部沿面放电形成后，储能电容所述主放电电容存储的电能通过阴极引线9和阳极喷嘴引线11释放，使放电通道逐渐形成高温高密度等离子体电弧；毛细管腔体2采用电控固体工质材料，在高温高密度(1-5eV，1018-1021/cm3)电弧的烧蚀作用下，不断相变、分解进入腔体内部，增大腔体内部压强，使得等离子体在压力梯度作用下不断向喷口运动，并最终向外喷射产生推力。
3、当毛细管腔体2放电通道形成后，所述固体工质驱动电路8对所述电控固体工质施加电压，通过改变不同电压形式控制复合固体工质材料燃烧情况，获得更大范围的推力，实现推力器装置“大推力，低比冲”和“高比冲，小推力”双模式输出。驱动电路具备稳态电压输出和脉冲电压输出两种模式。当输出准稳态电压时，可驱动电控固体工质工作在燃烧模式下，实现大推力，低比冲的模式；当输出为脉冲电压时，可在毛细管腔体内部形成消融电弧放电，实现小推力高比冲模式。
所述双模式固体工质微型电热推力器装置，通过触发电极与阴极基座的微间隙沿面放电产生初始等离子体，诱发主间隙放电；主间隙放电形成后，施加不同电压形式使固体工质放电回路导通，诱发复合固体工质材料烧蚀；利用间隙(间隙距离5mm到1cm范围)触发的方式替代了原有火花塞结构，大大减小了装置体积；在准稳态电压驱动下，电控固体工质可以实现稳态燃烧，产生较大质量流量(数十mg/s量级)，等离子体喷射速度较低，对应“大推力，低比冲”(等效推力2mN量级，比冲100s量级)工作模式，在脉冲电压作用下，电控固体工质实现消融控制电弧，产生较小的质量流量(数百μg/s量级)，但等离子体喷射速度高，对应“高比冲，小推力”(典型元冲量500μNs量级，比冲350s量级)工作模式。通过调节固体工质外加电压，可以实现推力器装置双模式输出，从而满足微纳卫星长期在轨运行时不同任务对比冲的需求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种双模式固体工质微型电热推力器装置，其特征在于，所述装置包括阳极喷嘴、毛细管腔体、触发电极、阴极基座；
触发电极与阴极基座之间具有间隙，其间隙构成触发沿面，其用于发生沿面放电产生初始等离子体，诱发毛细管腔体中主间隙放电产生等离子体；
主间隙放电形成后，施加不同电压形式使毛细管腔体固体工质放电回路导通，使得等离子体不断向阳极喷嘴运动，以向外喷射产生推力。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，优选的，所述毛细管腔体采用电控固体工质材料。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述触发电极设置在毛细管腔体上，位于靠近阴极基座一侧。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述阴极基座安装在所述毛细管腔体远离所述阳极喷嘴的一侧，所述阴极基座的轴向中心位置开设有通孔。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置包括固体工质管道，所述通孔内安装有固体工质管道护套陶瓷管，所述固体工质管道贯穿所述固体工质管道护套陶瓷管。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述固体工质管道的出口设置有筛板结构，其用于确保固体工质从所述固体工质管道喷射出来并充分燃烧。
7.根据权利要求5-6任一所述的装置，其特征在于，所述固体工质管道位于毛细管腔体外的一端连接有固体工质驱动电路，所述驱动电路用于改变施加在固体工质的电压大小。
8.根据权利要求1-6任一所述的装置，其特征在于，所述阴极基座的底侧连接有阴极引线，所述阳极喷嘴的底侧连接有阳极喷嘴引线，所述阴极引线和所述阳极喷嘴连接有同一个主放电电容。
9.根据权利要求1-6任一所述的装置，其特征在于，所述触发电极的底侧连接有触发电极引线，所述触发电极引线连接有触发电路，所述触发电路用于形成沿面放电，以实现毛细管腔体的稳定触发。
10.一种双模式固体工质微型电热推力器装置的应用方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、发生沿面放电产生初始等离子体，诱发毛细管腔体中主间隙放电产生等离子体；
步骤S2、主间隙放电形成后，施加不同电压形式使毛细管腔体固体工质放电回路导通，使得等离子体不断向阳极运动，以向外喷射产生推力。
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