CN201162635Y - 双电极固体脉冲等离子体推进器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于低温等离子体技术领域，具体为一种双电极固体脉冲等离子体推进器。该推进器以传统平行板脉冲等离子体推进器为蓝本，再增加一对平行板放电电极、两个二极管和一个高压开关，使得主电容放电的第一个半周期在第一对放电电极放电；主电容极性反向后，后续放电均在第二对电极发生，利用高压电容放电产生脉冲等离子体，等离子体在自身感应磁场与电流作用形成的洛伦兹力下被推出，产生推力。该推进器能进一步提高固体推进剂利用率、比冲以及整体工作效率。该推进器设计简单、成本适中，具有高推进剂利用率、高比冲和相对高的工作效率，可应用于微小卫星，完成姿态控制、位置保持、阻力补偿、轨道提升和维持以及编队飞行等空间任务。

Description

双电极固体脉冲等离子体推进器

技术领域

本实用新型属于低温等离子体技术领域，具体为一种双电极固体脉冲等离子体推进器。

背景技术

随着微电子技术、微型计算机技术、新型材料研制技术等现代高技术的发展卫星技术一方面向大型化方向发展；另一方面微小卫星也成为发展的热点。现代微小卫星以其重量轻、体积小、价格低、性能高、研制周期短等特点，受到世界各国的重视，得到了迅速发展，广泛应用于通信、遥感、军事侦测等领域。针对微小卫星的姿态控制、位置保持、阻力补偿、轨道提升和维持以及编队飞行等空间任务，目前卫星应用系统正向网络化方向发展，在通常由数颗或数十颗小卫星组成的功能星座中，要求对各个卫星间的轨道相位进行比较精确的控制。这对微小卫星的在轨推进技术提出了新的更高的要求。要求应用于微小卫星的推进技术具有体积小、重量轻、性能优、成本低、易于控制且对环境污染小等特点。而传统化学推进技术由于比冲低、重量大、结构复杂等原因，在微小卫星的应用中受到极大限制。而脉冲等离子体推进器(pulsed plasma thruster，简称PPT)，由于其具有体积小、重量轻、结构紧凑、控制方便灵活的特点，成为小卫星推进技术的重要发展方向。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种推进剂利用率高、比冲高、体积小、性能优、结构简单的脉冲等离子体推进器。

本发明设计的脉冲等离子体推进器其结构如图1所示。它包括以下结构单元：

一个主放电电容1，连接于第一二极管2和第一阳极5之间，主放电电容1与第二阳极12之间连接有可控制高压开关13；

一个第一二极管2，连接于主放电电容1和第一阴极10之间；

一个第二二极管3，连接于第二对电极7和12之间；

一个恒力弹簧4，给聚四氟乙烯推进剂8提供推力；

由第一阳极5和第一阴极10组成的第一对电极，第一阳极5和第二阴极7之间由第一绝缘物质6相连；由第二阳极12和第二阴极7组成的第一对电极，第一阴极10和第二阳极12之间由第二绝缘物质11相连；

一个半导体火花塞9，镶在第一阴极10上。

本实用新型中，所述主放电电容1的大小为1μF～50μF，所加电压范围为1kV～3kV；所述半导体火花塞9点火电压在1kV～3kV之间；所述第二对电极利用主放电电容1剩余能量，电离、离化第一对电极消融剩余中性粒子，形成二次放电，产生推力；所述通过使用第一二极管2防止主放电电容1在第一对电极放电，产生更多的中性粒子；通过所述控制高压开关13的触发时间来延迟主放电电容1的二次放电，延迟时间与主放电电容5储存的能量相关，典型的延迟时间在10μS～50μS之间；通过所述使用第二二极管3，使得主放电电容1不再有反向充电，防止在第一对电极产生放电。

脉冲等离子体推进器运行的基本原理如下：电源转换装置将卫星平台提供的低压直流转换为高压直流，输送到储能电容器和放电点火电路。放电点火回路按照一定的指令(触发信号)产生一个低能量的高压脉冲送到装在阴极紧靠推进剂端面的火花塞，使火花塞点火。推进剂的供应通过一个恒力弹簧产生一个力在推进剂上，保证推进剂能够在所需的速率送到推进器喷口。推进器工作时，首先将储能电容器充电至高压，此时正负极板间虽然存在一个强电场，但在真空情况下不会自行击穿。当点火回路一个触发脉冲时，火花塞点燃，产生少量粒子包括电子、质子、中性粒子和粒子团，这些粒子和推进剂表面碰撞，又从推进剂表面上烧一定量的粒子。带电粒子在强电场作用下分两极加速，同时与推进剂表面及在粒子之间碰撞，使推进剂表面烧蚀，然后分解并离化。随着带电粒子的增加，两极间逐渐形成等离子体。此时电容器、极板和等离子体区构成闭路，并产生感应磁场。于是等离子体受到洛仑兹力加速向外喷出，产生一个推力脉冲。

传统的固体脉冲等离子体推进器，推进效率一般为8％左右，目前报道最大推进效率仅为15％左右。主要是主放电电容放电后，固体推进剂表面仍然有消融现象发生。造成后续消融的推进物只能在气体压力下以低速喷出，推进效率大大降低。本发明在传统固体脉冲等离子体推进器的基础上，改进了推进器的结构。如图1所示，增加了一对电极、两个二极管和一个高压开关。该推进器能进一步提高固体推进剂利用率、比冲以及整体工作效率。该推进器设计简单、成本适中，具有高推进剂利用率、高比冲和相对高的工作效率，可应用于微小卫星，完成姿态控制、位置保持、阻力补偿、轨道提升和维持以及编队飞行等空间任务。

附图说明

图1为双电极固体脉冲等离子体推进器装置示意图。

图中标号：1为主放电电容，2为第一二极管，3为第二二极管，4为恒力弹簧，5为第一阳极，6为第一绝缘物质，7为第二阴极，8为聚四氟乙烯推进剂，9为半导体火化塞，10为第一阴极，11为第二绝缘物质，12为第二阳极，13为可控制高压开关。

具体实施方式

本推进器采用结构参数如下：电极和绝缘物质的形状均为长方体形；第一对电极5和10使用导电性能良好铜电极，长度为9cm，用于放电的部分有4cm长；绝缘物质6和11长度为1cm～3cm；第二对电极长度为4cm；它们宽度均为2cm～4cm，间距均为3cm～8cm；聚四氟乙烯推进剂8长度为10cm，高度为3.2cm～8.2cm，宽度为2cm～4cm；半导体火化塞9距离聚四氟乙烯推进剂8表面为0.7cm。

本推进器的工作过程如下：电源单元先给主放电电容1充电至高压，再给半导体火花塞9的电路一个触发信号，点火；这时在第一对电极5和10之间形成等离子体，电流从第一阳极5流向第一阴极10，在洛仑兹力和气体压力的作用下，等离子体向出口处被推出，产生推力。同时，对主放电电容1进行反向充电，第一二极管2阻止了主放电电容1在第一对电极放电发生。本次放电之后推进剂继续有消融现象发生，产生低速的中性粒子。由于电子和部分带电离子运动较快，中性粒子运动相对滞后。因此经过约几十微妙，未电离的中性粒子和后续消融的中性粒子以及少量带电离子运动到第二对电极7和12之间，这时电源单元再给可控制高压开关13一个触发信号，引起第二对电极放电，推进剂得到充分利用。由于第二次放电电流距离推进剂表面相对较远，所以没有发生后续消融现象。放电电流从第二阳极12流向第二阴极7。通过第二二极管3再把第二阴极7电流引到第二阳极12。这个过程再次形成等离子体，产生向出口处的推力。整个放电过程完成。

Claims (7)

1、一种双电极固体脉冲等离子体推进器，其特征包括以下结构单元：

一个主放电电容(1)，连接于第一二极管(2)和第一阳极(5)之间，主放电电容(1)于第二阳极(12)之间连接有可控制高压开关(13)；

一个第一二极管(2)，连接于主放电电容(1)和第一阴极(10)之间；

一个第二二极管(3)，连接于第二对电极(7)和(12)；

一个恒力弹簧(4)，给聚四氟乙烯推进剂(8)提供推力；

由第一阳极(5)和第一阴极(10)组成的第一对电极，第一阳极(5)和第二阴极(7)之间由第一绝缘物质(6)相连；

由第二阳极(12)和第二阴极(7)组成的第一对电极，第一阴极(10)和第二阳极(12)之间由第二绝缘物质(11)相连；

一个半导体火花塞(9)，镶在第一阴极(10)上。

2.根据权利要求1所述的双电极固体脉冲等离子体推进器，其特征在于主放电电容(1)的大小为1μF～50μF，所加电压范围为1kV～3kV。

3.根据权利要求1所述的双电极固体脉冲等离子体推进器，其特征在于半导体火花塞(9)点火电压在1kV～3kV之间。

4.根据权利要求1所述的双电极固体脉冲等离子体推进器，其特征在于第二对电极利用主放电电容(1)剩余能量，电离、离化第一对电极消融剩余中性粒子，形成二次放电，产生推力。

5.根据权利要求1所述的双电极固体脉冲等离子体推进器，其特征在于通过使用第一二极管(2)防止主放电电容(1)在第一对电极放电，产生更多的中性粒子。

6.根据权利要求1所述的双电极固体脉冲等离子体推进器，其特征在于通过可控制高压开关(13)的触发时间来延迟主放电电容(1)的二次放电，延迟时间在10μS～50μS之间。

7.根据权利要求1所述的双电极固体脉冲等离子体推进器，其特征在于通过使用第二二极管(3)，使得主放电电容(1)不再有反向充电，防止在第一对电极产生放电。

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