CN206592256U - 一种采用储气电极的无触发式微真空弧推进器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用储气电极的无触发式微真空弧推进器，能够用于微小卫星或航天器。所述推进器的真空弧放电模块中的阴、阳极为储气金属电极，同时提供放电电极和推进剂的双重作用。阴极外围设置有阳极，阳极与阴极之间通过绝缘子间隔开，绝缘子表面覆盖一层储气的金属薄膜，阴极的后端安装弹簧；所述推进器的电感储能模块由电源、电感、IGBT晶体管、电阻与真空弧放电模块中的阴、阳极形成充、放电回路。本实用新型的推进器体积小、重量轻、结构紧凑，具有高比冲、高点火稳定性和长使用寿命的特点，适合于完成命微小卫星的阻尼补偿、轨道升降、位置保持和机动、姿态控制、编队飞行、发射误差修正等任务。

Description

一种采用储气电极的无触发式微真空弧推进器

技术领域

本实用新型属于脉冲等离子体及微小卫星微推进器领域，具体涉及一种采用储气电极的无触发式微真空弧推进器。

背景技术

脉冲等离子体推进器为太空中的微小卫星（包括小、微、纳、皮等卫星）提供脉冲推力，用于完成长寿命微小卫星的阻尼补偿、轨道升降、位置保持和激动、姿态控制、编队飞行、发射误差修正等任务。

已有的高电压脉冲等离子体推进器技术主要采用PTFE（即Teflon）等聚合物为推进剂，通常为同轴电极结构设计或平行板电极结构设计。现有的脉冲等离子体推进器技术采用储存在电容里的高电压触发和驱动。对储能电容的充电通常利用高压电源或由低压电源通过DC-转-DC的转换器将低压转换到所需的高压来对储能电容充电。储存在电容器里的高压引起绝缘体表面的等离子体放电，由此引起绝缘体（如PTFE）的表面加热和过热PTFE粒子以及相关PTFE等离子体伴生物的高速放电。另一种低电压脉冲等离子体推进器采用导电材料为推进剂，如碳，通过欧姆加热产生表面等离子体，释放高速的过热碳粒子。

真空弧推进器与脉冲等离子体推进器技术在几个方面有所不同。（1）推进剂：现有的脉冲等离子体推进器采用表面放电，将绝缘体材料熔化作为推进剂，同时避免电极的烧蚀；真空弧推进器使用阴极材料为推进剂，它形成低阻抗的等离子体，利用的是阴极材料的烧蚀。（2）加速机制：脉冲等离子体的主要的加速机制为洛伦兹力J×B，而真空弧推进器的主要的加速机制为由等离子体扩散形成的压力梯度和前面提到的洛伦兹力J×B。（3）触发机制：脉冲等离子体推进器利用表面放电，经常辅助使用一个火花塞甚至一个激光器来触发，而真空弧推进器利用贯穿一个极小间隙的高压击穿。（4）电流-电压特性（伏安特性）：放电触发以后，真空弧推进器在脉冲的剩余时间里电流减小，电压几乎不变，而脉冲等离子体推进器恰好相反，即电压减小，电流几乎不变。

以上所述的脉冲等离子体推进器技术和真空弧推进器技术，都面临着推进剂在放电过程中的严重烧蚀，使用寿命存在很大问题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种采用储气电极的无触发式微真空弧等离子体推进器，是一种具有小质量（几十到几百克）、小体积(厘米量级)、低电压（小于1000伏）的高比冲长寿命的等离子体推进器。能够在几十伏到几百伏的电压下提供稳定放电，并且作为推进剂的电极材料满足耐烧蚀的长寿命要求。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型的一种采用储气电极的无触发式微真空弧推进器，其特点是，所述的采用储气电极的无触发式微真空弧推进器包括真空弧放电模块和电感储能模块。所述的真空弧放电模块含有阳极、阴极、绝缘子、金属薄膜I、金属线圈和弹簧。所述的电感储能模块包含电阻、IGBT晶体管、脉冲开关信号、电感和电源。所述的真空弧放电模块中，阴极位于轴向的中心线上，阴极的外围设置有阳极，阳极与阴极之间由绝缘子间隔开，绝缘子表面覆盖一层储气的金属薄膜I，用于使阳极与阴极处于微导通状态。阴极的后端安装弹簧，通过弹簧的压力对阴极进行挤压固定。

电源与电感连接，电感与IGBT晶体管连接，IGBT晶体管与电阻连接，电阻与电源连接，形成一个充电回路。电感与阳极连接，电阻与金属线圈连接，通过IGBT晶体管形成一个放电回路。脉冲开关信号与IGBT晶体管连接，用于IGBT晶体管的控制。

所述的阳极、阴极均采用储气金属电极。金属薄膜为电阻值在1欧姆到100千欧姆量级的同样材料或其他材料。

所述的真空弧放电模块的结构分别采用径向同心结构或轴向环形结构设置。

所述的径向同心结构中，阴极的前端面设置为平面、呈一角度为α的凹形面或锥形面，α的角度范围为1度~180度。

所述的轴向环形结构中，在阳极与阴极之间设置多个绝缘子、多个储气金属电极，绝缘子与储气金属电极间隔交替设置，每个绝缘子上均沉积一层储气金属薄膜。

所述的绝缘子的材料采用陶瓷、云母、石英中的一种。

本实用新型中采用储气金属材料，比如金属氢化物，作为真空弧放电模块提供放电通道的电极材料和推进器的推进剂材料。弧放电过程引起的热效应对推进剂材料进行加热，使得储气金属电极将储存的气体释放出来，气体的释放和电离过程大大减小推进剂的烧蚀，提高推进剂的使用寿命。

本实用新型中的绝缘子表面覆盖储气金属薄膜，在作为推进器的推进剂材料和作为真空弧放电电极的阴极和阳极之间形成微导电触点，储气金属薄膜材料可以同推进剂材料一样或其他材料的储气金属薄膜。在放电脉冲结束后，作为推进剂的阴极材料在冷却后沉积在绝缘子上，可以对绝缘子表面烧蚀消耗掉的金属薄膜进行补充。作为放电电极和推进剂的金属材料，比如金属钛，具有吸气能力，能将释放的部分气体进行回吸，又再次形成储气金属材料。

本实用新型中的真空弧放电模块的电极几何结构可以是径向同心结构或轴向环形结构，也可以是传统的平板叠层式结构。径向同心设计中的阴极为实心的储气金属材料，外径为2mm~10mm，长度为5mm~50mm；绝缘子和阳极均为中空设计，且绝缘子和阳极的内径分别同阴极绝缘子的外径相匹配，绝缘子厚度为0.5mm~2mm，长度为5mm~20mm，阳极厚度在2mm~10mm，长度在5mm~20mm。绝缘子材料为易加工且可表面镀膜的陶瓷、石英、云母等绝缘材料，阳极同样为储气金属材料。轴向环形设计的阴极、绝缘子和阳极均为空心圆环设计，内径为2mm~10mm，厚度为2mm~10mm，阳极的长度在5mm~20mm，阴极的长度在5mm~50mm，绝缘子厚度在0.5mm~2mm。

本实用新型中采用弹簧挤压的自馈入式装配结构。在阴极远离放电的一端采用弹簧挤压的方式进行装配，当阴极材料在弧放电过程中由于烧蚀被消耗后，弹簧的压力会自动将阴极向放电区域推送，形成自馈入的阴极材料补充机制。

本实用新型中采用磁增强的真空弧放电模块。磁场由铜丝绕制的线圈在通过真空弧放电电流时形成。铜丝直径在亚毫米量级，扎数在几十到几百扎，形成的磁场强度在几十高斯到几百高斯。磁场的存在，进一步增强了放电等离子体羽流的聚焦和加速喷射效应，提高了推进剂的使用效率，拓宽了推进器的推力范围。

本实用新型中采用电感储能对真空弧放电模块供电。采用固体开关来保证小体积和提供较宽的功率参数：电流在毫安到百安培量级，电压在几伏到千伏量级，脉冲宽度在纳秒到毫秒量级。此外，也可工作于直流模式。

本实用新型中用于提供推力的等离子体射流由真空弧放电产生，用于形成真空弧的阴、阳极电极由绝缘子隔开，真空弧放电在几十伏即可稳定形成。具体工作过程为：当IGBT晶体管开关打开时，电感被10V—50V的一个直流电源充电；当开关关上后，累积在电感里的能量施加到阴极和阳极上，在两个电极之间产生峰值电压LdI/dt，达到几百伏。电流在绝缘子表面的微导电层和阴极之间的微接触点聚集，由于焦耳热效应产生爆炸等离子体，等离子体迅速扩散到阴极与阳极之间的间隙，形成真空弧放电。阴极表面阴极斑附近的放电等离子体由阴极向垂直于阴极表面的方向喷射。放电电流流过线圈产生脉冲磁场，进一步对等离子体羽流的喷射进行聚焦和加速，提高推进器的性能。

本实用新型中采用储气电极的无触发式微真空弧推进器的外部工作环境为真空或大气环境。

本实用新型的采用储气电极的无触发式微真空弧推进器的有益效果是，能够在几十伏到几百伏的电压下提供稳定放电，能够进一步减小单个真空弧推进器的尺寸，并且作为推进剂的电极材料满足耐烧蚀的长寿命要求。本实用新型通过采用阵列式的设置，将多个真空弧放电模块联合使用，提高推进器的工作稳定性，拓宽推进器的推力范围。

附图说明

图1为本实用新型的一种采用储气电极的无触发式微真空弧推进器的结构示意图；

图2为本实用新型中的真空弧放电模块的径向同心结构示意图，其中图2（a）的阴极端面为平面，图2（b）的阴极端面为具有一定角度的凹形或锥形表面；

图3为本实用新型中的真空弧放电模块的轴向环形结构示意图，其中图3（a）为单绝缘子结构，图3（b）为多绝缘子结构；

图中，1.阳极 2.阴极 3.绝缘子I 4.金属薄膜I 5.金属线圈 6.弹簧 7.电阻 8.IGBT晶体管 9.脉冲开关信号 10.电感 11.直流电源 12.绝缘子II 13.金属薄膜II 14.虚阳极I 15.绝缘子III 16.金属薄膜III 17.虚阳极II 18.绝缘子IV19.金属薄膜IV 20.虚阳极III。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型。

实施例1

图1为本实用新型的一种采用储气电极的无触发式微真空弧推进器的结构示意图。图2为本实用新型中的真空弧放电模块的径向同心结构示意图，其中图2（a）的阴极端面为平面，图2（b）的阴极端面为具有一定角度的凹形或锥形表面。图3为本实用新型中的真空弧放电模块的轴向环形结构示意图，其中图3（a）为单绝缘子结构，图3（b）为多绝缘子结构。在图1~图3中，本实用新型的一种采用储气电极的无触发式微真空弧推进器，包括真空弧放电模块和电感储能模块。所述的真空弧放电模块含有阳极1、阴极2、绝缘子3、金属薄膜I4、金属线圈5和弹簧6。所述的电感储能模块包含电阻7、IGBT晶体管8、脉冲开关信号9、电感10和电源11。所述的真空弧放电模块中，阴极2位于轴向的中心线上，阴极2的外围设置有阳极1，阳极1与阴极2之间由绝缘子3间隔开，绝缘子3表面覆盖一层储气的金属薄膜I 4，用于使阳极1与阴极2处于微导通状态。阴极2的后端安装弹簧6，通过弹簧6的压力固定阴极2。

电源11与电感10连接，电感10与IGBT晶体管8连接，IGBT晶体管8与电阻7连接，电阻7与电源11连接，形成一个充电回路。电感10与阳极1连接，电阻7与金属线圈5连接，通过IGBT晶体管8形成一个放电回路。脉冲开关信号9与IGBT晶体管8连接，用于IGBT晶体管8的控制。

所述的阳极1、阴极2均采用储气金属电极；金属薄膜I 4采用储气金属薄膜。

本实施例中，所述的真空弧放电模块的结构采用径向同心结构设置，阴极2的前端面设置为平面，如图2（a）所示。所述的阳极1和阴极2为储气的氢化钛TiH_1.5材料，绝缘子3为高温烧结的氧化铝陶瓷材料，在放电区域的端面的金属薄膜I 4为5微米厚的金属钛膜，并进行充氢处理，氢的原子比同样为1.5。阴极2为实心结构，外径5mm，长度20mm；绝缘子3和阳极1均为中空的圆柱，绝缘子3内径5mm，外径7mm，长度10mm；阳极1内径7mm，外径10mm。阴极2和阳极1之间的电阻为5欧姆。金属线圈5由100扎直径为0.5mm的铜丝绕制而成。电感储能模块的电源11提供10~100V的电压输出，电感10为100mH，电阻7为0.5欧姆，IGBT晶体管8为IRG4PH50UD，脉冲开关信号9由TC4420CPA产生。当脉冲开关信号9打开时，电感10被电源11充电，当脉冲开关信号9关闭时，累积在电感10里的能量施加到阳极1和阴极2上，在电极之间产生峰值电压LdI/dt。电流在氧化铝陶瓷表面的金属薄膜I 4与阴极2之间的微接触处聚集，随着电流的增加，焦耳热效应使得接触处的温度和比电阻迅速增加，局部的功率密度迅速增加，当温度超过200℃，阴极2和金属薄膜I 4里的氢释放出来，在微接触处产生初始等离子体，进而导致真空击穿，形成弧等离子体羽流的喷射。这一过程中，电流迅速下降至零，电压在30V保持不变。该电流金属线圈5时，在轴向产生200高斯的磁场，进一步对等离子体羽流进行约束和加速，产生几微牛的推力。该推进器在单个脉冲的持续时间为100微秒，可提供1000s以上的工作寿命。

所述的采用储气电极的无触发式微真空弧推进器的外部工作环境为真空或大气环境。

实施例2

本实施例与实施例1的整体结构相同，不同之处是，阴极2的前端面设置为呈一角度为α的凹形面，α的角度为90度，如图2（b）所示。所述的绝缘子的材料采用陶瓷。

实施例3

本实施例与实施例1的整体结构相同，不同之处是，所述的真空弧放电模块的结构采用轴向环形结构设置，如图3（a）所示。所述的绝缘子的材料采用云母。阳极1、阴极2和绝缘子3均为空心圆环结构，内径为5mm，厚度均为5mm，阳极1长度为20mm，阴极2长度为40mm，绝缘子的长度为1mm。绝缘子3内孔表面的金属薄膜I 4为5微米厚的金属钛膜，并进行充氢处理，氢的原子比为1.5。

实施例4

本实施例与实施例3的整体结构相同，不同之处是，所述的真空弧放电模块采用轴向环形的叠层结构设置，在本实施例中设置的绝缘子II 12、绝缘子III 15、绝缘子IV 18，虚阳极I1 4、虚阳极II 17、虚阳极III 20，金属薄膜II 13、金属薄膜III 16、金属薄膜IV19，如图3（b）所示。阳极1与阴极2之间采用绝缘子III 15、绝缘子IV 18间隔虚阳极I 14、虚阳极II 17、虚阳极III 20，在绝缘子III 15、绝缘子IV 18上分别沉积1微米厚的金属薄膜II 13、金属薄膜III 16。所述的绝缘子的材料采用云母。

最后应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种采用储气电极的无触发式微真空弧推进器，其特征在于：所述的采用储气电极的无触发式微真空弧推进器包括真空弧放电模块和电感储能模块；所述的真空弧放电模块含有阳极（1）、阴极（2）、绝缘子（3）、金属薄膜I（4）、金属线圈（5）和弹簧（6）；所述的电感储能模块包含电阻（7）、IGBT晶体管（8）、脉冲开关信号（9）、电感（10）和电源（11）；所述的真空弧放电模块中，阴极（2）位于轴向的中心线上，阴极（2）的外围设置有阳极（1），阳极（1）与阴极（2）之间通过绝缘子（3）间隔开，绝缘子（3）表面覆盖一层储气的金属薄膜I（4），用于使阳极（1）与阴极（2）处于微导通状态；阴极（2）的后端安装弹簧（6），通过弹簧（6）的压力对阴极（2）进行挤压固定；

所述的电感储能模块中的电源（11）与电感（10）连接，电感（10）与IGBT晶体管（8）连接，IGBT晶体管（8）与电阻（7）连接，电阻（7）与电源（11）连接，形成一个充电回路；电感（10）与阳极（1）连接，电阻（7）与金属线圈（5）连接，通过IGBT晶体管（8）形成一个放电回路；脉冲开关信号（9）与IGBT晶体管（8）连接，用于IGBT晶体管（8）的控制。

2.根据权利要求1所述的采用储气电极的无触发式微真空弧推进器，其特征在于：所述的真空弧放电模块采用径向同心结构或轴向环形结构设置。

3.根据权利要求2所述的采用储气电机的无触发式微真空弧推进器，其特征在于，所述的径向同心结构中，阴极（2）的前端面设置为平面、呈一角度为α的凹形面或锥形面。

4.根据权利要求3所述的采用储气电机的无触发式微真空弧推进器，其特征在于：所述的轴向环形结构中，在阳极（1）与阴极（2）之间设置多个绝缘子、多个储气金属电极，绝缘子与储气金属电极间隔交替设置。