CN207048912U - 用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路，采用多级放电方式为推力器提供放电能量，实现了对推力器工作过程中激光点火、电离击穿和放电加速的分别控制，可依据实际需求对三部分进行能量分配，增强了推力器的控制能力，有效提高了推力器的能量效率。

Description

用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路

技术领域

本实用新型属于电推进领域，涉及磁等离子体推力器，具体涉及一种用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路。

背景技术

磁等离子体推力器是一种电磁加速式电推进系统，以其比冲高、效率高、推力大等特点在大型航天器轨道提升、行星际航行和深空探测等方面具有显著优势。依据工作模式不同，可分为稳态磁等离子体推力器和准稳态磁等离子体推力器，其中准稳态磁等离子体推力器具有效率更高、寿命更长的特点。准稳态磁等离子体推力器中的放电电路,具有提供准稳态放电能量的作用。

CN201610273464.9中公开了一种激光支持的磁等离子体推力器，此装置采用激光烧蚀固体材料作为推力器的工质。解决了传统磁等离子体推力器供气系统复杂、动态响应慢、阴极烧蚀严重和大电流振荡等问题，为航天器提供了一种动态响应快、工质利用率高、能量转化效率高的激光支持的磁等离子体推力器。该激光支持的磁等离子体推力器采用固体工质，其工作过程为：在推力器两电极间施加高压电场，当激光烧蚀固体工质时，烧蚀产物被两电极间高压电场电离产生部分等离子体，激光在两电极间形成击穿放电产生电离和加速等离子体。

现有的放电电路为一级放电，其中仅有一个充电电源，为一组电容充电，达到可击穿电压(大于2000V)时击穿和放电同时发生，形成强电弧。将该放大电路用于该推力器时，在击穿放电方时会产生强电弧，从而产生大量热量，烧蚀固体工质，形成严重的滞后烧蚀，造成工质和能量的浪费。而且强电弧会烧蚀电极材料，降低推力器的使用寿命。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路，该实用新型解决了现有放电电路用于该磁等离子体推力器时，在放电过程中工质存在严重的滞后烧蚀的技术问题。

本实用新型提供一种用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路，磁等离子体推力器包括阳极、阴极、隔离段和用于接受激光入射的工质，隔离段的两相对侧分别设置阳极和阴极，工质横向穿透设置于隔离段中间；包括串联于阴极和阳极上的脉冲击穿电路、串联于阴极和阳极上的准稳态放电电路和与一端与阳极相连接另一端接地的保护电路，

脉冲击穿电路包括高压充电电源、与高压充电电源并联的小容量电容和线路电感，高压充电电源与小容量电容并联后正极与线路电感的一端相连接，负极与阴极相连接；线路电感的另一端与阳极相连接；

准稳态放电电路包括大功率充电电源、多个充电单元和二极管，阳极、二极管、充电单元依序串联；多个充电单元并联后与大功率充电电源并联；

充电单元包括依序串联的整流电感、整流电阻和大容量电容；

保护电路包括功耗电阻和继电器，功耗电阻一端与阳极相连接，另一端与继电器相连接；继电器的另一端接地。

进一步地，小容量电容为μF量级，充电电压高于2000V。

进一步地，准稳态放电电路中的电容容量和整流电感值按下式计算得到

其中，电容量C_q，整流电感L_q，特征放电时间τ_q，电容数量n，电容初始电压V_ini，等离子体电阻R_p，放电电流I_q，回路电感L_q。

进一步地，脉冲击穿电路与准稳态放电电路通过二极管并联连接。

进一步地，继电器的限定电流大于阳极电压与功耗电阻的比值。

本实用新型的优点在于：

1.本实用新型提供的用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路，通过两个电路将点火、击穿、放电过程分开，两个电路通过二极管并联，使其中脉冲击穿电路的高压不能向准稳态放电电路传输。以激光方式点火，通过对推力器工作过程中激光点火、脉冲击穿和准稳态放电的分别控制，从而依据实际需求对三部分进行能量分配，增强了推力器的控制能力，有效提高了推力器的能量效率。

2.本实用新型提供的用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路，可依据推力器放电需求通过公式(5)计算获得准稳态放电电路中的电容量和电感值，方便调节推力器放电特性。脉冲击穿电路中的小容量电容两端电势高，容易在推力器两极板之间形成击穿放电，增加了推力器放电的成功率。

3.本实用新型提供的用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路，其中的准稳态放电电路中的大容量电容两端电势低，降低了对于电容器和大功率充电电源的要求，从而降低了整个装置的制造成本。增加了保护电路，提高了整个装置的用电安全性。结构简单、安装方便、稳定性高，能量效率高。

具体请参考根据本实用新型的用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路提出的各种实施例的如下描述，将使得本实用新型的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是本实用新型提供的用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路示意图；

图2是本实用新型中脉冲击穿放电原理示意图；

图3是本实用新型优选实施例脉冲击穿放电原理下脉冲击穿放电电压—电流随时间变化曲线示意图；

图4是本实用新型中准稳态放电原理示意图；

图5是本实用新型优选实施例准稳态放电原理下的脉冲击穿放电电压—电流随时间变化曲线示意图。

图例说明：

1、磁等离子体推力器；11、阳极；12、阴极；13、隔离段；14、工质；2、脉冲击穿电路；21、高压充电电源；22、小容量电容；23、线路电感；3、准稳态放电电路；31、大功率充电电源；32、大容量电容；33、整流电阻；34、整流电感；35、二极管；4、保护电路； 41、功耗电阻；42、继电器。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

本实用新型提供的放电电路，仅能用于CN201610273464.9中公开的激光支持磁等离子体推力器。

参见图1，本实用新型提供的用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路，包括：脉冲击穿电路2、准稳态放电电路3和保护电路4。

所用磁等离子体推力器1包括阳极11、阴极12、隔离段13和工质14。阳极11和阴极12分别设置于隔离段13的两相对侧。工质14设置于隔离段13的中间。激光束正对工质14 入射。

脉冲击穿电路2串联于阴极11和阳极12上。脉冲击穿电路2包括高压充电电源21、与高压充电电源21并联的小容量电容22和与高压充电电源21串联的23。高压充电电源21为小容量电容22充电。高压充电电源21与小容量电容22并联后的正极与线路电感23的一端串联。线路电感23的另一端与阳极11连接。高压充电电源21与小容量电容22并联后的负极与阴极12连接。从而通过脉冲击穿电路2在推力器1的阳极11和阴极12之间形成高压电场。当激光点火时在阳极11和阴极12之间形成击穿放电，建立等离子体通道，进而诱导准稳态放电电路3工作。

准稳态放电电路3，包括大功率充电电源31、至少一个充电单元和二极管35，阳极11、二极管35和充电单元依序串联；多个充电单元之间并联后与大功率充电电源31并联。

充电单元包括依序串联的整流电感34、整流电阻33和大容量电容32。多个充电单元之间并联。第一个充电单元的整流电感34与二极管35串联。大功率充电电源31用于对大容量电容32充电。同时阴极12与大地连接；大功率充电电源31的另一端与阴极12串联；

准稳态放电电路3用于为推力器1提供放电能量，在推力器1的阳极12和阴极11之间形成大电流放电，为工质提供强电磁加速作用。二极管35能阻止脉冲击穿电路2的高电势流向准稳态放电电路3，避免高电势造成大容量电容32充电超过限定电压。

保护电路4包括依序连接的功耗电阻41和继电器42，功耗电阻41一端与阳极11相连，另一端通过继电器42与大地相连。保护电路4用于保障推力器1安全放电。当推力器1放电发生故障时，需要将阳极11与阴极12之间的高压电场和电路中电容储存的电能释放，这时，打开保护电路4中的继电器42，阳极11通过功耗电阻41与大地相连，功耗电阻41还可以通过发热来释放阳极11与阴极12之间的强电场和电路中电容储存的电能。从而确保整个电路的安全。

本实用新型提供的多级放电电路，能够有效提高推力器的能量效率，为激光支持的磁等离子体推力器提供准稳态放电所需的放电能量。采用激光点火方式，省去了火花塞和火花塞点火电路，同时激光点火能量和点火位置方便控制。本实用新型将推力器的放电过程分为激光点火、脉冲击穿和准稳态放电分别进行控制，依据实际需求对三部分进行能量分配，增强了推力器的控制能力，有效提高了推力器的能量效率。

优选地，脉冲击穿电路中的小容量电容为μF量级，充电电压高于2000V。(充电电压高于2000V是因为这样容易形成击穿，根据实验经验获得。充电电压越高越容易击穿，但充电电压越高对充电电源和电容的要求越高。小容量电容为μF量级，实验室经验，小容量电容容量大会在脉冲击穿时形成强电弧，造成浪费；小容量电容容量小形成的击穿电弧太弱，可能不会建立等离子体通道，无法形成准稳态放电。)

优选地，准稳态放电电路为多个大容量电容、整流电阻和整流电感的组合。(依据推力器放电需求，准稳态放电电路中通过不同大容量电容、整流电阻和整流电感的配合，可获得不同的放电时间和放电能量。)

优选地，准稳态放电电路中的电容容量和整流电感值根据推力器放电需求通过公式(5) 计算获得。(根据推力器放电需求，通过公式(5)计算获得准稳态放电电路中的电容容量和整流电感值)

优选地，脉冲击穿电路2与准稳态放电电路3通过二极管35并联连接。并联连接才能够使脉冲击穿电路2与准稳态放电电路3中的能量都释放在推力器两极板之间，且二极管35阻止了脉冲击穿电路2的高压向准稳态放电电路3传输。

优选地，保护电路4中的继电器42限定电流大于阳极11电压与功耗电阻41的比值。

本实用新型提供的用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路将放电过程分为三个阶段：激光点火、脉冲击穿和准稳态放电。脉冲击穿电路中的电容容量小、充电电压高，从而使得推力器两电极之间容易形成击穿放电，在两电极之间建立等离子体通道。两电极间的等离子体通道连通两电极，从而实现准稳态放电电路将能量释放于两极板之间。

同时，相比于准稳态放电电路，脉冲击穿电路的能量非常小，在两极板之间形成的电弧能量低，不会对极板材料和工质造成严重烧蚀。准稳态放电电路释放能量大，当两极板之间建立等离子体通道后，这大部分能量全部释放于两极板之间。采用本实用新型多级放电电路，可有效提高推力器的能量效率。

以下结合具体实例对本实用新型的原理进行说明。

脉冲击穿放电原理

如图2所示，脉冲击穿电路2包括高压充电电源21、小容量电容22和线路电感23。推力器1发生脉冲击穿放电时为典型的RLC欠阻尼放电，其回路方程为

式中，C_p、L_p和R_p分别为脉冲击穿放电回路的电容量、线路电感和等离子体电阻。q为极板电荷量。

脉冲击穿放电过程满足条件，是一个欠阻尼减幅振荡过程，且放电电流因此可由方程(1)获得击穿放电电流表达式

式中V₀为推力器阳极初始电压，

假设推力器阳极初始电压V₀＝2000V，电容量C_p＝3μF，线路电感L_p＝0.05μH，等离子体电阻R_p＝0.1Ω。则由公式(2)计算获得脉冲击穿放电电压、电流随时间变化如图3所示，说明为典型的欠阻尼减幅振荡。脉冲击穿电路单次放电能量为6J。由此可知，相比于准稳态放电能量，脉冲击穿电路的放电能量较小，对固体工质和电极材料的烧蚀非常弱。从而实现了对工质的保护。

准稳态放电原理

如图4所示，由准稳态放电电路各节点基尔霍夫定律可得：

式中V_i为电路中各节点电压，I_i为各回路电流，R_p为等离子体电阻，R_q和L_q分别为各整流电阻和整流电感，C_q为电容量，q_i为各回路电容的电荷量，n为电容数量。

准稳态放电电路特征放电时间τ_q和放电电流I_q可由下式计算

进而，获得电容量C_q和整流电感L_q的计算表达式

假设电容初始电压为V_ini＝100V，等离子体电阻R_p＝0.01Ω，回路电阻R_q＝0.01Ω，电容数量n＝10，特征放电时间τ_q＝1.36ms，放电电流I_q＝5000A,则通过式(5)计算获得回路电感 L_q＝0.68μH，电容量C_q＝6.8mF。由公式(3)计算获得准稳态放电电压、电流随时间变化如图5所示，由此可见该准稳态放电电路可提供准稳态的放电波形。准稳态放电电路单次放电能量为340J。

工作过程：

推力器1工作时，首先打开准稳态放电电路3的大功率充电电源31，为多个并联的大容量电容32充电；同时，打开脉冲击穿电路2的高压充电电源21，为小容量电容22充电(大于2000V)。准稳态放电电路3中的多个大容量电容32与脉冲击穿电路2中的小容量电容22并联连接于推力器1两电极，小容量电容22两端为高压，大容量电容32两端为低压。由于准稳态放电电路3中二极管35阻止了小容量电容22两端电势向大容量电容32传导，推力器 1两极板电势差与小容量电容22一致(大于2000V)。当激光束作用推力器1工质14后，烧蚀产生气体工质和部分等离子体，进而诱导推力器1阳极11和阴极12之间击穿放电，形成电弧，建立两极板间等离子体通道，进而连通准稳态放电电路3。准稳态放电电路3中多个大容量电容32储存的电能经多个整流电阻33和整流电感34整合后在推力器1两极板间释放，推力器1两极板之间形成准连续的大电流放电，进而形成强磁场，加速两极板间的等离子体喷出，从而形成推力。

当推力器1放电发生故障时，电路中仍然储存大量电能，且小容量电容22和两极板间存在很高的电势差，十分危险。此时首先关闭高压充电电源21和大功率充电电源31，然后打开保护电路4中的继电器42，将脉冲击穿电路2中的小容量电容22正极、准稳态放电电路3中的大容量电容32正极、推力器1阳极11通过功耗电阻41与大地相连，电路中储存的电能通过功耗电阻发热消耗。耗电阻处于在保护电路中，即使发热也不会造成工质和电极材料的烧蚀，功耗电阻发热通常发生在推力器放电发生故障时，此时通过发热将电路存储的电能释放，避免了整个电路由于故障存储过量电能的危险。

本领域技术人员将清楚本实用新型的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本实用新型的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本实用新型，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本实用新型并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本实用新型时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本实用新型的范围的限制。

Claims (4)

1.一种用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路，所述磁等离子体推力器包括阳极、阴极、隔离段和用于接受所述激光入射的工质，所述隔离段的两相对侧分别设置所述阳极和所述阴极，所述工质横向穿透设置于所述隔离段中间；

其特征在于，

包括串联于所述阴极和所述阳极上的脉冲击穿电路、串联于所述阴极和所述阳极上的准稳态放电电路和与一端与所述阳极相连接另一端接地的保护电路，

所述脉冲击穿电路包括高压充电电源、与高压充电电源并联的小容量电容和线路电感，所述高压充电电源与所述小容量电容并联后正极与所述线路电感的一端相连接，负极与所述阴极相连接；所述线路电感的另一端与所述阳极相连接；

所述准稳态放电电路包括大功率充电电源、多个充电单元和二极管，所述阳极、所述二极管、所述充电单元依序串联；多个所述充电单元并联后与所述大功率充电电源并联；

所述充电单元包括依序串联的整流电感、整流电阻和大容量电容；

所述保护电路包括功耗电阻和继电器，所述功耗电阻一端与所述阳极相连接，另一端与所述继电器相连接；所述继电器的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路，其特征在于，所述小容量电容为μF量级，充电电压高于2000V。

3.根据权利要求1所述的用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路，其特征在于，所述脉冲击穿电路与所述准稳态放电电路通过二极管并联连接。

4.根据权利要求1所述的用于激光支持的磁等离子体推力器的多级放电电路，其特征在于，所述继电器的限定电流大于所述阳极电压与所述功耗电阻的比值。