TW202302993A

TW202302993A - 真空陰極電弧誘發脈衝式推進器

Info

Publication number: TW202302993A
Application number: TW110125711A
Authority: TW
Inventors: 李約亨; 劉勝文; 李後毅; 郭添全; 許耀中
Original assignee: 國立成功大學; 財團法人國家實驗研究院
Priority date: 2021-07-13
Filing date: 2021-07-13
Publication date: 2023-01-16
Also published as: TWI778706B

Abstract

本發明真空陰極電弧誘發脈衝式推進器，其包含有一殼體，分別設於該殼體內之第一陽極與第二陽極，一受該第一陽極所圈圍之絕緣燃料層，一受該絕緣燃料層所圈圍之第一陰極，一受該第一陰極所圈圍之絕緣層，以及一沿該殼體之中心線向外延伸之第二陰極，而前述該第一陽極、該絕緣燃料層、該第一陰極與該絕緣層以該殼體之中心線為中心呈同心圓設置；是以，透過整體結構設計，達到低成本、低系統複雜度、重量輕與功率消耗少等功效外，同時避免使用上的碳沉積影響誘發效果，提高該真空陰極電弧誘發脈衝式推進器之使用壽命，以及提高觸發精確度。

Description

真空陰極電弧誘發脈衝式推進器

本發明係有關於一種推進器，特別是一種真空陰極電弧誘發脈衝式推進器。

近年來研製的一種新型推進器，脈衝式電漿推進器(pulsed plasma thruster)是一種近年來研製的新型推進器，其係一種利用電場與磁場交互作用，進而加速電漿產生推力的電力推進裝置，由於該脈衝式電漿推進器具有低成本、設計簡單、重量輕與消耗功率少等特性，同時該脈衝式電漿推進器在微衛星姿態控制與位置保持上可以達到很好的效果，使得該脈衝式電漿推進器成為最具有發展希望的電力推進裝置之一；查，一般脈衝式電漿推進器的原型為固體供給脈衝式電漿推進器及氣體誘發脈衝式電漿推進器，其中，該固體供給脈衝式電漿推進器最為常見且結構非常簡單，其主要利用燃料搭配火星塞之電極來誘發放電，進而產生推力，然而，在真空環境下需要極高電壓才能達到透過該火星塞誘發放電之放電需求，且放電過程所產生的碳會沉積附著於該火星塞之電極表面及燃料表面，進而影響後續放電誘發效果，以及大幅降低該固體供給脈衝式電漿推進器之使用效率與壽命，實有待改善。

仍續前述，就該氣體誘發脈衝式電漿推進器方面而言，當電極間產生足夠的電離氣體時，會使電容造成放電，利用氬氣當作推進劑與誘發器來誘發放電，透過電離氣體放電且擊穿電壓小於大氣環境下的擊穿電壓，最大單發脈衝所產生的衝量，以達到推進之目標；然而，利用氣體作為推進劑之方式，其對於燃料之損耗較大，且相對推進效率較差，此外，無論是氣體誘發脈衝式電漿推進器或固體供給脈衝式電漿推進器，都會造成後期剝蝕 (late-time ablation)現象的產生，致使推進器性能降低和使用壽命減少，因此，如何設計出具有較長使用壽命、高性能、低耗能之推進器，亦為眾所努力之目標。

因此，本發明之目的，是在提供一種真空陰極電弧誘發脈衝式推進器，其使用過程中能降低碳沉積影響，以及將碳沉積轉化為燃料，有效增進使用壽命，以及提高觸發精確度。

於是，本發明真空陰極電弧誘發脈衝式推進器包含有一具有一內壁面之殼體，分別受該內壁面所圈圍之觸發空間與放電空間，分別設於該觸發空間與該放電空間內之第一陽極與第二陽極，一受該第一陽極所圈圍之絕緣燃料層，一設於該觸發空間內且與該第一陽極呈間隔設置之第一陰極，以使該絕緣燃料層設於該第一陰極與該第一陽極之間，一受該第一陰極所圈圍之絕緣層，以及一設於該殼體內之第二陰極，且該第二陰極沿該殼體之中心線並由該觸發空間伸置入該放電空間內，另，該第一陽極、該絕緣燃料層、該第一陰極與該絕緣層以該中心線為中心呈同心圓設置；是以，藉由上述結構設計，其先透過該第一陽極與該第一陰極放電後，進而誘發該第一陽極與該第一陰極間之絕緣燃料層產生電漿至該放電空間內，再由該第二陽極與該第二陰極放電，使該電漿流中金屬離子的高速排氣速度產生推力，而不需額外使用火星塞等結構，故具有低成本、低系統複雜度、重量輕與功率消耗少之功效外，同時也可以避免放電過程所產生的碳沉積影響觸發效果，以及將碳沉積作為燃料之反饋等功效，進而提升觸發精確度與控制精確度，以及延長整體使用壽命。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地明白。

參閱圖1、圖2，本發明真空陰極電弧誘發脈衝式推進器3之第一較佳實施例，該真空陰極電弧誘發脈衝式推進器3包含有一殼體，分別設於該殼體內之第一陽極32、第二陽極33、絕緣燃料層34、第一陰極35、絕緣層36及第二陰極37；其中，該殼體中定義有一中心線R且具有一內壁面311，且該內壁面311圈圍出一觸發空間312與一放電空間313，同時該觸發空間312與該放電空間313相互連通，而該第一陽極32係設置於該該觸發空間312內，該第二陽極33係設置於該放電空間313內，且該第一陽極32與該第二陽極33呈隔設置並分別貼合該殼體31之內壁面311；另，該絕緣燃料層34係受到該第一陽極32所圈圍；又，該第一陰極35係設於該觸發空間312內且與該第一陽極32呈間隔設置，以使該絕緣燃料層34恰設於該第一陽極32與該第一陰極35之間；至於，該絕緣層36係受該第一陰極35所圈圍；再者，該第二陰極37係設於該殼體31內且沿該中心線R並由該觸發空間312伸置入該放電空間313內；最後，該第一陽極32、該絕緣燃料層34、該第一陰極35與該絕緣層36以該殼體31之中心線R為中心呈同心圓設置，而於本實施例中，該絕緣燃料層34為鐵氟龍材質。

仍續前述，該真空陰極電弧誘發脈衝式推進器3另包含有一分隔件38，以及一控制裝置4，該分隔件38由該殼體31之內壁面311凸伸，以使該第一陽極32與該第二陽極33呈間隔設置，且該分隔件38由該觸發空間312朝該放電空間313呈漸縮設置，另，該控制裝置4分別連接該第一陽極32、第一陰極35、第二陽極33與第二陰極37，因此，該控制裝置4得以於該第一陽極32及該第二陽極33輸入正極電壓，另於該第一陰極32與該第二陰極33輸入負極電壓，並且分別控制該第一陽極32與該第一陰極35放電，以及控制該第二陽極33與該第二陰極37放電。

参閱圖3、圖4，作動時，該控制裝置4控制該第一陽極32與該第一陰極35進行誘發放電，以使該第一陽極32與該第一陰極35間產生電弧，該電弧將集中在該第一陰極35表面上形成陰極斑點，因為陰極斑點具有非常高的溫度，因而引起離子發射現象而形成電漿（也稱為電離體），通過排出電漿至該觸發空間312內，而產生初步推力，同時該電漿係來自該第一陰極35的微爆炸和蒸發，這會導致該第一陰極35及該絕緣燃料層34表層上的碳消耗。

配合參閱圖5、圖6，而後該電漿經由該觸發空間312輸入至該放電空間313內，同時該放電空間313內因該電漿形成通路，進而使該控制裝置4控制該第二陽極33與該第二陰極37進行放電，使該放電空間313之電漿因放電而誘導出磁場和電場交互作用，進而產生勞倫茲力(Lorentz force)，並產生加速推力；再者，由於該絕緣燃料層34係採用鐵氟龍材質，其因電弧產生電漿過程中，同時也會產生部分的碳沉積在該第一陰極35表面與該絕緣燃料層34表面，以作為該第一陰極35及該絕緣燃料層34的碳補充，因此，本發明中的碳沉積現象不同於習知，不再是影響後續放電誘發效果，而是有助於該絕緣燃料層34及該第一陰極35的碳補充，進而延長該絕緣燃料層34及該第一陰極35之使用壽命，有效解決習知採用火星塞必須輸入極高電壓才能產生放電效果，以及該火星塞之電極受到碳沉積覆蓋而影響點火效率之缺失，故，本案之真空陰極電弧誘發脈衝式推進器3得以不受到該碳沉積影響，更能提高控制精確度與誘發精確度。

歸納前述，本發明真空陰極電弧誘發脈衝式推進器，其包含有一定義有一中心線之殼體，分別受該殼體所圈圍之觸發空間與放電空間，一設於該觸發空間內之第一陽極，一設於該放電空間內且與該第一陽極呈間隔設置之第二陽極，一受該第一陽極所圈圍之絕緣燃料層，一設於該觸發空間內且與該第一陽極呈間隔設置之第一陰極，以使該絕緣燃料層設於該第一陰極與該第一陽極之間，一受該第一陰極所圈圍之絕緣層，以及一設於該殼體內之第二陰極，且該第二陰極沿該中心線並由該觸發空間伸置入該放電空間內，另，該第一陽極、該絕緣燃料層、該第一陰極與該絕緣層以該殼體之中心線為中心呈同心圓設置；是以，透過該真空陰極電弧誘發脈衝式推進器的結構設計，不僅達到具有低成本、低系統複雜度、重量輕與功率消耗少之功效外，同時也可以避免放電過程所產生的碳沉積影響效率，有效提高該真空陰極電弧誘發脈衝式推進器之使用壽命，以及增加觸發精確度與控制精確度，故的確能達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為說明本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

[本發明] 3:真空陰極電弧誘發脈衝式推進器 31:殼體 311:內壁面 312:觸發空間 313:放電空間 32:第一陽極 33:第二陽極 34:絕緣燃料層 35:第一陰極 36:絕緣層 37:第二陰極 38:分隔件 4:控制裝置 R:中心線

圖1為本發明第一實施例之結構示意圖。圖2為本發明第一實施例之部分剖面示意圖。圖3至圖6為本發明第一實施例之動作示意圖。

3:真空陰極電弧誘發脈衝式推進器

31:殼體

311:內壁面

312:觸發空間

313:放電空間

32:第一陽極

33:第二陽極

34:絕緣燃料層

35:第一陰極

36:絕緣層

37:第二陰極

38:分隔件

4:控制裝置

R:中心線

Claims

一種真空陰極電弧誘發脈衝式推進器，其包含有：一殼體，其定義一中心線，且具有一內壁面，以及分別受該內壁面所圈圍之觸發空間與放電空間，且該觸發空間與該放電空間相互連通；分別設於該觸發空間內與該放電空間內之第一陽極與第二陽極，該第一陽極與該第二陽極呈間隔設置且分別貼合該殼體之內壁面；一受該第一陽極所圈圍之絕緣燃料層；一設於該觸發空間內之第一陰極，且該第一陰極與該第一陽極呈間隔設置，以使該絕緣燃料層設於該第一陰極與該第一陽極之間；一受該第一陰極所圈圍之絕緣層；及一設於該殼體內之第二陰極，且該第二陰極沿該殼體之中心線並由該觸發空間伸置入該放電空間內；其中，該第一陽極、該絕緣燃料層、該第一陰極與該絕緣層以該殼體之中心線為中心呈同心圓設置。
根據請求項1所述之真空陰極電弧誘發脈衝式推進器，更包含有一控制裝置，該控制裝置分別與該第一陽極、該第一陰極、該第二陽極及該第二陰極連接。
根據請求項1所述之真空陰極電弧誘發脈衝式推進器，其中，該絕緣燃料層為鐵氟龍材質。
根據請求項1所述之真空陰極電弧誘發脈衝式推進器，另包含有一分隔件，該分隔件由該殼體之內壁面凸伸，以使該第一陽極與該第二陽極呈間隔設置。
根據請求項4所述之真空陰極電弧誘發脈衝式推進器，其中，該分隔件由該觸發空間朝該放電空間呈漸縮設置。