一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器制造技术

本公开涉及一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器，包括电源处理单元、主电容、半导体火花塞，点火电路，主放电电路，推进剂工质，阴极喷嘴、阳极和有机玻璃外壳。本公开通过引入阴极喷嘴，使主放电电流与等离子体运动方向呈一定的角度，在自感磁场的作用下引入电磁加速。不同于传统电磁加速型脉冲等离子体推力器，本公开充分利用电热加速机制，提高了脉冲等离子体推力器的能量利用效率，在低功率水平下，可以提高系统总体效率，更适合微小卫星低功率应用场合。

【技术实现步骤摘要】
一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器
本公开属于脉冲功率技术和动力机械
，涉及一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器。
技术介绍
1、传统的冷气推进和化学推进系统需要采用推进剂贮存装置和供应系统，使得装置整体质量大，结构复杂。同时上述两种推进系统比冲小、效率低，很大程度上限制了其在微小卫星的空间应用。自上世纪六十年代前苏联首次将脉冲等离子体推力器应用于Zond2飞行器以来，作为一种新型的电推进系统，脉冲等离子体推力器得到了长足的发展。且随着微小卫星应用市场的扩大，脉冲等离子体推力器凭借其比冲高、质量小、结构简单、研发周期短、可提供微小可调推力等优势，在微小卫星执行高精度任务中具有广泛的应用前景。2、传统的脉冲等离子体推力器采用电磁加速机制，通过两个平行电极板连接储能电容器，推进剂工质置于两极板中间。在初始储能状态下，通过火花塞触发等方式引入初始带电粒子诱使电容器在推进剂表面发生沿面放电，电弧放电产生的电流烧蚀并离解工质形成等离子体，并在自感磁场中受洛伦兹力的作用加速向外喷出并产生推力。3、电磁型脉冲等离子体推力器虽然采用了固体推进剂，将推进剂工质和推力器本体组合形成模块化装置，但由于电磁力只能加速带电粒子，对于中性分子加速效果甚微。实验表明，烧蚀所产生的中性分子质量占总烧蚀产物质量的70％～90％，使得脉冲等离子体推力器的加速效率低并影响推力器整体能量转化效率。同时由于滞后烧蚀现象和微粒发射效应的存在，使得工质的利用率较低，在小功率水平的微小卫星上的广泛应用上仍存在很大的阻碍。
技术实现思路
基于此，本专利技术公开了一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器，所述推力器包括：电源处理单元、半导体火花塞，点火电路，主放电电路和推进剂工质；所述电源处理单元用于提供给推力器工作所需的电压、对主放电回路中的主电容进行充电以及对点火电路供电；所述点火电路用于输出脉冲高压使半导体火花塞发生沿面放电产生初始带电粒子；所述半导体火花塞产生的初始带电粒子进入推进剂工质中，通过不断的碰撞电离产生等离子体；所述推进剂工质为毛细管型，随着等离子体的产生，推进剂工质表面发生沿面闪络形成主放电电路中主电容的放电；所述主放电电路用于对电源处理单元提供的电能进行存储与传输、烧蚀推进剂工质并加速等离子体，将主电容能量转换为等离子体动能，从而形成等离子体喷射，产生推力。与现有技术相比，本公开具有的有益技术效果：1、本专利技术提供的基于毛细管放电的新型脉冲等离子体推力器，采用电热力加速等离子体的机制，不同于传统的电磁加速机制，实现了对占烧蚀产物质量绝大部分的中性分子的充分加速；本专利技术中等离子体弧道能量沉积效率达到50％以上，有利于提高推力器整体能量利用效率。2、本专利技术采用高性能半导体火花塞，可在较低的直流电压下发生沿面放电并产生带电粒子，绝缘结构得到简化，点火电路的整体安全性和可靠性提高；利用半导体开关控制点火电路，可以精确调控工作频率，达到推力器耗电功率、推力和冲量均可调节的目的。3、本专利技术实现了推进剂工质与推力器本体的模块化组合，结构简单，活动部件少，可靠性高。采用同轴结构设计使推力器整体装置尺寸较小，安装方便。可在同一外部结构下方便调节推进剂工质的尺寸，满足不同性能输出参数的要求。4、本专利技术采用扩张型喷嘴，增大等离子体射流角度的同时引入电磁加速机制，进一步提高粒子出射速度，提高推力效率并获得高比冲。附图说明图1是基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器工作实施装置示意图；图2是基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器的典型放电波形；图中所示：1为阴极喷嘴；2为火花塞钨电极；3为阴极接线螺栓；4为火花塞半导体层；5为推进剂工质；6为有机玻璃外壳；7为阳极；8为阳极接线螺栓；9为主放电电容；10为模拟真空环境；11为电源处理单元；12为点火电路。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明：在一个实施例中，本专利技术公开了一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器，所述推力器包括：电源处理单元、半导体火花塞，点火电路，主放电电路和推进剂工质；所述电源处理单元用于提供给推力器工作所需的电压、对主放电回路中的主电容进行充电以及对点火电路供电；所述点火电路用于输出脉冲高压使半导体火花塞发生沿面放电产生初始带电粒子；所述半导体火花塞产生的初始带电粒子进入推进剂工质中，通过不断的碰撞电离产生等离子体；所述推进剂工质为毛细管型，随着等离子体的产生，推进剂工质表面发生沿面闪络形成主放电电路中主电容的放电；所述主放电电路用于对电源处理单元提供的电能进行存储与传输、烧蚀推进剂工质并加速等离子体，将主电容能量转换为等离子体动能，从而形成等离子体喷射，产生推力。更优的，所述推力器还包括：阴极喷嘴、阳极和有机玻璃外壳；所述阴极喷嘴用于加速等离子体；所述有机玻璃外壳用于连接阴极喷嘴、阳极和推进剂工质。在本实施例中，针对现有电磁加速型脉冲等离子体推力器重粒子加速效率低，能量转化效率低(5％～10％)等问题，结构简单，重复工作一致性好且兼具高比冲参数及高推力效率的基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器。本实施例通过毛细管放电产生相对低温和高密度等离子体，使工质腔体内部和外界真空环境间形成巨大压力差，使等离子体获得充分的电热加速，提高了脉冲等离子体推力器的性能。本实施例是通过以下技术方案来实现的:一种基于毛细管放电的新型脉冲等离子体推力器，本专利技术包括：电源处理单元、主电容、半导体火花塞，点火电路，主放电电路，推进剂工质，阴极喷嘴、阳极和有机玻璃外壳。其中：推进剂工质呈毛细管状，阴极喷嘴和阳极分布于工质腔体两端，且通过螺纹与外部有机玻璃外壳连接，整套装置为同轴结构；高性能半导体火花塞安装在阴极喷嘴上，点火电路输出直流高压使火花塞放电产生初始等离子体。电源处理单元通过传输线为主电容充电，电容两端通过传输线连接于阴阳极，构成主放电回路，整体回路非常紧凑，以减小回路电感，增加电热加速效率。在一个实施例中，所述点火电路包括：点火电容器、隔离用高压二级管、点火开关和预触发电路；所述点火电容器高压端通过隔离用高压二级管与点火开关一端连接，低压端与推力器阴极喷嘴相连接；所述预触发电路输出脉冲信号驱动点火开关使点火电容器向半导体火花塞放电产生初始带电粒子。在本实施例中，本专利技术中所述点火电路包括点火电容器、隔离用高压二级管、点火开关和相应的预触发电路。点火电容器的容量为0.1μF，直流模块通过充电电阻将点火电容器充电至600V～1000V，点火电容器高压端通过隔离用高压二级管与点火开关一端连接，低压端接推力器阴极喷嘴。预触发电路输出脉冲信号驱动点火开关使点火电容器向火花塞放电产生初始带电粒子。隔离用高压二级管用于隔离主放电回路和点火回路，避免了因主放电电流向点火电路的分流而造成等离子体弧道中能量沉积效率降低。首先通过点火电路输出600V～1000V的脉冲电压诱发半导体火花塞发生沿面放电，产生部分带电粒子。在电场力的作用下进入毛细管腔体内并与工质表面发生碰撞，通过碰撞电离产生更多带电粒子。带电粒子数的增多造成毛细管内绝缘水平下降，并随着等离子体区的形成，主电容、阴极喷嘴、阳极和毛细管腔体形成放电通道，主放电形成。主放电的大电流在等离子体通道中沉积能量，产生大量热量并烧蚀毛细管管壁，毛细管壁对电弧的约束本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器，其特征在于，所述推力器包括：电源处理单元、半导体火花塞，点火电路，主放电电路和推进剂工质；所述电源处理单元用于提供给推力器工作所需的电压、对主放电回路中的主电容进行充电以及对点火电路供电；所述点火电路用于输出脉冲高压使半导体火花塞发生沿面放电产生初始带电粒子；所述半导体火花塞产生的初始带电粒子进入推进剂工质中，通过不断的碰撞电离产生等离子体；所述推进剂工质为毛细管型，随着等离子体的产生，推进剂工质表面发生沿面闪络形成主放电电路中主电容的放电；所述主放电电路用于对电源处理单元提供的电能进行存储与传输、烧蚀推进剂工质并加速等离子体，将主电容能量转换为等离子体动能，从而形成等离子体喷射，产生推力。

【技术特征摘要】
1.一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器，其特征在于，所述推力器包括：电源处理单元、半导体火花塞，点火电路，主放电电路和推进剂工质；所述电源处理单元用于提供给推力器工作所需的电压、对主放电回路中的主电容进行充电以及对点火电路供电；所述点火电路用于输出脉冲高压使半导体火花塞发生沿面放电产生初始带电粒子；所述半导体火花塞产生的初始带电粒子进入推进剂工质中，通过不断的碰撞电离产生等离子体；所述推进剂工质为毛细管型，随着等离子体的产生，推进剂工质表面发生沿面闪络形成主放电电路中主电容的放电；所述主放电电路用于对电源处理单元提供的电能进行存储与传输、烧蚀推进剂工质并加速等离子体，将主电容能量转换为等离子体动能，从而形成等离子体喷射，产生推力。2.根据权利要求1所述的推力器，其特征在于，优选的，所述推力器还包括：阴极喷嘴、阳极和有机玻璃外壳；所述阴极喷嘴用于加速等离子体；所述有机玻璃外壳用于连接阴极喷嘴、阳极和推进剂工质。3.根据权利要求2所述的推力器，其特征在于，所述点火电路包括：点火电容器、隔离用高压二级管、点火开关和预触发电路；所述点火电容器高压端通过隔离用高压二级管与点火开关一端连接，低压端与推力器阴极喷嘴相连接；所述预触发电路输出脉冲信号驱动点火开关使点火电容器向半导体火花塞放电产生初始带电粒子。4.根据权利要求3所述的推力器，其特征在于：所述推进剂工质采用固体聚四氟乙烯材料；所述推进剂工质为同轴毛细管型，能够根...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁卫东，程乐，王亚楠，闫家启，李志闯，申赛康，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61