一种用于微型脉冲等离子体推进器半导体火花塞的点火电路制造技术

本发明专利技术针对优化点火系统质量和体积、提高点火系统电效率和时间控制精度、减少半导体火花塞发热及其热应力等技术问题，在不增加外部电路复杂性、不改变火花塞基本构型的基础上，针对采用半导体火花塞点火的微型脉冲等离子体推力器，设计了一种点火电路，并对半导体火花塞中心阳极的安装、固定方式进行了设计。

【技术实现步骤摘要】
一种用于微型脉冲等离子体推进器半导体火花塞的点火电路
本专利技术涉及一种半导体火花塞及其点火系统，特别适用于诱导微型脉冲等离子体推力器发生主放电而产推力。
技术介绍
当前，卫星系统网络化、微型化发展对微型电推进器提出了广泛的需求。微型脉冲等离子体推进器(Micro-PulsedPlasmaThruster,μPPT)是脉冲等离子体推进器(PulsedPlasmaThruster,PPT)的一种，其利用电容脉冲放电产生电磁场、工质烧蚀电离产生等离子体，再通过电磁力加速等离子体而产生推力。通常，将系统质量小于1kg的PPT称为μPPT，μPPT的质量、体积和功耗均至少要比PPT低一个量级。按工质的物理状态分类，μPPT可分为采用气体工质、采用液体工质和采用固体工质的μPPT，与采用气体工质和采用液体工质的μPPT相比，采用固体工质的μPPT把推进剂的供给与推力器本体组合成一个模块，省却了复杂的推进剂储存系统和供给系统，避免了阀门寿命的限制和工质泄露的问题，其除了具备传统PPT推力密度大、比冲高、推力小而精准、控制精度高、结构简单、可靠性高等优点外，还具备功耗低、成本低、质量轻、体积小等优点，十分适用于微纳卫星的空间应用和执行高精度控制的推进任务。点火系统是μPPT的关键组成之一，其直接决定了μPPT的点火成败问题，还直接影响到整个推力器的质量和性能。对于采用固体工质的平行极板构型的μPPT，一般采用外部激发放电方式诱导推力器发生主放电：火花塞采用单独的点火电路控制，主放电采用电容储能放电，火花塞常用点火电压较低、点火稳定性较好的半导体火花塞。在点火系统的控制下，半导体火花塞点火，诱发主放电并产生电弧，近而烧蚀、电离和加速工质而产生推力。这种μPPT的点火电路具有控制精度高、可靠性较好、结构简单、成本低等优点，但也存在着一些问题：需单独的点火电路，一定程度上增加了系统的质量、体积和复杂性。半导体火花塞存在较大的热应力，使得推进系统的寿命受到火花塞寿命的限制。半导体火花塞在真空中连续长时间放电会产生温度积累，导致火花塞温度升高，加上太空环境昼夜温差大(高达300℃)，导致火花塞热胀冷缩现象普遍存在，产生的热应力较大，可能导致局部放电或非标准放电等现象发生，一定程度上加剧了火花塞的烧蚀、腐蚀和失效。半导体火花塞的使用会影响传统点火系统的电效率和电容的充电时间。在点火电路不工作时，传统的金属型火花塞的阴极和中心电极间是完全隔离的，电路相当于断路；而半导体火花塞则会使电路导通，消耗一定的电能并发热(其自身的内阻相当于一个静态等效电阻)，同时，该静态等效电阻相当于与充电电阻并联，会对电容器的充电时间造成影响，从而影响控制精度。
技术实现思路
基于此，本专利技术在于克服现有技术的缺陷，提供一种半导体火花塞及其点火系统，针对优化点火系统质量和体积、提高点火系统电效率和时间控制精度、减少半导体火花塞发热及其热应力等技术问题，在不增加外部电路复杂性基础上，设计了一种半导体火花塞，以及用于半导体火花塞的点火电路。一种半导体火花塞，用于微型脉冲等离子体推力器，该火花塞为间隙性火花塞，包括中心阳极，接地外壳，绝缘体和半导体涂层；中心阳极与接地外壳之间分别通过绝缘陶瓷组件绝缘隔离和半导体涂层放电；绝缘陶瓷下端面采用环状、片式半导体环封口；火花塞中心阳极上端为接线螺栓，通过螺栓与点火电路供电端正极相连，火花塞接地阴极下端为螺栓，通过螺栓与推力器阴极板相连，构成回路；在点火端面，中心阳极与外层阴极之间装有环状、片式的半导体涂层，中心阳极与半导体涂层之间留有一定的装配间隙L，使得中心阳极可沿轴向滑动；装配间隙L参考周向膨胀量ΔR＝αRΔT的大小来确定，其中，α为热膨胀系数，R为中心阳极直径，ΔT为温度的变化量；在非半导体涂层区域，在中心阳极与绝缘陶瓷之留有装配间隙L1。在其中一个实施例中，所述绝缘体为绝缘陶瓷，所述绝缘陶瓷下端面采用环状、片式半导体环封口。本专利技术还提供一种半导体火花塞的点火系统，包括上述半导体火花塞，还包括电源单元，点火启动单元；电源单元用来将卫星上的低压直流电源(V)转换为高压脉冲并对击穿触发电容(C4)、第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)、第三主储能电容(C3)充电；点火启动单元用来将击穿触发电容(C4)、第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)以及第三主储能电容(C3)的能量瞬间释放到火花塞。火花塞用来产生带电粒子。在其中一个实施例中，所述电源单元包括星载电源(V)和变压器(T1)；其中，星载电源(V)与变压器(T1)的初级线圈串联，变压器(T1)将星载直流电源(V)进行升压，变压器(T1)的次级线圈用作主电源提供给后级。在其中一个实施例中，所述点火启动单元包括击穿触发电容(C4)、第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)、第三主储能电容(C3)，隔离耦合电容(C5)，分压电阻(R1)，第一二极管(D1)、第二二极管(D2)与第三二极管(D3)，第一开关(K1)与第二开关(K2)，开关晶体管(IGBT)，+5V点火电源，点火频率控制器(N)；其中，触发电路由+5V点火电源与点火频率控制器(N)串联组成；次级变压器(T2)的次级线圈与隔离耦合电容(C5)串联后与第二二极管(D2)串联；第一二极管(D1)与次级变压器(T2)的初级线圈并联后与第三二极管(D3)、开关晶体管(IGBT)串联，串联后再与击穿触发电容(C4)并联，并联后再与分压电阻(R1)串联，构成支路一；第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)、第三主储能电容(C3)并联，构成支路二；次级变压器(T2)的次级线圈与隔离耦合电容(C5)串联后再与火花塞(M)并联，并联后再与第二二极管(D2)串联，构成支路三；支路一、支路二、支路三并联，并联后再与变压器(T1)的次级线圈串联。本专利技术对火花塞的结构进行了改进，可减小半导体火花塞因温度大范围变化而产生的热应力，有利于火花塞寿命的提高；采用脉冲变压器，实现高压与低压之间的相互隔离，减小了对星载电压的影响；通过触发信号接口触发脉冲高压放电，引发点火，可通过单独的控制系统点火和手动点火，点火频率控制精准；采用多个主储能电容并联，储能电容的个数通过闸刀控制，点火能量自主调节，且击穿电容与点火主电容相独立，提高了能量的利用率；并且针对半导体火花塞的工作特性引入了隔离二极管，可防止在点火电路待机时，半导体火花塞因不能自主隔离(自身存在等效静态电阻)而出现耗能和发热现象；本专利技术结构简单，元器件及其组成的点火系统质量轻、体积小，能适应于μPPT严格的质量、空间要求。附图说明图1为半导体火花塞正视结构示意图；图2为半导体火花塞仰视结构示意图；图3为半导体火花塞剖视结构示意图；图4为半导体火花塞中心阳极结构示意图；图5为本专利技术电路的电路原理图。1—外层阴极，2—绝缘陶瓷，3—半导体环，4—中心阳极，5—中心阳极与绝缘陶瓷间的配合间隙，6—中心阳极与半导体环间的配合间隙，7—连接螺母，8—连接螺纹，星载28V—星载电源为28V，T1—初级变压器，K1/K2—主电容开关，C1/C2/C3—主储能电容，R1—分压电阻，IGBT—晶体管，D1/D2/D3—二极管，T2—次级变压器，C5—放电击穿电容，M—火花塞本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体火花塞，用于微型脉冲等离子体推力器，其特征在于该火花塞为间隙性火花塞，包括中心阳极，接地外壳，绝缘体和半导体涂层；中心阳极与接地外壳之间分别通过绝缘体绝缘隔离和半导体涂层放电；火花塞中心阳极上端为接线螺栓，通过螺栓与点火电路供电端正极相连，火花塞接地阴极下端为螺栓，通过螺栓与推力器阴极板相连，构成回路；在点火端面，中心阳极与外层阴极之间装有环状、片式的半导体涂层，中心阳极与半导体涂层之间留有一定的装配间隙L，使得中心阳极可沿轴向滑动；装配间隙L参考周向膨胀量ΔR＝αRΔT的大小来确定，其中，α为热膨胀系数，R为中心阳极直径，ΔT为温度的变化量；在非半导体涂层区域，在中心阳极与绝缘陶瓷之留有装配间隙L1。

【技术特征摘要】
1.一种半导体火花塞，用于微型脉冲等离子体推力器，其特征在于该火花塞为间隙性火花塞，包括中心阳极，接地外壳，绝缘体和半导体涂层；中心阳极与接地外壳之间分别通过绝缘体绝缘隔离和半导体涂层放电；火花塞中心阳极上端为接线螺栓，通过螺栓与点火电路供电端正极相连，火花塞接地阴极下端为螺栓，通过螺栓与推力器阴极板相连，构成回路；在点火端面，中心阳极与外层阴极之间装有环状、片式的半导体涂层，中心阳极与半导体涂层之间留有一定的装配间隙L，使得中心阳极可沿轴向滑动；装配间隙L参考周向膨胀量ΔR＝αRΔT的大小来确定，其中，α为热膨胀系数，R为中心阳极直径，ΔT为温度的变化量；在非半导体涂层区域，在中心阳极与绝缘陶瓷之留有装配间隙L1。2.根据权利要求1所述的半导体火花塞，所述绝缘体为绝缘陶瓷，所述绝缘陶瓷下端面采用环状、片式半导体环封口。3.一种半导体火花塞的点火系统，包括如权利要求1所述的半导体火花塞，还包括电源单元，点火启动单元；电源单元用来将卫星上的低压直流电源(V)转换为高压脉冲并对击穿触发电容(C4)、第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)、第三主储能电容(C3)充电；点火启动单元用来将击穿触发电容(C4)、第一主储能电容(C1)、第二主储能电容(C2)以及第三主储能电容(C3)的能量瞬间释放到火花塞。4.根据权利要求3所述的一种半导体火花塞的点火...

【专利技术属性】
技术研发人员：何兆福，吴建军，何振，程玉强，黄强，张宇，李健，欧阳，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43