一种姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器及运用方法技术

本发明专利技术公开了一种姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器及运用方法，涉及航天器空间电推进技术领域，包括阳极组件、阴极组件、进气组件、固定组件和电源；阳极组件包括拉瓦尔喷管和2N块绝缘隔板；其中，N≥2，优选为3或4；2N块绝缘隔板将拉瓦尔喷管内腔均匀分隔为2N个阳极分区，并将拉瓦尔喷管壳体绝缘分隔形成2N块弧形阳极；阴极组件包括阴极座和2N个阴极棒；固定组件包括外壳；进气组件包括工质气源和2N个进气孔；2N个进气孔的进气端分别通过一个进气阀与工质气源相连接，2N个进气孔的出气端分别对应2N个阳极分区。本发明专利技术能实现对推力器推力大小的精准调节，并实现单个推力器兼具姿态控制与轨道控制能力。控制与轨道控制能力。控制与轨道控制能力。

【技术实现步骤摘要】
一种姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器及运用方法


[0001]本专利技术涉及航天器空间电推进
，特别是一种姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器及运用方法。

技术介绍

[0002]随着航天事业的发展，以卫星、飞船为代表的航天器密集发射入轨，在通信、导航、遥感、科学研究等领域应用广泛，极大地方便了百姓的生活。然而当前绝大多数航天器采用的是传统化学推进方式，这种方式虽可产生很大推力，但是缺点也很明显：1、能量密度低，需要大量推进剂，使得航天器有效载荷占比很低，每公斤发射成本很高。
[0003]2、化学推进相对成熟，推力器比冲已接近极限。
[0004]近年来得到高度重视的电推进由于比冲高、寿命长、推力小等特点，在完成姿态调整，位置保持、轨道转移等任务方面展现出显著优势。由于电离加速方式的多样性，电推进的种类繁多，其中电弧推力器相比于其他电推力器有着结构简单、推力相对较大、比冲适中、推进剂选择范围很宽等优点，已得到一定应用。
[0005]现有的气体工质电弧推力器是通过控制工质流率来改变推力，但是流量的改变会对电弧点的位置、弧电压、电弧室压力等产生显著影响，所以流量与推力的关系十分复杂，通过控制工质气体流量很难实现对推力的精准调控。所以，研发一种可以对推力进行精准调节的空间电弧推力器，对于航天器的姿轨调控具有重要意义。
[0006]此外，现有航天器姿态与轨道控制都是需要多个推力器协同实现，而专利技术一种可通过单个推力器实现姿态与轨道控制的推力器，能够简化姿轨控系统，降低研发成本。
专利
技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器及运用方法，该姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器及运用方法能实现对推力器推力大小的精准调节，并实现单个推力器兼具姿态控制与轨道控制能力。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器，包括阳极组件、阴极组件、进气组件、固定组件和电源。
[0009]阳极组件包括拉瓦尔喷管和2N块绝缘隔板；其中，N≥2。
[0010]2N块绝缘隔板呈辐射状布设在拉瓦尔喷管内腔中，并将拉瓦尔喷管内腔均匀分隔为2N个阳极分区；每个阳极分区均包括沿轴向依次布设的收缩型的放电腔、过渡喉部和扩张型的喷腔。
[0011]每块绝缘隔板的外缘均伸入拉瓦尔喷管的壳体中，从而将拉瓦尔喷管壳体绝缘分隔形成2N块弧形阳极；每块弧形阳极均通过一个阳极开关与电源正极相连接。
[0012]阴极组件同轴布设在拉瓦尔喷管的上游端，阴极组件包括阴极座和2N个阴极棒；固定组件包括外壳。
[0013]阴极座和外壳从内至外依次同轴设置，阴极座采用绝缘材质制成。
[0014]2N个阴极棒以拉瓦尔喷管轴线为中心，均匀嵌设在阴极座中；每个阴极棒的下游端均伸入对应阳极分区的放电腔内，每根阴极棒均通过一个阴极开关与电源负极相连接。
[0015]进气组件包括工质气源和2N个进气孔；2N个进气孔的进气端分别通过一个进气阀与工质气源相连接，2N个进气孔的出气端分别对应2N个阳极分区的放电腔。
[0016]每根阴极棒的中心轴线均位于对应阳极分区的对称面上。
[0017]根据阴极座的介电强度Ec1以及阴极棒的电压U设计相邻两个阴极棒之间的距离D，则：D≥U/Ec1。
[0018]通过控制每块绝缘隔板的厚度d，使得每个阴极棒仅能在对应的阳极分区之间产生电弧；绝缘隔板厚度d需满足公式为：d≥U0/Ec2；其中，U0为阴极棒与对应阳极分区之间的电压；Ec2为绝缘隔板的介电强度。
[0019]N=3或4。
[0020]每个进气孔均为变直径通孔，通过调节进气孔的出口直径，进而调节从进气孔进入放电腔中工质气体的流速。
[0021]一种姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器的运行方法，包括如下步骤：
[0022]步骤1、设置推力控制模式：空间电弧推力器具有轨道控制模式和姿态控制模式。
[0023]将2N个阳极分区中关于拉瓦尔喷管轴线对称的两个阳极分区称为一组对称阳极分区，将与对称阳极分区对应的两个阴极棒、两个进气孔和两个弧形阳极分别称为对称阴极棒、对称进气孔和对称弧形阳极；则轨道控制模式具有N个推力档位，分别为：1档、2档、3档、
……
、N档。
[0024]1档需开启一组对称阴极棒、一组对称进气孔和一组对称弧形阳极。
[0025]2档需开启二组对称阴极棒、二组对称进气孔和二组对称弧形阳极。
[0026]依次类推，N档需开启N组对称阴极棒、N组对称进气孔和N组对称弧形阳极。
[0027]在姿态控制模式下，推力档位数量及具体档位需根据所需调节姿态进行确定；每个推力档位所对应的阳极分区均不关于拉瓦尔喷管轴线对称。
[0028]步骤2、选择推力控制模式及推力档位：根据空间电弧推力器所需要的控制目的，从步骤1中选择对应的推力控制模式及对应推力档位。
[0029]步骤3、推力控制：根据步骤2选择的推力控制模式及对应推力档位，打开对应的阴极开关、进气阀和阳极开关，阴极棒的下游端发射起弧电子，并在阴极棒下游端和过渡喉部之间会产生电弧；工质气源通过进气孔向对应阳极分区通入工质气体，工质气体经高温的电弧后，被加热、膨胀，并从喷腔尾端喷出，产生设定推力。
[0030]步骤1中，在姿态控制模式下，所需调节姿态包括俯仰角调节和偏航角调节。
[0031]当调节俯仰角时，则只需开启位于拉瓦尔喷管轴线以上或以下左右对称的阳极分区所对应的阴极棒、进气孔和弧形阳极。
[0032]当N=3时，俯仰角具有3个推力档位，分别为1档、2档和3档。
[0033]1档需开启位于拉瓦尔喷管轴线以上或以下一个且位于竖直方向上阳极分区所对应的阴极棒、进气孔和弧形阳极。
[0034]2档需开启位于拉瓦尔喷管轴线以上或以下左右对称两个阳极分区所对应的阴极棒、进气孔和弧形阳极。
[0035]3档需开启位于拉瓦尔喷管轴线以上或以下三个阳极分区所对应的阴极棒、进气孔和弧形阳极。
[0036]当N=4时，俯仰角具有2个推力档位，分别为1档和2档。
[0037]1档需开启位于拉瓦尔喷管轴线以上或以下左右对称二个阳极分区所对应的阴极棒、进气孔和弧形阳极。
[0038]2档需开启位于拉瓦尔喷管轴线以上或以下左右对称四个阳极分区所对应的阴极棒、进气孔和弧形阳极。
[0039]当调节偏航角时，则只需开启位于拉瓦尔喷管轴线以左或以右上下对称的阳极分区所对应的阴极棒、进气孔和弧形阳极。
[0040]当N=3时，偏航角具有1个推力档位，此时，需开启位于拉瓦尔喷管轴线以左或以右上下对称两个阳极分区所对应的阴极棒、进气孔和弧形阳极。
[0041]当N=4时，偏航角具有2个推力档位，分别为1档和2档。
[0042]1档需开启位于拉瓦尔喷管轴线以左或以右上下对称两个阳极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器，其特征在于：包括阳极组件、阴极组件、进气组件、固定组件和电源；阳极组件包括拉瓦尔喷管和2N块绝缘隔板；其中，N≥2；2N块绝缘隔板呈辐射状布设在拉瓦尔喷管内腔中，并将拉瓦尔喷管内腔均匀分隔为2N个阳极分区；每个阳极分区均包括沿轴向依次布设的收缩型的放电腔、过渡喉部和扩张型的喷腔；每块绝缘隔板的外缘均伸入拉瓦尔喷管的壳体中，从而将拉瓦尔喷管壳体绝缘分隔形成2N块弧形阳极；每块弧形阳极均通过一个阳极开关与电源正极相连接；阴极组件同轴布设在拉瓦尔喷管的上游端，阴极组件包括阴极座和2N个阴极棒；固定组件包括外壳；阴极座和外壳从内至外依次同轴设置，阴极座采用绝缘材质制成；2N个阴极棒以拉瓦尔喷管轴线为中心，均匀嵌设在阴极座中；每个阴极棒的下游端均伸入对应阳极分区的放电腔内，每根阴极棒均通过一个阴极开关与电源负极相连接；进气组件包括工质气源和2N个进气孔；2N个进气孔的进气端分别通过一个进气阀与工质气源相连接，2N个进气孔的出气端分别对应2N个阳极分区的放电腔。2.根据权利要求1所述的姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器，其特征在于：每根阴极棒的中心轴线均位于对应阳极分区的对称面上。3.根据权利要求1所述的姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器，其特征在于：根据阴极座的介电强度Ec1以及阴极棒的电压U设计相邻两个阴极棒之间的距离D，则：D≥U/Ec1。4.根据权利要求1所述的姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器，其特征在于：通过控制每块绝缘隔板的厚度d，使得每个阴极棒仅能在对应的阳极分区之间产生电弧；绝缘隔板厚度d需满足公式为：d≥U0/Ec2；其中，U0为阴极棒与对应阳极分区之间的电压；Ec2为绝缘隔板的介电强度。5.根据权利要求1所述的姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器，其特征在于：N=3或4。6.根据权利要求1所述的姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器，其特征在于：每个进气孔均为变直径通孔，通过调节进气孔的出口直径，进而调节从进气孔进入放电腔中工质气体的流速。7.一种根据权利要求1
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6任一项所述的姿轨控一体化的分区式空间电弧推力器的运行方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、设置推力控制模式：空间电弧推力器具有轨道控制模式和姿态控制模式；将2N个阳极分区中关于拉瓦尔喷管轴线对称的两个阳极分区称为一组对称阳极分区，将与对称阳极分区对应的两个阴极棒、两个进气孔和两个弧形阳极分别称为对称阴极棒、对称进气孔和对称弧形阳极；则轨道控制模式具有N个推力档位，分别为：1档、2档、3档、
……
、N档；1档需开启一组对称阴极棒、一组对称进气孔和一组对称弧形阳极；2档需开启二组对称阴极棒、二组对称进气孔和二组对称弧形阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂万胜，李丹阳，周思引，林欣慧，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：