本發(fā)明涉及一種微弧陰極放電微型電推進(jìn)模塊，尤其適用于微納衛(wèi)星的在軌運(yùn)行，屬于微型電推進(jìn)模塊技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著微納技術(shù)的發(fā)展，小衛(wèi)星漸趨微型化，與傳統(tǒng)的大衛(wèi)星相比，微納衛(wèi)星體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動慣量小，用于軌道與姿態(tài)控制所需推力小，要求精度高，一般為毫牛量級，甚至到微牛量級；另外，微納衛(wèi)星能夠提供的電源功率都不高。因此，傳統(tǒng)大型衛(wèi)星上采用的化學(xué)推進(jìn)裝置以及電推進(jìn)裝置均不適合微納衛(wèi)星。
微納衛(wèi)星一般在較低軌道運(yùn)行，所在軌道空氣密度較大，為延長微納衛(wèi)星的在軌時(shí)間或者提高姿態(tài)調(diào)控及軌道機(jī)動性，亟需研制適用于微納衛(wèi)星特性的微型推進(jìn)模塊。在現(xiàn)有技術(shù)中，較成熟的微推進(jìn)模塊有冷氣微推進(jìn)模塊和微型化學(xué)推進(jìn)模塊，由于質(zhì)量的限制，常規(guī)的微推進(jìn)模塊能夠提供的總沖普遍較低。
傳統(tǒng)的微推進(jìn)模塊存在如下問題：
第一、體積較大，傳統(tǒng)的微型推進(jìn)裝置，例如微型冷氣推進(jìn)模塊、微型化學(xué)推進(jìn)模塊、以及微型霍爾推進(jìn)模塊或微型離子推進(jìn)模塊等微型電推進(jìn)模塊均需要采用專門的推進(jìn)劑貯罐、管路、閥門等貯供裝置，造成體積較大。
第二、功耗浪費(fèi)，現(xiàn)有模塊通電后，各部分均開始產(chǎn)生靜態(tài)功耗，有些部分并不需要工作，這就造成了功耗浪費(fèi)，這在大衛(wèi)星上尚可接受，但會使本來能源就很緊張的微納衛(wèi)星出現(xiàn)能源緊缺的狀況。
第三、總沖較低，現(xiàn)有較成熟的微型冷氣推進(jìn)模塊和微型化學(xué)推進(jìn)模塊比沖均比較低，由于微納衛(wèi)星對重量的限制，導(dǎo)致微型冷氣推進(jìn)模塊、微型化學(xué)推進(jìn)模塊等常規(guī)微推進(jìn)模塊能夠提供的總沖普遍較低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種微弧陰極放電微型電推進(jìn)模塊，通過采用固體金屬作為推進(jìn)劑，去除了專門的推進(jìn)劑貯供模塊，大幅縮小了微推進(jìn)模塊的體積，解決了傳統(tǒng)微推進(jìn)模塊體積較大的問題；通過電磁線圈和控制開關(guān)的配合且有效利用電弧放電的剩余電流，有效降低了微推進(jìn)模塊的功耗，解決了電感線圈功耗浪費(fèi)的問題；通過電磁線圈聚焦推進(jìn)器陰極表面的等離子體，提高了推進(jìn)器的比沖，顯著提升了微推進(jìn)模塊的總沖，克服了傳統(tǒng)微推進(jìn)模塊總沖較低的難題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
一種微弧陰極放電微型電推進(jìn)模塊，包括電源控制單元和推進(jìn)器，其中：
電源控制單元包括電源、電感線圈、控制開關(guān)和分流器；電源提供直流電，并通過分流器進(jìn)行測量，控制開關(guān)閉合時(shí)為電感線圈充電，控制開關(guān)斷開時(shí)對外界產(chǎn)生瞬間高壓，若外界電路導(dǎo)通，則向外界提供電流直至電感線圈儲存的電能完全釋放；
推進(jìn)器包括陰極、絕緣環(huán)、陽極和電磁線圈；陰極和陽極受到瞬間高壓時(shí)放電擊穿絕緣環(huán)表面導(dǎo)通，燒蝕陰極表面并生成等離子體，在電磁線圈所生成的磁力線作用下，等離子體聚焦加速噴出，產(chǎn)生推力。
在上述的一種微弧陰極放電微型電推進(jìn)模塊中，所述電源正極與電感線圈一端相連，電感線圈另一端與控制開關(guān)一端連接，控制開關(guān)另一端分別與分流器一端和電源負(fù)極相連，分流器另一端接地。
在上述的一種微弧陰極放電微型電推進(jìn)模塊中，所述電感線圈一端還與電磁線圈一端相連，電感線圈另一端與陰極相連，陰極另一端與陽極之間設(shè)有絕緣環(huán)，陽極另一端接地并通過分流器6與電源負(fù)極相連。
在上述的一種微弧陰極放電微型電推進(jìn)模塊中，所述電源提供的電壓范圍是5～25V。
在上述的一種微弧陰極放電微型電推進(jìn)模塊中，所述控制開關(guān)采用IGBT控制開關(guān)。
在上述的一種微弧陰極放電微型電推進(jìn)模塊中，所述控制開關(guān)的工作頻率范圍是1～100Hz。
在上述的一種微弧陰極放電微型電推進(jìn)模塊中，所述陰極采用材料為鈦或鎳。
在上述的一種微弧陰極放電微型電推進(jìn)模塊中，所述絕緣環(huán)采用材料為陶瓷。
在上述的一種微弧陰極放電微型電推進(jìn)模塊中，所述陽極采用材料為銅。
在上述的一種微弧陰極放電微型電推進(jìn)模塊中，所述電磁線圈采用標(biāo)稱直徑為0.5mm的漆包線纏繞兩層，每層15匝。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
1、本發(fā)明通過采用固體金屬作為推進(jìn)劑及自動供給機(jī)構(gòu)，不需要專門的推進(jìn)劑貯供模塊，大幅縮小了微推進(jìn)模塊的體積，解決了傳統(tǒng)微推進(jìn)模塊體積較大的問題。
2、本發(fā)明的電磁線圈與陰極和陽極所在電路串聯(lián)，控制放電的開關(guān)同時(shí)也控制電磁線圈的供電，當(dāng)推進(jìn)器不工作時(shí)，電磁線圈也不供電，且電磁線圈可以利用電弧放電的剩余電流，節(jié)省電能，減小功耗。
3、本發(fā)明通過電磁線圈聚焦推進(jìn)器陰極表面的等離子體，提高推進(jìn)器比沖，可顯著提升了微推進(jìn)模塊的總沖，克服了傳統(tǒng)微推進(jìn)模塊總沖較低的難題。
4、本發(fā)明通過電感線圈和控制開關(guān)的配合，可以將5～25V的較低電壓轉(zhuǎn)化為瞬間高電壓，實(shí)現(xiàn)了推力器陰極和推力器陽極的電弧低電壓擊穿導(dǎo)通，有效降低了模塊所需的工作電壓。
5、本發(fā)明的電源、電感線圈、分流器和電磁線圈均為常規(guī)元件，便于維修和更換，大幅降低了生產(chǎn)成本。
6、本發(fā)明適用于多種工作環(huán)境，在復(fù)雜工況下依然能夠保持微納衛(wèi)星的在軌生存能力和執(zhí)行任務(wù)能力，可操作性強(qiáng)。
7、本發(fā)明具有質(zhì)量小、功率大、效率高的特點(diǎn)，能夠保證微納衛(wèi)星在軌姿控的長時(shí)間穩(wěn)定工作。
8、本發(fā)明通過調(diào)整控制開關(guān)的工作頻率，實(shí)現(xiàn)了精確控制推力器的脈沖頻率，從而滿足了模塊的變推力工作需求，模塊整體架構(gòu)清晰、通用便捷，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
附圖說明
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)圖
其中：1電源控制單元；2推進(jìn)器；3電源；4電感線圈；5控制開關(guān)；6分流器；7陰極；8絕緣環(huán)；9陽極；10電磁線圈；
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖說明和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
如圖1所示，一種微弧陰極放電微型電推進(jìn)模塊，包括電源控制單元1和推進(jìn)器2，其中：
電源控制單元1包括電源3、電感線圈4、控制開關(guān)5和分流器6；電源3為模塊運(yùn)行提供直流電，并通過分流器6進(jìn)行測量，控制開關(guān)5閉合時(shí)為電感線圈4充電，控制開關(guān)5斷開時(shí)對外界產(chǎn)生瞬間高壓，若外界電路導(dǎo)通，則向外界提供電流直至電感線圈4儲存的電能完全釋放；
推進(jìn)器2包括陰極7、絕緣環(huán)8、陽極9和電磁線圈10；陰極7和陽極9受到瞬間高壓時(shí)放電擊穿絕緣環(huán)8表面導(dǎo)通，燒蝕陰極7表面并生成等離子體，在電磁線圈10所生成的磁力線作用下，等離子體聚焦加速噴出，產(chǎn)生推力。
電源3正極與電感線圈4一端相連，電感線圈4另一端與控制開關(guān)5一端連接，控制開關(guān)5另一端分別與分流器6一端和電源3負(fù)極相連，分流器6另一端接地。
電感線圈4一端還與電磁線圈10一端相連，電感線圈4另一端與陰極7相連，陰極7另一端與陽極9之間設(shè)有絕緣環(huán)8，陽極9另一端接地并通過分流器6與電源3負(fù)極相連。
優(yōu)選的，電源3提供的電壓范圍是5～25V。
控制開關(guān)5采用IGBT控制開關(guān)。
控制開關(guān)5的工作頻率范圍是1～100Hz。
陰極7采用材料為鈦或鎳。
絕緣環(huán)8采用材料為陶瓷。
陽極9采用材料為銅。
電磁線圈10采用標(biāo)稱直徑為0.5mm的漆包線纏繞兩層，每層15匝。
實(shí)際使用時(shí)，電磁線圈10的電阻R為0.438Ω(標(biāo)稱直徑0.5mm的漆包線為2.19Ω/m，按照20cm計(jì)算)，每次放電的時(shí)間為0.5ms左右，電流按照I＝10A左右，若按照常規(guī)方案電磁線圈10一直導(dǎo)通計(jì)算，每秒鐘消耗功耗為I2Rt＝(10A)2×0.438Ω×1s＝43.8J；而采用本方案在1Hz情況下，電磁線圈10每秒功耗為I2Rt＝(10A)2×0.438Ω×0.5ms＝0.0219J，在100Hz情況下，電磁線圈10每秒功耗也僅為I2Rt＝(10A)2×0.438Ω×0.5ms×100＝2.19J。這將大大減少整個(gè)模塊不必要的功耗。
本發(fā)明的工作原理是：
利用電感儲能裝置和IGBT快速開關(guān)產(chǎn)生瞬間高電壓，在陰極7和陽極9之間產(chǎn)生放電電弧燒蝕陰極7材料產(chǎn)生較高電離度的高速等離子體，并利用外加磁場加速聚焦等離子體以產(chǎn)生推力。
本發(fā)明說明書中未詳細(xì)描述的內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。