專利名稱：雙電極固體脈沖等離子體推進器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于低溫等離子體技術領域，具體為一種雙電極固體脈沖等離子體推進
器o
背景技術：
隨著微電子技術、微型計算機技術、新型材料研制技術等現(xiàn)代高技術的發(fā)展衛(wèi)星技
術一方面向大型化方向發(fā)展；另一方面微小衛(wèi)星也成為發(fā)展的熱點?，F(xiàn)代微小衛(wèi)星以其重 量輕、體積小、價格低、性能高、研制周期短等特點，受到世界各國的重視，得到了迅速 發(fā)展，廣泛應用于通信、遙感、軍事偵測等領域。針對微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制、位置保持、 阻力補償、軌道提升和維持以及編隊飛行等空間任務，目前衛(wèi)星應用系統(tǒng)正向網(wǎng)絡化方向 發(fā)展，在通常由數(shù)顆或數(shù)十顆小衛(wèi)星組成的功能星座中，要求對各個衛(wèi)星間的軌道相位進 行比較精確的控制。這對微小衛(wèi)星的在軌推進技術提出了新的更高的要求。要求應用于微 小衛(wèi)星的推進技術具有體積小、重量輕、性能優(yōu)、成本低、易于控制且對環(huán)境污染小等 特點。而傳統(tǒng)化學推進技術由于比沖低、重量大、結構復雜等原因，在微小衛(wèi)星的應用中 受到極大限制。而脈沖等離子體推進器(pulsed plasma thruster,簡稱PPT)，由于其具 有體積小、重量輕、結構緊湊、控制方便靈活的特點，成為小衛(wèi)星推進技術的重要發(fā)展方 向。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種推進劑利用率高、比沖高、體積小、性能優(yōu)、結構簡
單的脈沖等離子體推進器。
本發(fā)明設計的脈沖等離子體推進器其結構如圖l所示。它包括以下結構單元-一個主放電電容l，連接于第一二極管2和第一陽極5之間，主放電電容l與第二陽
極12之間連接有可控制高壓開關13;
一個第一二極管2，連接于主放電電容1和第一陰極10之間；
一個第二二極管3，連接于第二對電極7和12之間；
一個恒力彈簧4，給聚四氟乙烯推進劑8提供推力；
由第一陽極5和第一陰極10組成的第一對電極，第一陽極5和第二陰極7之間 由第一絕緣物質(zhì)6相連；由第二陽極12和第二陰極7組成的第一對電極，第一陰極10和第二陽極12之間由第二絕緣物質(zhì)11相連； 一個半導體火花塞9，鑲在第一陰極10上。
本實用新型中，所述主放電電容l的大小為1pF 50uF，所加電壓范圍為lkV 3kV; 所述半導體火花塞9點火電壓在lkV 3kV之間；所述第二對電極利用主放電電容1剩余 能量，電離、離化第一對電極消融剩余中性粒子，形成二次放電，產(chǎn)生推力；所述通過使 用第一二極管2防止主放電電容1在第一對電極放電，產(chǎn)生更多的中性粒子；通過所述控 制高壓開關13的觸發(fā)時間來延遲主放電電容1的二次放電，延遲時間與主放電電容5儲 存的能量相關，典型的延遲時間在10yS 50uS之間；通過所述使用第二二極管3，使得
主放電電容l不再有反向充電，防止在第一對電極產(chǎn)生放電。
脈沖等離子體推進器運行的基本原理如下電源轉換裝置將衛(wèi)星平臺提供的低壓直流
轉換為高壓直流，輸送到儲能電容器和放電點火電路。放電點火回路按照一定的指令(觸 發(fā)信號)產(chǎn)生一個低能量的高壓脈沖送到裝在陰極緊靠推進劑端面的火花塞，使火花塞點 火。推進劑的供應通過一個恒力彈簧產(chǎn)生一個力在推進劑上，保證推進劑能夠在所需的速 率送到推進器噴口。推進器工作時，首先將儲能電容器充電至高壓，此時正負極板間雖然 存在一個強電場，但在真空情況下不會自行擊穿。當點火回路一個觸發(fā)脈沖時，火花塞點 燃，產(chǎn)生少量粒子包括電子、質(zhì)子、中性粒子和粒子團，這些粒子和推進劑表面碰撞，又 從推進劑表面上燒一定量的粒子。帶電粒子在強電場作用下分兩極加速，同時與推進劑表 面及在粒子之間碰撞，使推進劑表面燒蝕，然后分解并離化。隨著帶電粒子的增加，兩極 間逐漸形成等離子體。此時電容器、極板和等離子體區(qū)構成閉路，并產(chǎn)生感應磁場。于是 等離子體受到洛侖茲力加速向外噴出，產(chǎn)生一個推力脈沖。
傳統(tǒng)的固體脈沖等離子體推進器，推進效率一般為8%左右，目前報道最大推進效率 僅為15%左右。主要是主放電電容放電后，固體推進劑表面仍然有消融現(xiàn)象發(fā)生。造成后
續(xù)消融的推進物只能在氣體壓力下以低速噴出，推進效率大大降低。本發(fā)明在傳統(tǒng)固體脈 沖等離子體推進器的基礎上，改進了推進器的結構。如圖1所示，增加了一對電極、兩個 二極管和一個高壓開關。該推進器能進一步提高固體推進劑利用率、比沖以及整體工作效 率。該推進器設計簡單、成本適中，具有高推進劑利用率、高比沖和相對高的工作效率， 可應用于微小衛(wèi)星，完成姿態(tài)控制、位置保持、阻力補償、軌道提升和維持以及編隊飛行 等空間任務。
圖1為雙電極固體脈沖等離子體推進器裝置示意圖。
圖中標號l為主放電電容，2為第一二極管，3為第二二極管，4為恒力彈簧,5為第一陽極，6為第一絕緣物質(zhì)，7為第二陰極，8為聚四氟乙烯推進劑，9為半導體火化塞， 10為第一陰極，11為第二絕緣物質(zhì)，12為第二陽極，13為可控制高壓開關。
具體實施方式
本推進器采用結構參數(shù)如下電極和絕緣物質(zhì)的形狀均為長方體形；第一對電極5和 IO使用導電性能良好銅電極，長度為9cm，用于放電的部分有4 cm長；絕緣物質(zhì)6和11 長度為1 cm 3 cm;第二對電極長度為4 cm;它們寬度均為2 cm 4 cm，間距均為3 cm 8 cm;聚四氟乙烯推進劑8長度為10 cm，高度為3. 2 cm 8. 2 cm，寬度為2 cm 4 era; 半導體火化塞9距離聚四氟乙烯推進劑8表面為0. 7 cm。
本推進器的工作過程如下電源單元先給主放電電容1充電至高壓，再給半導體火花 塞9的電路一個觸發(fā)信號，點火；這時在第一對電極5和10之間形成等離子體，電流從 第一陽極5流向第一陰極10，在洛侖茲力和氣體壓力的作用下，等離子體向出口處被推出， 產(chǎn)生推力。同時，對主放電電容l進行反向充電，第一二極管2阻止了主放電電容1在第 一對電極放電發(fā)生。本次放電之后推進劑繼續(xù)有消融現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)生低速的中性粒子。由 于電子和部分帶電離子運動較快，中性粒子運動相對滯后。因此經(jīng)過約幾十微妙，未電離 的中性粒子和后續(xù)消融的中性粒子以及少量帶電離子運動到第二對電極7和12之間，這 時電源單元再給可控制高壓開關13 —個觸發(fā)信號，引起第二對電極放電，推進劑得到充 分利用。由于第二次放電電流距離推進劑表面相對較遠，所以沒有發(fā)生后續(xù)消融現(xiàn)象。放 電電流從第二陽極12流向第二陰極7。通過第二二極管3再把第二陰極7電流引到第二陽 極12。這個過程再次形成等離子體，產(chǎn)生向出口處的推力。整個放電過程完成。
權利要求1、一種雙電極固體脈沖等離子體推進器，其特征包括以下結構單元一個主放電電容(1)，連接于第一二極管(2)和第一陽極(5)之間，主放電電容(1)于第二陽極(12)之間連接有可控制高壓開關(13)；一個第一二極管(2)，連接于主放電電容(1)和第一陰極(10)之間；一個第二二極管(3)，連接于第二對電極(7)和(12)；一個恒力彈簧(4)，給聚四氟乙烯推進劑(8)提供推力；由第一陽極(5)和第一陰極(10)組成的第一對電極，第一陽極(5)和第二陰極(7)之間由第一絕緣物質(zhì)(6)相連；由第二陽極(12)和第二陰極(7)組成的第一對電極，第一陰極(10)和第二陽極(12)之間由第二絕緣物質(zhì)(11)相連；一個半導體火花塞(9)，鑲在第一陰極(10)上。
2. 根據(jù)權利要求1所述的雙電極固體脈沖等離子體推進器，其特征在于主放電電容 (l)的大小為luF 50iiF，所加電壓范圍為lkV 3kV。
3. 根據(jù)權利要求1所述的雙電極固體脈沖等離子體推進器，其特征在于半導體火花 塞(9)點火電壓在lkV 3kV之間。
4. 根據(jù)權利要求1所述的雙電極固體脈沖等離子體推進器，其特征在于第二對電極利 用主放電電容(l)剩余能量，電離、離化第一對電極消融剩余中性粒子，形成二次放電， 產(chǎn)生推力。
5. 根據(jù)權利要求1所述的雙電極固體脈沖等離子體推進器，其特征在于通過使用第 一二極管(2)防止主放電電容(1)在第一對電極放電，產(chǎn)生更多的中性粒子。
6. 根據(jù)權利要求1所述的雙電極固體脈沖等離子體推進器，其特征在于通過可控制 高壓開關(13)的觸發(fā)時間來延遲主放電電容(1)的二次放電，延遲時間在10 u S 50 y S之 間。
7. 根據(jù)權利要求1所述的雙電極固體脈沖等離子體推進器，其特征在于通過使用第 二二極管(3)，使得主放電電容(l)不再有反向充電，防止在第一對電極產(chǎn)生放電。
專利摘要本實用新型屬于低溫等離子體技術領域，具體為一種雙電極固體脈沖等離子體推進器。該推進器以傳統(tǒng)平行板脈沖等離子體推進器為藍本，再增加一對平行板放電電極、兩個二極管和一個高壓開關，使得主電容放電的第一個半周期在第一對放電電極放電；主電容極性反向后，后續(xù)放電均在第二對電極發(fā)生，利用高壓電容放電產(chǎn)生脈沖等離子體，等離子體在自身感應磁場與電流作用形成的洛倫茲力下被推出，產(chǎn)生推力。該推進器能進一步提高固體推進劑利用率、比沖以及整體工作效率。該推進器設計簡單、成本適中，具有高推進劑利用率、高比沖和相對高的工作效率，可應用于微小衛(wèi)星，完成姿態(tài)控制、位置保持、阻力補償、軌道提升和維持以及編隊飛行等空間任務。
文檔編號F03H1/00GK201162635SQ200820056630
公開日2008年12月10日 申請日期2008年3月27日 優(yōu)先權日2008年3月27日
發(fā)明者峰 劉, 周前紅, 旭 徐, 梁榮慶, 聶宗福 申請人:復旦大學