本發(fā)明涉及一種固體脈沖等離子體推力器及工作方法，屬于微小衛(wèi)星航天推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

成本低、研制周期短、發(fā)射靈活且有效載荷低是微小衛(wèi)星的主要優(yōu)點(diǎn)，目前微小衛(wèi)星已在通信、遙感、對(duì)地觀測(cè)和空間試驗(yàn)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外微小衛(wèi)星的發(fā)展十分迅速，其空間發(fā)射數(shù)量在整體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于微小衛(wèi)星受到總功率、質(zhì)量和體積的限制，其推進(jìn)系統(tǒng)需要具備重量輕、功耗低、體積小、壽命長(zhǎng)、推力精確等特點(diǎn)。電推進(jìn)技術(shù)具有推力小、比沖高、推力可控等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為微小衛(wèi)星的推進(jìn)技術(shù)。作為最早應(yīng)用于航天任務(wù)的電推力器，脈沖等離子體推力器(pulsedplasmathruster)具有比沖高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便靈活、能在低功率下穩(wěn)定工作等特點(diǎn)，可以滿足微小衛(wèi)星，尤其是質(zhì)量小于100kg的微小衛(wèi)星對(duì)系統(tǒng)提出的低功耗和低質(zhì)量等嚴(yán)苛要求。目前已成功應(yīng)用于位置保持、姿態(tài)控制以及軌道轉(zhuǎn)移等十余次在軌推進(jìn)任務(wù)，是微小衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。但目前固體脈沖等離子體推力器由于其極低的工作效率(通常小于10％)而飽受詬病。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開(kāi)的一種高推進(jìn)劑利用率固體脈沖等離子體推力器及工作方法要解決的技術(shù)問(wèn)題為提高固體脈沖等離子體推力器的推進(jìn)劑利用率，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明公開(kāi)的一種高推進(jìn)劑利用率固體脈沖等離子體推力器，包括恒力彈簧、固定推進(jìn)劑用的上絕緣板、半導(dǎo)體火花塞、增加元沖量用永磁鐵、陰極極板、增加比沖用永磁鐵、陽(yáng)極極板、高壓電源、主放電電容器、二極管、固定推進(jìn)劑用的下絕緣板、固體推進(jìn)劑。恒力彈簧用于給固體推進(jìn)劑提供恒定推力。主放電電容器一端通過(guò)二極管與陽(yáng)極極板相連接，另一端直接與陰極極板連接，并通過(guò)高壓電源進(jìn)行充電。對(duì)原有平板極板作如下改進(jìn)，分別在陰極極板、陽(yáng)極極板靠近半導(dǎo)體火花塞一側(cè)增加用于減慢中性氣體前進(jìn)速度的氣體儲(chǔ)存腔，在氣體儲(chǔ)存腔后側(cè)增大陰極極板與陽(yáng)極極板之間的間距，且陰極極板與陽(yáng)極極板在靠近噴口末端為平行布設(shè)。半導(dǎo)體火花塞鑲嵌在陰極極板內(nèi)。在等離子體團(tuán)產(chǎn)生的自感磁場(chǎng)相反方向上添加增加元沖量用永磁鐵，所述的增加元沖量用永磁鐵固定在氣體儲(chǔ)存腔上，用于減慢等離子體團(tuán)的前進(jìn)速度。在等離子體團(tuán)產(chǎn)生的自感磁場(chǎng)相同方向上添加增加比沖用永磁鐵，所述的增加比沖用永磁鐵固定在極板加速區(qū)域，用于增大等離子體的前進(jìn)速度至滿足推力器的比沖需求。

為防止中性氣體團(tuán)在未進(jìn)入氣體儲(chǔ)存腔前從固體推進(jìn)劑兩側(cè)擴(kuò)散，將固體推進(jìn)劑端面設(shè)計(jì)為半圓形凹槽。

為定位增加元沖量用永磁鐵、增加比沖用永磁鐵相對(duì)于陰極極板與陽(yáng)極極板的位置，在陰極極板與陽(yáng)極極板上增加定位圓柱，所述的圓柱用于與增加元沖量用永磁鐵、增加比沖用永磁鐵進(jìn)行相互定位與固定。

所述的增加元沖量用永磁鐵根據(jù)減慢等離子體的前進(jìn)速度需要而定，優(yōu)選一組。所述的增加比沖用永磁鐵數(shù)量根據(jù)滿足推力器的比沖需求而定，優(yōu)選一組。

所述的在氣體儲(chǔ)存腔后側(cè)增大陰極極板與陽(yáng)極極板之間的間距的方式，優(yōu)選由兩段圓弧組成的過(guò)渡段。

電源轉(zhuǎn)換裝置能將微小衛(wèi)星上通過(guò)太陽(yáng)能板產(chǎn)生的低壓電流轉(zhuǎn)換成高壓電流，通過(guò)低電阻導(dǎo)線輸送到主放電電容器和主放電點(diǎn)火電路。主放電點(diǎn)火回路按照預(yù)設(shè)的觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生低能量的高壓脈沖并傳輸?shù)借偳对陉帢O極板上的半導(dǎo)體火花塞，使半導(dǎo)體火花塞開(kāi)始點(diǎn)火。固體推進(jìn)劑的供應(yīng)則通過(guò)恒力彈簧產(chǎn)生恒定力作用在固體推進(jìn)劑上，保證固體推進(jìn)劑能夠在所需的速率送到本發(fā)明公開(kāi)的一種高推進(jìn)劑利用率固體脈沖等離子體推力器進(jìn)口處。本發(fā)明公開(kāi)的一種高推進(jìn)劑利用率固體脈沖等離子體推力器的工作方法為：首先將主放電電容器充電至所需的高電壓，雖然此時(shí)的陰極極板與陽(yáng)極極板之間存在強(qiáng)電場(chǎng)，但在真空情況下缺少導(dǎo)通條件，不能自行擊穿。當(dāng)主放電點(diǎn)火回路接收到預(yù)設(shè)的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，半導(dǎo)體火花塞開(kāi)始點(diǎn)火，發(fā)射出少量的粒子，所述的粒子包括電子、離子、中性粒子，粒子與固體推進(jìn)劑表面碰撞后，推進(jìn)劑表面由于二次電子現(xiàn)象會(huì)發(fā)射出大量的粒子，其中帶電粒子在陰極極板與陽(yáng)極極板的強(qiáng)電場(chǎng)作用下被加速，繼續(xù)與固體推進(jìn)劑表面及發(fā)射出的粒子碰撞，使推進(jìn)劑表面發(fā)射出更多的粒子，然后燒蝕出的氣體分子被分解并離子化成帶電粒子，當(dāng)?shù)入x子體團(tuán)足夠大時(shí)，主放電電容器、陰極極板、陽(yáng)極極板和等離子體團(tuán)構(gòu)成rlc的電流回路，并在等離子體團(tuán)后方產(chǎn)生自感磁場(chǎng)。等離子體團(tuán)在自感磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)共同產(chǎn)生的安培力作用下噴出，并產(chǎn)生所需推力。由于固體推進(jìn)劑表面采用凹槽形狀，能夠提高點(diǎn)火的成功率、并防止燒蝕出的中性氣體還未電離就已經(jīng)擴(kuò)散。由于增加元沖量用永磁鐵被固定在氣體儲(chǔ)存腔上，其磁場(chǎng)方向與等離子體團(tuán)的自感磁場(chǎng)方向相反，減慢等離子體團(tuán)的速度，氣體儲(chǔ)存腔減慢中性氣體前進(jìn)速度，磁鐵的磁力作用與氣體儲(chǔ)存腔均能夠增大帶電的粒子與中性氣體的碰撞概率，提高固體推進(jìn)劑的電離率。由于rlc回路放電后期電流會(huì)衰減，單靠等離子體自感磁場(chǎng)加速比沖達(dá)不到推力需求，在等離子體團(tuán)產(chǎn)生的自感磁場(chǎng)相同方向上添加增加比沖用永磁鐵，增大等離子體的前進(jìn)速度至滿足推力器的比沖需求。增大極板間距以加速等離子體，由于且陰極極板與陽(yáng)極極板在靠近噴口末端為平行布設(shè)，從而能夠避免產(chǎn)生不必要的速度分量，即進(jìn)一步提高推力器有效比沖。

有益效果：

1、本發(fā)明公開(kāi)的一種高推進(jìn)劑利用率固體脈沖等離子體推力器，對(duì)原有平板極板作如下改進(jìn)，分別在陰極極板、陽(yáng)極極板靠近半導(dǎo)體火花塞一側(cè)增加用于減慢中性氣體前進(jìn)速度的氣體儲(chǔ)存腔，并添加增加元沖量用永磁鐵在氣體儲(chǔ)存腔上，磁體磁場(chǎng)方向與等離子體團(tuán)產(chǎn)生的自感磁場(chǎng)方向相反，磁鐵的磁力作用與氣體儲(chǔ)存腔均能夠增大帶電的粒子與中性氣體的碰撞概率，提高推進(jìn)劑的利用率。

2、本發(fā)明公開(kāi)的一種高推進(jìn)劑利用率固體脈沖等離子體推力器，在氣體儲(chǔ)存腔后側(cè)增大陰極極板與陽(yáng)極極板之間的間距，且陰極極板與陽(yáng)極極板在靠近噴口末端為平行布設(shè)，從而能夠避免產(chǎn)生不必要的速度分量，即進(jìn)一步提高推力器固體推進(jìn)劑的利用率。

3、本發(fā)明公開(kāi)的一種高推進(jìn)劑利用率固體脈沖等離子體推力器，在等離子體團(tuán)產(chǎn)生的自感磁場(chǎng)相同方向上添加增加比沖用永磁鐵，增大等離子體的前進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)滿足推力器的比沖需求。

4、本發(fā)明公開(kāi)的一種高推進(jìn)劑利用率固體脈沖等離子體推力器，由于固體推進(jìn)劑表面采用凹槽形狀，能夠提高點(diǎn)火的成功率、并防止燒蝕出的中性氣體還未電離就已經(jīng)擴(kuò)散。

5、傳統(tǒng)的固體脈沖推力器的推力效率通常小于10％，造成如此低工作效率的主要原因是推進(jìn)劑的利用率極低，即在主放電電容器放電后，固體推進(jìn)劑表面產(chǎn)生大量的中性氣體不能完全電離成等離子體，以較低的速度噴出。本發(fā)明公開(kāi)的一種高推進(jìn)劑利用率固體脈沖等離子體推力器，通過(guò)上述改進(jìn)，可將固體推進(jìn)劑利用率提高至60％左右，推力器總推力效率由小于10％提高至40％左右，并且總體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低，適用于微納衛(wèi)星的主推力器與大衛(wèi)星的調(diào)節(jié)裝置，包括姿態(tài)控制、位置保持、阻力補(bǔ)償?shù)热蝿?wù)。

附圖說(shuō)明

圖1為一種高推進(jìn)劑利用率固體脈沖等離子體推力器裝置示意圖。

圖2為固體推進(jìn)劑的俯視圖。

圖3為永磁鐵與電極間定位與固定方式示意圖。

其中：1-恒力彈簧、2-固定推進(jìn)劑用的上絕緣板、3-半導(dǎo)體火花塞、4-增加元沖量用永磁鐵、5-陰極極板、6-增加比沖用永磁鐵、7-陽(yáng)極極板、8-高壓電源、9-主放電電容器、10-二極管、11-固定推進(jìn)劑用的下絕緣板、12-固體推進(jìn)劑。

具體實(shí)施方式

為了更好的說(shuō)明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)發(fā)明內(nèi)容做進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例公開(kāi)一種高推進(jìn)劑利用率固體脈沖等離子體推力器，包括恒力彈簧1、固定推進(jìn)劑用的上絕緣板2、半導(dǎo)體火花塞3、增加元沖量用永磁鐵4、陰極極板5、增加比沖用永磁鐵6、陽(yáng)極極板7、高壓電源8、主放電電容器9、二極管10、固定推進(jìn)劑用的下絕緣板11、固體推進(jìn)劑12。其中，陰極極板5、陽(yáng)極極板7均采用總長(zhǎng)度20mm且導(dǎo)電性能較好的銅電極，中性氣體儲(chǔ)存腔的長(zhǎng)度為5mm、儲(chǔ)存腔的高度為5～10mm、極板加速區(qū)域?yàn)?0mm，根據(jù)具體工況，極板的寬度可調(diào)為20～40mm、極板最小間距可調(diào)為25～40mm。與電極極板相適應(yīng)，固體推進(jìn)劑12的長(zhǎng)度可調(diào)為80mm、高度可調(diào)為25～40mm。半導(dǎo)體火花塞3與固體推進(jìn)劑12凹槽端面的距離為5mm。主放電電容器9的容量為2～10μf，起始放電電壓為1000～5000v。

恒力彈簧1用于給端面帶有凹槽的固體推進(jìn)劑12提供恒定推力。主放電電容器9一端通過(guò)二極管10與陽(yáng)極極板7相連接，另一端直接與陰極極板5連接，并通過(guò)高壓電源8進(jìn)行充電。對(duì)原有平板極板作如下改進(jìn)，分別在陰極極板5、陽(yáng)極極板7靠近半導(dǎo)體火花塞3一側(cè)增加用于減慢中性氣體前進(jìn)速度的氣體儲(chǔ)存腔，在氣體儲(chǔ)存腔后側(cè)由兩段圓弧組成的過(guò)渡段形式來(lái)增大陰極極板5與陽(yáng)極極板7之間的間距，且陰極極板5與陽(yáng)極極板7在靠近噴口末端為平行布設(shè)。半導(dǎo)體火花塞3鑲嵌在陰極極板5內(nèi)。在等離子體團(tuán)產(chǎn)生的自感磁場(chǎng)相反方向上添加增加一組元沖量用永磁鐵4，所述的增加元沖量用永磁鐵4固定在氣體儲(chǔ)存腔上，用于減慢等離子體團(tuán)的前進(jìn)速度。在等離子體團(tuán)產(chǎn)生的自感磁場(chǎng)相同方向上添加一組增加比沖用永磁鐵6，所述的增加比沖用永磁鐵6固定在極板加速區(qū)域，用于增大等離子體的前進(jìn)速度至滿足推力器的比沖需求。為定位增加元沖量用永磁鐵4、增加比沖用永磁鐵6相對(duì)于陰極極板5與陽(yáng)極極板7的位置，在陰極極板5與陽(yáng)極極板7上增加圓柱，所述的圓柱用于與增加元沖量用永磁鐵4、增加比沖用永磁鐵6進(jìn)行相互定位與固定。

電源轉(zhuǎn)換裝置能將衛(wèi)星上通過(guò)太陽(yáng)能板產(chǎn)生的低壓電流轉(zhuǎn)換成高壓電流，通過(guò)導(dǎo)線輸送到主放電電容器9和主放電點(diǎn)火電路。主放電點(diǎn)火回路按照設(shè)定的觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生低能量的高電壓脈沖輸送到鑲嵌在陰極極板5上的半導(dǎo)體火花塞3，使半導(dǎo)體火花塞3開(kāi)始點(diǎn)火。固體推進(jìn)劑12的供應(yīng)則通過(guò)恒力彈簧1產(chǎn)生恒定力作用在固體推進(jìn)劑12上，保證固體推進(jìn)劑12能夠在所需的速率送到本實(shí)施例公開(kāi)的一種高推進(jìn)劑利用率固體脈沖等離子體推力器進(jìn)口處。本實(shí)施例公開(kāi)的一種高推進(jìn)劑利用率固體脈沖等離子體推力器的工作方法為：首先將主放電電容器9充電至所需的高電壓，此時(shí)，陰極極板5與陽(yáng)極極板7之間雖然存在強(qiáng)電場(chǎng)，但在真空情況下不會(huì)自行擊穿。當(dāng)放電點(diǎn)火回路接收到設(shè)定的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，半導(dǎo)體火花塞3開(kāi)始點(diǎn)火，產(chǎn)生少量的粒子，所述的粒子包括電子、離子、中性粒子，粒子與推進(jìn)劑表面碰撞后，推進(jìn)劑表面由于二次電子現(xiàn)象會(huì)發(fā)射出大量的粒子，其中帶電粒子在陰極極板5與陽(yáng)極極板7的強(qiáng)電場(chǎng)作用下被加速，繼續(xù)與固體推進(jìn)劑12表面及發(fā)射出的粒子碰撞，使推進(jìn)劑表面發(fā)射出更多的粒子，然后燒蝕出的氣體分子被分解并離子化成帶電粒子，當(dāng)?shù)入x子體團(tuán)足夠大時(shí)，主放電電容器9、陰極極板5、陽(yáng)極極板7和等離子體團(tuán)構(gòu)成rlc的電流回路，并在等離子體團(tuán)后方產(chǎn)生自感磁場(chǎng)。等離子體團(tuán)在自感磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)共同產(chǎn)生的安培力作用下噴出，并產(chǎn)生所需推力。由于固體推進(jìn)劑12表面采用凹槽形狀，能夠提高點(diǎn)火的成功率、并防止燒蝕出的中性氣體還未電離就已經(jīng)擴(kuò)散。由于增加元沖量用永磁鐵4被固定在氣體儲(chǔ)存腔上，其磁場(chǎng)方向與等離子體團(tuán)的自感方向相反，減慢等離子體團(tuán)的速度，氣體儲(chǔ)存腔減慢中性氣體前進(jìn)速度，磁鐵的磁力作用與氣體儲(chǔ)存腔均能夠增大帶電的粒子與中性氣體的碰撞概率，提高固體推進(jìn)劑12的利用率。由于rlc回路放電后期電流會(huì)衰減，單靠等離子體自感磁場(chǎng)加速比沖達(dá)不到推力需求，在等離子體團(tuán)產(chǎn)生的自感磁場(chǎng)相同方向上添加增加比沖用永磁鐵6，增大等離子體的前進(jìn)速度至滿足推力器的比沖需求。增大極板間距以加速等離子體，由于且陰極極板5與陽(yáng)極極板7在靠近噴口末端為平行布設(shè)，從而能夠避免產(chǎn)生不必要的速度分量，即進(jìn)一步提高推力器有效比沖。

以上描述對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。