一种基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器

摘要

本发明实施例提供了一种基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器，包括：阴极、多阳极结构和绝缘部件，阴极外接负高压，多阳极结构接地。阴极为圆柱型结构，在阴极三结合点处形成强电场，引发场致发射，使初始电子轰击绝缘部件和解吸附的气体分子，生成等离子体贯穿真空间隙，形成真空电弧；多阳极结构包括：第一阳极和第二阳极，第一阳极为喷嘴状，维持阴极三结合点处的电场强度，第二阳极为环状，置于与阴极结构间隔预设距离的位置，完成放电过程；绝缘部件为圆筒状，包覆于阴极的外部，并嵌置于第一阳极的内部，用于提供生成等离子体的原料，以及对阴极和第一阳极进行绝缘和机械固定。本发明可实现等离子体传播过程中完全束缚。

说明书

技术领域

本发明涉及微小卫星推进器技术领域，尤其涉及一种基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器。

背景技术

APPT(Ablative Pulse Plasma Thruster，烧蚀型脉冲等离子体推进器)的结构简单，体积小，可靠性高，是很有前景的电推进器之一。近年来，微小卫星的快速发展对APPT的推进效果提出了更高的要求。然而，等离子体羽流中带电粒子的双极扩散对推进器的推进效果产生了较大影响。实际上，束流发散已经成为烧蚀型脉冲等离子体推进器不利的特点之一。因此，对等离子体羽流优化从而增加它的密度对提高烧蚀型脉冲等离子体推进器推进效果起了很关键的作用。

在等离子体研究过程中，Z箍缩是一个重要的等离子体束缚方法。现有技术中，Haines已经描述了轴向电流层对等离子体柱的束缚特性。Keidar建立了一个模型，包括等离子体焦耳加热，聚四氟乙烯热传递和聚四氟乙烯烧蚀。他总结出箍缩效果和推力功率比随着脉冲功率的增大而增加。Markusic研究了三种烧蚀型脉冲等离子体推进器结构下电流层的束缚效果，发现存在突起阳极的推进器能够增加效率和比冲。然而，以上研究的束缚都局限在推进器内部，等离子体喷出喷嘴后的扩散问题并没有考虑。

通过附加电路或者永磁体产生外部磁场是另一种优化等离子体羽流的有效方法。Hu研究了具有不同直径磁环的推进器的推进效果，发现磁场强度会影响工质的利用率。Takahashi测量了扩散状的磁喷嘴中等离子体流产生的轴向磁场，检测到了靠近喷口处轴向磁场强度有所减小，然而磁喷嘴的上端磁场强度有所增大。然而，永磁体或者外部电路生成磁场会增大体积，质量和复杂度，不利于其在烧蚀型脉冲等离子体推进器中的应用。

因此，有必要设计一种多阳极方法的烧蚀型脉冲等离子体推进器，能够重新引导电流路径从而形成喷口外的等离子体束缚，在没有使用任何外部措施的情况下实现高度箍缩的等离子体射流，解决传统的Z箍缩不能有效作用于离开喷口的等离子体的问题，以及外部磁场带来的质量和体积增大的问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器，以解决上述背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明的实施例提供的一种基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器，其特征在于，该脉冲等离子体推进器为同轴电极结构，包括：阴极、多阳极结构和绝缘部件，所述阴极通过接线柱与外电路的负高压端子相连接，所述多阳极结构通过导线与外电路的地端相连接；

所述阴极为圆柱型结构，内嵌于所述绝缘部件的一端，用于在阴极三结合点处形成强电场，引发场致发射生成初始电子，并使初始电子轰击所述绝缘部件和解吸附的气体分子，生成等离子体贯穿真空间隙，形成真空弧；

所述多阳极结构包括：第一阳极和第二阳极，其中，

所述第一阳极为喷嘴状结构，置于所述绝缘部件的另一端，用于在真空弧电流形成前维持阴极三结合点处的电场强度；

所述第二阳极为环状结构，置于与所述阴极间隔预设距离的位置，用于完成放电过程；

所述绝缘部件为圆筒状结构，包覆于所述阴极的外部，并嵌置于所述第一阳极的内部，用于提供生成等离子体的原料，以及对所述阴极和所述第一阳极进行绝缘和机械固定。

优选地，所述阴极与所述绝缘部件紧密接触，所述阴极的一端与所述绝缘部件的一端对齐；

所述阴极的另一端位于所述绝缘部件的内部，且与所述绝缘部件另一端管口的轴向距离为：0-20mm；

所述阴极的直径为：1-20mm。

优选地，所述阴极采用高熔点的金属材料制成，用于在放电过程中提供初始电子；

连通负高压时，所述阴极在阴极三结合点处释放出初始电子。

优选地，所述绝缘部件的一端包覆所述阴极形成封闭结构，所述绝缘部件的另一端内嵌于所述第一阳极的内部形成空心结构；

所述绝缘部件的内径与所述阴极的直径相等；

所述绝缘部件的壁厚为：1-10mm。

优选地，所述绝缘部件采用聚四氟乙烯材质制成，用于在放电过程中被烧蚀，提供生成等离子体的原料；

所述阴极连通负高压释放出初始电子时，初始电子轰击所述绝缘部件和所述绝缘部件表面解吸附的气体分子，在所述绝缘部件的圆筒内表面生成等离子体，其中，等离子体包括：二次电子和带电粒子。

优选地，所述第一阳极的一端为筒状，另一端为喇叭状，所述绝缘部件内嵌于所述第一阳极筒状部分的内部；

所述第一阳极为绝缘阳极，进行完全绝缘包裹处理；

所述第一阳极的筒状部分内径与所述绝缘部件的外径相等；

所述第一阳极的轴线与所述阴极的中心轴线重合；

所述第一阳极，用于维持阴极三结合点处的电场强度，抑制极间电压的下降，使等离子体继续生成。

优选地，所述第二阳极为环状，环状内径与所述阴极的直径相同，环状外径与环状内径之差为10mm，其轴向长度小于其外径；

所述第二阳极为远端阳极，与所述阴极之间的轴线距离为：10-100mm；

所述第二阳极的轴线与所述阴极的中心轴线重合；

所述第二阳极完全裸露，用于与所述阴极电气连通，形成电流层。

优选地，所述电流层，用于对所述阴极与所述第二阳极之间的等离子体形成束缚。

优选地，所述多阳极结构，用于在所述阴极连通负高压时，在所述第一阳极与所述第二阳极之间形成一个电场矢量方向相反的A区域；

所述A区域在等离子体到达之前基本保持不变，当等离子体传播至所述A区域所在的位置并继续向所述第二阳极传播时，所述A区域随着等离子体前端一起运动，等离子体前端的一部分电子在所述A区域与所述第二阳极之间的电场的作用下被抽离，到达所述第二阳极，在所述阴极和所述第二阳极之间形成真空弧，使所述第二阳极与所述阴极电气连通。

优选地，该等离子体推进器在高真空条件下进行放电，其中，将高真空条件的气压值设置为：10^-4Pa。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器，包括：阴极、多阳极结构和绝缘部件，阴极外接负高压，多阳极结构接地；阴极为圆柱型结构，在阴极三结合点处形成强电场，引发场致发射，使初始电子轰击绝缘部件和解吸附的气体分子，生成等离子体贯穿真空间隙，形成真空弧；多阳极结构包括：第一阳极和第二阳极，第一阳极为喷嘴状，维持阴极三结合点处的电场强度，第二阳极为环状，置于与阴极结构间隔预设距离的位置，完成放电过程；绝缘部件为圆筒状，包覆于阴极的外部，并嵌置于第一阳极的内部，用于提供生成等离子体的原料，以及对阴极和第一阳极进行绝缘和机械固定。本发明采用了两个阳极分别实现沿面放电的触发和电路的导通，能够重新引导电流路径从而形成第一阳极喷口外的等离子体束缚，在没有使用任何外部措施的情况下实现高度箍缩的等离子体射流，解决传统的Z箍缩不能有效作用于离开喷口的等离子体的问题，以及外部磁场带来的质量和体积增大的问题。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例提供的一种基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的多阳极电极结构的电场分布示意图；

图3为本发明的实施例提供的一种基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器的实验系统结构图；

图4为本发明的实施例提供的传统同轴烧蚀型脉冲等离子体推进器的运行原理示意图；

图5为本发明的实施例提供的多阳极结构烧蚀型脉冲等离子体推进器的运行原理示意图；

图6为本发明的实施例提供的相同电源参数下的传统同轴APPT的等离子体羽流的照片灰度图；

图7为本发明的实施例提供的相同电源参数下的多阳极电极结构APPT的等离子体羽流的照片灰度图；

图8为本发明的实施例提供的相同放电条件下的传统同轴APPT的极间电压和放电电流波形图；

图9为本发明的实施例提供的相同放电条件下的多阳极电极结构APPT的极间电压和放电电流波形图；

图10为本发明的实施例提供的Z箍缩引起的等离子体射流截面参数分布的变化图；

图11为本发明的实施例提供的截面S1和S2中p_θ关于r的变化曲线图；

图12为本发明的实施例提供的等离子体羽流与它的内部压强的三维分布图的灰度图；

图13为本发明的实施例提供的等离子体电子密度分布测量方式示意图；

图14为本发明的实施例提供的传统同轴APPT的等离子体羽流的电子密度分布图；

图15为本发明的实施例提供的多阳极电极结构APPT的等离子体羽流的电子密度分布图；

图16为本发明的实施例提供的在多阳极电极结构APPT上进行布置布置形成θ箍缩示意图；

图17为本发明的实施例提供的优化的多阳极结构的等离子体羽流的电子密度空间分布图；

图18为本发明的实施例提供的APPT的元冲量随电容中存储的能量的变化关系对比图；

图19为本发明的实施例提供的APPT的推力功率比随电容中存储的能量的变化关系对比图；

其中，1-阴极，2-绝缘部件，3-第一阳极，4-第二阳极，5-绝缘层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例提供了一种基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器，采用同轴电极结构，利用两个阳极分别实现沿面放电的触发和电路的导通，实现等离子体传播过程中的完全束缚。

本发明实施例采用阴极三结合点的触发机制，引发阴极和阳极之间的沿面放电。电极与绝缘介质的分离会导致爬电路径的中断；电极之间较大的距离引起阴极三结合点电场强度的下降，使其很难发射初始电子；电弧电流形成之前，很难形成足够的等离子体连接阴极和阳极。但只要阴极三结合点的强电场得以维持，等离子体即可以持续生成。

本发明实施例提供的一种基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器的结构示意图如图1所示，包括：阴极1、绝缘部件2和多阳极结构，所述多阳极结构包括：第一阳极3和第二阳极4，所述阴极1通过接线柱与外电路的负高压端子相连接，第一阳极3和第二阳极4分别通过导线与外电路的地端相连接。

该脉冲等离子体推进器各部件的具体内容如下：

(1)阴极

阴极1为圆柱型结构，内嵌于所述绝缘部件2的一端，用于在阴极三结合点处形成强电场，引发场致发射，使初始电子轰击所述绝缘部件2和解吸附的气体分子，生成等离子体击穿真空间隙，形成真空弧。

阴极1与所述绝缘部件2紧密接触，所述阴极1的一端与所述绝缘部件2的一端对齐；阴极1的另一端位于所述绝缘部件2的内部，且与所述绝缘部件2另一端管口的轴向距离可设置为：0-20mm。

所述阴极1的圆柱型直径可设置为：1-20mm。

阴极可采用高熔点的金属材料制成，用于在放电过程中提供初始电子；当所述阴极连通负高压时，所述阴极在阴极三结合点处释放出初始电子。

(2)多阳极结构

多阳极结构包括：第一阳极3和第二阳极4，所述第一阳极3为喷嘴状结构，置于所述绝缘部件2的另一端，用于维持阴极三结合点处的电场强度；所述第二阳极4为环状结构，置于与所述阴极2间隔预设距离的位置，用于完成放电过程。

A、第一阳极

第一阳极3的一端为筒状，另一端为喇叭状，所述绝缘部件2内嵌于所述第一阳极3筒状部分的内部。

第一阳极3为绝缘阳极，可由不锈钢金属制成，并在不锈钢金属表面包裹一层绝缘层5，进行完全绝缘包裹处理。使得通向第二阳极的表面被截断，在这个阶段，阴极与两个阳极均不能形成电气连通。

第一阳极3的筒状部分内径与所述绝缘部件2的外径相等。

所述第一阳极3的轴线与所述阴极1的中心轴线重合。

第一阳极3主要用于维持阴极三结合点处的电场强度，抑制极间电压的下降，使等离子体继续生成。具体原理如下：

在放电初始阶段，所述第一阳极3维持阴极三结合点处的电场强度不变，在所述第一阳极3与所述阴极1之间无法形成电路连接，使所述阴极1继续轰击所述绝缘部件2生成等离子体，实现沿面放电的触发。

B、第二阳极

第二阳极4为环状，环状内径与所述阴极1的直径相同，环状外径与环状内径之差为10mm，其轴向长度小于其外径。

第二阳极4为远端阳极，与所述阴极1之间的轴线距离为：10-100mm。

所述第二阳极4的轴线与所述阴极1的中心轴线重合。

第二阳极4完全裸露，用于与所述阴极1电气连通，共同形成电流层。所述电流层，用于对所述阴极与所述第二阳极之间的等离子体形成束缚。电流层形成于多阳极结构的阴极和第二阳极之间，它不仅会对绝缘部件筒状内部的等离子体形成束缚，还会对离开第一阳极喷嘴的等离子体形成束缚。具体原理如下：

多阳极结构在所述阴极连通负高压时，在所述第一阳极与所述第二阳极之间形成一个电场矢量方向相反的A区域。所述A区域在等离子体到达之前基本保持不变，当等离子体传播至所述A区域所在的位置并继续向所述第二阳极传播时，所述A区域随着等离子体前端一起运动，等离子体前端的一部分电子在所述A区域与所述第二阳极之间的电场的作用下被抽离，到达所述第二阳极，在所述阴极和所述第二阳极之间形成真空电弧，使所述第二阳极与所述阴极电气连通，在所述第二阳极4与所述阴极1之间形成电流层。

多阳极电极结构的沿面放电的引发机制与传统的沿面闪络相似：从阴极三结合点处发出的电子轰击聚四氟乙烯及表面解吸附的气体分子，从而在绝缘介质表面生成由二次电子和带电粒子组成的初始等离子体。传统的沿面闪络中，阴极和阳极可以直接沿着聚四氟乙烯表面形成电气连通。然而，多阳极电极结构中，与聚四氟乙烯接触的第一阳极被完全绝缘，通向第二阳极的表面被截断。结果，在这个阶段，阴极与两个阳极均不能形成电气连通。为探究多阳极结构的放电过程，使用ANSYS Maxwell 3D软件对电极结构的电场分布进行了分析。当一个10kV的电压施加于阴极和阳极之间时，多阳极电极结构的电场矢量分布如图2所示。如图2所示，在绝缘阳极和远端阳极之间存在一个A区域，这个区域的电场矢量存在相反的方向。通过进一步的仿真，我们发现A区域在等离子体到达之前基本保持不变；当等离子体传播至它所在的位置并继续向的远端阳极传播时，它随着等离子体前端一起运动。A区域的存在对沿面放电的初始过程有着重要影响。

通常电子的定向漂移主要由电场决定，等离子体的传播主要受离子的影响。因此，电子在向着远端阳极的扩散受到在绝缘阳极与A区域之间的电场的抑制，导致较高的极间电压的维持；较高极间电压的维持保证了聚四氟乙烯表面等离子体的持续生成，因而有助于等离子体向着远端阳极的传播。当等离子体在传播过程中到达A区域时，等离子体前端的一部分电子将会在A区域与远端阳极之间的电场的作用下被抽离从而迅速达到远端阳极。当等离子体传播至远端阳极时，阴极和远端阳极的电弧路径可以形成。

(3)绝缘部件

绝缘部件2为圆筒状结构，包覆于所述阴极1的外部，并嵌置于所述第一阳极3的内部，用于提供生成等离子体的原料，以及对所述阴极1和所述第一阳极3进行绝缘和机械固定。

绝缘部件2的一端包覆所述阴极1形成封闭结构，所述绝缘部件2的另一端内嵌于所述第一阳极3的内部形成空心结构。

绝缘部件2的内径与所述阴极1的直径相等；且绝缘部件的壁厚可设置为为：1-10mm。

绝缘部件采用聚四氟乙烯材质制成，用于在放电过程中烧蚀，提供生成等离子体的原料；当所述阴极结构连通负高压释放出初始电子时，初始电子轰击所述绝缘部件和解吸附的气体分子生成等离子体，其中，等离子体由二次电子和(C⁺,F⁺,……)带电粒子等组成。

本发明实施例提供的等离子体推进器在高真空条件下进行放电，其中，将高真空条件的气压值设置为：10^-4Pa。

实施例二

该实施例提供了一种基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器的实验系统，该实验系统的实现结构如图3所示，具体可以包括如下的内容：

该实施例提供的一种基于多阳极结构的真空金属弧推进器的应用系统，包括：一个脉冲功率电源，一个真空放电装置和诊断系统。

脉冲功率电源使用储能电容作为放电的能量来源。放电前，储能电容C被充电至特定电压，然后球间隙开关SG通过一个脉冲信号导通；此时，储能电容C的电压开始通过限流电阻R和电感L施加到电极两端。因此，由于真空间隙击穿，放电发生。与电路串联的二极管D用来防止电路电流反向流动从而避免电流的振荡。脉冲电源输出的电压为负极性电压，电压幅值最大为30kV。

在该实验过程中，将放电过程设置在高真空条件下进行，且气压维持在10^-4Pa。在放电过程中，将A点与地之间的电压定义为极间电压，并可通过高压探头获得数值(TEK-P6015A)；流过阴极和阳极的电流可分别通过罗氏线圈获得，等离子体电子密度可通过改进的朗缪尔探针获得，且探针与推进器的距离为120mm。

基于上述实验系统，可将传统同轴烧蚀型脉冲等离子体推进器与本发明提供的等离子体推进器进行对比分析，具体如下：

传统同轴烧蚀型脉冲等离子体推进器的运行原理示意图如图4所示。工质为固体聚四氟乙烯管，内径和外径分别为5mm和10mm。阴极和阳极由不锈钢金属制成：阴极为圆柱型，置于聚四氟乙烯管内；阳极为喇叭状喷嘴结构，固定于聚四氟乙烯管的一端。阴极与聚四氟乙烯管出口的轴向距离为10mm。运行原理为：使用阴极三结合点的触发机制，在阴极和阳极之间生成沿面放电。

在同轴烧蚀型脉冲等离子体推进器中，初始的电流分布通常沿着绝缘管的内表面形成圆柱型的电流层。这个电流层在孔的最大半径处生成是因为它是电路中阻抗最小的路径。当电流增大时，一个沿角方向的磁场会形成在电流层的外侧，这个磁场与电流层相互作用，从而形成一个径向指向内部的电磁力，这个机制就是Z箍缩。然而，传统同轴烧蚀型脉冲等离子体推进器中的Z箍缩，由于电流层仅存在于阴极和阳极之间，因此它只对聚四氟乙烯管内部的等离子体存在束缚效果。喷出阳极喷嘴结构外的等离子体，依然存在扩散效应，并影响了推进器的推进效果。

沿面放电，通常发生在阴极和阳极均与绝缘材料接触的条件下。然而当阴极三结合点的电场强度不变时，即使阳极距离绝缘物较远，沿面放电仍然可以发生。在此基础上，提出了本发明实施例的多阳极电极结构，并将其应用于同轴APPT中，多阳极电极结构APPT的运行原理示意图如图5所示。它是基于传统同轴APPT设计完成的。在多阳极电极结构APPT中，绝缘部件选用聚四氟乙烯管，阴极包覆于绝缘部件的内部，第一阳极(绝缘阳极)设置在阴极旁边，并进行完全绝缘包裹处理；第二阳极(远端阳极)设置在轴向远离阳极喷口的100mm处。远端阳极的内径和外径分别为5mm和15mm。绝缘部件的内径和外径分别为5mm和10mm，阴极直径与绝缘部件的内径相等。

在这种多阳极电极结构APPT中，第一阳极(绝缘阳极)用于维持阴极三结合点处的电场强度，第二阳极(远端阳极)完全裸露，用于完成放电。从图5可以看出，阴极和第二阳极(远端阳极)之间可以形成电流层，它可以在聚四氟乙烯管内部和第一阳极喷嘴结构外部同时形成Z箍缩。

通过相同电源参数下的等离子体羽流的照片，可分析两种推进器下等离子体羽流的箍缩效果。在相同电源参数下，等离子体羽流的照片如图6和图7所示。从图6可以看出，传统同轴APPT喷嘴外的等离子体羽流比较微弱并呈发散状，然而多阳极电极结构APPT的等离子体羽流明显增强并随着距离的增大呈收缩状。可以推测，传统同轴APPT的等离子体羽流离开喷嘴后由于没有束缚而发散，而多阳极电极结构APPT的等离子体在传播的过程中完全束缚，所以等离子体表现出一种汇聚效果，且强度有所增大。

在传统同轴APPT中，初始电流通常沿着绝缘介质表面形成一个圆柱型电流层。电流层形成在孔的最大半径处是因为它是电路中电阻最小的路径。随着电流的增大，电流层外侧会形成一个方位角磁场；这个磁场会与电流层相互作用从而生成一个径向的指向内部的电磁力。这就是Z箍缩的原理。然而，如图4所示，电流层仅存在于传统APPT的阴极和阳极之间，所以Z箍缩只作用于聚四氟乙烯筒内部的等离子体。阳极喷嘴的等离子体的扩散仍然存在，并影响推进器的推进效果。从图5可以看出，电流层可以形成于多阳极结构的阴极和远端阳极之间，它不仅会在聚四氟乙烯筒内部的等离子体还会在离开喷嘴的等离子体形成束缚。

通过相同放电条件下的两种电极结构的极间电压和放电电流波型图，可分析多阳极电极结构APPT的放电特性。在相同放电条件下，两种电极结构的极间电压和放电电流波形图如图8和图9所示。从图8可以看出，传统同轴APPT的沿面闪络瞬间完成，极间电压在0.72μs下降至电弧电压。然后，阴极电流和阳极电流保持基本相同的变化趋势，流过等离子体羽流的电流很微弱。结果，等离子体在喷嘴外没有受到束缚。

与之对比，多阳极结构的极间电压和电流波形呈现出完全不同的放电特点。从图9可以看出，放电过程中流过绝缘阳极的电流基本为0。极间电压和阴极电流在不同的时间间隔有不同的特性。根据之前的研究，这种APPT的等离子体传播速度在12.6-16.4km/s区间。根据阴极和A区域的距离，假定等离子体的传播速度在传播过程中保持恒定，等离子体传播至A区域所需的时间为2.32-3.02μs。从图9可以看出，极间电压和阴极电流在0-2.62μs的时间间隔内没有表现出明显的变化，与计算相对应。在2.62-7.5μs的时间间隔内，阴极电流开始缓慢增大，极间电压开始下降。在这个时期内，等离子体到达A区域并且A区域随着等离子体前端开始移动。越来越多的电子在A区域被抽离，并到达阳极，导致极间电压和阴极电流的变化。当等离子体到达远端阳极时，电弧形成，极间电压下降至电弧电压。

根据阴极与远端阳极的距离，等离子体传播至远端阳极所需要的时间为6.7-8.8μs。它与极间电压下降至电弧电压的时间相对应。在后续实验中，远端阳极与阴极的距离进行了改变以进一步验证这个假设。极间电压下降至电弧电压的时间进行了记录。这个时间在每次放电中均与设置的距离相对应。因此，假设被证实。

多阳极电极结构APPT可以实现对喷射出的等离子体射流的Z箍缩作用。为了研究在本实验条件下，多阳极电极结构APPT的Z箍缩变化规律及其效果，建立了等离子体内部压强关于轴向距离的理论模型；等离子体作为一种包含带电粒子的流体，可以使用磁流体力学的理论进行描述，已知磁流体力学运动方程和电动力学方程：

其中，μ₀为真空磁导率，ρ和Δp分别表示流体的质量密度和压强，是流体的宏观速度，是作用在流体单位体积上的力。

根据以上参数关系，结合实验电极结构，建立一个柱面坐标系(r，θ，z)。假设电流保持不变，等离子体柱是轴对称的，且与z无关。由磁流体静态平衡方程可得压强和电流密度与磁场的关系：

之后，假设电流层呈圆筒状且内部电流密度分布均匀，则等离子体射流截面的电流密度关于r的分布函数可以表示为：

其中，R₀和r₀分别为电流层的外半径和内半径。将式(5)代入(3)和(4)并化简，可以得到本实验条件下等离子体内部压强pθ关于r的变化关系如下：

同时，假设等离子体射流在箍缩的过程中电流层厚度(R₀-r₀)保持不变，分别在等离子体射流中的不同位置做截面分析(如图5中S1和S2)，则由Z箍缩引起的等离子体射流截面参数分布的变化如图10所示。从图中S1到S2的变化可以看出，由于Z箍缩的作用，电流层中电流密度j₀会逐渐增大，从而使指向内部的压强p_θ同步增大。

当电流幅值为150A，R₀和R₀′分别为2.5mm和1.5mm，电流层厚度为1mm时，则两个截面S1和S2中p_θ关于r的变化曲线分别如图11所示。从曲线中可以看出，电流层的截面中由外指向内部的压强逐渐增大，电流层包裹的等离子体区域的内部电流为零，因此压强保持不变。同时发现，当随着Z箍缩引起的电流层的外半径减小为原来的60％时，其等离子体内部压强增大为原来的3倍左右，呈现显著的上升趋势。

为得到等离子体羽流密度与轴向位移的关系，使用Matlab软件分析等离子体羽流光强，并得到等离子体羽流截面半径关于轴向位移的数据。使用Origin软件对数据进行曲线拟合，得到了羽流边界函数。不同位置的等离子体羽流内部压强可通过式(6)进行计算。等离子体羽流与它的内部压强的三维分布图的灰度图如图12所示。图中Z轴为等离子体羽流离开喷嘴的轴向距离，右边的颜色条为不同位置的等离子体羽流密度分布标尺。

等离子体射流喷出绝缘结构后，在Z箍缩的作用下截面半径的减小速率呈现先快后慢的趋势。可以推测，随着等离子体射流半径的减小，其内部的动力压强(热压强)随之增大，这个压强与Z箍缩形成的磁压强方向相反，对等离子体半径的减小起到阻碍作用。根据磁流体的动力压强公式：p＝k(n_iT_i+n_eT_e)，由热力学定律可知，当压强p增大时，等离子体内部的带电粒子的温度(T_i和T_e)和密度(n_i和n_e)均呈现增大的趋势。因此多阳极电极结构APPT通过对等离子体羽流的Z箍缩增大等离子体内部压强的同时，间接地增大了其轴向传播的等离子体的粒子能量和密度。等离子体的粒子能量和密度的增大对其推力的增强起到重要的作用。

为分析多阳极电极结构APPT射流等离子体密度的箍缩效果，可采用改进的朗缪尔探针的方法分别对两种电极结构的等离子体电子密度分布进行测量。测量方式如图13所示，探针与电极距离L为120mm。等离子体羽流电子密度的空间分布可以在极坐标中展示。传统同轴APPT和多阳极电极结构APPT的等离子体羽流的电子密度分布如图13和14所示。

由图14和图15可以看出，多阳极电极结构APPT和传统同轴APPT的等离子体羽流均呈现轴向(0°)电子密度最大，随着角度增大电子密度逐渐降低的分布。但多阳极APPT等离子体羽流电子密度角分布相对于传统APPT有了明显改善：其在0°的电子密度从传统APPT的2.4×10¹⁶m^-3增大到9.5×10¹⁶m^-3，增大为原来的4倍左右；且其他角度的电子密度降低更加明显：多阳极APPT在15°和30°时的电子密度分别降低为轴向密度的34.4％和16.7％，相较而言，传统同轴APPT在15°和30°时的电子密度仍为最大密度的80.2％和62.0％。当角度大于30°时，多阳极APPT的电子密度迅速下降到0.5×10¹⁶m^-3以下，而传统同轴APPT相对下降较平缓。

等离子体密度角分布，进一步验证了多阳极电极结构APPT有着更高的等离子体轴向传播密度，这直接证明了其对径向等离子体扩散的束缚作用，保证了所形成的等离子体羽流具有更高的定向性。

实施例三

该实施例提供了一种对基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器优化等离子体羽流的方法，具体如下：

首先，提出一种在多阳极电极结构APPT的基本上通过合理的布置形成θ箍缩的方法。如图16所示，一个螺旋线圈置于PTFE管的外侧，线圈左侧与阴极相连接，右侧与脉冲电源相连接。当电流i_θ流出螺旋线圈时，等离子体柱表面会感应出θ方向的感应电流同时，电流i_θ生成的磁场为Z轴方向。会在等离子体柱表面产生一个径向的箍缩力，将等离子体向中心束缚。这种θ箍缩与施加外部磁场相比的独特之处在于它是由它自身的放电电流形成。因此，当等离子体喷口时θ箍缩自动生成，不需设置附加的电流或永磁体。

对这种优化的多阳极结构的等离子体羽流特性进行实验分析可得：通过极间电压和电流的测量，电压和电流波型的变化趋势基本保持不变。相同电源参数下，放电电流的幅值相对于多阳极结构稍微降低，等离子体羽流的光强进一步增强。等离子体羽流的电子密度空间分布如图17所示，优化的多阳极APPT在0°的电子密度从9.5×10¹⁶m^-3增大到11.4×10¹⁶m^-3，相对于多阳极APPT增大了20％。15°时的电子密度减小为0°时的32.3％。然而，30°时的电子密度减小至4.6％，远小于多阳极APPT在30°时的电子密度。因此，可以推测，优化的多阳极电极结构可以进一步减小等离子体羽流的扩散，增强等离子体羽流的电子密度。等离子体羽流的改善和放电电流的减小，可能对推进器效率的提高起到促进作用。

此外，为了研究APPT在不同放电功率下的性能变化趋势，可在实验中改变电容C中存储的能量，APPT的元冲量和推力功率比随电容中存储的能量的变化关系如图18-19所示。从图18中可以看出，多阳极电极结构APPT和它的优化结构的元冲量相对于传统同轴APPT有了极大的提升。传统同轴APPT的元冲量的结构参数低于0.2μNs。然而，多阳极电极结构APPT在相同放电条件下将其提升了超过4倍。而且，随着放电功率的增大，多阳极电极结构APPT的元冲量呈更加明显的增大趋势，从4J时的0.85μNs增大到10J时的2.7μNs。优化的多阳极结构的元冲量进一步得到了提升，最大值接近3μNs。从图19中可以发现，多阳极电极结构APPT和优化的多阳极电极结构APPT的推力功率比同样优于传统同轴APPT。随着放电能量的增大，传统同轴APPT的推力功率比基本保持不变，然而多阳极电极结构APPT及优化的多阳极电极结构APPT呈上升趋势。

原因可推断为当储存在电容中的能量增加时，放电电流随之增大。放电电流的增大会增强等离子体的生成，因此增大等离子体羽流的离子密度。多阳极APPT及优化的多阳极APPT中的电流层的电流密度的增大可以增强束缚效果并减小等离子体的扩散。优化的多阳极APPT的θ箍缩可以进一步增强等离子体羽流的箍缩效果，因而增大元冲量。当等离子体的扩散减小时，随着带电粒子损失的放电能量随之减小，因而推进器的推力功率比增大。因此，多阳极电极结构APPT和它的优化结构通过Z箍缩和θ箍缩的作用有着更好的推进效果。

综上所述，本发明实施例通过提供了一种基于多阳极电极结构的烧蚀型脉冲等离子体推进器，包括：阴极、多阳极结构和绝缘部件，阴极外接负高压，多阳极结构接地；阴极为圆柱型结构，在阴极三结合点处形成强电场，引发场致发射，使初始电子轰击绝缘部件和解吸附的气体分子，生成等离子体击穿真空间隙，形成真空弧；多阳极结构包括：第一阳极和第二阳极，第一阳极为喷嘴状，维持阴极三结合点处的电场强度，第二阳极为环状，置于与阴极结构间隔预设距离的位置，完成放电过程；绝缘部件为圆筒状，包覆于阴极的外部，并嵌置于第一阳极的内部，用于提供生成等离子体的原料，以及对阴极和第一阳极进行绝缘和机械固定。本发明采用了两个阳极分别实现沿面放电的触发和电路的导通，能够重新引导电流路径从而形成第一阳极喷口外的等离子体束缚，在没有使用任何外部措施的情况下实现了高度箍缩的等离子体射流，解决了传统的Z箍缩不能有效作用于离开喷口的等离子体的问题，以及外部磁场带来的质量和体积增大的问题。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。