一种高性能固体烧蚀型脉冲等离子体电推进装置

摘要

一种高性能固体烧蚀型脉冲等离子体电推进装置，包括储能电容器、火花塞、阳极、阴极、推进剂块、电源处理单元PPU、绝缘材料、阳极导电板以及阴极导电板。阳极通过阳极导电板与储能电容器的阳极连接，阴极通过阴极导电板与储能电容器的阴极连接，推进剂块放置在阳极导电板和阴极导电板之间。绝缘材料连接在阳极导电板和阴极导电板之间，并紧贴固体推进剂块的非放电侧面。固体推进剂块的中心位置处加工有V型槽，火花塞安装在阴极导电板下表面，且火花塞的位置与固体推进剂块V型槽的位置相对应。电源处理单元PPU的点火端口与火花塞连接，充电端口与储能电容器的阴极连接。本发明结构简单、放电烧蚀面积大，电热和电磁加速效果好，有效提高推力性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间电推进系统，具体涉及一种微小型空间飞行器在轨推进用的固体烧蚀型脉冲等离子体电推进装置，属于能源和动力系统技术领域，

背景技术

航天事业的每一次突破都有赖于推进技术的发展，而新的航天活动必将对推进技术提出新的要求。近年来，小卫星、微纳卫星、立方体卫星等微小型空间飞行器以其成本低、研制周期短、组网容易、发射灵活且有效载荷高等特点，在低成本空间试验、通信、对地观测和导航定位等领域具有广阔的应用前景。然而由于总体功率和质量的限制，微小型空间飞行器在轨推进技术要求动力装置具有功耗低、重量轻、体积小、寿命长等特点，传统的化学推进系统很难满足这些要求，因此发展比冲高、结构紧凑、消耗推进剂少、成本低廉的推进技术已经迫不及待。

电推进作为一种新型的先进推进方式，具有远高于传统化学推进的比冲性能。应用电推进是降低航天器空间飞行器，提高有效载荷能力，延长其在轨寿命的最有效途径之一。在众多电推进装置中，采用固体聚合物作为推进剂的脉冲等离子体电推进具有小功率下的高比冲能力(运行功率低至5w，比冲仍可达3000m/s)、结构简单、推力控制方便灵活且推进剂稳定易储存、无需储箱和管路、便于与飞行器集成等特点，可用于完成微小空间飞行器的位置保持、阻力补偿、姿态控制、精确编队以及轨道转移等多种在轨推进任务，因而成为各国开展先进空间动力技术及其应用的研究重点。然而，脉冲等离子体电推进效率低下一直是限制其发展和空间应用的关键问题。如何发展高性能固体烧蚀型脉冲等离子体加速装置已成为当前国际电推进技术的重要发展方向。

通过有关技术的文献检索发现，Rodney L.Burton等在第34届AIAA联合推进会议上发表的“Energy balance and efficiency of the pulsed plasma thruster”(脉冲等离子体电推进的能量平衡和效率研究)中指出，脉冲工作时所消耗的推进剂只有小部分在放电过程中被离子化和电磁加速排出；而其余绝大部分则是在放电结束后以中性混合成分通过热膨胀形式低速排出(滞后烧蚀现象)，这些无法得到有效电离和加速的中性气体造成推力器推进效率低下。由此可知，提高推力器的效率应提高推进剂的利用率，增强电磁加速效应，其不足在于并没有给出具体方法来优化推力性能。英国南安普敦大学Marques R.I等在43届AIAA联合推进会议上发表的“Preliminary Results of a High Frequency Pulsed Plasma Thruster”(高频脉冲等离子体电推进研究的初步结果)中提出了一种双段推力器的设计方法。即将放电能量分配到两个储能电容上，在不同位置的极板上放电试图进一步电离滞后烧蚀气体。然后这种方法没有考虑能量分配问题，并且所设计的外电路损失大，尤其是外电感达到微H量级，导致放电时间长，电流峰值低，烧蚀质量很少,无法有效改善推力器的性能。

中国专利CN101260873B和CN102297105A中分别提出了一种“带陶瓷喷嘴电极的脉冲等离子体推力器”和“侧壁面设置陶瓷喷嘴的脉冲等离子体推力器”，通过在金属电极上设置陶瓷喷嘴能够在一定程度上增加烧蚀气体的电热气动加速效应，然而陶瓷喷嘴会在一定程度上减弱了电磁加速性能。中国专利CN 102869181B提出了一种“用于等离子体推进器的电极结构及电极固定结构”，这种同轴型的电极结构利用放电过程中筒内外的气压差所产生的气动力从而获得较好的电热加速效果来改善动力装置的推力效果和工作效率。但是该专利中所设计的电场方向制约等离子体向外喷出，降低了带电粒子的加速效应；同时在多次点火后，由于推进剂的烧蚀会造成放电腔几何尺寸的变换，推力性能不稳定。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高性能固体烧蚀型脉冲等离子体电推进装置，结构简单、放电烧蚀面积大，电热和电磁加速效果好，有效提高推力性能。

本发明的技术解决方案是：一种高性能固体烧蚀型脉冲等离子体电推进装置，包括储能电容器、火花塞、阳极、阴极、推进剂块、电源处理单元PPU、绝缘材料、阳极导电板以及阴极导电板；

阳极通过阳极导电板与储能电容器的阳极连接，阴极通过阴极导电板与储能电容器的阴极连接，推进剂块放置在阳极导电板和阴极导电板之间，且与阳极导电板和阴极导电板紧密贴合；绝缘材料连接在阳极导电板和阴极导电板之间，并紧贴固体推进剂块的非放电侧面；

固体推进剂块的中心位置处加工有V型槽，其中V型槽顶角方向紧邻绝缘材料；火花塞安装在阴极导电板下表面，且火花塞的位置与固体推进剂块V型槽的位置相对应；电源处理单元PPU的点火端口与火花塞连接，充电端口与储能电容器的阴极连接。

所述固体推进剂块V型槽顶角β的范围为30～60度，V型槽开口宽度小于阴极导电板的宽度。

述阳极和阴极均为末端窄缩型结构，且阳极和阴极尺寸相同，阳极导电板宽度与阳极非窄缩端宽度相同，阴极导电板宽度与阴极非窄缩端宽度相同。

所述阳极和阴极之间存在一个扩张角，扩张角α的范围为10～20度。

所述火花塞为同轴型半导体，中心电极为镍锰合金，外壳为高温合金钢，隔膜位于中心电极和外壳之间，隔膜材料为高铝瓷。

所述火花塞与绝缘材料沿阴极导电板方向的间距大于2mm。

所述储能电容器为聚丙烯膜电容。

所述固体推进剂块为聚四氟乙烯块。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提出V字型推进剂构型，且推进剂为侧边供给方式，其优点一是推进剂的放电烧蚀面积大，在相同条件下单次脉冲的烧蚀质量也会增大；二是在点火放电烧蚀的初始阶段，所形成的烧蚀气体能够集中于两侧推进剂间，并且两侧推进剂构成V形放电腔，这样同时提高了电推进装置的电热加速效应，进而提升推进装置的推力和总冲，提高了推力效果和工作效率。

(2)本发明打破以往阴阳极平行放置且首末端构型不变的设计，将阴阳极设计成末端窄缩型结构，末端宽度变短会提高等离子体出口处的电磁加速性能，同时在阴阳极之间采用张角扩张形式，当等离子体运动到远离推进剂表面时，极板扩张一定的角度能增大电感梯度进而提升推力器的性能，从而增强等离子体下游电磁加速性能并提升推进效率。

(3)本发明火花塞与绝缘材料沿阴极导电板方向的间距大于2mm，保证点火和V型槽烧蚀的可靠性。

(4)本发明结构简单，易于实现，可靠性高。

附图说明

图1为本发明电推进装置结构图；

图2为阴极或阳极结构图，其中(a)为侧视图，(b)为俯视图；

图3为固体推进剂块结构示意图。

具体实施方式

固体烧蚀型脉冲等离子体电推进装置性能低下的本质在于推进剂利用率低。为解决上述技术问题，本发明提出了一种新型的电推进装置，该装置能够有效提升推进剂烧蚀所形成的等离子体的电热和电磁加速冲量、推力、总冲及整体推力效率，最终提高电推进装置的性能。

如图1所示，本发明装置包括储能电容器1、火花塞2、阳极3、阴极4、推进剂块6、电源处理单元PPU 7、绝缘材料8、阳极导电板31以及阴极导电板41。阳极3通过阳极导电板31与储能电容器1的阳极连接，阴极4通过阴极导电板41与储能电容器1的阴极连接，推进剂块6放置在阳极导电板31和阴极导电板41之间，且与阳极导电板31和阴极导电板41紧密贴合；绝缘材料8连接在阳极导电板31和阴极导电板41之间，并紧贴固体推进剂块6的非放电侧面；固体推进剂块6的中心位置处加工有V型槽，其中V型槽顶角方向紧邻绝缘材料(8)；火花塞2安装在阴极导电板32下表面，且火花塞2的位置与固体推进剂块6V型槽的位置相对应；电源处理单元PPU7的点火端口与火花塞2连接，充电端口与储能电容器1的阴极连接。

阳极3、阴极4以及火花塞2构成本发明装置的放电室。阳极3和阴极4均使用导电性能良好的铜电极制成。如图2中(a)所示，阳极3和阴极4之间存在一个张角α，张角α的范围为10～20度。阳极导电板(31)以及阴极导电板(41)间距h0为20～30mm。如图2中(b)所示，阳极3和阴极4均为末端窄缩型结构，且阳极3和阴极4尺寸相同，阳极导电板31宽度与阳极3非窄缩端宽度相同，阴极导电板41宽度与阴极4非窄缩端宽度相同。阳极3和阴极4非窄缩处的宽度d0均为20～30mm，电极扩张段的长度le为60～80mm，末端窄缩处宽度de为1.5～2mm。

储能电容器1为聚丙烯膜电容，电容量为40μF～80μF，所加电压范围为1kv～3kv。

为保证放电的稳定性和可靠性，本发明选用击穿电压低(<1200V)的同轴型半导体火花塞2，中心电极为镍锰合金，最大直径为14mm；外壳由高温合金钢制成；隔膜为高铝瓷，隔膜宽1～1.2mm。火花塞通过螺纹连接固定在阴极导电板41下表面，与绝缘材料8沿阴极导电板41的间距大于2mm。

固体推进剂块6选用聚四氟乙烯块，V型槽如图3所示。其中V型槽顶角β的范围为30～60度，V型槽开口宽度dp<阳极3或阴极4非窄缩处的宽度d0。

考虑到高压放电环境及热效应，本发明中绝缘材料8采用环氧树脂材料。

本发明电推进装置整个工作过程：首先通过电源处理单元PPU 7将星载电压转换为储能电容器1所需的高压，并由充电端口将储能电容器1充电至相应的电压；当需要电推进装置放电工作时，电源处理单元PPU 7的点火端口驱动火花塞2点火产生部分电子，这部分电子在阴极4和阳极3间电场作用下撞击推进剂表面，产生更多的粒子，粒子在推进剂表面频繁碰撞同时在两极之间逐渐形成更多带电粒子区，最终使得阴极4、阳极3形成导电回路，导致储能电容器1放电；绝缘材料8作用是将放电约束在固体推进剂块6的V型区域；放电引起的高温电弧烧蚀固体推进剂块6的V型表面，引起固体推进剂块6的V型表面烧蚀气化并最终电离形成等离子体团5；等离子体团5与阴极4、阳极3以及储能电容器1间构成闭合回路电流J，电流自身感应出磁场B，等离子体在电流和自感磁场形成的J×B的洛伦兹力作用下高速喷出，产生推力。由于在固体推进剂块加工有V型槽，放电时在推进剂表面区域形成一个V型小空间，一方面增大放电扫过的面积，增大脉冲烧蚀供给质量；另一方面提高了空间内等离子体的压力，即电热加速效应；同时放电室采用张角扩张和末端窄缩型电极结构以使得等离子体在朝出口加速过程中电感梯度不断增加，增强电磁加速效率，产生的推力明显大于传统固体烧蚀型脉冲等离子体加速器。

下面具体阐述本发明的设计对推进装置工作性能的作用原理。

元冲量I_bit，即推力器单次脉冲放电工作所产生的冲量，其定义为单次脉冲时间内，瞬时推力对时间的积分。推力T，表示推力器在单位时间内的推力，等于PPT工作频率与元冲量的乘积。若推力器的工作频率为f，则平均推力为

T＝fI_bit

由此可知，在一定放电频率下，推力的大小取决于元冲量。而元冲量是脉冲烧蚀质量(m_loss)与等离子体运动速度V的乘积，可表示为

相应推进装置的效率η可描述为

η＝m_lossV²/2E

式中L′为等离子体沿阴极或阳极有效长度的电感梯度，I(t)为放电电流，E为储能电容器初始储能。由于放电室电感梯度的增大会提升效率的理论上限，阳极3和阴极4末端窄缩处宽度也会影响电感梯度，末端窄缩处宽度变短会提高等离子体出口处的电磁加速性能，而电感梯度L′与放电室电极的高宽比h₀/d₀线性相关，因此本发明通过固体推进剂上加工V型槽增大脉冲烧蚀质量m_loss，并通过张角扩张和末端窄缩型电极结构提高了放电室电极的高宽比h₀/d₀，进而提高电感梯度L′，从而增大了元冲量，提升了推力性能。

另外，本发明有效提升了推进剂大烧蚀供给条件下所形成的等离子体的电热和电磁加速，原因如下：一是V型槽的烧蚀面积大，在相同条件下单次脉冲的烧蚀质量也会增大；二是在点火放电烧蚀的初始阶段，所形成的烧蚀气体能够集中于V型槽两侧推进剂表面之间，增大了等离子体电热加速效应；三是采用张角扩张和末端窄缩型的放电室构型，使得等离子体在朝出口加速过程的电感梯度不断增加，又提高了等离子体的电磁加速效应，因此大大提高了推进剂的利用率，最终使得推力装置的推力、效率等工作性能也有了明显的提高。

本发明结构简单、放电烧蚀面积大、推力效果好，能够满足高性能需求的微小型空间飞行器的在轨推进用空间电推进装置，可有效解决现有固体烧蚀型脉冲等离子体电推进装置性能低下的问题。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。