专利摘要
本发明提供了一种双喷射脉冲金属离子等离子推进器，包括：阳极、内绝缘套筒、阴极以及外绝缘套筒；阳极为柱状，其两端分别为阳极喷口和阳极末端；内绝缘套筒为两端开口的筒状结构，套设在所述阳极，其内壁与阳极的外壁接触；阴极为两端开口的筒状结构，包括：非放电端和放电端，放电端与阳极喷口位于同一侧，阴极套设于内绝缘套筒，其内壁与内绝缘套筒外壁接触；外绝缘套筒套设在阴极表面，靠近阴极放电端的一侧制成喇叭状；阴极的非放电端连接外电路负高压端子，阳极接地。本发明在单次脉冲放电过程中，利用阴极近旁和阳极近旁都形成明显可见的等离子体喷射进行推进，有效提高了脉冲金属离子等离子体推进器的推进性能。
权利要求
1.一种双喷射脉冲金属离子等离子推进器，其特征在于，包括：阳极(1)、内绝缘套筒(2)、阴极(3)和外绝缘套筒(4)；
所述阳极(1)为柱状，其两端分别为阳极喷口(7)和阳极末端；
所述内绝缘套筒(2)为两端开口的筒状结构，套设在所述阳极(1)，其内壁与阳极(1)的外壁接触；
所述阴极(3)为两端开口的筒状结构，包括：非放电端和放电端(6)，所述放电端(6)与阳极喷口(7)位于同一侧，所述阴极(3)套设于内绝缘套筒(2)，其内壁与内绝缘套筒(2)外壁接触；
所述外绝缘套筒(4)为两端开口的筒状结构，包括：筒状端和喇叭状端(5)，所述喇叭状端(5)与阳极喷口(7)位于同一侧，所述外绝缘套筒(4)套设在所述阴极(3)，其筒状端的内壁与所述阴极(3)的外壁相接触；
所述阴极(3)的非放电端连接外电路负高压端子，所述阳极(1)接地。
2.根据权利要求1所述的推进器，其特征在于，所述内绝缘套筒(2)位于阳极喷口的端面分别到阴极放电端(6)、阳极喷口(7)的距离之和小于内绝缘套筒(2)位于阳极末端的端面分别到阴极非放电端、阳极末端的距离之和。
3.根据权利要求2所述的推进器，其特征在于，在轴向位置上，所述阴极放电端(6)不能超过阳极喷口(7)。
4.根据权利要求3所述的推进器，其特征在于，在轴向位置上，所述外绝缘套筒(4)的喇叭状端的起始段伸出阳极喷口(7)。
5.根据权利要求3或4所述的推进器，其特征在于，在轴向位置上，所述内绝缘套筒(2)位于阳极喷口(7)的一端，伸出阴极放电端(6)和阳极喷口(7)。
6.根据权利要求1所述的推进器，其特征在于，所述阳极(1)为圆柱状，所述阴极(3)、内绝缘套筒(2)和外绝缘套筒(4)均为圆筒状结构。
7.根据权利要求1所述的推进器，其特征在于，所述内绝缘套筒(2)和外绝缘套筒(4)由绝缘材料制成。
8.根据权利要求1所述的推进器，其特征在于，所述阴极(3)由导磁金属材料制成。
9.根据权利要求1所述的推进器，其特征在于，所述放电端(6)为凸起形状，所述凸起形状为楔形、弧形或立方体形。
说明书
技术领域
本发明涉及微小卫星电磁推进系统技术领域，尤其涉及一种双喷射脉冲金属离子等离子推进器。
背景技术
近年来，随着各个国家空间探测任务需求的增加，具有体积小、质量轻、研究周期短、经济性好等特点的微小卫星得到了快速的发展。由于微小卫星体积及质量上的限制，对其推进系统的性能提出了更高的需求，希望能够实现低能量输入，高比冲输出。电推进系统由于自身结构及功能上的优势逐渐取代了传统的化学推进系统而成为微小卫星系统的主要推进方式。脉冲等离子体推进器是一种电磁推进系统，由于其具有结构简单、质量轻、比冲高等特点，并且能够生成可控的推力，非常适合微小卫星推进，因而受到越来越多的关注。
研究表明，真空脉冲放电烧蚀阴极金属材料能够生成高电离度、超音速(～10
文献“田甲，刘文正，崔伟胜，高永杰.Generation characteristics of a metalion plasma jet in vacuum discharge[J].Plasma Science and Technology,2018,20:1-7.”中提出了一种全绝缘阳极电极结构，阻碍了放电生成的带电粒子运动到放电电极的通道，从而使得更多的等离子体沿绝缘套筒喷射出去，虽然全绝缘阳极提高了等离子体源的密度和传播速度，但是，采用全绝缘阳极电极结构放电难度增大，放电生成的阴极电流幅值减小，等离子体生成量减少。
目前，所有的脉冲金属离子等离子体推进器结构都是利用放电过程中阴极近旁的等离子体形成定向喷射来提供推力的，阳极只是起到接收来自阴极的微粒，形成电气回路的作用，而几乎没有人研究如何利用阳极近旁等离子体定向喷射进行推进。
发明内容
本发明的实施例提供了一种双喷射脉冲金属离子等离子推进器，能够不影响等离子体生成的前提下，提高单次脉冲放电中从推进器喷口喷射出去的等离子体推力源的密度和喷射速度的双喷射脉冲金属离子等离子推进器，以解决上述背景技术中存在的在真空放电过程中等离子体源的密度不高，能量低，导致推进器推力较小、效率较低的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种双喷射脉冲金属离子等离子推进器，包括：阳极1、内绝缘套筒2、阴极3和外绝缘套筒4；
所述阳极1为柱状，其两端分别为阳极喷口7和阳极末端；
所述内绝缘套筒2为两端开口的筒状结构，套设在所述阳极1，其内壁与阳极1的外壁接触；
所述阴极3为两端开口的筒状结构，包括：非放电端和放电端6，所述放电端6与阳极喷口7位于同一侧，所述阴极3套设于内绝缘套筒2，其内壁与内绝缘套筒2外壁接触；
所述外绝缘套筒4为两端开口的筒状结构，包括：筒状端和喇叭状端5，所述喇叭状端5与阳极喷口7位于同一侧，所述外绝缘套筒4套设在所述阴极3，其筒状端的内壁与所述阴极3的外壁相接触；
所述阴极3的非放电端连接外电路负高压端子，所述阳极1接地。
优选地，所述内绝缘套筒2位于阳极喷口的端面分别到阴极放电端6、阳极喷口7的距离之和小于内绝缘套筒2位于阳极末端的端面分别到阴极非放电端、阳极末端的距离之和。
优选地，在轴向位置上，所述阴极放电端6不能超过阳极喷口7。
优选地，在轴向位置上，所述外绝缘套筒4的喇叭状端的起始段伸出阳极喷口7。
优选地，轴向位置上，所述内绝缘套筒2位于阳极喷口7的一端，伸出阴极放电端6和阳极喷口7。
优选地，所述阳极1为圆柱状，所述阴极3、内绝缘套筒2和外绝缘套筒4均为圆筒状结构。
优选地，所述内绝缘套筒2和外绝缘套筒4由绝缘材料制成。
优选地，所述阴极3由导磁金属材料制成。
优选地，所述放电端6为凸起形状，所述凸起形状为楔形、弧形或立方体形。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种双喷射脉冲金属离子等离子推进器，通过内绝缘套筒和外绝缘套筒之间形成的小空间对阴极生成的等离子体进行阻挡及束缚，提高了阴极近旁等离子体定向喷射的能力；在阳极外表面设置有内绝缘套筒，提高了阳极近旁的金属离子密度，有利于阳极近旁正的空间电位的建立。一方面，不影响等离子体的生成，并且阻碍了带电粒子进一步进入阳极，另一方面在阳极近旁更高的正的空间电位作用下，在阳极近旁也形成了和阴极近旁同方向的、明显可见的等离子体喷射。从而在不影响推进器放电难度的条件下，利用阴极近旁及阳极近旁形成的双等离子体喷射进行推进，提高了脉冲等离子体推进器的推进性能。
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为本发明实施例提供的一种传统的阴极-套筒-阳极结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种双喷射脉冲金属离子等离子推进器结构示意图(阳极-套筒-阴极-套筒)；
图3为本发明实施例提供的带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器的工作机理示意图；
图4为发明实施例提供的一种双喷射脉冲金属离子等离子推进器的放电电路图；
图5为本发明实施例测得的采用带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器与传统的阴极-套筒-阳极结构在单次脉冲放电中生成的等离子体密度峰值情况图；
图6为本发明实施例测得的用带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器与传统的阴极-套筒-阳极结构在单次脉冲放电中生成的等离子体传播速度峰值情况图；
图7为本发明实施例测得的用带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器与传统的阴极-套筒-阳极结构在单次脉冲放电中生成的推力大小情况图。
附图标记：
1-阳极；2-内绝缘套筒；3-阴极；4-外绝缘套筒；5-喇叭状端；6-放电端；7-阳极喷口。
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。
本发明实施例提供了一种双喷射脉冲金属离子等离子推进器，如图2，包括：阳极1、内绝缘套筒2、阴极3和外绝缘套筒4。阳极1为圆柱状，其两端分别为阳极喷口7和阳极末端；内绝缘套筒2为两端开口的圆筒状结构，套设阳极的外壁接；阴极3为两端开口的圆筒状结构，包括：非放电端和放电端6，放电端6与阳极喷口7位于同一侧，阴极3套设于内绝缘套筒2外壁；外绝缘套筒4为两端开口的圆筒状结构，包括：圆筒状端和喇叭状端5，外绝缘套筒4套设在阴极3的外壁，其圆筒状端的内壁与阴极3的外壁接触；阴极3的非放电端连接外电路负高压端子，阳极1接地。
内绝缘套筒2位于阳极喷口的端面分别到阴极放电端6、阳极喷口7的距离之和小于内绝缘套筒2位于阳极末端的端面分别到阴极非放电端、阳极末端的距离之和，从而使等离子推进器仅在一端放电。
其中，在阴极3的外壁套设外绝缘套筒4可以约束阴极近旁等离子体的径向扩散，使得阴极近旁的金属离子数量增多，阴极近旁电位Vc增大，从而提高阴极近旁等离子体的喷射性能。喇叭状喷口能够进一步减小能量损失，从而提高推力和系统效率。
在轴向位置上，阴极放电端6不能超过阳极喷口7；外绝缘套筒4喇叭状端的起始段伸出阳极喷口7，伸出长度为0mm-20mm；内绝缘套筒2位于阳极喷口7的一端，伸出阴极放电端6和阳极喷口7。
内绝缘套筒2由绝缘材料组成。阴极3的材质采用铁质良导磁特性金属。
在本发明的一个具体实施例中，放电端6为楔形、弧形或立方体形等凸起形状。
在本发明的一个具体实施例中，阳极1的直径不超过2mm。
在本发明的一个具体实施例中，阴极3由导磁金属材料制成，放电端6由铅材料制成。
在本发明的一个具体实施例中，内绝缘套筒2由陶瓷材料制成。
在本发明的一个具体实施例中，外绝缘套筒4也由陶瓷材料制成。
为便于理解，下面给出一组放电电极的详细尺寸。阳极1采用铜金属，阳极1直径为1mm。套设在阳极表面的内绝缘套筒2的材料为陶瓷，外直径为2mm。套设在内绝缘套筒2表面的阴极3的材料为铅金属，外直径为4mm。套设在阴极表面的外绝缘套筒4的材料为陶瓷，外绝缘套筒4的圆筒状部分的外直径为5mm，喇叭状部分的轴向高度为10mm，开口处的内直径和外直径分别为10mm、11mm。在轴向位置上，阴极放电端6和阳极喷口7平齐；内绝缘套筒2和外绝缘套筒4位于阳极喷口一侧的圆筒状部分平齐，且都伸出阳极喷口2mm。
图3为带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器的工作机理示意图。具体如下：阴极3放电端6在电子场致发射作用下生成电子和离子。然后一部分带电粒子在放电端6近旁正空间电位VC作用下沿内绝缘套筒2和外绝缘套筒4之间的缝隙轴向喷射出去形成推力；另一部分在空间电场作用下向阳极运动，然后电子被阳极吸收，金属离子在阳极近旁堆积，在阳极喷口7近旁也形成一个正空间电位VA。在VA作用下，阳极喷口7近旁的带电粒子沿内绝缘套筒2也轴向喷射出去形成推力。最后，阴极近旁和阳极近旁形成的推力合力进行推进。
放电电源采用脉冲放电形式，其具体放电电路如图4所示。220V交流电源，经过变压器升压，倍压整流电路变换后给电容C2充电。当给三点间隙施加点火脉冲时，三点间隙导通，经C2、27Ω电阻、220μH电感和真空间隙构成回路，真空间隙击穿产生放电现象。阴极通过接线柱接电源高压端，阳极通过导线接地。
图5为采用带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器与传统的阴极-绝缘套筒-阳极结构在单次脉冲放电中生成的等离子体密度峰值情况图。由图5可知，与传统的阴极-绝缘套筒-阳极结构相比，采用带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器结构生成的等离子体密度峰值提高了10.7倍，这是一个明显的提高。这个结果说明双喷射结构可以获得更高密度的等离子体源。
图6为采用带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器与传统的阴极-绝缘套筒-阳极结构在单次脉冲放电中生成的等离子体传播速度峰值情况图。由图6可知，与传统的阴极-绝缘套筒-阳极结构相比，采用带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器结构生成的等离子体传播速度峰值提高了1.47倍。这个结果说明具有双绝缘套筒的双喷射结构可以获得更能量的等离子体源。
图7为本发明实施例测得的用带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器与传统的阴极-绝缘套筒-阳极结构在单次脉冲放电中生成的推力大小情况图。由图7可知，与传统的阴极-绝缘套筒-阳极结构相比，采用带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器结构生成的推力峰值提高了2.64倍。这个结果说明具有双绝缘套筒的双喷射结构可以获得更大的推力。
2种不同推进器结构放电后等离子体生成效果测试试验：
在放电实验过程中，对带有2种不同推进器结构进行了对比放电实验研究，2种推进器结构分别为带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器结构(阳极-套筒-阴极-套筒结构)、传统的阴极-绝缘套筒-阳极结构。
对于带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器结构，阳极1采用铜金属，阳极直径为1mm。套设在阳极表面的内绝缘套筒2的材料为陶瓷，外直径为2mm。套设在内绝缘套筒2表面的阴极3的材料为铅金属，外直径为4mm。套设在阴极表面的外绝缘套筒4的材料为陶瓷，圆筒状部分的外直径为5mm，喇叭状部分的轴向高度为10mm，内直径和外直径分别为10mm、11mm。在轴向位置上，阴极放电端6和阳极喷口7平齐；内绝缘套筒2和外绝缘套筒4位于阳极喷口一侧的圆筒状部分平齐，且都伸出阳极喷口2mm。相比较而言，对于传统的阴极-绝缘套筒-阳极结构，其阴极和阳极的位置正好与带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器结构结构相反，其阴极尺寸与带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器结构中的阳极尺寸相同，阳极尺寸与带有双绝缘套筒的双喷射脉冲金属离子等离子体推进器结构中的阴极尺寸相同。
2种电极结构如图1和2所示。采用以上2种不同推进器结构的放电，在距离阳极喷口110mm处，实验测得的等离子体生成效果对比如表1所示。
表1不同推进器结构下的等离子体及推力测量结果
由表1中的参数可知，在相等的放电电压条件下，阳极-套筒-阴极-套筒结构放电时的阴极电流幅值为130A，阳极电流幅值为70A。阳极电流幅值只占阴极电流幅值的53％，分析可知，这是由于阳极近旁形成了正的空间电位，阻碍了后续带电粒子进入阳极所造成的。对于传统的阴极-绝缘套筒-阳极结构，阳极电流占阴极电流幅值的90％。
由等离子体测量参数可知，阳极-套筒-阴极-套筒结构放电生成的等离子体射流的密度峰值最高，传播速度最大；与传统的阴极-绝缘套筒-阳极相比，采用阳极-套筒-阴极-套筒结构放电生成的等离子体密度峰值、传播速度峰值以及推进器推力分别提高了10.7倍、1.47倍、2.64倍。综上可知，利用阴极近旁及阳极近旁同时形成等离子体喷射进行推进的双喷射脉冲等离子体推进器结构有效提高了生成的等离子体推力源的性能，包括等离子体的密度和能量，已经推进器生成的推力峰值。
综上所述，本发明实施例提供了一种双喷射脉冲金属离子等离子推进器，在不影响等离子体生成的前提下，利用在单次脉冲放电过程中阴极近旁及阳极近旁都形成等离子体喷射进行推进。使更多的等离子体喷射出去形成推力源，提高了等离子体的喷射性能以及推进器的推进性能。
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。
一种双喷射脉冲金属离子等离子推进器专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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