专利摘要

本发明涉及一种分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器，包括阴极，阳极，电弧，火花塞，推进剂，储能电容，电源，地；还包括绝缘块，绝缘块将阳极分隔为上游阳极和下游阳极；电源给储能电容充电，储能电容两端分别连接阴极和上游阳极；火花塞产生电子触发电弧，电弧沿着推进剂表面从阴极向上游阳极引弧；导线连接上游阳极和下游阳极；推进剂表面电离得到的等离子体受到上游阳极和下游阳极的电磁力作用加速喷出，形成推力。本发明通过采用分段阳极，实现电弧的限制和局部电流密度的提高；通过将绝缘块设置于电弧附着点的前方，防止了电弧的迁移现象，能够持续保持推进剂表面的高温度和高电流密度，从而提升推力器的推力、比冲、烧蚀量和效率。

权利要求

1.一种分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器，包括阴极，阳极，电弧，火花塞，推进剂，储能电容，电源，地，其特征在于：还包括绝缘块，绝缘块将阳极分隔为上游阳极和下游阳极；电源给储能电容充电，储能电容两端分别连接阴极和上游阳极，形成与连续的平行板阴极具有完全不对称的电场结构的分段阳极；火花塞产生电子触发电弧，电弧沿着推进剂表面从阴极向上游阳极引弧；导线连接上游阳极和下游阳极；推进剂表面电离得到的等离子体受到上游阳极和下游阳极的电磁力作用加速喷出，形成推力；绝缘块距离推进剂表面4mm，位于电弧附着点的前方；绝缘块为微石英晶体陶瓷，长度为2mm。

说明书

技术领域

本发明属于电推进等离子体应用领域，涉及一种分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器。

背景技术

电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。

脉冲等离子体推力器为电磁式推力器的一种，目前已被广泛应用于卫星以及深空探测器的主推进系统。对脉冲等离子体推力器的性能参数包括比冲、效率、推力等参数进行优化是发动机设计的根本任务，也对拓展脉冲等离子体推力器的未来应用具有重要意义。其中，对推力器电极结构的优化是比较常见的一种手段，但是优化效果并不理想，由于脉冲等离子体推力器放电时间短(10μs)，加速机理不明确，所以目前还没有合理的电极优化方案。

发明内容

本发明的目的在于设计一种分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器，能够实现推力器性能参数的优化，诸如比冲升高，烧蚀量增大，推力增大，效率升高等。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案：

一种分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器，包括阴极，阳极，电弧，火花塞，推进剂，储能电容，电源，地，其特征在于：还包括绝缘块，绝缘块将阳极分隔为上游阳极和下游阳极；电源给储能电容充电，储能电容两端分别连接阴极和上游阳极；火花塞产生电子触发电弧，电弧沿着推进剂表面从阴极向上游阳极引弧；导线连接上游阳极和下游阳极；推进剂表面电离得到的等离子体受到上游阳极和下游阳极的电磁力作用加速喷出，形成推力。

进一步的，绝缘块距离推进剂表面4mm，位于电弧附着点的前方。

进一步的，绝缘块为微石英晶体陶瓷，长度为2mm。

本发明的优点在于：

1、基于大量的实验数据测试，发现了脉冲放电电离模式的离子和电子的分布是不对称的，也即电流密度分布的不对称，如图1所示，明显出现了阳极附近的电流密度远高于阴极附近的电流密度，这意味着传统的对称式电极的电场分布和电弧存在模式是不合理的。鉴于此，本发明设计了与连续的平行板阴极具有完全不对称的电场结构的分段阳极，这种分段式的阳极能够改变推进剂表面的电弧形貌，提高阳极附近的电流密度，而分段的下游电场同时也能加强对等离子体的约束。

2、传统对称式分布的电极都存在电弧发散，电离位置不集中的问题。本发明在阳极的上游设计了陶瓷绝缘块，实现了电弧形貌的约束，确保电弧不会因为热膨胀而向下游运动，同时也进一步加强了阳极端的电流密度。

3、本发明通过设置在阳极上游的绝缘块，获得分段阳极结构，实现了更好的等离子体收束性。采用分段阳极的结构保持电极之间的下游电场以获得更好的等离子体收束性(与短电极相比)，同时仍模仿短电极结构限制上游电弧的发散。

4、本发明重点设计了绝缘块的位置，如果太靠近推进剂表面，会导致电弧直接跳过绝缘块，迁移至下游阳极放电，影响推力器性能；如果过于远离推进剂表面，会导致电弧的热膨胀脱离推进剂，降低电离效率。通过实验数据分析计算了电子能量峰值的变化趋势，从而得到了最优绝缘块位置，绝缘块距离推进剂表面4mm，恰好设计在了电弧附着点的前方，防止了电弧的迁移现象，能持续保持推进剂表面的高温度和高电流密度。

5、本发明采用非对称式的设计，放弃了在阴极端也加入绝缘块。阴极主要起到供给电子和装配火花塞的作用，电子的质量是离子的0.05％，所以对推力的贡献上，离子远大于电子。而且阴极上装配绝缘块会影响火花塞的工作，导致电子雪崩障碍。所以，本发明采用了非对称式的设计，放弃在阴极端加入绝缘块，仅对阳极做了分段式的结构设计。

附图说明

图1为传统对称式、不分段的电极间电流密度分布云图；

图2为分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器的示意图；

图3为分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器与传统对称平行板脉冲等离子体推力器的推力性能的比较结果。

图中：1、阴极；2、电弧；3、火花塞；4、上游阳极；5、导线；6、绝缘块；7、下游阳极；8、推进剂；9、储能电容；10、电源；11、地。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明提供的一种分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器的示意图，如图2，包括阴极1，电弧2，火花塞3，上游阳极4，导线5，绝缘块6，下游阳极7，推进剂8，储能电容9，电源10，地11。电源10将2000V高压加载在储能电容9上，储能电容9为油浸电容，容值10μF；储能电容9的两端接入阴极1和上游阳极4；通过火花塞3产生电子，触发阴阳极两端的电弧2，电弧2沿推进剂8表面烧蚀和电离等离子体；导线5连接了上游阳极4和下游阳极7，上游阳极4和下游阳极7之间间隔了绝缘块6，防止上游阳极4表面的引弧面积过大分散电流密度；最后推进剂8表面电离得到的等离子体受到上游阳极4和下游阳极7的电磁力作用加速喷出，形成推力。

脉冲等离子体推力器，通常放电间隙在15-20mm，放电电压在1-2kV之间，在有推进剂的情况下会产生沿推进剂壁面的电弧放电，获得的电弧温度通常在1200K以上，电弧宽度大于1mm。在较高的表面温度作用下，电弧会因为热膨胀而脱离壁面产生迁移现象，影响电弧电离推进剂。因此在阳极位置设置绝缘块，限制电弧的热膨胀。对于绝缘块的位置，如果太靠近推进剂表面，会导致电弧直接跳过绝缘块，迁移至下游阳极放电，影响推力器性能；如果过于远离推进剂表面，会导致电弧的热膨胀脱离推进剂，降低电离效率。通过光谱实验数据分析计算电子能量峰值的变化趋势，得到最优绝缘块位置，绝缘块距离推进剂表面4mm，恰好设计在电弧附着点的前方，防止电弧的迁移现象，能持续保持推进剂表面的高温度和高电流密度。

绝缘块为微石英晶体陶瓷，长度为2mm。沿推进剂壁面的放电电弧宽度通常为1mm，绝缘块的宽度大于1mm，以防止电弧直接跳跃过绝缘块，而继续迁移，确保了绝缘块结构能够起到限制电弧的作用。

图3对比了传统的脉冲等离子体推力器和经过设计改进后的分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器的主要性能参数，元冲量。图中选取了5J-20J的七个放电能量量级进行比较，每个能量量级上，分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器所产生的冲量都高于传统的脉冲等离子体推力器。在20J量级，分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器所产生的冲量比传统的脉冲等离子体推力器的冲量高出了28％。证明分段阳极结构的提出，实现了对脉冲等离子体推力器性能的优化。

以上仅为本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

一种分段阳极高比冲脉冲等离子体推力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》。