空间电控固体等离子体推力器

1.本实用新型涉及空间电推进技术领域，具体涉及一种空间电控固体等离子体推力器。


背景技术：

2.近年来，微小卫星由于具有尖端技术含量高、功率密度比高、集成程度高、研制周期短、研制和发射费用低、发射组网速度快等优势越来越受到世界各国的重视。微小卫星正向任务在轨执行能力越来越强、功能越来越强大、性能越来越好等方向发展，微小卫星的进一步应用和发展很大程度上取决于搭载的微推力装置，但是微小卫星的体积和质量限制了推力器的设计。适用于微小卫星的推力器应满足结构简单、可靠性高、成本低的优点，电控固体工质具有通电时燃烧、断电熄灭的特点，并且固体工质易于保存和使用，因此很适合作为微推力器的推进剂。目前南京理工大学的张伟等人设计了一种电-化学混合动力空间推力器，其利用脉冲电源施加电压燃烧电控固体推进剂来获得推力，通常脉冲电源的放电周期较短，而电控固体推进剂的点火响应时间较长，容易造成点火失败，并且脉冲放电点火方式难以使得电控固体工质高效稳定燃烧，因而难以获得较大的推力。另外依靠电控固体工质燃烧能达到的比冲只能在200s-300s，相较于传统的化学推进剂并不具有优势。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种空间电控固体等离子体推力器，该推力器具有推力大、比冲高、结构简单的优点。
4.为了实现上述技术目的，本实用新型采用的技术方案为：
5.空间电控固体等离子体推力器，包括推力器壳体，推力器壳体内依次设置有阴极、放电腔室、第一阳极以及燃烧室，远离阴极的推力器壳体的一端连接有第二阳极，所述第二阳极采用扩张型喷管结构，第二阳极同时作为推进器本体的尾喷管；所述阴极和第一阳极之间为能够填充电控固体推进剂的放电腔室，所述放电腔室与燃烧室联通，所述燃烧室外侧环绕有射频线圈，所述燃烧室出口联通第二阳极。
6.进一步地，所述放电腔室内填充有电控固体推进剂，所述电控固体推进剂与推力器壳体之间设有绝缘层。
7.进一步地，所述第一阳极上分布有联通放电腔室与燃烧室的通孔。
8.进一步地，所述推力器整体为轴对称结构。
9.进一步地，所述活动阴极外侧连接有驱动机构，在推力器工作时，活动阴极能够在驱动机构的作用下沿着推力器轴向运动对电控固体推进剂进行补充，同时起到控制电控固体推进剂烧蚀进程的作用。
10.进一步地，所述活动阴极外侧连接有驱动机构，在推力器工作时，活动阴极能够在驱动机构的作用下沿着推力器轴向运动对电控固体推进剂进行补充，同时起到控制电控固体推进剂烧蚀进程的作用。
11.进一步地，所述射频线圈连接高频交流电电源，射频线圈在高频交流电的作用下产生螺旋波电离并加速燃烧室中的高温燃气。
12.进一步地，所述活动阴极与第一阳极之间通过第一级放电电路连接，所述电控固体推进剂为导电体，将阴极与第一阳极之间的第一级放电电路连通，进而在电控固体推进剂靠近第一阳极端形成烧蚀并产生燃烧气体，燃烧气体通过第一阳极上的通孔从放电腔室进入燃烧室，在射频线圈产生的螺旋波作用下电离形成等离子体，同时在射频线圈形成的电磁场的加速作用下运动至第二阳极。
13.进一步地，所述活动阴极与第二阳极之间连接有第二级放电电路，第二阳极通过等离子体运动过程中携带的少量电子与阴极连通起弧并产生电磁场，进一步膨胀加速等离子体提升推进性能。
14.通过上述技术方案，本实用新型能够产生的技术效果是：
15.本实用新型中的电控固体推进剂放置于活动阴极和第一阳极之间，随着通电后电控固体推进剂的不断燃烧，活动阴极在驱动机构(如弹簧驱动机构)作用下向前推动，电控固体推进剂产生的高温燃气通过第一阳极上的的通孔进入石英燃烧室，射频线圈在高频交流电作用下产生的螺旋波使得石英燃烧室内的高温燃气发生电离，通过第二阳极进一步膨胀加速喷出。
16.本实用新型设计了一种采用螺旋波电离加速的微型电控固体等离子体推力器，当推力器工作时，电源持续给电控固体推进剂通电，使其高效稳定燃烧产生高温燃气，高温燃气在射频线圈产生的螺旋波作用下发生电离，经过第二阳极进一步膨胀加速喷出。
17.本实用新型利用固体电控工质作为推进剂，整体结构简单，易于加工成本低。
18.本实用新型采用电控固体推进剂，其具有通电燃烧、断电熄灭的特点，可在电流作用下多次获得持续的推力。
19.本实用新型电控固体推进剂燃烧产生的高温燃气进入燃烧室后被射频线圈产生的螺旋波电离后经过第二阳极进一步膨胀加速，可有效提高推力器比冲。
附图说明
20.图1为本实用新型一实施例的剖视图；
21.图2为本实用新型一实施例的整体结构示意图；
22.图3为图2的爆炸视图；
23.图中标号：
24.1、阴极；2、第一阳极；201、通孔；3、放电腔室；4、燃烧室；5、第二阳极；6、射频线圈；7、推力器壳体；8、绝缘层。
25.本实用新型目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
26.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
28.另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
29.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
30.另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
31.参照图1、图2和图3，一实施例中提供的空间电控固体等离子体推力器，包括推力器壳体7，推力器壳体7内依次设置有阴极1、放电腔室3、第一阳极2以及燃烧室4，远离阴极1的推力器壳体7的一端连接有第二阳极5，所述第二阳极5采用扩张型喷管结构，第二阳极5同时作为推进器本体的尾喷管；所述阴极1和第一阳极2之间为能够填充电控固体推进剂的放电腔室3，所述放电腔室3与燃烧室4联通，所述燃烧室4外侧环绕有射频线圈6，所述燃烧室出口联通第二阳极5。
32.所述第一阳极2上分布有联通放电腔室3与燃烧室4的通孔201，通孔201的数目、形状、孔径大小以及分布形式不限。
33.所述推力器整体为轴对称结构。进一步地，所述阴极1为能够沿着推力器轴向运动的活动阴极。，所述活动阴极外侧连接有驱动机构，(图中未展示出)，活在推力器工作时，活动阴极能够在驱动机构的作用下沿着推力器轴向运动对电控固体推进剂进行补充，同时起到控制电控固体推进剂烧蚀进程的作用。驱动机构的结构以及实现方式不限，如采用弹簧驱动机构等。
34.所述射频线圈6连接高频交流电电源(图中未展示出)，射频线圈在高频交流电的作用下产生螺旋波电离并加速燃烧室中的高温燃气。螺旋波是一种频率介于离子回旋频率和电子回旋频率之间的右手圆极化电磁波，可高效电离燃烧室中的燃气。
35.所述阴极1和第一阳极2之间连接有第一级放电电路(图中未展示出)，所述放电腔室3内填充有电控固体推进剂，电控固体推进剂通电燃烧、断电熄灭。所述电控固体推进剂为导电体，所述电控固体推进剂与推力器壳体7之间设有绝缘层8。将阴极1与第一阳极2之间的第一级放电电路连通，进而在电控固体推进剂靠近第一阳极端形成烧蚀并产生燃烧气体，燃烧气体通过第一阳极2上的通孔从放电腔室3进入燃烧室4，在射频线圈产生的螺旋波作用下电离形成等离子体，同时在射频线圈形成的电磁场的加速作用下运动至第二阳极5。
36.所述阴极1和第二阳极5之间连接有第二级放电电路(图中未展示出)。第二阳极5
通过等离子体运动过程中携带的少量电子与阴极连通起弧并产生电磁场，进一步膨胀加速等离子体提升推进性能。
37.开启射频线圈连接的高频交流电电源、阴极和第一阳极之间的第一级放电电路以及阴极和第二阳极之间的第二级放电电路，电控固体推进剂通电燃烧并产生燃烧气体，燃烧气体从放电腔室3经第一阳极2上的通孔201进入燃烧室4。在燃烧室4内，燃烧气体通过高频交流电源作用下的射频线圈6产生的螺旋波电离成等离子体，同时在射频线圈6形成电磁场的作用下膨胀加速进入第二阳极5。第二阳极5通过等离子体运动过程中携带的少量电子与阴极1连通起弧并产生电磁场，进一步膨胀加速等离子体后喷出，进而产生强劲的推力。
38.同时本实用新型中的所述阴极1为活动阴极，所述活动阴极连接有驱动机构(图中未展示出)，活动阴极能够在驱动机构的作用下沿着推力器本体轴向向前运动。推进器工作过程中，电控固体推进剂不断燃烧消耗，可以通过驱动活动阴极向前位移补偿烧蚀推进剂。
39.在一实施例中，所述燃烧室4为石英燃烧室。第一阳极2、第二阳极5以及推力器壳体7的材料都选用金属钛，阴极材料选用紫铜。
40.本实用新型中所述电控固体推进剂的材质不限，如由硝酸羟胺、聚乙烯醇、硼酸组成，可添加一定量铝粉提高推进剂的燃烧性能。
41.本实用新型中的第一阳极为密布有通孔的多孔结构，一方面能减小第一阳极与电控固体推进剂之间的接触面积，增大电流密度，降低点火电压，同时第一阳极上的通孔可使得电控固体推进剂燃烧产生的高温燃气进入燃烧室。
42.以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。