專利名稱：側壁面設置陶瓷噴嘴的脈沖等離子體推力器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種宇航電推進技術領域的功能組件，具體地說，涉及的是一種側壁面設置陶瓷噴嘴的脈沖等離子體推力器。
背景技術：
隨著小衛星、行星探測器、深空探測等新興空間技術的發展，要求宇航電推進系統質量更輕、體積更小、消耗推進劑更少。傳統化學推進方法由于比沖低、結構復雜越來越難以滿足新興空間任務的要求。脈沖等離子體推力器(Pulse Plasma Thruster，簡稱PPT) 是針對微小衛星推進系統的一種可行方案，它具有比沖高、重量輕、結構緊湊、體積小、控制方便靈活等優點，可用于微小衛星的姿態控制、軌道轉移和提升、軌道修正、阻力補償、位置保持和離軌處理等空間任務。1964年前蘇聯首先采用同軸型PPT擔負金星自動行星際站太陽帆板的定向控制任務，美國則于1968年用平行電極型PPT作為LES-6同步通訊衛星的東西位置保持系統，20世紀70-80年代，PPT作為衛星上的阻力補償系統繼續用于美國海軍的 TIP-2、3和N0VA-1、2、3號太陽同步導航衛星上。2000年美國國家航天局(NASA)在地球觀測衛星EO-I上使用脈沖等離子體推力器進行軌道修正任務。近幾年由于微小衛星的迅速發展，我國對脈沖等離子體推力器的需求日益增加。與其它類型的電推力器相比，脈沖等離子體推力器的效率偏低，這主要是由于固體推進劑的“延時氣化”，產生的中性氣體無法得到有效加速造成的。經對現有技術的文獻檢索發現，為了解決脈沖等離子體推力器效率低的問題，各國科研機構進行了一定探索。莫斯科航空學院通過使外電路參數與放電過程匹配，日本九州研究所采用二次放電的方法等方法都使PPT的效率有所提高。但放電過程匹配的方法通用性不強，二次放電方法對推進器壽命有一定影響。中國專利CN101260873A中提出了一種 “帶陶瓷噴嘴電極的脈沖等離子體推力器”，通過在金屬電極上設置陶瓷噴嘴，一定程度上改善了中性氣體加速性能，提高了效率。此專利的缺點為將絕緣的陶瓷噴嘴設置在金屬電極上，這會增加主回路放電電阻、降低相同放電能量下的放電電流，從而降低電磁加速性能和推力。

發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種側壁面設置陶瓷噴嘴的脈沖等離子體推力器。通過對新型噴嘴合理的形狀設計，使其盡可能地不增加主放電回路的電阻。 同時，設置噴嘴改進了加速流道形狀，使推進劑延遲氣化產生的低速中性氣體獲得更高的速度，從而提高了脈沖等離子體推力器的性能。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括高壓電源、儲能電容、推進劑、陶瓷噴嘴、陽極、陰極、半導體火花塞、點火控制電路板、進給彈簧，陰極和陽極分別設置于推力器內部的兩個平面，半導體火花塞通過螺紋與陰極連接，點火控制電路板通過點火控制線兩極分別與半導體火花塞和陰極相連，推進劑設置于陰極、陽極之間，推進劑后部通過進給彈簧固定在推力器內部，推進劑橫向被進給彈簧和陽極的凸臺固定，推進劑縱向則被陰極和陽極固定，陶瓷噴嘴固定于推力器內腔側壁面上，儲能電容固定在推力器外部側面，高壓電源與儲能電容兩端相連。所述陶瓷噴嘴成對設置于推力器內腔側壁面上。所述陶瓷噴嘴兩端具有45°的切角。所述陶瓷噴嘴的橫截面為等腰直角三角形。所述陶瓷噴嘴側面包含有若干個帶有沉孔的安裝孔。所述安裝孔成對出現。新型陶瓷噴嘴是本發明的核心內容，陶瓷噴嘴呈楔形，被成對設置于推力器殼體內壁陽極與陰極之間的側面上，而不是電極上，設置位置盡可能地靠近推進劑表面。陶瓷噴嘴靠近電極的端面被設計為等腰直角三角形，且加工有45°的切角，噴嘴側面有兩個帶有沉孔的安裝孔。這樣設置噴嘴以后可以保證陰極和陽極之間放電通道不受干涉，大大降低了主放電回路的電阻。點火電路板根據內部單片機程序以固定的頻率為半導體火花塞提供脈沖激勵，同時提供點火能量。本發明裝置的工作原理為高壓電源給儲能電容充電以后，點火電路發出指令點燃半導體火花塞。半導體火花塞產生的熱量使推進劑表面發生氣化，并產生了少量自由電子。氣化的部分中性氣體分子在電子的碰撞下發生電離生成了大量的離子和電子。此時， 推力器陰極和陽極之間發生擊穿產生一個電流片(current sheet)，并引發極板間產生感應磁場，電流片在磁場的作用下高速向推力器出口方向運動。沿途的帶電粒子受到強烈的磁場力作用發生回旋向推進劑表面運動。當帶電粒子穿越電流片過程中被電流片俘獲，方向改變為沿著電流片運動。此時，電場力做正功，帶電粒子速度迅速增加。在速度足夠大的時候，受洛侖茲力的作用脫離電流片向外噴出，產生電磁加速力。未電離的中性氣體分子在氣動力的作用下，以較低的速度向外噴出，該部分推力稱為電熱加速力。脈沖等離子體推力器的總推力即由電磁加速力和電熱加速力兩部分組成。由于中性氣體粒子的質量大，但相對速度較低，因此電熱加速力對總推力的貢獻很少。為了增加推力器電熱加速力以提高總效率，同時又不會增加主放電回路電阻引起電磁加速力降低，本發明設計了內腔側壁面設置陶瓷噴嘴的脈沖等離子體推力器。側壁面設置陶瓷噴嘴以后，側壁面形成楔形凸起，改變了原來矩形的流道形狀。使推進劑表面的空間變小，間接地對中性氣體實現了壓縮，因而增加了推進劑表面中性氣體的壓強。中性氣體壓強增加后導致其排氣速度大大增加，從而有效的提高了電熱加速力。此外，由于在推力器內腔側壁面設置陶瓷噴嘴而非電極上，使得電流片在運動過程中不會因為電極上有絕緣物體而受到影響，這種設計在降低了主回路的放電電阻的同時提高了放電電流，從而使電磁加速力也得到了一定的提高。側壁型陶瓷噴嘴設計時在靠近電極的端面做了有45°的切角，這樣可以最大程度的減少該噴嘴對電流片的干涉。實驗表明本發明推力器的總推力與中國專利CN101260873A中設計的安裝在電極上的陶瓷噴嘴推力器相比有5%左右的提高。


圖1為本發明實施例脈沖等離子體推力器的示意2為本發明實施例新型陶瓷噴嘴的三視3為本發明實施例側壁型噴嘴安裝方案立體4為本發明實施例側壁型噴嘴安裝方案三視5為本發明實施例實驗采用電極型和側壁型噴嘴放電電流對比圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括高壓電源1、儲能電容2、推進劑3、側壁型陶瓷噴嘴4、 陽極5、陰極6、半導體火花塞7、點火控制電路板8、進給彈簧9。高壓電源1通過導線與儲能電容2相連，對電容充電并將脈沖放電能量存儲在儲能電容2內；推進劑3橫向被進給彈簧9和陽極5的凸臺固定，推進劑3縱向則被陰極6和陽極5固定，側壁型陶瓷噴嘴4成對地固定在推力器內腔的兩個側壁面上，且陶瓷噴嘴4靠近推進劑的表面；半導體火花塞7通過螺紋與陰極6連接；點火控制電路板8通過點火控制線兩極分別與半導體火花塞7和陰極6相連，為半導體火花塞7提供脈沖的點火能量。
如圖2所示，為本實施例重點部件側壁型陶瓷噴嘴4的三視圖。該型陶瓷噴嘴為長條楔形結構。噴嘴的中部有兩個帶有沉孔的安裝孔用于螺釘與推力器內壁的連接。由于新型噴嘴設置在內腔側壁上而不是直接安裝在電極上，因此可以有效減少推力器電容、電極、等離子體組成的主放電回路的電阻。新型噴嘴的兩端各做了一個45°的切角，因此在內腔兩個側壁面各安裝一個噴嘴后，由于切角的存在大大減弱了噴嘴對陰極陽極之間放電通道的干涉作用。如圖3、圖4所示為本實施例安裝了側壁型陶瓷噴嘴4的推力器本體立體圖與三視圖。圖中顯示設置了側面陶瓷噴嘴4以后，改變了陽極5和陰極6以及側壁面構成流道的形狀，使得推力器對中性氣體加速效果更好。此外，由于陶瓷噴嘴安裝于側壁面且具有45°的切角，使得電極之間的放電通道受到的干涉很小。圖5為相同放電能量下不安裝陶瓷噴嘴、 安裝中國專利CN101260873A電極型噴嘴和本發明側壁型陶瓷噴嘴三種情況下放電電流的對比。可以看出，側壁型陶瓷噴嘴對放電電流的影響明顯小于電極型陶瓷噴嘴。本實施例的推力器工作時，點火控制電路板8控制火花塞7點火以后，推進劑3由于高溫而氣化，火花塞同時產生少量自由電子。自由電子與中性粒子發生連續碰撞產生大量離子和電子。此時，陰極和陽極導通并發生擊穿放電，形成了一個垂直于電極的薄電流片。電流片向外高速運動捕獲沿途的帶電粒子噴出，形成推力。未電離的中性氣體由于側壁型噴嘴的存在使得氣體壓強增大，因此獲得了更高的速度噴出。由于陶瓷噴嘴設置于推力器內腔側壁面上，降低了對電流片運動過程中的影響，因而降低了放電回路電阻，得到了更高的放電電流。本實施例最大的優點在于，在提高了脈沖等離子體推力器中性氣體加速性能的同時，并未大幅度犧牲電磁加速效果。由于主放電回路電阻在加裝側壁型噴嘴后并未大幅度增加，與電極型絕緣噴嘴的推力器相比，設置了側壁型陶瓷噴嘴的推力器可以獲得更高的放電電流，因此電磁加速力和總的推力均有一定的提高。本實施例運行安全可靠。新型陶瓷噴嘴的碳化腐蝕速度也大大降低。且由于噴嘴的存在使得放電熱量所氣化的中性氣體均得到更有力的加速，因此大大提高了推力器的質量利用率，使得推力器的效率也有了明顯的提高。實驗表明推力器效率與中國專利 CN101260873A中設計的安裝在電極上的陶瓷噴嘴相比有5%左右的提高。未安裝陶瓷噴嘴與分別設置了電極型和側壁型陶瓷噴嘴的推力器，工作過程中推力和效率對比如表1、2所示。
權利要求
1.一種側壁面設置陶瓷噴嘴的脈沖等離子體推力器，包括高壓電源、儲能電容、推進劑、陶瓷噴嘴、陽極、陰極、半導體火花塞、點火控制電路板、進給彈簧，其特征在于，陰極和陽極分別設置于推力器內部的兩個平面，半導體火花塞通過螺紋與陰極連接，點火控制電路板通過點火控制線兩極分別與半導體火花塞和陰極相連，推進劑設置于陰極、陽極之間， 推進劑后部通過進給彈簧固定在推力器內部，推進劑橫向被進給彈簧和陽極的凸臺固定， 推進劑縱向則被陰極和陽極固定，陶瓷噴嘴固定于推力器內腔側壁面上，儲能電容固定在推力器外部側面，高壓電源與儲能電容兩端相連。
2.根據權利要求1所述的側壁面設置陶瓷噴嘴的脈沖等離子體推力器，其特征在于， 所述陶瓷噴嘴成對設置于推力器內腔側壁面上。
3.根據權利要求2所述的側壁面設置陶瓷噴嘴的脈沖等離子體推力器，其特征是，所述陶瓷噴嘴兩端具有45°的切角。
4.根據權利要求3所述的側壁面設置陶瓷噴嘴的脈沖等離子體推力器，其特征是，所述陶瓷噴嘴的橫截面為等腰直角三角形。
5.根據權利要求4所述的側壁面設置陶瓷噴嘴的脈沖等離子體推力器，其特征是，所述陶瓷噴嘴側面包含有若干個帶有沉孔的安裝孔。
6.根據權利要求5所述的側壁面設置陶瓷噴嘴的脈沖等離子體推力器，其特征是，所述安裝孔成對出現。
全文摘要
本發明涉及一種側壁面設置陶瓷噴嘴的脈沖等離子體推力器，包括高壓電源、儲能電容、推進劑、陶瓷噴嘴、陽極、陰極、半導體火花塞、點火控制電路板、進給彈簧。其中，所述噴嘴呈楔形，被成對安裝在推力器殼體內壁陽極與陰極之間的側面上，安裝位置盡可能的靠近推進劑表面。陶瓷噴嘴靠近電極的端面被設計為有45°的切角。該型噴嘴可以有效改善推力器工作過程中慢速中性氣體的加速性能。同時與安裝電極型噴嘴相比，側壁型噴嘴可以盡可能降低噴嘴對放電通道的影響，降低主放電回路的電阻從而獲得更高的放電電流。新型噴嘴可以使電磁加速力的損失降低并得到更高的推力和工作效率。
文檔編號F03H1/00GK102297105SQ20111022784
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月10日 優先權日2011年8月10日
發明者康小明, 董磊, 趙萬生 申請人:上海交通大學