[发明专利]水工质脉冲等离子体推进器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电推进技术领域的推进器，具体是一种以水为工质的脉冲等离子体推进器。

背景技术

电推进系统以其优越的性能逐步取代传统的化学推进系统，被广泛用于为航天器提供机动和控制推力。作为电推进的一种方式，脉冲等离子体推进器以高比冲、低功耗、结构简单、重量轻、良好系统继承性和可靠性等特点，成为当前国际电推进研究的热点之一。典型低功率脉冲等离子体推进器使用Teflon作为工质。Teflon脉冲等离子体推进器的高比冲和微冲量（μN-s）特性是非常适合精确姿态控制。然而，Teflon 脉冲等离子体推进器存在一些问题，如：Teflon烧蚀后产生的碳和氟会污染飞船上的设备等；在低功率电源条件下，放电电流制造的电离能是很难达到或超过Teflon的高电离能，致使Teflon的电离过程不充分，无法大量产生等离子体，容易发生点火失败；推进效率非常低，只有1%-12%。推进器效率低的原因主要是质量利用率较低，主要归结为两点：滞后烧蚀，大粒子喷射。滞后烧蚀是由电流加速阶段与推进剂冷却阶段的不一致造成，即在脉冲等离子体推进器放电结束到下一次放电的时间内，推进剂表面仍然由于放电产生的热量在喷射低速粒子。质量利用率低的另一个重要原因是推进剂喷射的粒子多数为中性粒子，这些粒子是由于局部温度过热形成，其粒径较大，占了较大的质量比率，由于不带电，很难被电磁场有效加速。烧蚀出的粒子中只有10%质量左右的带电粒子（离子、电子）贡献了几乎所有的推力。Teflon 脉冲等离子体推进器存在的这些问题成为了限制其实际应用的因素。为此，研究无污染、性能高、具有广泛适用性的脉冲等离子体推进器技术是非常值得。

在过去的几十年间，为了提高脉冲等离子体推进器的性能、效率，研究人员进行了大量研究工作，却始终没有获得较大的成功。对脉冲等离子体推进器的性能提高的研究主要集中在以下几个方面：通过改变固体推进剂和电极几何形状，推进剂供应方式来增强工质的电离；改变外部电路参数；改变电极材料、工质材料成分等方法来提高推功比。然而，这些方法都无法明显提高推进器性能。因此，另外一种提高性能的可能性被提出来，就是尝试采用不同的工质替代Teflon。

由于气体或液体工质都没有延时蒸发和大粒子发射等问题，并且质量流率容易控制及气体或液体工质有较低的平均原子或分子重量等优势，使得气体或液体工质进给的脉冲等离子体推进器具有更高的推进效率和更广泛的工质选择范围。虽然许多气体或液体工质都有比Teflon低的平均原子或分子重量，然而水有其它工质更多的优势。最为重要的优势是，在自然界的各种元素中，由于水的1^st电离能（40.8eV）和2^nd电离能（75.9eV）明显低于Teflon的1^st电离能（92.2eV）和2^nd电离能（280.9eV），并且水的分子重量（18amu）比Teflon（100amu）低，因此，在1^st电离和2^nd电离阶段，Teflon的磁声流速会明显小于水，而质量流率却大于水。这意味着以Teflon为脉冲等离子体推进器的工质需要消耗掉更多的质量，而获得的比冲却要比水低。并且，在低功率的电源条件下，放电电流制造的电子温度是很难达到或超过Teflon的高电离能，致使电离过程不充分，无法大量产生等离子体-即点火失败。

发明内容

本发明的目的是解决现有Teflon为脉冲等离子体推进器的工质比冲低、以及在低功率电源条件下无法大量产生等离子体的问题，提供一种以水工质脉冲等离子体推进器。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种水工质脉冲等离子体推进器，包括推进器本体和电源处理单元两大部分，推进器本体由推进器结构和储能电容组成，推进器结构包括阳极、阴极、触发器、工质进给机构和喷嘴，电极阳极是钍钨材质的细长圆柱体，直径为2.4mm；电极阴极是一个与阳极同轴的紫铜材质的圆环，内径为7mm，外径为18mm，长度为26mm；阳极与阴极之间形成电极腔，触发器与阴极连接，工质进给机构包括一个将水工质雾化的雾化器，阳极与阴极的外侧用外壳密封，阳极顶端上方的外壳上设有出口，出口处安装有喷嘴，外壳与阴极之间设有一个与雾化器连通的环形空腔，阴极上开有连通环形空腔和电极腔的进气孔，储能电容的定容状态为2μF和3μF；电源处理单元由主电源与触发电源组成，主电源通过导线接至阳极和阴极的接线柱上，主电源同时与储能电容连接，触发电源与触发器连接。