[发明专利]一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器

说明书

本公开涉及一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器，包括电源处理单元、主电容、半导体火花塞，点火电路，主放电电路，推进剂工质，阴极喷嘴、阳极和有机玻璃外壳。本公开通过引入阴极喷嘴，使主放电电流与等离子体运动方向呈一定的角度，在自感磁场的作用下引入电磁加速。不同于传统电磁加速型脉冲等离子体推力器，本公开充分利用电热加速机制，提高了脉冲等离子体推力器的能量利用效率，在低功率水平下，可以提高系统总体效率，更适合微小卫星低功率应用场合。

技术领域

本公开属于脉冲功率技术和动力机械技术领域，涉及一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器。

背景技术

1、传统的冷气推进和化学推进系统需要采用推进剂贮存装置和供应系统，使得装置整体质量大，结构复杂。同时上述两种推进系统比冲小、效率低，很大程度上限制了其在微小卫星的空间应用。自上世纪六十年代前苏联首次将脉冲等离子体推力器应用于Zond 2飞行器以来，作为一种新型的电推进系统，脉冲等离子体推力器得到了长足的发展。且随着微小卫星应用市场的扩大，脉冲等离子体推力器凭借其比冲高、质量小、结构简单、研发周期短、可提供微小可调推力等优势，在微小卫星执行高精度任务中具有广泛的应用前景。

2、传统的脉冲等离子体推力器采用电磁加速机制，通过两个平行电极板连接储能电容器，推进剂工质置于两极板中间。在初始储能状态下，通过火花塞触发等方式引入初始带电粒子诱使电容器在推进剂表面发生沿面放电，电弧放电产生的电流烧蚀并离解工质形成等离子体，并在自感磁场中受洛伦兹力的作用加速向外喷出并产生推力。

3、电磁型脉冲等离子体推力器虽然采用了固体推进剂，将推进剂工质和推力器本体组合形成模块化装置，但由于电磁力只能加速带电粒子，对于中性分子加速效果甚微。实验表明，烧蚀所产生的中性分子质量占总烧蚀产物质量的70％～90％，使得脉冲等离子体推力器的加速效率低并影响推力器整体能量转化效率。同时由于滞后烧蚀现象和微粒发射效应的存在，使得工质的利用率较低，在小功率水平的微小卫星上的广泛应用上仍存在很大的阻碍。

发明内容

基于此，本发明公开了一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器，

所述推力器包括：电源处理单元、半导体火花塞，点火电路，主放电电路和推进剂工质；

所述电源处理单元用于提供给推力器工作所需的电压、对主放电回路中的主电容进行充电以及对点火电路供电；

所述点火电路用于输出脉冲高压使半导体火花塞发生沿面放电产生初始带电粒子；

所述半导体火花塞产生的初始带电粒子进入推进剂工质中，通过不断的碰撞电离产生等离子体；

所述推进剂工质为毛细管型，随着等离子体的产生，推进剂工质表面发生沿面闪络形成主放电电路中主电容的放电；

所述主放电电路用于对电源处理单元提供的电能进行存储与传输、烧蚀推进剂工质并加速等离子体，将主电容能量转换为等离子体动能，从而形成等离子体喷射，产生推力。

与现有技术相比，本公开具有的有益技术效果：

1、本发明提供的基于毛细管放电的新型脉冲等离子体推力器，采用电热力加速等离子体的机制，不同于传统的电磁加速机制，实现了对占烧蚀产物质量绝大部分的中性分子的充分加速；本发明中等离子体弧道能量沉积效率达到50％以上，有利于提高推力器整体能量利用效率。

2、本发明采用高性能半导体火花塞，可在较低的直流电压下发生沿面放电并产生带电粒子，绝缘结构得到简化，点火电路的整体安全性和可靠性提高；利用半导体开关控制点火电路，可以精确调控工作频率，达到推力器耗电功率、推力和冲量均可调节的目的。