[发明专利]一种高性能固体烧蚀型脉冲等离子体电推进装置

说明书

一种高性能固体烧蚀型脉冲等离子体电推进装置，包括储能电容器、火花塞、阳极、阴极、推进剂块、电源处理单元PPU、绝缘材料、阳极导电板以及阴极导电板。阳极通过阳极导电板与储能电容器的阳极连接，阴极通过阴极导电板与储能电容器的阴极连接，推进剂块放置在阳极导电板和阴极导电板之间。绝缘材料连接在阳极导电板和阴极导电板之间，并紧贴固体推进剂块的非放电侧面。固体推进剂块的中心位置处加工有V型槽，火花塞安装在阴极导电板下表面，且火花塞的位置与固体推进剂块V型槽的位置相对应。电源处理单元PPU的点火端口与火花塞连接，充电端口与储能电容器的阴极连接。本发明结构简单、放电烧蚀面积大，电热和电磁加速效果好，有效提高推力性能。

技术领域

本发明涉及一种空间电推进系统，具体涉及一种微小型空间飞行器在轨推进用的固体烧蚀型脉冲等离子体电推进装置，属于能源和动力系统技术领域，

背景技术

航天事业的每一次突破都有赖于推进技术的发展，而新的航天活动必将对推进技术提出新的要求。近年来，小卫星、微纳卫星、立方体卫星等微小型空间飞行器以其成本低、研制周期短、组网容易、发射灵活且有效载荷高等特点，在低成本空间试验、通信、对地观测和导航定位等领域具有广阔的应用前景。然而由于总体功率和质量的限制，微小型空间飞行器在轨推进技术要求动力装置具有功耗低、重量轻、体积小、寿命长等特点，传统的化学推进系统很难满足这些要求，因此发展比冲高、结构紧凑、消耗推进剂少、成本低廉的推进技术已经迫不及待。

电推进作为一种新型的先进推进方式，具有远高于传统化学推进的比冲性能。应用电推进是降低航天器空间飞行器，提高有效载荷能力，延长其在轨寿命的最有效途径之一。在众多电推进装置中，采用固体聚合物作为推进剂的脉冲等离子体电推进具有小功率下的高比冲能力(运行功率低至5w，比冲仍可达3000m/s)、结构简单、推力控制方便灵活且推进剂稳定易储存、无需储箱和管路、便于与飞行器集成等特点，可用于完成微小空间飞行器的位置保持、阻力补偿、姿态控制、精确编队以及轨道转移等多种在轨推进任务，因而成为各国开展先进空间动力技术及其应用的研究重点。然而，脉冲等离子体电推进效率低下一直是限制其发展和空间应用的关键问题。如何发展高性能固体烧蚀型脉冲等离子体加速装置已成为当前国际电推进技术的重要发展方向。

通过有关技术的文献检索发现，Rodney L.Burton等在第34届AIAA联合推进会议上发表的“Energy balance and efficiency of the pulsed plasma thruster”(脉冲等离子体电推进的能量平衡和效率研究)中指出，脉冲工作时所消耗的推进剂只有小部分在放电过程中被离子化和电磁加速排出；而其余绝大部分则是在放电结束后以中性混合成分通过热膨胀形式低速排出(滞后烧蚀现象)，这些无法得到有效电离和加速的中性气体造成推力器推进效率低下。由此可知，提高推力器的效率应提高推进剂的利用率，增强电磁加速效应，其不足在于并没有给出具体方法来优化推力性能。英国南安普敦大学Marques R.I等在43届AIAA联合推进会议上发表的“Preliminary Results of a High Frequency PulsedPlasma Thruster”(高频脉冲等离子体电推进研究的初步结果)中提出了一种双段推力器的设计方法。即将放电能量分配到两个储能电容上，在不同位置的极板上放电试图进一步电离滞后烧蚀气体。然后这种方法没有考虑能量分配问题，并且所设计的外电路损失大，尤其是外电感达到微H量级，导致放电时间长，电流峰值低，烧蚀质量很少,无法有效改善推力器的性能。