[发明专利]一种分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器

说明书

本发明涉及一种分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器，包括阴极，阳极，电弧，火花塞，推进剂，储能电容，电源，地；还包括绝缘块，绝缘块将阳极分隔为上游阳极和下游阳极；电源给储能电容充电，储能电容两端分别连接阴极和上游阳极；火花塞产生电子触发电弧，电弧沿着推进剂表面从阴极向上游阳极引弧；导线连接上游阳极和下游阳极；推进剂表面电离得到的等离子体受到上游阳极和下游阳极的电磁力作用加速喷出，形成推力。本发明通过采用分段阳极，实现电弧的限制和局部电流密度的提高；通过将绝缘块设置于电弧附着点的前方，防止了电弧的迁移现象，能够持续保持推进剂表面的高温度和高电流密度，从而提升推力器的推力、比冲、烧蚀量和效率。

技术领域

本发明属于电推进等离子体应用领域，涉及一种分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器。

背景技术

电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。

脉冲等离子体推力器为电磁式推力器的一种，目前已被广泛应用于卫星以及深空探测器的主推进系统。对脉冲等离子体推力器的性能参数包括比冲、效率、推力等参数进行优化是发动机设计的根本任务，也对拓展脉冲等离子体推力器的未来应用具有重要意义。其中，对推力器电极结构的优化是比较常见的一种手段，但是优化效果并不理想，由于脉冲等离子体推力器放电时间短(10μs)，加速机理不明确，所以目前还没有合理的电极优化方案。

发明内容

本发明的目的在于设计一种分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器，能够实现推力器性能参数的优化，诸如比冲升高，烧蚀量增大，推力增大，效率升高等。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案：

一种分段阳极高比冲脉冲等离子体推力器，包括阴极，阳极，电弧，火花塞，推进剂，储能电容，电源，地，其特征在于：还包括绝缘块，绝缘块将阳极分隔为上游阳极和下游阳极；电源给储能电容充电，储能电容两端分别连接阴极和上游阳极；火花塞产生电子触发电弧，电弧沿着推进剂表面从阴极向上游阳极引弧；导线连接上游阳极和下游阳极；推进剂表面电离得到的等离子体受到上游阳极和下游阳极的电磁力作用加速喷出，形成推力。

进一步的，绝缘块距离推进剂表面4mm，位于电弧附着点的前方。

进一步的，绝缘块为微石英晶体陶瓷，长度为2mm。

本发明的优点在于：

1、基于大量的实验数据测试，发现了脉冲放电电离模式的离子和电子的分布是不对称的，也即电流密度分布的不对称，如图1所示，明显出现了阳极附近的电流密度远高于阴极附近的电流密度，这意味着传统的对称式电极的电场分布和电弧存在模式是不合理的。鉴于此，本发明设计了与连续的平行板阴极具有完全不对称的电场结构的分段阳极，这种分段式的阳极能够改变推进剂表面的电弧形貌，提高阳极附近的电流密度，而分段的下游电场同时也能加强对等离子体的约束。

2、传统对称式分布的电极都存在电弧发散，电离位置不集中的问题。本发明在阳极的上游设计了陶瓷绝缘块，实现了电弧形貌的约束，确保电弧不会因为热膨胀而向下游运动，同时也进一步加强了阳极端的电流密度。

3、本发明通过设置在阳极上游的绝缘块，获得分段阳极结构，实现了更好的等离子体收束性。采用分段阳极的结构保持电极之间的下游电场以获得更好的等离子体收束性(与短电极相比)，同时仍模仿短电极结构限制上游电弧的发散。