[發明專利]一種高推進劑利用率固體脈沖等離子體推力器及工作方法

有效

• 申請號: 201710572996.7
• 申請日: 2017-07-14
• 公開（公告）號: CN107178479B
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發明（設計）人: 武志文;孫國瑞;杜蕊;劉惟恒;郭穎慧;王寧飛;劉向陽;謝侃
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: F03H1/00
• 分類號: F03H1/00
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 唐華

1.一種高推進劑利用率固體脈沖等離子體推力器，包括恒力彈簧(1)、固定推進劑用的上絕緣板(2)、半導體火花塞(3)、陰極極板(5)、陽極極板(7)、高壓電源(8)、主放電電容器(9)、二極管(10)、固定推進劑用的下絕緣板(11)、固體推進劑(12)；恒力彈簧(1)用于給固體推進劑(12)提供恒定推力；主放電電容器(9)一端通過二極管(10)與陽極極板(7)相連接，另一端直接與陰極極板(5)連接，并通過高壓電源(8)進行充電；其特征在于：分別在陰極極板(5)、陽極極板(7)靠近半導體火花塞(3)一側增加用于減慢中性氣體前進速度的氣體儲存腔，在氣體儲存腔后側增大陰極極板(5)與陽極極板(7)之間的間距，且陰極極板(5)與陽極極板(7)在靠近噴口末端為平行布設；半導體火花塞(3)鑲嵌在陰極極板(5)內；在等離子體團產生的自感磁場相反方向上添加增加元沖量用永磁鐵(4)，所述的增加元沖量用永磁鐵(4)固定在氣體儲存腔上，用于減慢等離子體團的前進速度；在等離子體團產生的自感磁場相同方向上添加增加比沖用永磁鐵(6)，所述的增加比沖用永磁鐵(6)固定在極板加速區域。

2.如權利要求1所述的一種高推進劑利用率固體脈沖等離子體推力器，其特征在于：為防止中性氣體團在未進入氣體儲存腔前從固體推進劑(12)兩側擴散，固體推進劑(12)端面為半圓形凹槽。

3.如權利要求1或2所述的一種高推進劑利用率固體脈沖等離子體推力器，其特征在于：為定位增加元沖量用永磁鐵(4)、增加比沖用永磁鐵(6)相對于陰極極板(5)與陽極極板(7)的位置，在陰極極板(5)與陽極極板(7)上增加定位圓柱，所述的圓柱用于與增加元沖量用永磁鐵(4)、增加比沖用永磁鐵(6)進行相互定位與固定。

4.如權利要求1或2所述的一種高推進劑利用率固體脈沖等離子體推力器，其特征在于：所述的在氣體儲存腔后側增大陰極極板(5)與陽極極板(7)之間的間距的方式，選由兩段圓弧組成的過渡段，所述圓弧的圓心角為30°～45°。

5.如權利要求1或2所述的一種高推進劑利用率固體脈沖等離子體推力器，其特征在于：工作方法為，首先將主放電電容器(9)充電至所需的高電壓，雖然此時的陰極極板(5)與陽極極板(7)之間存在強電場，但在真空情況下缺少導通條件，不能自行擊穿；當主放電點火回路接收到預設的觸發信號時，半導體火花塞(3)開始點火，發射出少量的粒子，所述的粒子包括電子、離子、中性粒子，粒子與固體推進劑(12)表面碰撞后，推進劑表面由于二次電子現象會發射出大量的粒子，其中帶電粒子在陰極極板(5)與陽極極板(7)的強電場作用下被加速，繼續與固體推進劑(12)表面及發射出的粒子碰撞，使推進劑表面發射出更多的粒子，然后燒蝕出的氣體分子被分解并離子化成帶電粒子，當等離子體團足夠大時，主放電電容器(9)、陰極極板(5)、陽極極板(7)和等離子體團構成RLC的電流回路，并在等離子體團后方產生自感磁場；等離子體團在自感磁場與外加磁場共同產生的安培力作用下噴出，并產生所需推力；由于固體推進劑(12)表面采用凹槽形狀，能夠提高點火的成功率、并防止燒蝕出的中性氣體還未電離就已經擴散；由于增加元沖量用永磁鐵(4)被固定在氣體儲存腔上，其磁場方向與等離子體團的自感磁場方向相反，減慢等離子體團的速度，氣體儲存腔減慢中性氣體前進速度，磁鐵的磁力作用與氣體儲存腔均能夠增大帶電的粒子與中性氣體的碰撞概率，提高固體推進劑(12)的電離率；由于RLC回路放電后期電流會衰減，單靠等離子體自感磁場加速比沖達不到推力需求，在等離子體團產生的自感磁場相同方向上添加增加比沖用永磁鐵(6)，增大等離子體的前進速度進而滿足推力器的比沖需求；增大極板間距以加速等離子體，由于且陰極極板(5)與陽極極板(7)在靠近噴口末端為平行布設，從而能夠避免產生不必要的速度分量，即進一步提高推力器有效比沖。