[發(fā)明專利]基于Z-PINCH無火花塞的脈沖等離子體推力器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810066946.6
• 申請(qǐng)日: 2018-01-24
• 公開（公告）號(hào): CN108301997A
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王平陽;史寶春;徐宗琦;梁軻
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): F03H1/00
• 分類號(hào): F03H1/00
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種基于Z?PINCH無火花塞的脈沖等離子體推力器，包括依次設(shè)置于基座和外層絕緣體之間的盤式結(jié)構(gòu)的陰極、固體推進(jìn)劑和錐形結(jié)構(gòu)的陽極，其中：陰極和陽極分別設(shè)置于固體推進(jìn)劑的兩端，外層絕緣體套置于固體推進(jìn)劑的外部并與基座相連。本發(fā)明無需火花塞輔助點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑點(diǎn)火和放電一體化，降低了點(diǎn)火電壓；無需彈簧進(jìn)行推進(jìn)劑供給，沒有任何活動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效地提高推進(jìn)劑的利用效率，推功比更高；尺寸沒有特殊限制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種空間電推進(jìn)技術(shù)和電推力器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種基于Z-PINCH無火花塞的脈沖等離子體推力器。

背景技術(shù)

脈沖等離子體推力器是利用脈沖放電，燒蝕、分解、電離推進(jìn)劑，使之成為等離子體。傳統(tǒng)脈沖等離子體推力器通常采用固態(tài)聚四氟乙烯作為推進(jìn)劑結(jié)合彈簧供給，也有學(xué)者研究了氣體和液體推進(jìn)劑。從結(jié)構(gòu)上來講，傳統(tǒng)脈沖等離子體推力器為平行板電極結(jié)合火花塞實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火和產(chǎn)生脈沖電弧，也有人提出過同軸脈沖等離子體推力器，但點(diǎn)火和產(chǎn)生推力的原理均為等離子體在磁場(chǎng)與放電電流共同作用下受到廣義洛侖茲力的作用而加速噴出產(chǎn)生推力。傳統(tǒng)平行板電極脈沖等離子體推力器工作時(shí)，首先將儲(chǔ)能電容器充電至所需電壓，然后半導(dǎo)體火花塞點(diǎn)火，電容器沿著工質(zhì)聚四氟乙烯表面放電，電流形成于工質(zhì)表面，熱流將聚四氟乙烯表面的分子解聚、分裂、電離，隨后在廣義洛侖茲力和氣動(dòng)壓力的共同作用下，等離子體被加速，膨脹噴出產(chǎn)生推力。電容器放電完畢后，推力器停止工作或進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。由于熱量傳遞的滯后性，每次放電后仍會(huì)有部分推進(jìn)劑升華為氣體但卻無法電離，導(dǎo)致推進(jìn)劑利用率非常低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有脈沖等離子體推力器依賴火花塞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件較多體積過大的同時(shí)增加安全隱患，并且推進(jìn)劑利用率低等缺陷，提出一種基于Z-PINCH無火花塞的脈沖等離子體推力器，無需火花塞輔助點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑點(diǎn)火和放電一體化，降低了點(diǎn)火電壓；無需彈簧進(jìn)行推進(jìn)劑供給，沒有任何活動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效地提高推進(jìn)劑的利用效率，推功比更高；尺寸沒有特殊限制。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括依次設(shè)置于基座和外層絕緣體之間的盤式結(jié)構(gòu)的陰極、固體推進(jìn)劑和錐形結(jié)構(gòu)的陽極，其中：陰極和陽極分別設(shè)置于固體推進(jìn)劑的兩端，外層絕緣體套置于固體推進(jìn)劑的外部并與基座相連。

所述的陰極優(yōu)選為金屬銅制的圓盤結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)有用于連接外部電路的圓形小孔。

所述的陽極優(yōu)選為金屬銅制的圓錐結(jié)構(gòu)，底部設(shè)有用于連接外部電路的圓形小孔。

所述的固體推進(jìn)劑優(yōu)選為圓柱腔體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)選為滲透有導(dǎo)電材料的聚四氟乙烯制成。

所述的基座和外層絕緣體優(yōu)選為聚碳酸酯制成。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明給推力器陰陽兩極充電至給定電壓，在推進(jìn)劑表面，圓柱形電流片迅速形成，燒蝕聚四氟乙烯，徑向加速燒蝕產(chǎn)物，電流開始在兩個(gè)電極之間流動(dòng)。最初電流分布于絕緣體表面，形成圓柱形電流片。電流片在腔的最大半徑處形成，這是由于該位置回路阻抗最小。隨著電流的增大，在電流片的外側(cè)產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)和電流片相互作用，產(chǎn)生向內(nèi)放射狀的電磁力。這種力造成電流片向腔中心瓦解，但是電流片并不是完全以圓柱形向中心移動(dòng)，而是產(chǎn)生了傾斜，該現(xiàn)象被稱為拉鏈效應(yīng)。在電流片的作用下，推進(jìn)劑最初被徑向加速；當(dāng)電流片完全收縮時(shí)，小孔的存在會(huì)導(dǎo)致較大的軸向壓力梯度。因此，等離子體會(huì)沿著軸向加速噴出。等離子體在徑向力的作用下受到擠壓而發(fā)生膨脹，沿軸向擴(kuò)散。

附圖說明

圖1、圖2為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中所述的外層絕緣體示意圖；

圖4為本發(fā)明中所述的陰極示意圖；

圖5為本發(fā)明中所述的推進(jìn)腔示意圖；