專利名稱：：帶陶瓷噴嘴電極的脈沖等離子體推力器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種動(dòng)力機(jī)械
技術(shù)領(lǐng)域：
的推力器，具體是一種帶陶瓷噴嘴電極的脈沖等離子體推力器。技術(shù)背景傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)比沖低、質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，極大地限制了它在微小衛(wèi)星上的應(yīng)用。從上世紀(jì)六十年代興起的脈沖等離子體推力器是一種小推力電磁式電推力器，具有比沖高、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制、軌道轉(zhuǎn)移和提升、軌道修正、阻力補(bǔ)償、位置保持、重新定位和離軌處理等任務(wù)，相比化學(xué)推進(jìn)可大大節(jié)約推進(jìn)劑，降低發(fā)射成本。1974年，美國的一種脈沖等離子體推力器被部署在同步氣象衛(wèi)星(SMS)上；2000年NASA在E0-1衛(wèi)星上使用了脈沖等離子推力器，進(jìn)行軌道修正；俄羅斯早在1964年用六臺同軸型脈沖等離子體推力器擔(dān)負(fù)金星自動(dòng)行星際站太陽帆板的定向控制任務(wù)。由于近幾年微小衛(wèi)星發(fā)展迅速，我國對脈沖等離子體推力器有較強(qiáng)的需求。脈沖等離子體推力器的最大缺點(diǎn)就是效率低，脈沖等離子體推力器的效率成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。如何提高脈沖等離子體推力器的效率是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。經(jīng)對有關(guān)技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，GregoryG.Spanjers等在1996年7月AIAA國際電推進(jìn)會議論文集(AIAA-96)上發(fā)表的"Investigationofpropellantinefficienciesinapulsedplasmathruster"(脈沖等離子體推力器推進(jìn)劑低效率的研究)，該文中提出脈沖等離子體推力器效率低是由于推進(jìn)劑的利用率低而引起的加速效率低，提高推力器的效率應(yīng)提高推進(jìn)劑的加速效率。其不足在于并沒有給出具體方法來提高推力器的性能。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種帶陶瓷噴嘴電極的脈沖等離子體推力器，使其通過設(shè)計(jì)合理的電極結(jié)構(gòu)，獲得較佳的電熱加速，提高了衛(wèi)星發(fā)射的脈沖等離子體推力器的性能。本發(fā)明提出脈沖等離子體推力器運(yùn)行過程中的二次加速機(jī)制，即將加速過程分為電熱、電磁兩個(gè)階段，從改善電熱加速的目的。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括進(jìn)給彈簧、點(diǎn)火電路、火花塞、陰極、等離子體、陶瓷噴嘴、陽極、推進(jìn)劑、高壓電容、電源。陶瓷噴嘴固定在陰極和陽極上，且陶瓷噴嘴靠近推進(jìn)劑的表面，進(jìn)給彈簧尾部展開被壓在推進(jìn)劑的下方，對推進(jìn)劑產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)給力，點(diǎn)火電路為火花塞提供點(diǎn)火放電用的電能，火花塞固定在陰極上，推進(jìn)劑橫向被進(jìn)給彈簧和陽極的凸臺固定，縱向則被陰極和陽極固定，高壓電容與陰極和陽極相連，電源通過導(dǎo)線連接到高壓電容的接線柱上。電極是脈沖等離子體推力器的關(guān)鍵部件，它的結(jié)構(gòu)和尺寸直接影響到推力器的性能。本發(fā)明提出一種新的電極結(jié)構(gòu)，即帶噴嘴的電極結(jié)構(gòu)。陶瓷噴嘴固定在兩個(gè)陰極和陽極上。本發(fā)明運(yùn)行時(shí)，首先，火花塞點(diǎn)火，產(chǎn)生部分電子，這部分電子在陰極和陽極的高壓下撞擊推進(jìn)劑表面，產(chǎn)生更多的粒子，，粒子在推進(jìn)劑表面頻繁碰撞，兩極之間逐漸形成等離子區(qū)。高壓電容、電極、等離子體之間即形成導(dǎo)電回路。推進(jìn)劑粒子在電熱加速和放電產(chǎn)生的磁場的作用下加速噴出，產(chǎn)生推力。放電初期，由于等離子體電阻的存在，放電產(chǎn)生大量熱量，燒蝕推進(jìn)劑，產(chǎn)生更多的粒子，使得推進(jìn)劑表面的壓力急劇升高，這個(gè)過程的加速是由熱能主導(dǎo)的。本發(fā)明的目的即是改善電熱加速過程的效率。降低推進(jìn)劑表面附近的腔體體積是提高推力的有效措施。當(dāng)推進(jìn)劑消耗質(zhì)量不變時(shí)，等離子體發(fā)生區(qū)域體積越小，則壓強(qiáng)越大，加速效果也越好。為了提高推進(jìn)劑附近放電區(qū)域的壓力，獲得更好的加速性能，設(shè)計(jì)了帶陶瓷噴嘴電極的等離子體推力器。由于陶瓷噴嘴的存在，放電時(shí)在推進(jìn)劑表面區(qū)域形成一個(gè)小空間，提高了空間內(nèi)等離子體的壓力，產(chǎn)生的推力明顯大于不帶陶瓷噴嘴電極的推力器。與傳統(tǒng)電極結(jié)構(gòu)的脈沖等離子體推力器相比，本發(fā)明的電熱加速效果好，推力提升明顯。本發(fā)明大大提高了脈沖等離子體推力器的電熱加速效率，從而顯著提高了推力器的性能。在消耗同質(zhì)量推進(jìn)劑的前提下，本發(fā)明的推力提高了18%，降低推力器的點(diǎn)火次數(shù)，提高可靠性，從而可以使衛(wèi)星更快的完成任務(wù)，效率提高了30%以上，節(jié)省大量的推進(jìn)劑，間接降低了衛(wèi)星的發(fā)射成本。圖1為本發(fā)明實(shí)施例脈沖等離子體推力器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為為本發(fā)明實(shí)施例帶噴嘴的電極結(jié)構(gòu)。圖中，l為進(jìn)給彈簧，2為點(diǎn)火電路，3為火花塞，4為陰極，5為等離子體，6為陶瓷噴嘴，7為陽極，8為推進(jìn)劑，9為高壓電容，IO為電源。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括進(jìn)給彈簧l、點(diǎn)火電路2、火花塞3、陰極4、陽極7、陶瓷噴嘴6、推進(jìn)劑8、高壓電容9、充電電源10以及推力器殼體。進(jìn)給彈簧1尾部展開被壓在推進(jìn)劑8的下方，對推進(jìn)劑8產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)給力；點(diǎn)火電路2為火花塞3提供點(diǎn)火放電用的電能；火花塞3通過外螺紋固定在陰極4上；推進(jìn)劑8橫向被進(jìn)給彈簧1和陽極7的凸臺固定，縱向則被陰極4和陽極7固定；高壓電容9通過螺栓與陰極4和陽極7相連；電源10通過導(dǎo)線連接到高壓電容9的接線柱上，電源10為電容充電。本發(fā)明中關(guān)鍵部件為帶噴嘴的電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。噴嘴部分的設(shè)計(jì)要求如下(1)考慮到放電時(shí)推進(jìn)劑等離子體的高溫、高速，陶瓷噴嘴6應(yīng)選擇耐高溫、耐沖擊的材料，這里選擇云母陶瓷作為陶瓷噴嘴6材料；(2)由于電熱加速首先發(fā)生在推進(jìn)劑表面，陶瓷噴嘴6應(yīng)盡可能接近推進(jìn)劑8的表面，以便有利于提高電熱加速效果，陶瓷噴嘴6與推進(jìn)劑8的距離約為515mm(根據(jù)火花塞3的尺寸的不同進(jìn)行調(diào)節(jié))；(3)陶瓷噴嘴6的寬度應(yīng)盡量小(一般小于陽極長度的1/3)，以免阻塞電磁加速通道，影響電磁加速效果；(4)陶瓷噴嘴6的長度應(yīng)該與陰極4、陽極7的寬度相等，使得推進(jìn)劑8只能從兩個(gè)陶瓷噴嘴6之間噴出。如圖2所示，本實(shí)施例帶陶瓷噴嘴的電極結(jié)構(gòu)圖。陶瓷噴嘴6通過螺栓固定在陽極7上。陶瓷噴嘴6形狀為階梯狀。上述結(jié)構(gòu)的推力器運(yùn)行時(shí)，首先，點(diǎn)火電路2為火花塞3提供點(diǎn)火放電用的電能；火花塞3點(diǎn)火，產(chǎn)生部分電子，這部分電子在陰極4和陽極7的高壓下撞擊推進(jìn)劑表面，產(chǎn)生更多的粒子，粒子在推進(jìn)劑8表面頻繁碰撞，兩極之間逐漸形成等離子區(qū)。高壓電容9、電極、等離子體之間即形成導(dǎo)電回路。推進(jìn)劑8粒子在電熱加速和放電產(chǎn)生的磁場的作用下加速噴出，產(chǎn)生推力。由于陶瓷噴嘴6的存在，放電時(shí)在推進(jìn)劑8表面區(qū)域形成一個(gè)小空間，提高了空間內(nèi)等離子體的壓力，產(chǎn)生的推力明顯大于不帶陶瓷噴嘴電極的推力器。表1和表2是同等條件下本發(fā)明與不帶陶瓷噴嘴的脈沖等離子體推力器的性能對比表l兩種推力器的性能對比(放電能量^^20J，電極間距力=50鵬)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1、一種帶陶瓷噴嘴電極的脈沖等離子體推力器，包括進(jìn)給彈簧、點(diǎn)火電路、火花塞、陰極、等離子體、陽極、推進(jìn)劑、高壓電容、電源，其特征在于，還包括陶瓷噴嘴，陶瓷噴嘴固定在陰極和陽極上，且陶瓷噴嘴靠近推進(jìn)劑的表面，進(jìn)給彈簧尾部展開被壓在推進(jìn)劑的下方，對推進(jìn)劑產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)給力，點(diǎn)火電路為火花塞提供點(diǎn)火放電用的電能，火花塞固定在陰極上，推進(jìn)劑橫向被進(jìn)給彈簧和陽極的凸臺固定，推進(jìn)劑縱向則被陰極和陽極固定，高壓電容與陰極和陽極相連，電源通過導(dǎo)線連接到高壓電容的接線柱上。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶陶瓷噴嘴電極的脈沖等離子體推力器，其特征是，所述陶瓷噴嘴，其長度與陰極、陽極的寬度相等。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶陶瓷噴嘴電極的脈沖等離子體推力器，其特征是，所述陶瓷噴嘴，其寬度小于陽極長度的1/3。4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶陶瓷噴嘴電極的脈沖等離子體推力器，其特征是，所述陶瓷噴嘴，其材料為云母陶瓷。5、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶陶瓷噴嘴電極的脈沖等離子體推力器，其特征是，所述陶瓷噴嘴，其形狀為階梯狀。全文摘要本發(fā)明涉及一種機(jī)械
技術(shù)領(lǐng)域：
的帶陶瓷噴嘴電極的脈沖等離子體推力器，其中進(jìn)給彈簧尾部展開被壓在推進(jìn)劑的下方，對推進(jìn)劑產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)給力；點(diǎn)火電路為火花塞提供點(diǎn)火放電用的電能；火花塞固定在陰極上；推進(jìn)劑橫向被進(jìn)給彈簧和陽極的凸臺固定，縱向則被陰極和陽極固定，高壓電容與陰極和陽極相連，電源通過導(dǎo)線連接到高壓電容的接線柱上。本發(fā)明通過對推力器工作過程的分析，設(shè)計(jì)了一種帶微晶云母陶瓷噴嘴的電極結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平行電極，其特點(diǎn)是提高了放電區(qū)域的壓力，改善了電熱加速，從而大大提高了脈沖等離子體推力器的推力和效率。文檔編號F03H1/00GK101260873SQ20081003246公開日2008年9月10日申請日期2008年1月10日優(yōu)先權(quán)日2008年1月10日發(fā)明者侯大立,康小明,趙萬生申請人:上海交通大學(xué)