申请/专利权人：上海交通大学

申请日：2018-01-24

公开（公告）日：2018-07-20

公开（公告）号：CN108301997A

主分类号：F03H1/00(2006.01)I

分类号：F03H1/00(2006.01)I

优先权：

专利状态码：失效-发明专利申请公布后的驳回

法律状态：2021.07.30#发明专利申请公布后的驳回;2018.08.14#实质审查的生效;2018.07.20#公开

摘要：一种基于Z‑PINCH无火花塞的脉冲等离子体推力器，包括依次设置于基座和外层绝缘体之间的盘式结构的阴极、固体推进剂和锥形结构的阳极，其中：阴极和阳极分别设置于固体推进剂的两端，外层绝缘体套置于固体推进剂的外部并与基座相连。本发明无需火花塞辅助点火，实现了推进剂点火和放电一体化，降低了点火电压；无需弹簧进行推进剂供给，没有任何活动部件，结构简单；独特的结构设计能有效地提高推进剂的利用效率，推功比更高；尺寸没有特殊限制。

主权项：1.一种基于Z‑PINCH无火花塞的脉冲等离子体推力器，其特征在于，包括依次设置于基座和外层绝缘体之间的盘式结构的阴极、固体推进剂和锥形结构的阳极，其中：阴极和阳极分别设置于固体推进剂的两端，外层绝缘体套置于固体推进剂的外部并与基座相连。

全文数据：基于Z-PINCH无火花塞的脉冲等离子体推力器技术领域[0001]本发明涉及的是一种空间电推进技术和电推力器设计领域的技术，具体是一种基于Z-PINCH无火花塞的脉冲等离子体推力器。背景技术[0002]脉冲等离子体推力器是利用脉冲放电，烧蚀、分解、电离推进剂，使之成为等离子体。传统脉冲等离子体推力器通常采用固态聚四氟乙烯作为推进剂结合弹簧供给，也有学者研究了气体和液体推进剂。从结构上来讲，传统脉冲等离子体推力器为平行板电极结合火花塞实现点火和产生脉冲电弧，也有人提出过同轴脉冲等离子体推力器，但点火和产生推力的原理均为等离子体在磁场与放电电流共同作用下受到广义洛仑兹力的作用而加速喷出产生推力。传统平行板电极脉冲等离子体推力器工作时，首先将储能电容器充电至所需电压，然后半导体火花塞点火，电容器沿着工质聚四氟乙烯表面放电，电流形成于工质表面，热流将聚四氟乙烯表面的分子解聚、分裂、电离，随后在广义洛仑兹力和气动压力的共同作用下，等离子体被加速，膨胀喷出产生推力。电容器放电完毕后，推力器停止工作或进入下一个循环。由于热量传递的滞后性，每次放电后仍会有部分推进剂升华为气体但却无法电离，导致推进剂利用率非常低。发明内容[0003]本发明针对现有脉冲等离子体推力器依赖火花塞导致结构部件较多体积过大的同时增加安全隐患，并且推进剂利用率低等缺陷，提出一种基于Z-PINCH无火花塞的脉冲等离子体推力器，无需火花塞辅助点火，实现了推进剂点火和放电一体化，降低了点火电压；无需弹簧进行推进剂供给，没有任何活动部件，结构简单;独特的结构设计能有效地提高推进剂的利用效率，推功比更高;尺寸没有特殊限制。[0004]本发明是通过以下技术方案实现的：[0005]本发明包括依次设置于基座和外层绝缘体之间的盘式结构的阴极、固体推进剂和锥形结构的阳极，其中：阴极和阳极分别设置于固体推进剂的两端，外层绝缘体套置于固体推进剂的外部并与基座相连。[0006]所述的阴极优选为金属铜制的圆盘结构，顶部设有用于连接外部电路的圆形小孔。[0007]所述的阳极优选为金属铜制的圆锥结构，底部设有用于连接外部电路的圆形小孔。[0008]所述的固体推进剂优选为圆柱腔体结构，进一步优选为渗透有导电材料的聚四氟乙烯制成。[0009]所述的基座和外层绝缘体优选为聚碳酸酯制成。技术效果[0010]与现有技术相比，本发明给推力器阴阳两极充电至给定电压，在推进剂表面，圆柱形电流片迅速形成，烧蚀聚四氟乙烯，径向加速烧蚀产物，电流开始在两个电极之间流动。最初电流分布于绝缘体表面，形成圆柱形电流片。电流片在腔的最大半径处形成，这是由于该位置回路阻抗最小。随着电流的增大，在电流片的外侧产生磁场。磁场和电流片相互作用，产生向内放射状的电磁力。这种力造成电流片向腔中心瓦解，但是电流片并不是完全以圆柱形向中心移动，而是产生了倾斜，该现象被称为拉链效应。在电流片的作用下，推进剂最初被径向加速；当电流片完全收缩时，小孔的存在会导致较大的轴向压力梯度。因此，等离子体会沿着轴向加速喷出。等离子体在径向力的作用下受到挤压而发生膨胀，沿轴向扩散。附图说明[0011]图1、图2为本发明的整体结构示意图；[0012]图3为本发明中所述的外层绝缘体示意图；[0013]图4为本发明中所述的阴极示意图；[0014]图5为本发明中所述的推进腔示意图；[0015]图6为本发明中所述的阳极示意图；[0016]图7为本发明中所述的基座示意图；[0017]图8和图9为实施例效果示意图；[0018]图中：1外层绝缘体、2阴极、3固体推进剂、4阳极、5基座。具体实施方式[0019]如图1和图2所示，为本实施例涉及的基于Z-PINCH原理无火花塞的新型脉冲等离子体推进装置，包括:从上到下依次配合连接的外层绝缘体1、阴极2、固体推进剂3、阳极4和基座5,其中：阴极2顶部圆形小孔用于连接外部电路。所述的阳极4底部圆形小孔用于连接外部电路。[0020]如图3、7所示，所述的外层绝缘体1和基座6均由聚碳酸酯制成，聚碳酸酯具有阻燃、耐磨和抗氧化性。[0021]如图4、6所示，所述的阴极2和阳极4均由金属铜制成，铜有良好的导电性，且耐高温，熔点高。阴极2中间有小孔，固体推进剂3被烧蚀后产生的等离子体从孔中喷出。阳极4上部是锥体，当电流片形成时，便于产生径向力。[0022]如图5所示，所述的固体推进剂3由聚四氟乙烯制成，对聚四氟乙烯渗透特定的导电材料。聚四氟乙烯具有耐高温、耐腐蚀且绝缘的特性，烧蚀后产生等离子体。采用圆柱形放电室是为了在给定尺寸条件下，能够最大程度利用空间贮存推进剂。[0023]本实施例通过以下方式进行工作：中空圆柱形聚四氟乙烯置于正负电极之间。在推进剂表面，圆柱形电流片迅速形成，烧蚀聚四氟乙烯，径向加速烧蚀产物，电流开始在两个电极之间流动。最初电流分布于绝缘体表面，形成圆柱形电流片。电流片在腔的最大半径处形成，这是由于该位置回路阻抗最小。随着电流的增大，在电流片的外侧产生磁场。磁场和电流片相互作用，产生向内放射状的电磁力。这种力造成电流片向腔中心瓦解，但是电流片并不是完全以圆柱形向中心移动，而是产生了倾斜，该现象被称为拉链效应。在电流片的作用下，推进剂最初被径向加速;当电流片完全收缩时，小孔的存在会导致较大的轴向压力梯度。因此，等离子体会沿着轴向加速喷出。等离子体在径向力的作用下受到挤压而发生膨胀，沿轴向扩散。[0024]根据该发明所述的推力器，设计了实验方案验证其性能，具体步骤如下：[0025]步骤1将推力器固定在真空舱内的推力测量装置上，调整舱内运动平台的位置，以便于通过舱壁上的观察窗对推力器工作状况进行监控；[0026]步骤2对推力测量装置进行调试和静态标定；[0027]步骤3将推力测量装置电定位，抽真空至要求的真空度；[0028]步骤4解除推力测量装置电定位，观察测控仪上示力窗的示值，基本稳定后即可准备实验；[0029]步骤5打开推力器电源系统包括主电容器充电电源和点火系统电源），同时打开数据采集系统电源，记录当前推力测量装置的零点；[0030]步骤6推力器点火实验，数据采集系统记录推力测量数据。[0031]当给推力器的阴阳两级加上电压之后，如图8所示，推力器便开始工作。[0032]如图9所示，为推力器稳定工作过程中一个脉冲的放电特性，根据U-I曲线可以看出，初始时电压为20V，点火电压为480V。充电过程持续时间为lms，此时电流增大，最大值为24A，随后电流缓慢下降。整个放电过程持续时间为104ms。从图中可以计算得出，该新型推力器的运行功率为4.8W。[0033]实验结果表明，该推力器能够工作，初步达到了设计要求。推功比为17.83UNW，比传统脉冲等离子体推力器的推功比要大。上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

权利要求：1.一种基于Z-PINCH无火花塞的脉冲等离子体推力器，其特征在于，包括依次设置于基座和外层绝缘体之间的盘式结构的阴极、固体推进剂和锥形结构的阳极，其中：阴极和阳极分别设置于固体推进剂的两端，外层绝缘体套置于固体推进剂的外部并与基座相连。2.根据权利要求1所述的脉冲等离子体推力器，其特征是，所述的阴极为金属铜制的圆盘结构，顶部设有用于连接外部电路的圆形小孔。3.根据权利要求1所述的脉冲等离子体推力器，其特征是，所述的阳极为金属铜制的圆锥结构，底部设有用于连接外部电路的圆形小孔。4.根据权利要求1所述的脉冲等离子体推力器，其特征是，所述的固体推进剂为圆柱腔体结构。5.根据权利要求4所述的脉冲等离子体推力器，其特征是，所述的固体推进剂为渗透有导电材料的聚四氟乙烯制成。6.根据权利要求1所述的脉冲等离子体推力器，其特征是，所述的基座和外层绝缘体为聚碳酸酯制成。

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