本發(fā)明屬于一種空間電推進裝置，具體涉及一種微小衛(wèi)星在軌推進用的高效雙極固體燒蝕型等離子體加速器。

背景技術：

微小衛(wèi)星(10～100Kg)以其成本低、研制周期短、組網容易、發(fā)射靈活且有效載荷高等特點，在低成本空間試驗、通信、對地觀測和導航定位等領域具有廣闊的應用前景。進入21世紀以來，隨著微電子技術、微加工及新型材料研制技術等現狀高技術的發(fā)展，微小衛(wèi)星的研究逐漸升溫，其空間發(fā)射數量所占比例呈現出飛躍增漲趨勢。然而由于總體功率和質量的限制，微小衛(wèi)星在軌推進技術要求推進系統(tǒng)具有功耗低、重量輕、體積小、壽命長等特點，傳統(tǒng)的化學推進系統(tǒng)很難滿足這些要求。與傳統(tǒng)化學推進系統(tǒng)相比，電推進裝置更適用于微小衛(wèi)星推進的需求。電推進裝置利用電能加熱或直接加速工質形成高速射流而產生推力，比沖遠高于化學推進，有利于減少衛(wèi)星對推進劑的需求，從而有助于降低衛(wèi)星的重量和體積，已成為當前航天推進技術發(fā)展的熱點。

在眾多電推進類型中，固體燒蝕型等離子體加速器以其小功率下的高比沖能力(運行功率低至5w，比沖仍可達3000m/s)、結構簡單、推力微小(微牛量級)且推進劑穩(wěn)定易儲存、無需儲箱和管路、便于與飛行器集成等優(yōu)勢適宜于微小衛(wèi)星，特別是微、納衛(wèi)星的在軌推進應用，典型代表即平行板電極尾部饋送型脈沖等離子體推力器。該類型電推力器的工作原理可以簡單描述為：在電容放電過程產生的脈沖電流作用下，固體推進劑氣化、分解、電離形成等離子體，并被自身形成的感應磁場產生的洛侖茲力加速產成推力。然而，長期以來 效率低下一直是限制其發(fā)展和空間應用的核心問題。

效率是衡量電推力器的主要性能參數，它表示推力器將電能轉換為有效動能的程度。試驗研究發(fā)現，造成固體燒蝕型等離子體加速器效率低下的原因在于該類型推力器所獨有的工作模式—固體推進劑的放電燒蝕過程:在一次脈沖放電過程中，所存儲的電能主要集中在推進劑表面釋放，造成燒蝕產生的中性氣體只有一小部分能夠繼續(xù)獲得電離形成等離子體并在自感磁場作用下高速排出；而在主放電過程基本結束后，推進劑燒蝕過程仍然持續(xù)(該典型現象稱滯后燒蝕)，在其表面形成大量未電離的中性氣體工質。因此在這類電推力器的加速通道中形成兩種典型氣體團的加速過程：主放電過程中產生的高速等離子體團和放電結束后產生的低速滯后燒蝕中性氣體團。然而這部分滯后燒蝕中性氣體團在通道運動的過程中獲得的后續(xù)放電能量極少甚至為零，無法形成有效的電離和電磁加速，只能以熱膨脹的形式由熱能向動能進行轉換，嚴重制約著電能轉換效率，造成推進效率低下。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于一種微小衛(wèi)星在軌推進用的高效雙極固體燒蝕型等離子體加速器，該裝置能夠效解決固體燒蝕型等離子體加速器效率低下的問題。

實現本發(fā)明目的的技術方案：一種雙極固體燒蝕型等離子體加速器，該加速器包括直流電源、主高壓控制開關、次高壓控制開關、主放電電容、主可控硅、次放電電容、次可控硅、主電極、次電極，直流電源的正極分別與主高壓控制開關、次高壓控制開關的一端連接，主高壓控制開關的另一端分別與主放電電容、主電極的一端連接，主放電電容的另一端分別與直流電源的負極、主可控硅的陰極連接，主可控硅的陽極與主電極的另一端連接；次高壓控制開關的另一端分別與次放電電容、次電極的一端連接，次放電電容的另一端分別與 直流電源的負極、次可控硅的陰極連接，次可控硅的陽極與次電極的另一端連接。

所述的直流電源通過主高壓控制開關為主放電電容供電，直流電源通過次高壓控制開關為次放電電容供電，充電完畢后，斷開主高壓控制開關、次高壓控制開關；當衛(wèi)星上的FPGA控制器接收到星載指令時，開啟主放電工作模式，FPGA控制器發(fā)出高電平信號驅動主可控硅導通使主放電電容的電壓加載到主電極；同時FPGA控制器連接點火裝置，該點火裝置采用通用的基于電容儲能充放電的點火器，當受到FPGA控制器驅動時輸出高壓脈沖使火花塞點火，導致主放電電容放電，主放電電容放電引起的高溫電弧燒蝕主電極上的固體推進劑表面，引起固體推進劑表面氣化并電離形成等離子體；等離子體在主電極間電場的作用下構成閉合回路電流，電流自身感應出磁場，等離子體在電流和自感磁場形成的洛倫茲力作用下高速噴出產生推力，完成主放電工作模式；主放電之后固體推進劑表面繼續(xù)有燒蝕現象出現，產生滯后燒蝕氣體；當滯后燒蝕氣體運動到次電極時，開啟次放電工作模式，FPGA控制器發(fā)出高電平信號驅動次可控硅導通使次放電電容儲存的電能在次電極釋放，進一步電離滯后燒蝕氣體使之形成等離子體；次電極放電形成了次放電電容、次電極回路電流，繼而產生自感磁場，電磁加速滯后燒蝕氣體電離所形成的等離子體產生向出口處的推力；完成了基于雙極工作模式的放電過程。

所述的主電極包括第一陽極和第一陰極，主高壓控制開關的另一端與第一陽極的一端連接，主可控硅的陽極與第一陰極的一端連接，第一陰極內嵌有火花塞，固體推進劑嵌在第一陽極和第一陰極之間；第一陰極與固體推進劑之間留有間隙。

所述的次電極包括第二陽極和第二陰極，次高壓控制開關的另一端與第二 陽極的一端連接，次可控硅的陽極與第二陰極的的一端連接。

所述的直流電源與主高壓控制開關、次高壓控制開關之間設有二極管，直流電源的正極與二極管的陽極連接，二極管的陰極與主高壓控制開關、次高壓控制開關連接。

所述的第一陽極和第二陽極之間設有主絕緣材料，第一陰極的第二陰極之間設有次絕緣材料。

所述的主絕緣材料和次絕緣材料的材料均采用聚醚酰亞胺。

所述的第一陽極、第一陰極、第二陽極、第二陰極的電極材料均采用銅電極。

所述的固體推進劑采用聚四氟乙烯

所述的火花塞采用擊穿電壓小于900V的同軸型半導體火花塞。

本發(fā)明的有益技術效果：本發(fā)明能夠實現“放電能量的雙級匹配釋放”，同時規(guī)避了二次電能注入所再次引起的滯后燒蝕過程，并且由于結構簡單在可靠性指標上會有跨越性的提高，易實現。

(1)結構簡單。與傳統(tǒng)固體燒蝕型等離子體加速器相比，只通過增加一組電極來構成本發(fā)明的等離子體加速器結構。

(2)采用雙極工作模式，降低了系統(tǒng)的復雜性。在主電極工作模式中，通過火花塞觸發(fā)脈沖放電燒蝕固體推進劑形成等離子體加速排出；當該模式結束后，固體推進劑由于滯后燒蝕效應繼續(xù)“蒸發(fā)”生成大量中性氣體；當中性氣體運動到次電極區(qū)域時，次電極工作模式啟動，通過次電極的脈沖放電來有效電離和加速滯后燒蝕氣體，從而進一步提高固體推進劑的利用效率，提升加速器的沖量、比沖等性能。

(3)提出雙組脈沖放電回路來實現上述雙極工作模式。這種方式可以調節(jié) 兩個脈沖的時間間隔來設置兩個工作模式釋放的時序，設置放電能量在兩個時段釋放的比例，從而能夠針對不同工作條件，有效控制主電極和次電極的工作模式使其合理匹配，從而保障等離子體加速器的工作可靠性。

(4)有效解決傳統(tǒng)“二次放電”的詬病。傳統(tǒng)“二次放電”是在主放電結束后，通過第二個儲能電容器接著放電，期望將主放電結束后所產生的滯后燒蝕氣體進一步電離。然而這種方法存在自身的詬病：即第二個儲能電容器仍然在主電極放電，雖然能夠電離一定程度的中性氣體，但是二次放電所產生的高溫電弧由于臨近固體推進劑表面會繼續(xù)燒蝕推進劑，因此當二次放電產生后出現新的滯后燒蝕現象。而本發(fā)明的雙極工作模式則很好地規(guī)避了這個問題。即“二次放電”是在次電極產生；在次放電工作模式中，極板間所產生的高溫電弧由于遠離固體推進劑從而減弱甚至消除該位置放電對推進劑的傳熱效應，不會造成進一步的燒蝕現象。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所提供的一種雙極固體燒蝕型等離子體加速器的原理圖。

圖中：1為第一陽極；2為第一陰極；3為第二陽極；4為第二陰極；5為火花塞；6為直流電源；7為主高壓控制開關；8為主絕緣材料；9為次絕緣材料；10為次高壓控制開關；11為主放電電容；12為主可控硅；13為次放電電容；

14為次可控硅；15為固體推進劑；16為二極管，17.點火裝置。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明所提供的一種雙極固體燒蝕型等離子體加速器包括第一陽極1和第一陰極2、第二陽極3和第二陰極4、火花塞5、直流電源6、主高壓控制開關7、主絕緣材料8、次絕緣材料9、次高壓控制開關10、主放電電 容11、主可控硅12、次放電電容13、次可控硅14、固體推進劑15和二極管16。直流電源6的正極與二極管16的陽極連接，二極管16的陰極分別與主高壓控制開關7、次高壓控制開關10的一端連接。直流電源6通過主高壓控制開關7為主放電電容11供電，直流電源6通過次高壓控制開關10為次放電電容13供電。

主高壓控制開關7的另一端分別與主放電電容11的一端、第一陽極1的一端連接，第一陽極1的另一端與主絕緣材料8的一端粘接，主絕緣材料8的另一端與第二陽極3粘接。主放電電容11的另一端分別與直流電源6的負極、主可控硅12的陽極連接，直流電源6的負極接地。主可控硅12的陰極與第一陰極2的一端連接，第一陰極2的另一端與次絕緣材料9的一端粘接，次絕緣材料9的另一端與第二陰極4粘接。主可控硅12的柵極與FPGA控制器的驅動信號輸出1通道連接，FPGA控制器的地線端接地，FPGA控制器的驅動信號輸出2通道與點火裝置的輸入端連接，第一陰極2內嵌有火花塞5，點火裝置17的輸出端與半導體火花塞5的陽極連接，火花塞5的陰極端嵌在第一陰極2內。固體推進劑15嵌在第一陽極1和第一陰極2之間。

次高壓控制開關10的另一端分別與第二陽極3的中間位置、次放電電容13的一端連接；次放電電容13的另一端分別與直流電源6的負極、次可控硅14的陰極、FPGA控制器的地線端連接，且次放電電容13的該端接地。次可控硅14的陰極與第二陰極4的中間位置連接，次可控硅14的柵極與FPGA控制器的驅動信號輸出3通道連接。

第一陽極1和第一陰極2、主放電電容11、主可控硅12、火花塞5和固體推進劑15實現主放電工作模式；第二陽極3和第二陰極4、次放電電容13、次可控硅14實現次放電工作模式；第一陽極1與第一陰極2組成主電極；第二 陽極3與第二陰極4組成次電極。主電極與次電極通過主絕緣材料8和次絕緣材料9隔開。具體結構參數如下：

(1)主電極、次電極及主絕緣材料8和次絕緣材料9均為長方體型；考慮到高壓放電環(huán)境及熱效應，本發(fā)明中主絕緣材料8和次絕緣材料9采用聚醚酰亞胺。

(2)第一陽極1、第一陰極2、第二陽極3、第二陰極4的電極材料均使用導電性能良好的銅電極。

(3)主電極第一陽極1和第一陰極2的長度均為60mm，其中第一陽極1和第一陰極2的放電部分長度均為40mm；次電極第二陽極3和第二陰極4的長度均為40mm；第一陽極1、第一陰極2、第二陽極3和第二陰極4的寬度均為20～40mm，間距均為30～50mm，厚度均為10mm。主絕緣材料8和次絕緣材料9的長度均為10～30mm，主絕緣材料8和次絕緣材料9的寬度、間距、厚度均電極相同。

(4)固體推進劑15選用聚四氟乙烯；其中高度為32～52mm；寬度為20～40mm。

(5)為保證放電的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明的火花塞5選用擊穿電壓低(<900V)的同軸型半導體火花塞，火花塞5的中心電極為鎳錳合金，最大直徑為14mm；火花塞5的外殼由高溫合金鋼制成；火花塞5的絕緣體材料為高鋁瓷；火花塞5的半導體層寬1～1.2mm；火花塞5通過螺紋連接固定在第一陰極2上，其安裝位置距離固體推進劑15表面的距離為2mm。

本發(fā)明中，所述主放電電容11的電容量為40μF～120μF之間，所加電壓范圍為1kv～3kv之間；所述次放電電容13的電容量為3000μF～5000μF之間，所加電壓范圍為100v～300v之間。

所述主電極通過點火裝置17控制火花塞5的觸發(fā)從而在第一陽極1與第一陰極2間釋放主放電電容11儲存的電能，實現主放電工作模式，點火裝置受FPGA控制器驅動控制。

所述次電極利用次放電電容13儲存的電能在第二陽極3與第二陰極4形成二次放電，進一步電離主放電產生的滯后燒蝕氣體，實現次放電工作模式。

上述兩個工作模式釋放的時序由分別連接于主可控硅12、次可控硅14的FPGA控制器驅動信號輸出1通道和3通道來設置，釋放時序的時間間隔在40μs～100μs之間；主高壓控制開關7、次高壓控制開關10分別控制主放電電容11和次放電電容13儲能及其大小，進一步調節(jié)放電能量在兩個時段釋放的比例。二極管16是防止已儲能但未釋放的主放電電容11或次放電電容13對直流電源6的反向充電。

如圖1所示，本發(fā)明所提供的一種雙極固體燒蝕型等離子體加速器的工作過程如下：首先閉合主高壓控制開關7、次高壓控制開關10，通過直流電源6分別將主放電電容11及次放電電容13充電至所需要的電壓(100v～300v之間)，之后斷開主高壓控制開關7、次高壓控制開關10。當FPGA接收到星載指令需要加速器工作時，通過驅動主可控硅12導通使主放電電容11的電壓加載到主電極；同時通過驅動點火裝置17使位于第一陰極2的火花塞5點火使主電極導通，導致主放電電容11放電，主放電電容放電引起的高溫電弧燒蝕固體推進劑15表面，引起固體推進劑15表面氣化并最終電離形成等離子體，等離子體在主電極間電場的作用下構成閉合回路電流，電流自身感應出磁場，等離子體在電流和自感磁場形成的洛倫茲力作用下高速噴出，產生推力，完成主放電工作模式。本次放電之后固體推進劑15表面繼續(xù)有燒蝕現象出現，即滯后燒蝕現象。滯后燒蝕產生的氣體絕大多數是未電離的中性氣體，只能以熱膨脹的形式運動， 因此相對于等離子體來說，運動相對滯后。在主放電工作模式結束后經過了一段時間間隔后，這些滯后燒蝕氣體運動到第二陽極3與第二陰極4組成次電極之間。然后開啟次放電工作模式，即FPGA驅動次可控硅14導通使次放電電容13儲存的電能在次電極釋放，進一步電離滯后燒蝕氣體使之形成等離子體，并且該位置遠離固體推進劑15表面，不會產生后續(xù)的滯后燒蝕現象；此外由于放電形成了次放電電容13、第二陽極3、第二陰極4回路電流，繼而產生自感磁場，電磁加速滯后燒蝕氣體電離所形成的等離子體，產生向出口處的推力。整個基于雙極工作模式的放電過程完成。

上面結合附圖和實施例對本發(fā)明作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。本發(fā)明中未作詳細描述的內容均可以采用現有技術。