一种可变阴极电弧增强空间复合推力器

本发明涉及空间喷气推进系统，特别是一种可变阴极电弧增强空间复合推力器。

背景技术：

1、当前，空间推进主要有化学推进、电推进以及冷气推进等三种方式。每种推进方式工作原理不同、火箭发动机构型不同从而致使产生的推力、比冲等参数不尽相同。

2、随着人类对于空间探索的脚步逐渐深入，出现各项空间飞行任务，对于航天器动力系统性能的要求逐渐提高。在这个过程中往往会要求飞行器的动力系统既有化学推进的大推力又要有电推进的高比冲。例如，一颗12u、25kg，有效载荷比为0.28的立方星在执行月球着陆点监视与侦察任务过程中，仅存在化学推进的情况下比冲较小，通过燃烧所释放的推力为任务提供的有效载荷比太小；仅存在电推的情况下推力又太低且无法提供足够的速度增量以成功捕获月球轨道。而当卫星平台同时布置化学与电推进系统时，可以在满足该任务有效载荷需求同时，完成从地球停泊轨道(earthparkingorbit)向月球轨道(lunarorbit)转移的过程，最后完成月球轨道下降(lunarorbitdecent)任务。但是这种组合方式目前仅仅是卫星上分别单独安装一套电推进和一套化学推进，需要准备多种推进剂，通常导致航天器有效载荷空间和质量大幅减少从而致使系统庞大复杂，无法适应小卫星需求。

3、鉴于此，本发明设计了一种基于化学-电强耦合机制的可变阴极电弧增强空间复合推力器，以满足未来空间推进需求，该推力器产生动力的主要来源为喷气推进。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种可变阴极电弧增强空间复合推力器，该可变阴极电弧增强空间复合推力器将电推进和化学推进一体化设计，使得推力器在空间中工作时兼备大推力、高比冲优势。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种可变阴极电弧增强空间复合推力器，包括推进剂供给系统、喷注器、催化床、拉瓦尔喷管、电推进器和电源系统。

4、喷注器、催化床和拉瓦尔喷管沿轴向依次同轴布设。

5、推进剂供给系统用于向喷注器提供流量能调节的推进剂。

6、催化床内设置有加热器和空隙。

7、拉瓦尔喷管包括沿轴向依次布设的燃烧室、喷管喉部和喷管扩张段。

8、燃烧室向着喷管喉部逐渐收缩；喷管喉部呈倒圆台形，向着喷管扩张段逐渐收缩。

9、电推进器包括多相阴极柱和阳极环。

10、多相阴极柱布设在燃烧室中心轴线上，包括阴极柱、阴极柱伸缩驱动装置和突触。

11、阴极柱伸缩驱动装置绝缘密封埋设在催化床内。

12、阴极柱的一端与阴极柱伸缩驱动装置相连接，且与催化床绝缘布设；阴极柱的另一端外周均匀布设有若干个所述突触。

13、阴极柱接地，且能在阴极柱伸缩驱动装置的驱动下，沿轴线伸缩，进而使突触能在燃烧室和喷管喉部之间往复移动。

14、阳极环为倒圆台形环，贴设在喷管喉部内壁，且与电源系统中的电源正极相连接。

15、喷注器包括沿轴向依次布设的集液腔和喷注面板；喷注面板中均匀布设有若干个喷嘴；每个喷嘴的长径比均不小于5。

16、集液腔为向着喷注面板扩张的锥形腔；集液腔的收缩端设置推进剂接口，用于连接推进剂供给系统。

17、催化床包括前催化床和后催化床；其中，前催化床的孔隙率为0.3～0.4，后催化床的孔隙率为0.5～0.6。

18、阴极柱的材料为铈钨合金或钍钨合金。

19、突触数量为三个，相互之间呈120°夹角布设在朝向喷管喉部的阴极柱端部外周。

20、加热器为环形加热器，加热温度能调节。

21、喷管喉部的圆台母线长度范围为1.36-1.57cm、圆台上底直径范围为0.74-1.30cm、圆台下底直径范围为1.77-2.32cm。

22、将喷管喉部二分之一圆台母线长度处的截面面积记为at，将燃烧室最大直径处的截面面积记为ac，则ac与at的比值称为燃烧室收缩比，取值范围为2-5。

23、电源系统包括低压脉冲电源、1个脉冲宽度调制pwm控制器、1个高压脉冲电源以及2个直流电源。

24、低压脉冲电源用于控制推进剂的推进时机。

25、脉冲宽度调制pwm控制器用于控制推进剂的流量大小。

26、高压脉冲电源和其中一个直流电源与阳极环相连接，另一个直流电源与加热器相连接。

27、本发明具有如下有益效果：

28、1、与单纯化学推进或者电推进相比，工作模式更加灵活，可根据任务需求自行切换模式，从而在更广域的范围内对推进功率、推力以及比冲进行主动控制，在完成空间任务，尤其是卫星快速空间变轨、深空探测等推力、比冲调节范围要求广、载荷重量体积要求高的任务。

29、2、与非耦合化电混合推进相比，化学推进与电推进共用同一推进剂储箱，一定程度上减轻了航天器体积与载荷重量。由于共用同一种推进剂，使得推进系统可减少冗余设计且可靠性更强，同时在地面加注时更快捷方便。

30、3、不同工作模式下，喷管截面不匹配，于是设计可轴向伸缩阴极柱在圆台型喉部之间移动以实现变截面控制。借助电机液压系统驱动使化学推进模式中阴极柱影响最小；电推进模式中阴极能与壁面尽可能接近以稳定起弧放电。

31、4、在燃烧室内壁设置螺旋线，使得来流推进剂产生径向速度从而形成涡流以稳定放电。

32、5、在传统的电弧加热推力器阴极的构型上做创新，在其尖端加突触，实现了与化学推力器喷管配合放电并稳定电弧生成。

技术特征：

1.一种可变阴极电弧增强空间复合推力器，其特征在于：包括推进剂供给系统、喷注器、催化床、拉瓦尔喷管、电推进器和电源系统；

2.根据权利要求1所述的可变阴极电弧增强空间复合推力器，其特征在于：喷注器包括沿轴向依次布设的集液腔和喷注面板；喷注面板中均匀布设有若干个喷嘴；每个喷嘴的长径比均不小于5。

3.根据权利要求2所述的可变阴极电弧增强空间复合推力器，其特征在于：集液腔为向着喷注面板扩张的锥形腔；集液腔的收缩端设置推进剂接口，用于连接推进剂供给系统。

4.根据权利要求1所述的可变阴极电弧增强空间复合推力器，其特征在于：催化床包括前催化床和后催化床；其中，前催化床的孔隙率为0.3～0.4，后催化床的孔隙率为0.5～0.6。

5.根据权利要求1所述的可变阴极电弧增强空间复合推力器，其特征在于：阴极柱的材料为铈钨合金或钍钨合金。

6.根据权利要求1所述的可变阴极电弧增强空间复合推力器，其特征在于：突触数量为三个，相互之间呈120°夹角布设在朝向喷管喉部的阴极柱端部外周。

7.根据权利要求1所述的可变阴极电弧增强空间复合推力器，其特征在于：加热器为环形加热器，加热温度能调节。

8.根据权利要求1所述的可变阴极电弧增强空间复合推力器，其特征在于：喷管喉部的圆台母线长度范围为1.36-1.57cm、圆台上底直径范围为0.74-1.30cm、圆台下底直径范围为1.77-2.32cm。

9.根据权利要求1所述的可变阴极电弧增强空间复合推力器，其特征在于：将喷管喉部二分之一圆台母线长度处的截面面积记为at，将燃烧室最大直径处的截面面积记为ac，则ac与at的比值称为燃烧室收缩比，取值范围为2-5。

10.根据权利要求1所述的可变阴极电弧增强空间复合推力器，其特征在于：电源系统包括低压脉冲电源、1个脉冲宽度调制pwm控制器、1个高压脉冲电源以及2个直流电源；

技术总结本发明公开了一种可变阴极电弧增强空间复合推力器，包括推进剂供给系统、喷注器、催化床、拉瓦尔喷管、电推进器和电源系统；推进剂供给系统用于向喷注器提供流量能调节的推进剂；催化床内设置有加热器和空隙；喷管喉部呈倒圆台形，向着喷管扩张段逐渐收缩；电推进器包括多相阴极柱和阳极环；多相阴极柱布设在燃烧室中心轴线上，包括阴极柱、阴极柱伸缩驱动装置和突触；阴极柱伸缩驱动装置绝缘密封埋设在催化床内；阴极柱的一端与阴极柱伸缩驱动装置相连接，且与催化床绝缘布设；阴极柱的另一端外周均匀布设有若干个突触。本发明能将电推进和化学推进一体化设计，使得推力器在空间中工作时兼备大推力、高比冲优势。技术研发人员：聂万胜,韩锦辉,周思引,刘翔,杨云帆,王梓桐,袁姝蕙受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18