一种微阴极电弧推力器及其工作方法

本发明涉及卫星微推进，特别是涉及一种微阴极电弧推力器及其工作方法。

背景技术：

1、微阴极电弧推力器因其具有微功率化、小型化、低电压、高效率、高比冲、宽范围可调控、低成本、长寿命和高靠性等优点而成为微纳卫星的理想电推进类型，可以应用于微纳卫星的轨道保持和编队飞行等任务。

2、微阴极电弧推力器的物理运算处理器(ppu)采用感性能量存储方式，通过绝缘栅双极型晶体管(igbt)控制电感的充电与放电，在每次放电时，ppu提供的高电压击穿绝缘陶瓷上的导电碳膜产生阴阳极之间的放电通道，在此之后阴阳极之间形成电弧，电弧烧蚀阴极工质来产生大量等离子体。在放电过程中存在的阴极工质的烧蚀和绝缘陶瓷上的导电碳膜的重构和减少会严重影响推力器的工作效果并逐渐导致推力器工作寿命的结束。另外，微阴极电弧推力器大多采用单独磁场加速等离子体，这就导致等离子体获得的速度大小受限，这严重限制了推力器的比冲大小。

3、因此针对上述缺点，亟需一种结构简单和便于应用提升推力器寿命的设计方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种微阴极电弧推力器及其工作方法，以解决上述现有技术存在的问题，结构简单，采用分段覆盖导电碳膜的多个绝缘体，以一组阴阳极对应用多个绝缘体的方式进行工作，提高了推力器的寿命。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种微阴极电弧推力器，包括：

4、阳极，其中心位置处开设有安装孔，所述阳极外侧环设有电磁线圈；

5、阴极，穿设于所述安装孔内，且其能够沿所述安装孔的轴线移动；

6、绝缘体，多个所述绝缘体依次固定套设于所述阴极上，且位于所述安装孔位置处的所述绝缘体外壁能够与所述安装孔内壁抵接；

7、导电碳膜，涂覆于每个所述绝缘体上。

8、本发明阳极在安装孔处与阴极形成放电区域，阳极和阴极通过闭合电路外接电源，闭合电路上设有绝缘栅双极型晶体管，用于控制放电；同时闭合电路上设有电阻和电容，确保电路安全。通过电路使得阴阳极的放电区域产生高电压击穿绝缘体上的导电碳膜产生阴阳极之间的放电通道，在此之后阴阳极之间形成电弧，电弧烧蚀阴极工质来产生大量等离子体，利用阳极处的电场可以使得推力器产生的等离子体获得相对于传统同轴型推力器更大的速度，进而提高推力器的推重比。

9、可选的，阳极采用类似于喇叭口状的扩张型结构；所述阳极径向截面为环状结构，且所述阳极自前端至安装孔位置处内径尺寸逐渐减小。

10、可选的，所述阴极为柱状结构，且所述阴极远离阳极的一端外壁上设有外螺纹，所述外螺纹用于外接进给装置，所述进给装置能够驱动所述阴极沿所述安装孔轴线方向移动，进给装置具体结构不做限制，能够驱动阴极向前进给即可。

11、可选的，所述绝缘体为柱状结构，所述绝缘体的圆心位置处开设有通孔，所述绝缘体通过所述通孔固定穿设于所述阴极上，多个绝缘体依次首尾相接排列于阴极上。

12、可选的，所述绝缘体靠近阳极的一端侧壁上对称开设有两个贯穿所述通孔的扇形槽，扇形槽的径向截面为扇形，所述导电碳膜涂覆于所述扇形槽的侧壁上。

13、可选的，所述阳极的安装孔靠近阳极前端方向处固定设有两个径向截面为弧形的凸缘，位于所述安装孔处的所述绝缘体外壁能够与所述凸缘内壁抵接。

14、可选的，还包括保护壳，所述保护壳固定设于所述阳极后端，且所述保护壳与所述安装孔同轴布置；所述阴极和绝缘体能够穿过所述保护壳进入所述阳极的安装孔内。

15、本发明还提供一种微阴极电弧推力器工作方法，包括如下步骤：

16、放电系统连通阴极和阳极，电压击穿安装孔位置处的导电碳膜产生等离子体形成放电通道；放电过程中线圈产生电场加速等离子体；

17、当因导电碳膜或阴极的消耗而寿命终止后，采用进给装置将下一阴极和涂覆有导电碳膜的绝缘体送入阳极安装孔处继续进行放电。

18、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

19、本发明解决了微阴极电弧推进系统中因长时间放电而导致的绝缘体上的导电碳膜和阴极工质消耗而导致放电失败的问题，通过进给装置驱动阴极和绝缘体向阳极所在的放电区域移动，当放电区域的导电碳膜和阴极工质消耗后，进给装置便可驱动位于放电区域外侧的阴极和绝缘体向放电区移动，以补充阴极和涂覆有导电碳膜的绝缘体，保证阴极与阳极之间可正常起弧，从而既保证了推力器工作的稳定性，又延长了推力器的使用寿命、并提高了推力器的总冲。同时本发明改进的阳极系统产生的电场可以使等离子体获得更大的速度，前者有效提高了推进系统的寿命，后者有效提高了推力器的比冲。

技术特征：

1.一种微阴极电弧推力器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的微阴极电弧推力器，其特征在于，所述阳极径向截面为环状结构，且所述阳极自前端至安装孔位置处内径尺寸逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的微阴极电弧推力器，其特征在于，所述阴极为柱状结构，且所述阴极远离阳极的一端外壁上设有外螺纹，所述外螺纹用于外接进给装置，所述进给装置能够驱动所述阴极沿所述安装孔轴线方向移动。

4.根据权利要求1所述的微阴极电弧推力器，其特征在于，所述绝缘体为柱状结构，所述绝缘体的圆心位置处开设有通孔，所述绝缘体通过所述通孔固定穿设于所述阴极上。

5.根据权利要求4所述的微阴极电弧推力器，其特征在于，所述绝缘体靠近阳极的一端侧壁上对称开设有两个贯穿所述通孔的扇形槽，所述导电碳膜涂覆于所述扇形槽的侧壁上。

6.根据权利要求2所述的微阴极电弧推力器，其特征在于，所述阳极的安装孔靠近阳极前端方向处固定设有两个径向截面为弧形的凸缘，位于所述安装孔处的所述绝缘体外壁能够与所述凸缘内壁抵接。

7.根据权利要求2所述的微阴极电弧推力器，其特征在于，还包括保护壳，所述保护壳固定设于所述阳极后端，且所述保护壳与所述安装孔同轴布置；所述阴极和绝缘体能够穿过所述保护壳进入所述阳极的安装孔内。

8.一种微阴极电弧推力器工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结本发明公开了一种微阴极电弧推力器及其工作方法，其结构包括阳极，其中心位置处开设有安装孔，阳极外侧环设有电磁线圈；阴极，穿设于安装孔内，且其能够沿所述安装孔的轴线移动；绝缘体，多个所述绝缘体依次固定套设于所述阴极上，且位于所述安装孔位置处的所述绝缘体外壁能够与所述安装孔内壁抵接；导电碳膜，涂覆于每个所述绝缘体上。本发明基于上述结构的工作方法，通过进给装置驱动阴极和绝缘体向阳极所在的放电区域移动，当放电区域的导电碳膜和阴极工质消耗后，进给装置便可驱动位于放电区域外侧的阴极和绝缘体向放电区移动，以补充阴极和涂覆有导电碳膜的绝缘体，以一组阴阳极对应用多个绝缘体的方式进行工作，提高了推力器的寿命。技术研发人员：魏立秋,梁天策,纪添源,谭思粲,严浩,于达仁受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18