CN115163439A - 一种低功率空心阴极推进系统 - Google Patents
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Abstract
一种低功率空心阴极推进系统,解决了现有推进系统难以小型化的问题，属于航天推进系统领域。本发明包括空心阴极、阳极、磁场和放电通道；空心阴极包括触持极、阴极管、发射体和钨顶；触持极具有出射孔，发射体嵌套在阴极管内部，钨顶焊接在阴极管顶部，钨顶中心设有节流孔，节流孔与出射孔位置相对；放电通道为直筒型，设置在空心阴极的一侧，气体工质从阴极管一端供入，依次经过发射体、钨顶的节流孔、触持极的出射孔后，从放电通道的端部进入放电通道内部，阳极位于放电通道端部，磁场由永磁铁励磁，放电通道内的电子在磁场与电场的作用下产生霍尔漂移，产生轴向电场加速离子；阴极管作为触持极和阳极的阴极。
Description
技术领域
本发明涉及一种电推进系统，属于航天推进系统领域。
背景技术
随着微纳星的迅速发展，对微推力器的需求日益突出。受到微小卫星自身体积以及电源功率的限制，要求推进系统具备体积小、功耗低的特点，为了保证微小卫星的有效载荷以及寿命，微推力器还需要具备比冲高、效率高的特点。冷气推进以及化学推进的比冲相对较低，限制了微小卫星的有效载荷以及在轨寿命，因此不适用在微小卫星平台上。而电推进系统具有较高的推进效率和比冲，以目前技术发展较为成熟的霍尔推力器和离子推力器为例，比冲接近3000-4000s。然而，离子推力器和霍尔推力器在小型化过程中，由于尺寸缩小会导致推进效率一定程度上降低，并且由于粒子轰击造成的壁面侵蚀严重，寿命和可靠性受到严重影响，同时离子推力器和霍尔推力器需要中和器配合工作，需要同时为中和器与推力器配备储罐和供气管路，系统难以小型化，并且中和器小型化技术存在一定难度，因此低功率霍尔推力器和离子推力器应用于微纳卫星平台还需进一步优化。
目前，功率范围适用于微纳卫星的电推力器还包括脉冲等离子体电推力器(PPT)、微阴极弧推力器(μCAT)、场致发射推力器(FEEP)和胶体推力器。PPT和μCAT都利用烧蚀固体推进剂，体积小，比冲高，能够满足微纳卫星对推进系统的体积要求，然而这两种推力器采用脉冲放电的形式，电压较高，对电源的寿命及可靠性要求较高，而且推力器产生的电磁辐射干扰将对星载元器件造成电磁辐射损伤。场致发射推力器和胶体推力器都是利用高压分别将液态金属、带电液体电离加速，电压可高达3kV～15kV，对电源系统要求较高，同时羽流对航天器会造成污染。因此目前微推力器应用于微纳卫星平台都存在缺陷。
发明内容
针对现有需要同时为中和器与推力器配备气罐和供气管路，推进系统难以小型化的问题，本发明提供一种只需提供一路气体工质的低功率空心阴极推进系统。
本发明的一种低功率空心阴极推进系统，包括空心阴极、阳极、磁场和放电通道；
空心阴极包括触持极、阴极管、发射体和钨顶；
所述触持极具有出射孔，阴极管、发射体和钨顶设置在触持极内部，阴极管为钽管，发射体嵌套在阴极管内部，钨顶焊接在阴极管顶部，沿出射孔的轴线依次设置有钨顶和发射体，钨顶中心设有节流孔，节流孔与出射孔位置相对；
放电通道为直筒型，设置在空心阴极的一侧，气体工质从阴极管一端供入，依次经过发射体、钨顶的节流孔、触持极的出射孔后，从放电通道的端部进入放电通道内部，阳极位于放电通道端部，磁场由永磁铁励磁，放电通道内的电子在磁场与电场的作用下产生霍尔漂移，产生轴向电场加速离子；
阴极管作为触持极和阳极的阴极。
优选的是，空心阴极还包括加热丝；加热丝设置钽管外部，位于阴极管与触持极之间，阴极管作为加热丝的阴极。
所述推进系统还包括控制模块、电源模块和储供系统；储供系统用于向阴极管输入气体工质；
优选的是，电源模块为加热丝、阳极、触持极和储供系统提供工作电源；
控制模块用于控制电源模块向加热丝、阳极、触持极和储供系统供电或断电及输出的电流和电压的大小。
本发明的有益效果，本发明将空心阴极排出的气体工质在放电通道内能过够有效地二次利用，在放电通道内继续电离同时被加速，从而可以将推进系统的阳极和阴极一体化，不需要额外中和器，可以有效地减小推进系统地尺寸，简化储供系统结构。本发明具有正梯度和负梯度的磁场，有效地保证推进系统的电离效率，并且磁场存在较大的径向分量，使得电场径向分量较高，从而能够有效地加速离子。此外，
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为储供系统的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的低功率空心阴极推进系统，包括空心阴极、阳极6、磁场和放电通道；
空心阴极包括触持极1、阴极管2、发射体3和钨顶4；
触持极1具有出射孔，阴极管2、发射体3和钨顶4设置在触持极1内部，阴极管2为钽管，发射体3嵌套在阴极管2内部，发射体3采用钡钨阴极材料或六硼化镧材料制成，具有电子发射功函低，电流发射系数大的特点；钨顶4焊接在阴极管2顶部，沿出射孔的轴线依次设置有钨顶4和发射体3，钨顶4中心设有节流孔，节流孔与出射孔位置相对；节流孔具有节流气体工质的作用，气体通过节流孔后，在放电通道内扩散；
放电通道5为直筒型，采用陶瓷绝缘材料，选用淡化硼或氧化铝陶瓷材料；设置在空心阴极的一侧，气体工质从阴极管2一端供入，依次经过发射体3、钨顶4的节流孔、触持极1的出射孔后，从放电通道5的端部进入放电通道5内部，阳极6位于放电通道5端部，为不锈钢材料，为等离子体放电提供电压，同时形成较高的电场；
磁场由永磁铁励磁，放电通道5内的电子在磁场与电场的作用下产生霍尔漂移，从而保证推力器较高的电离效率，产生轴向电场加速离子；放电通道5采用陶瓷绝缘材料。阴极管2作为触持极1和阳极6的阴极。
本实施方式空心阴极是电推进系统中的关键部件，为推进系统提供电子维持等离子体放电和中和羽流的作用。空心阴极具有结构简单、体积小、工作可靠和寿命长的特点。同时空心阴极作为一种微推力器可以将阳极6与阴极一体化，不需要额外中和器，能够大幅简化推进系统，提高微纳卫星的有效载荷以及在轨寿命。同时空心阴极可以利用氪气和氩气放电，相比较于利用氙气可以大幅降低推进系统的使用成本。
本实施方式的空心阴极还包括加热丝7；加热丝7设置钽管外部，位于阴极管2与触持极1之间，阴极管2作为加热丝7的阴极。
加热丝7使发射体3的温度提高至一定温度，能够产生一定量热发射电子，从而引起空心阴极内部的气体击穿电离。
本实施方式的推进系统还包括控制模块、电源模块和储供系统；储供系统用于向阴极管2输入气体工质；
电源模块为加热丝7、阳极6、触持极1和储供系统提供工作电源；
控制模块用于控制电源模块向加热丝7、阳极6、触持极1和储供系统供电或断电及输出的电流和电压的大小，从而实现对推力器的放电控制以及气体工质的供给。
本实施方式的储供系统包括气罐、电磁减压阀；气罐的出气管路与空心阴极的阴极管2内连通，电磁减压阀设置在出气管路上，电源模块与电磁减压阀连接。
气罐材质为钛合金，质量轻，强度高，罐内压力可达到7个大气压，储气量0.5～1kg，可根据航天任务需求调控。气罐后用过气路管道连接到电磁减压阀上，电磁减压阀的作用是作为气路的开关，同时将气罐内的气压在管路内减压，降到几千Pa。电磁减压阀通过控制模块控制电源模块的开关，从而实现气路的通断。
本实施方式的储供系统还包括节流阀，节流阀设置在出气管路上。节流阀的作用为控制气路中的流量，可通过调节节流阀节流孔的大小实现流量的控制，流量范围在1-3sccm之间，通过节流阀后供给到阴极管2中。储供系统的气路与阴极管2之间利用陶瓷的绝缘器防止击穿漏电。
本实施方式的电源模块包括加热电源、阳极6电源、触持极1电源和电磁阀电源。
触持极1电源为触持极1提供0-50V电压、0-0.5A电流；
阳极6电源为阳极6提供0-200V电压、0-0.5A电流；
加热电源为加热丝7提供0-20V电压、0-3.5A电流；
电磁阀电源为电磁减压阀提供24V电压、0.2A电流。
本实施方式的推进系统还包括卫星控制与供电模块，卫星控制与供电模块采用CAN/485协议与控制模块通电，将卫星控制与供电模块的控制模拟信号转化为控制开关的电信号发送至控制模块，控制加热电源、阳极6电源、触持极1电源和电磁阀电源的开关，卫星控制与供电模块为电源模块供电。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (9)
1.一种低功率空心阴极推进系统，其特征在于，包括空心阴极、阳极、磁场和放电通道；
空心阴极包括触持极、阴极管、发射体和钨顶；
所述触持极具有出射孔，阴极管、发射体和钨顶设置在触持极内部，阴极管为钽管，发射体嵌套在阴极管内部，钨顶焊接在阴极管顶部，沿出射孔的轴线依次设置有钨顶和发射体，钨顶中心设有节流孔，节流孔与出射孔位置相对；
放电通道为直筒型，设置在空心阴极的一侧，气体工质从阴极管一端供入，依次经过发射体、钨顶的节流孔、触持极的出射孔后，从放电通道的端部进入放电通道内部，阳极位于放电通道端部，磁场由永磁铁励磁，放电通道内的电子在磁场与电场的作用下产生霍尔漂移，产生轴向电场加速离子；
阴极管作为触持极和阳极的阴极。
2.根据权利要求1所述的低功率空心阴极推进系统，其特征在于，所述空心阴极还包括加热丝；加热丝设置钽管外部，位于阴极管与触持极之间，阴极管作为加热丝的阴极。
3.根据权利要求1所述的低功率空心阴极推进系统，其特征在于，发射体采用钡钨阴极材料或六硼化镧材料制成。
4.根据权利要求1所述的低功率空心阴极推进系统，其特征在于，放电通道采用陶瓷绝缘材料。
5.根据权利要求2所述的低功率空心阴极推进系统，其特征在于，所述推进系统还包括控制模块、电源模块和储供系统；储供系统用于向阴极管输入气体工质；
电源模块为加热丝、阳极、触持极和储供系统提供工作电源；
控制模块用于控制电源模块向加热丝、阳极、触持极和储供系统供电或断电及输出的电流和电压的大小。
6.根据权利要求5所述的低功率空心阴极推进系统，其特征在于，所述储供系统包括气罐、电磁减压阀；气罐的出气管路与空心阴极的阴极管内连通，电磁减压阀设置在出气管路上，电源模块与电磁减压阀连接。
7.根据权利要求6所述的低功率空心阴极推进系统，其特征在于，所述储供系统还包括节流阀，节流阀设置在出气管路上。
8.根据权利要求6所述的低功率空心阴极推进系统，其特征在于，所述电源模块包括加热电源、阳极电源、触持极电源和电磁阀电源。
触持极电源为触持极提供0-50V电压、0-0.5A电流；
阳极电源为阳极提供0-200V电压、0-0.5A电流；
加热电源为加热丝提供0-20V电压、0-3.5A电流；
电磁阀电源为电磁减压阀提供24V电压、0.2A电流。
9.根据权利要求5所述的低功率空心阴极推进系统，其特征在于，所述推进系统还包括卫星控制与供电模块，卫星控制与供电模块采用CAN/485协议与控制模块通电，将卫星控制与供电模块的控制模拟信号转化为控制开关的电信号发送至控制模块，卫星控制与供电模块为电源模块供电。
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