阵列式电控固体电弧微推力器

1.本发明涉及空间电推进技术领域，具体涉及一种阵列式电控固体电弧微推力器。


背景技术：

2.近年来，微小卫星由于具有尖端技术含量高、功率密度比高、集成程度高、研制周期短、研制和发射费用低、发射组网速度快等优势越来越受到世界各国的重视。微小卫星正向任务在轨执行能力越来越强、功能越来越强大、性能越来越好等方向发展。微小卫星的进一步应用和发展很大程度上取决于搭载的微推力装置，但是微小卫星的体积和质量限制了推力器的设计。适用于微小卫星的推力器应满足结构简单、可靠性高、成本低的优点，传统化学推进通常可以实现较大推力但是比冲较低，电推进比冲高但是推力通常为毫牛级，因此将化学推进和电推进的优势结合是未来空间推进系统的一种重要设计方向。
3.目前的固体推力器采用固体推进剂，由于固体工质易于保存和使用，并且不需要设计复杂的工质供应系统，可以大大简化推力器的结构设计。但是，传统的固体推进剂通常是一次性使用的，点燃后燃烧难以控制。
4.现有的阵列式固体微推力器多采用传统固体推进剂，通过多个单元的点火实现数字推进。但是传统固体推进剂仍然无法实现单个推力单元的多次重复启动，不可重复使用的推进单元使得推力器整体的结构使用效率低下。目前也有学者提出使用固体电控工质作为推进剂的多脉冲式固体推进器，但是该种推力器获得的动能只依靠电控固体推进剂本身的化学能，因此该种推力器的比冲较低，与高比冲的空间电推进相比难以取得优势。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种阵列式电控固体电弧微推力器。该推力器具有宽推力调节范围、比冲高、结构简单可靠的优点，适合作为空间装置的动力系统。
6.为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为：
7.阵列式电控固体电弧微推力器，包括金属基座、中心阴极以及由内至外环绕在中心阴极外的一层以上的环形阳极，中心阴极与距离其最近的一层环形阳极之间以及相邻层环形阳极之间均设置有阵列推力单元，所述阵列推力单元由多个固体推力单元呈阵列排布而成，所述中心阴极、环形阳极以及固体推力单元的一端均安装在所述金属基座上，所述中心阴极、环形阳极以及固体推力单元的另一端为自由端，所述中心阴极与各层环形阳极之间形成固体推力单元工作产生的燃烧气体的多层环形喷口。
8.进一步地，各固体推力单元对应连接独立的供电电路，对各固体推力单元的工作状态进行独立控制。
9.进一步地，所述固体推力单元包括推力单元阴极、推力单元阳极和推力单元喷管，所述推力单元阳极为筒状体，推力单元阳极一端采用绝缘板密封，推力单元阳极另一端连接有推力单元喷管，所述推力单元阴极为棒状体，所述推力单元阴极的一端从绝缘板的中
心密封穿过且伸入推力单元阳极内，所述推力单元阴极的另一端在绝缘板外侧，所述推力单元阴极和推力单元阳极之间的空间区域用于填充电控固体推进剂。
10.进一步地，伸入推力单元阳极内的推力单元阴极靠近末端的一段裸露，其余伸入推力单元阳极内的推力单元阴极外壁均覆有绝缘结构，如涂覆一层薄的绝缘层。
11.进一步地，所述固体推力单元整体成同轴结构，推力单元阳极为圆柱筒体，所述推力单元阴极为圆柱形棒状体，所述推力单元喷管为先压缩后扩张形喷管。
12.进一步地，所述推力单元阴极和推力单元阳极之间连接有供电电路，填充在推力单元阴极和推力单元阳极之间的空间区域的电控固体推进剂为导电体，开启供电电路，电流从电控固体推进剂流过，燃烧电控固体推进剂并产生燃烧气体，燃烧气体经推力单元喷管加速喷出。由于伸入推力单元阳极内的推力单元阴极外壁均覆有绝缘层，在该绝缘层的作用下，电控固体推进剂在燃烧过程中只在电控固体推进剂的前端面燃烧，绝缘层随着药柱端面燃烧而不断退移。
13.进一步地，所述中心阴极、金属基座以及各层环形阳极之间连接有电源电路，金属基座以及各层环形阳极均分别连接到电源电路的正极，中心阴极连接电源电路的负极，接通中心阴极和各层环形阳极之间的电源电路，将在中心阴极和各层环形阳极之间形成多层电弧，实现对中心阴极和各层环形阳极之间燃烧气体的加速。
14.进一步地，所述阵列式电控固体电弧微推力器整体呈同轴结构，中心阴极为圆柱形棒状体，中心阴极固定安装在金属基座的中心位置且与金属基座同轴，中心阴极与金属基座间的接触面上设置有绝缘结构。
15.进一步地，所述金属基座与各层环形阳极之间、金属基座与各固体推力单元之间为可拆卸连接关系。
16.进一步地，所述金属基座与各层环形阳极之间设置有分离机构，通过相应的分离机构能够实现相应的环形阳极与金属基座之间的分离。所述分离机构的实现方式不限，如采用爆炸螺栓结构。
17.通过上述技术方案，本发明能够产生的技术效果是：
18.本发明充分利用电控固体推进剂的优势，可以通过通断电来实现推力单元的多次重复启动，并且多个推力单元阵列化设计可以实现推力的宽范围调节，生成的燃气还可以经过多级电弧加热来加速，实现推力器的高比冲要求。
19.本发明利用固体电控工质作为推进剂，整体结构简单，易于加工成本低。
20.本发明采用电控固体推进剂，其具有通电燃烧、断电熄灭的特点，可在电流作用下多次获得持续的推力。
21.本发明是一种具有宽推力调节范围、可多次电弧加速的高比冲阵列式固体微推力器，推力器使用电控固体工质作为推进剂，无需设计复杂的工质供应管道，因此装置结构简单可靠性高。
附图说明
22.图1为本发明一实施例的剖视图；
23.图2为本发明一实施例中固体推力单元的结构示意图；
24.图3为本发明一实施例的主视图；
25.图4为本发明一实施例的侧视图；
26.图中标号：
27.1、金属基座；2、第一层环形阳极；3、第二层环形阳极；4、第三层环形阳极；5、中心阴极；6、第一绝缘结构；7、电控固体推进剂；8、推力单元喷管；9、推力单元阴极；10、第二绝缘结构；11、推力单元阳极，12、分离机构。
28.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
29.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的一部分实施例，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。
30.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
31.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
32.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
34.参照图1，一实施例提供一种阵列式电控固体电弧微推力器，包括金属基座1、中心阴极5以及由内至外环绕在中心阴极5外的一层以上的环形阳极。在图1所示实施例中的环形阳极有三层，根据与中心阴极5的距离，位于最内层且距离中心阴极5最近的第一层环形阳极2、位于中层的第二层环形阳极3和位于最外层且距离中心阴极5最远的第三层环形阳极4。可以理解，环形阳极的数目不限，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置。
35.中心阴极5与距离其最近的第一层环形阳极2之间以及相邻层环形阳极之间均设置有阵列推力单元，所述阵列推力单元由多个固体推力单元呈阵列排布而成。中心阴极5与距离其最近的第一层环形阳极2之间以及相邻层环形阳极之间设置的阵列推力单元中固体推力单元的数目以及排布形式可以不同，也可以相同，根据需求自由设置。本发明这种结构布置，多层环形阳极围绕中心阴极形成了花瓣式电极结构可，多层环形阳极之间共用中心阴极，实现了装置结构的简化和轻量化。阳极可在层内推力单元的燃料耗尽后完成脱落，可进一步降低装置质量。
36.所述中心阴极5、各层环形阳极以及各阵列推力单元中的各固体推力单元的一端均可拆卸安装在所述金属基座1上，所述中心阴极5、各层环形阳极以及各固体推力单元的另一端为自由端，所述中心阴极5与各层环形阳极之间形成固体推力单元工作产生的燃烧气体的多层环形喷口。
37.由内至外各层环形阳极的轴向长度逐渐增长，即距离中心阴极5最近的第一层环形阳极2的轴向长度最短、位于中层的第二层环形阳极3的轴向长度居中，位于最外层且距离中心阴极5最远的第三层环形阳极4轴向长度最长。中心阴极5的自由端超出次外层的环形阳极的自由端之外，且在最外层环形阳极内。
38.参照图1和图4，所述各层环形阳极均分为直线段和扩展段，其中扩展段远离金属基座，各层环形阳极直线段和扩展段的连接处与各体推力单元自由端的喷口端面在同一轴向长度处。进一步地，各层环形阳极的扩展段为弧形扩展段。
39.参照图1和图3，这三个图可以构成一个更具体的实施例，该实施例中的所述阵列式电控固体电弧微推力器整体呈同轴结构，中心阴极5为圆柱形棒状体，中心阴极5固定安装在金属基座1的中心位置且与金属基座1同轴，中心阴极5与金属基座1间的接触面上设置有第一绝缘结构6，第一绝缘结构6的结构形式不限，如可以采用绝缘涂层，两者之间隔有第一绝缘结构6可以防止短路。图3中，位于中心阴极5与距离其最近的第一层环形阳极2之间的空间里布置有4个固体推力单元，第一层环形阳极2和第二层环形阳极3之间的空间里布置有10个固体推力单元，第二层环形阳极3和第三层环形阳极4之间的空间里布置有16个固体推力单元。
40.本发明中各实施例中的所述金属基座1与各层环形阳极之间可以设计为可拆卸连接关系。所述金属基座1与各层环形阳极之间设置有分离机构12，如图3所示，通过相应的分离机构12能够实现相应的环形阳极与金属基座1之间的分离。所述分离机构12的结构形式不限，本领域技术人员可以根据现有的分离机构进行自由的选择，如采用如采用爆炸螺栓结构或电控弹射分离开关等。
41.本发明各固体推力单元对应连接独立的供电电路，对各固体推力单元的工作状态进行独立控制。这样可以根据实际应用场景，选择相应位置、相应数量的固体推力单元工作，实现推力可控。
42.所述中心阴极5、金属基座1以及各层环形阳极之间连接有电源电路(图中未展示出)，可以在中心阴极5、金属基座1以及各层环形阳极上预留接线口，在装配或者使用时实现与电源电路接线即可。金属基座1以及各层环形阳极均分别连接到电源电路的正极，中心阴极5连接电源电路的负极，接通中心阴极和各层环形阳极之间的电源电路，将在中心阴极5和各层环形阳极之间形成多层电弧(图1所示结构可以形成三层电弧)，实现对中心阴极5和各层环形阳极之间燃烧气体的加速。三层阳极共用中心阴极，形成“花瓣式”多级加速结构，当阳极层内的推力单元推进剂耗尽后可通过脱落来减轻推力器工作时的质量。
43.本发明充分利用电控固体推进剂的优势，可以通过通断电来实现推力单元的多次重复启动，并且多个推力单元阵列化设计可以实现推力的宽范围调节，生成的燃气还可以经过多级电弧加热来加速，实现推力器的高比冲要求。
44.可以理解，固体推力单元可以采用现有的固体推力单元实现。
45.参照图2，本发明一实施例中提供一种固体推力单元，其可以作为图1所示实施例
中的固体推力单元安装在金属基座1上。图2所示固体推力单元包括推力单元阴极9、推力单元阳极11和推力单元喷管8，所述推力单元阳极11为筒状体，推力单元阳极11一端采用绝缘板密封，推力单元阳极11另一端连接有推力单元喷管8，所述推力单元阴极9为棒状体，所述推力单元阴极9的一端从绝缘板的中心密封穿过且伸入推力单元阳极11内，所述推力单元阴极9的另一端在绝缘板外侧。伸入推力单元阳极11内的推力单元阴极9靠近其末端的一段裸露，其余伸入推力单元阳极11内的推力单元阴极9外壁均覆有绝缘涂层。推力单元阴极9外壁上涂覆的绝缘涂层以及推力单元阳极11一端的绝缘板共同构成固体推力单元的第二绝缘结构10。
46.所述推力单元阴极9和推力单元阳极11之间的空间区域用于填充电控固体推进剂7。
47.所述固体推力单元整体成同轴结构，推力单元阳极11为圆柱筒体，所述推力单元阴极9为圆柱形棒状体，所述推力单元喷管8为先压缩后扩张形喷管。
48.所述推力单元阴极9和推力单元阳极11之间连接有供电电路(图中未示出)。可以在推力单元阴极9和推力单元阳极11上设置接线口用于外接供电电路，在装配使用时再接线安装。供电线路上设置有开关用于实现对固体推力单元的工作状态进行独立控制。填充在推力单元阴极9和推力单元阳极11之间的空间区域的电控固体推进剂7为导电体，开启供电电路，电流从电控固体推进剂7流过，燃烧电控固体推进剂7并产生燃烧气体，燃烧气体经推力单元喷管8加速喷出。由于伸入推力单元阳极内的推力单元阴极外壁均覆有绝缘层，在该绝缘层的作用下，电控固体推进剂在燃烧过程中只在电控固体推进剂的前端面燃烧，绝缘层随着药柱端面燃烧而不断退移。
49.本发明中所述电控固体推进剂的材质不限，如由硝酸羟胺、聚乙烯醇、硼酸组成，可添加一定量铝粉提高推进剂的燃烧性能。
50.将一定数量的图2所示固体推力单元安装图1所示阵列式电控固体电弧微推力器中，根据实际应用情况可以选择是否开启所述中心阴极5、金属基座1以及各层环形阳极之间连接的电源电路，也可以选择开启不同位置、不同数量的固体推力单元，满足不同应用场景的推力需求。单个推进单元使用电控固体工质作为推进剂，可以多次使用，并且可以通过调节电源电压控制推力单元的推力大小。可以通过控制工作的推力单元数量来调节推力大小。可以通过中心阴极导电来实现多次电弧加速从而调节推力大小。
51.本发明通过阵列式结构和多级电弧加速结构可实现宽推力调节范围和多工作模式，可以满足多种空间任务的推力需求。推力器主体结构可以分开单独加工然后组装，降低了加工难度和制造成本。花瓣式电极结构可共用中心阴极，实现了装置结构的简化和轻量化。阳极可在层内推力单元的燃料耗尽后完成脱落，可进一步降低装置质量。
52.本发明提供的阵列式电控固体电弧微推力器整体尺寸可以在毫米量级，可用mems技术进行精细微加工。
53.金属基座、各层环形阳极、推力单元阳极的材料都选用金属钛，中心阴极和推力单元阴极材料选用紫铜。
54.本发明可实现多种工作模式和宽推力调节范围，可结合化学推进和电推进的优势。其推力调节方式都可以通过电路实现控制，因此可以通过接通的电路数量和电源电压实现推力器的多工作模式和数字化推进。
55.下面提供图1和图4所示实施例的一种工作方式：
56.工作过程：金属基座和三层环形阳极首先与电源正极接通，通过控制推力单元阴极和中心阴极与电源负极的导通开关来调节推力大小，根据推力大小的需要可选择以下几种工作模式：
57.第一种工作模式：小推力化学推进模式，该模式只接通少数几个(如2个)固体推力单元的阴极，中心阴极不接通电源，通过控制电源电压来控制接通的几个固体推力单元的燃烧速率从而调节推力大小。优选地，选择接通开启两个固体推力单元且该两个固体推力反应的位置为中心对称，以此保证推力无轴向以外的分量。该种模式的推力最小，适合空间装置的姿态调节和轨道保持任务。
58.第二种工作模式：大推力化学推进模式，开启多个(2个以上直至固体推力单元全部开启)固体推力单元，中心阴极不接通电源，通过控制电源电压来控制各固体推力单元的燃烧速率从而调节推力。开启的固体推力单元总数为偶数，且两两之间中心对称。该种模式推力较大，适合空间装置的小范围轨道机动。
59.第三种工作模式：大推力高比冲电化学组合推进模式，该模式接通多个(2个以上直至固体推力单元全部开启)固体推力单元，中心阴极接通电源，中心阴极与多层阳极之间形成多层电弧对各固体推力单元燃烧喷出的燃烧气体进行多次电热加速，当某层环形阳极内的固体推力单元燃料耗尽则将该环形阳极弹射脱离，减轻装置的重量。该种模式推力最大、比冲最高，但是功耗也最高，结合了化学推进和电推进的优势，适合空间装置的大范围轨道机动和紧急避险任务。
60.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。