一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置

本发明涉及电推进，且具体地涉及一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置。

背景技术：

1、空间电推进技术作为一种先进的推进技术，在航天器的姿态控制、轨道转移、南北位保持、重定位等方面有着广泛的应用。随着微小卫星的逐渐发展，空间电推进技术因其高比冲的优势已逐渐成为空间小推力推进装置的首选方案；真空电弧推力器因其具有体积小、比冲高、功耗低、寿命长、结构紧凑、污染小的性能优势具有巨大的应用价值。

2、真空电弧推力器(vacuum arc thruster，简称vat)，是一种新型的空间电推力器，利用真空条件下的电弧放电，烧蚀固体金属材料，产生金属蒸汽，并电离金属蒸汽后产生等离子体。等离子体在磁约束条件下，经过聚焦和轴向加速，产生推力。相比于其他类型的电推力器，vat采用固态推进工质，金属阴极既作为放电阴极又作为推力器的推进工质，不需要额外的工质储供系统，同时，具有结构简单，体积小，系统质量轻，电源功率需求小，工作寿命长，推力可变，回流污染低等优点。

3、然而，传统的真空电弧推力器由于加速效率低等问题，推力水平较低，无法胜任日益增长的复杂空间任务的需求。传统结构及方案由于电极单边分布导致放电电场存在缺陷，同时仅依靠自身场加速，加速效率较低。此外，现有研究中不能保证电极安装的同轴度。尽管国内外基于此进行了大量了理论与试验探究，在控制推力器功率的情况下可靠提升加速效率的问题仍旧难以妥善解决。

4、大连理工大学拥有的公开号为cn115045816a的中国专利授权文件公开了一种双阳极微阴极电弧推进装置，包括内层阳极(1)、内层绝缘陶瓷层(2)、阴极(3)、外层绝缘陶瓷层(7)、外层阳极(5)、绝缘套筒(6)、定位盖(4)、弹簧(10)、后盖(11)、外壳(8)；双阳极微阴极电弧推进装置能够一定程度提升烧蚀的均匀性，有利于低功率真空电弧推力器的可靠应用。

5、但上述结构设计中，没有考虑改变电极结构后加速效率降低导致的推力下降的问题。此外，其外层阳极与绝缘套筒之间没有轴向重定位设计，导致阴极与绝缘套筒之间缺少约束而产生错位，难以进一步保证烧蚀的均匀性。有鉴于此，需要一种提升加速效率，同时能够保证电极间轴向定位可靠的磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置，以在提升使用寿命的同时保证加速效率。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的实施方式提供了一种加速效率提升的磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置，以解决传统真空电弧推力器电场分布不均匀，加速效率低的问题。

2、本发明技术方案如下：

3、一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置，包括：环形阳极、中央阳极、阴极、环形钎料、环形绝缘体、中央绝缘体、定位垫片、进给弹簧、电磁线圈、磁路、绝缘底座、紧定垫片、紧定螺栓a、紧定螺栓b、紧定螺栓c；

4、所述环形阳极、环形绝缘体、阴极、中央绝缘体、中央阳极依次排列并保持同轴滑动配合，所述环形阳极与环形绝缘体间通过超声波钎焊连接，所述中央阳极与绝缘底座通过螺纹连接，所述电磁线圈套在环形阳极外侧，所述紧定螺栓a和紧定螺栓c将磁路、环形阳极、环形绝缘体、中央绝缘体、阴极固定在外壳上，所述紧定螺栓b与定位垫片连接，所述定位垫片被压缩的进给弹簧分别压在阴极下底面与绝缘底座上表面，所述电磁线圈与所述环形阳极间为滑动配合，所述电磁线圈与磁路共同作用形成磁喷管提升放电过程中产生的等离子体束流的加速效率。

5、进一步地，所述中央绝缘体与环形绝缘体材料可为95％氧化铝陶瓷、99％氧化铝或氮化硼陶瓷，表面为真空物理气相沉积制备的导电薄膜。

6、进一步地，所述导电薄膜可以为ti、c、tin、aln及其他同类型半导体薄膜。

7、进一步地，所述中央阳极与环形阳极的材质为紫铜或黄铜，所述中央阳极底部带有螺纹，所述环形阳极底部带有螺纹孔。

8、进一步地，所述阴极材质可以为钛、铜、钽、铝、钼、钨、铌及其各类合金。在结构上可以是航天器或其他人造天体本身的一部分，或直接与航天器相连接。

9、进一步地，所述环形钎料材质可以为铟含量不同的合金，焊接温度为180-400℃。

10、进一步地，所述定位垫片材质可以为不锈钢或钛合金。

11、进一步地，所述进给弹簧材质为高温合金。

12、进一步地，所述电磁线圈材质为无氧铜。

13、进一步地，所述磁路材质为1j22或dt4c导磁合金。

14、进一步地，所述绝缘底座材质为聚四氟乙烯或聚醚醚酮。

15、进一步地，所述紧定垫片材质为不锈钢或钛合金。

16、进一步地，所述紧定螺栓a及紧定螺栓c材质为钛合金。

17、进一步地，所述紧定螺栓b材质为黄铜或紫铜。

18、本发明的有益效果：

19、(1)本发明提出的磁喷管增强设计，解决加速效率低的问题，使得推力器功率不变的前提下推力提升比例更大，更能满足卫星多样化任务需求。此外提出直接使用航天器作为阴极烧蚀的构想，为领域内开创性的思路，能够在提升总冲的同时，降低成本与系统复杂度。

20、(2)本发明提出的磁喷管增强设计，提升束流中离子含量，使得推力器推进剂的利用效率提升，总冲提升。

21、(3)本发明的分段阳极结构，可提供的放电电场梯度分布均匀，降低不均匀烧蚀风险，提高束流离子电流，同时能够使得烧蚀端面更均匀、提升推力器总冲。

22、(4)本发明的分段阳极结构，可兼容低功率与高功率的不同工况，结构具有普适性。

23、(5)本发明使用的超声波焊接工艺，可降低电极与绝缘体之间的可能出现不充分接触的风险，保证推力器的长时间在轨工作稳定性。

技术特征：

1.一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置，包括：环形阳极(1)、中央阳极(2)、阴极(3)、环形钎料(4)、环形绝缘体(5)、中央绝缘体(6)、定位垫片(7)、进给弹簧(8)、电磁线圈(9)、磁路(10)、绝缘底座(11)、紧定垫片(12)、紧定螺栓a(13)、紧定螺栓b(14)、紧定螺栓c(15)；

2.如权利要求1所述的一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置，其特征在于，所述中央绝缘体与环形绝缘体材料可为95％氧化铝陶瓷、99％氧化铝或氮化硼陶瓷，表面为真空物理气相沉积制备的导电薄膜。

3.如权利要求1或2所述的一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置，其特征在于，所述导电薄膜可以为ti、c、tin、aln及其他同类型半导体薄膜。

4.如权利要求1或2所述的一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置，其特征在于，所述中央阳极与环形阳极的材质为紫铜或黄铜，所述中央阳极底部带有螺纹，所述环形阳极底部带有螺纹孔。

5.如权利要求1或2所述的一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置，其特征在于，所述阴极材质可以为钛、铜、钽、铝、钼、钨、铌及其各类合金。

6.如权利要求3所述的一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置，其特征在于，所述阴极在结构上可以是航天器或其他人造天体本身的一部分，或直接与航天器相连接。

7.如权利要求1所述的一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置，其特征在于，所述环形钎料材质可以为铟含量不同的合金，焊接温度为180-400℃。

8.如权利要求1或2或6所述的一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置，其特征在于，所述定位垫片材质可以为不锈钢或钛合金。

9.如权利要求1或2或6所述的一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置，其特征在于，所述进给弹簧材质为高温合金。

10.如权利要求1或2或6所述的一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置，其特征在于，所述磁路材质为1j22或dt4c导磁合金。

技术总结
本发明涉及电推进技术领域，涉及一种磁喷管增强型分段阳极真空电弧推进装置。包括环形阳极、中央阳极、阴极、环形钎料、环形绝缘体、中央绝缘体、定位垫片、进给弹簧、电磁线圈、磁路、绝缘底座、紧定垫片、紧定螺栓A、紧定螺栓B、紧定螺栓C。所述环形阳极、环形绝缘体、阴极、中央绝缘体、中央阳极依次排列并保持同轴滑动配合，所述环形阳极与环形绝缘体间通过超声波钎焊连接，所述中央阳极与绝缘底座通过螺纹连接，所述电磁线圈套在环形阳极外侧，所述紧定螺栓A和紧定螺栓C将磁路、环形阳极、环形绝缘体、中央绝缘体、阴极固定在外壳上，所述紧定螺栓B与定位垫片连接，所述定位垫片被压缩的进给弹簧分别压在阴极下底面与绝缘底座上表面，所述电磁线圈与所述环形阳极间为滑动配合，所述电磁线圈与磁路共同作用形成磁喷管提升放电过程中产生的等离子体束流的加速效率。本发明在提升真空电弧推力器使用寿命的同时极大程度地提升了加速效率，提高了推力器的推力，以使其能够满足更复杂的空间任务需求。

技术研发人员：汤海滨,齐佳运,任军学,王一白,张尊
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/30