本發(fā)明涉及立方星推進領(lǐng)域，特別是涉及新型微陰極電弧推力器及其加速方法。

背景技術(shù)：

1、微陰極電弧推力器具有高比沖、低功率、體積小以及質(zhì)量低等特點，適合作為立方星推進裝置，具有很好的發(fā)展前景。現(xiàn)有的微陰極電弧推力器性能提升方法主要包括：在微陰極電弧推力器噴口處加裝加速柵極與磁等離子體動力推力器(magneto?plasma?dynamicthruster，mpdt)裝置。通過對離子進行加速提升微陰極電弧推力器推進性能，雖然針對離子加速可以提升推力器的推進性能，然而加速裝置往往會引入新的供能裝置，造成能量上的損耗。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種新型微陰極電弧推力器及其加速方法，對推力器噴出的等離子體流中的離子進行加速。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種新型微陰極電弧推力器，包括推力器、喇叭形加速電極和功率處理單元；

4、所述功率處理單元的高電位輸出端分別與所述推力器的陽極和所述喇叭形加速電極連接，所述推力器的陰極和所述功率處理單元的低電位輸出端連接；

5、所述功率處理單元，用于使所述推力器的陽極與陰極之間產(chǎn)生瞬態(tài)高壓，形成等離子體流從所述推力器的噴口處噴出；

6、所述喇叭形加速電極設置在所述推力器的噴口處，所述喇叭形加速電極用于對所述等離子體流進行加速。

7、進一步地，所述推力器包括由內(nèi)向外依次設置陰極、絕緣結(jié)構(gòu)、陽極和磁鐵；所述陰極為圓柱形；所述絕緣結(jié)構(gòu)、所述磁鐵和所述推力器的陽極均為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。

8、進一步地，所述功率處理單元包括電源、電阻、絕緣柵雙極型晶體管和電容；所述絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極為所述功率處理單元的高電位輸出端，所述電源的負極為所述功率處理單元低電位輸出端；

9、所述絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極和所述推力器的陽極連接，所述絕緣柵雙極型晶體管的集電極分別與所述電阻的一端和所述電容的一端連接；

10、所述絕緣柵雙極型晶體管的柵極接入脈沖信號，控制所述絕緣柵雙極型晶體管接通和斷開；

11、所述電阻的另一端和所述電源的正極連接；

12、所述推力器的陰極和所述電容的另一端均與所述電源的負極連接。

13、進一步地，所述喇叭形加速電極的喇叭擴張角變化范圍為(π/2，π)。

14、第二方面，本發(fā)明提供了一種新型微陰極電弧推力器的加速方法，應用于上述任一項所述新型的微陰極電弧推力器，所述加速方法包括：

15、在功率處理單元中的絕緣柵雙極型晶體管接通時，推力器的陽極與陰極之間形成瞬態(tài)高壓噴出等離子體流，且，喇叭形加速電極在推力器的噴口處形成瞬時電場；

16、所述等離子體流中的電子在推力器的磁鐵的作用下被束縛形成引導磁場；

17、所述等離子體流在所述引導磁場的作用下遠離所述噴口，進入所述瞬時電場，所述瞬時電場使所述等離子體流在所述推力器的軸向方向上加速，在所述推力器的徑向方向上減速。

18、進一步地，所述瞬時電場使所述等離子體流在所述推力器的軸向方向上加速，在所述推力器的徑向方向上減速，具體為：

19、在所述瞬時電場中，所述等離子體流在所述推力器的徑向方向受到所述瞬時電場形成的徑向電場分量的約束力，使所述等離子體流在所述推力器的徑向方向上減速；所述等離子體流在所述推力器的軸向方向受到所述瞬時電場形成的軸向電場分量的作用力，使所述離子在所述推力器的軸向方向上加速；其中，所述徑向電場分量的表達式為所述軸向電場分量的表達式為

20、其中，為喇叭形加速電極中任意一點的微元和推力器的陰極耦合產(chǎn)生的電勢，α為喇叭形加速電極微元角，所述喇叭形加速電極微元角為喇叭形加速電極中的任意一點和陰極在噴口一端的端點所在直線與陰極所在直線形成的夾角，l為喇叭形加速電極中任意一點到陰極在噴口一端的端點的水平距離。

21、根據(jù)本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

22、本發(fā)明中的新型微陰極電弧推力器包括推力器、喇叭形加速電極和功率處理單元，喇叭形加速電極與功率處理單元的高電位輸出端連接，在功率處理單元為推力器的陽極與陰極提供瞬態(tài)高壓時，喇叭形加速電極獲得瞬態(tài)高電壓形成加速電場，等離子體流減小離子體流中的徑向速度減小，同時增加等離子體流的軸向速度，實現(xiàn)約束等離子體流的目的，增加等離子體流的速度，實現(xiàn)在不需要額外設置動力裝置的情況下，增強推力器的推力，減小能耗。

技術(shù)特征：

1.一種新型微陰極電弧推力器，其特征在于，包括推力器、喇叭形加速電極和功率處理單元；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型微陰極電弧推力器，其特征在于，所述推力器由內(nèi)向外依次設置陰極、絕緣結(jié)構(gòu)、陽極和磁鐵；所述陰極為圓柱形；所述絕緣結(jié)構(gòu)、所述磁鐵和所述推力器的陽極均為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型微陰極電弧推力器，其特征在于，所述功率處理單元包括電源、電阻、絕緣柵雙極型晶體管和電容；所述絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極為所述功率處理單元的高電位輸出端，所述電源的負極為所述功率處理單元低電位輸出端；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型微陰極電弧推力器，其特征在于，所述喇叭形加速電極的喇叭擴張角變化范圍為(π/2，π)。

5.一種新型微陰極電弧推力器的加速方法，其特征在于，應用于權(quán)利要求1-4任一項所述新型的微陰極電弧推力器，所述加速方法包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的新型微陰極電弧推力器的加速方法，其特征在于，所述瞬時電場使所述等離子體流在所述推力器的軸向方向上加速，在所述推力器的徑向方向上減速，具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種新型微陰極電弧推力器及其加速方法，涉及立方星推進領(lǐng)域，微陰極電弧推力器包括推力器、喇叭形加速電極和功率處理單元；所述功率處理單元的高電位輸出端分別與所述推力器的陽極和所述喇叭形加速電極連接，所述推力器的陰極和所述功率處理單元的低電位輸出端連接；所述功率處理單元，用于使所述推力器的陽極與陰極之間產(chǎn)生瞬態(tài)高壓，形成等離子體流從所述推力器的噴口處噴出；所述喇叭形加速電極設置在所述推力器的噴口處，所述喇叭形加速電極用于對所述等離子體流進行加速，本發(fā)明在不增加額外動力裝置的情況下，實現(xiàn)對推力器噴出的等離子體流中的離子進行加速。

技術(shù)研發(fā)人員：魏立秋,紀添源,梁天策,于達仁
受保護的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/12