本發(fā)明涉及一種電弧推力器的新型陰極結(jié)構(gòu)，屬于空間電推進領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、電推進裝置因其性能的優(yōu)越性已經(jīng)取代傳統(tǒng)的化學(xué)推進系統(tǒng)，成為為空間站、衛(wèi)星、航天器提供動力和姿態(tài)控制的首選裝置。電弧推力器的推力/功率比是所有已投入使用的電推進裝置中最高的，其比沖進一步提高的潛力很大；壽命長，運行電壓低，綜合優(yōu)勢明顯；已成為占據(jù)電推進市場的主要產(chǎn)品。電弧推力器不僅應(yīng)用于衛(wèi)星位置保持任務(wù)，還可用于中、低軌道衛(wèi)星的入軌和離軌、低地軌道衛(wèi)星的軌道提升或軌道補償器，甚至應(yīng)用于星際航行的高能推進系統(tǒng)等。

2、現(xiàn)有電弧推力器一般結(jié)構(gòu)參見圖1和圖2所示，由陰極100、陽極102以及二者之間的密封/絕緣裝置101構(gòu)成，其中陽極102通常也是推進劑射流的出口。工作時，由陰極100和陽極102之間的電弧加熱推進劑，推進劑受熱膨脹后，經(jīng)過陽極噴管加速噴出，形成反作用推力。同時部分推進劑電離為等離子體以維持電弧。電弧中心溫度可達20000k以上，大大高于化學(xué)火箭發(fā)動機內(nèi)部工作溫度，因而推力器可以得到較大的比沖。

3、目前大多數(shù)電弧推力器結(jié)構(gòu)中采用實心鎢合金(摻雜2％鈰)棒狀陰極和純鎢陽極。陽極與噴嘴結(jié)構(gòu)一體錐形結(jié)構(gòu)。點火是電弧推力器的難點所在，目前已經(jīng)研究了許多方法來點燃電弧推力器。其中主流點火方式是通過電極之間數(shù)千伏的電壓引起帕邢擊穿，一般帕邢擊穿啟動幾千伏，需要額外的高壓電源來點火，還需要電源維持正常工作。然而高電壓通常會對電極帶來的熱沖擊和高電壓侵蝕，進而導(dǎo)致電弧推力器普遍存在壽命短的問題。這種點火方式還需要配合使用低電離能的啟動氣體(例如氬氣或氖氣)來點燃電弧推力器，使得整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有電弧推力器存在的壽命短、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，本發(fā)明提供一種電弧推力器組合發(fā)射體陰極結(jié)構(gòu)，為電弧推力器提供熱啟動點火方式。

2、本發(fā)明所述一種電弧推力器組合發(fā)射體陰極結(jié)構(gòu)，包括鉭管1、加熱單元、發(fā)射體8和鎢電極9；發(fā)射體8和鎢電極9同軸嵌套安裝于鉭管1內(nèi)筒頂端，加熱單元用于對發(fā)射體8加熱以實現(xiàn)熱電子發(fā)射；

3、發(fā)射體8包括圓盤主體8-1和套體8-2，套體8-2同軸設(shè)置在圓盤主體8-1頂部中心位置且二者為一體件，套體8-2的內(nèi)部凹槽8-4頂端開口；圓盤主體8-1上沿圓周均布多個軸向貫通的進氣孔8-3；

4、鎢電極9包括桶體9-2和錐體9-3，桶體9-2的頂端與錐體9-3的底端一體件連接，桶體9-2的底端設(shè)置有外翻的底座9-1，桶體9-2的內(nèi)腔9-6的頂部與錐體9-3內(nèi)的沉孔連通，沉孔的大孔9-7與內(nèi)腔9-6連通，沉孔的小孔9-4與外界連通；桶體9-2周向均布多個斜向通孔9-5；

5、發(fā)射體8的套體8-2同軸設(shè)置在鎢電極9的桶體9-2內(nèi)，套體8-2與桶體9-2之間形成環(huán)形氣體空間，套體8-2頂端限位在沉孔的大孔9-7內(nèi)，套體8-2內(nèi)的凹槽8-4與小孔9-4連通；發(fā)射體8的圓盤主體8-1卡設(shè)在鎢電極9的底座9-1下端面，發(fā)射體8的進氣孔8-3與環(huán)形氣體空間連通；

6、從鉭管1底端進入的工質(zhì)氣體經(jīng)發(fā)射體8的進氣孔8-3進入環(huán)形氣體空間，然后從多個斜向通孔9-5旋流出氣；

7、加熱單元對發(fā)射體8加熱至1500℃以上，發(fā)射體8的凹槽8-4內(nèi)產(chǎn)生熱發(fā)射種子電子，熱發(fā)射種子電子從鎢電極9的小孔9-4飛出，熱發(fā)射種子電子碰撞鎢電極9側(cè)面旋流出氣的氣體工質(zhì)引發(fā)電子雪崩實現(xiàn)陰極陽極間的電弧放電，發(fā)射體8持續(xù)產(chǎn)生的電子在陰陽極電場作用下到達陽極，建立陰極陽極間的持續(xù)電弧放電，最終實現(xiàn)電弧推力器的點火工作。

8、優(yōu)選地，加熱單元包括隔熱下支架2、螺紋陶瓷3、鉭箔外桶4、鉭箔內(nèi)桶5、加熱床6和隔熱上支架7，

9、圓環(huán)形的加熱床6設(shè)置在鉭管1內(nèi)壁并頂在發(fā)射體8的圓盤主體8-1底端面；

10、螺紋陶瓷3套設(shè)在鉭管1外壁，且軸向位置與加熱床6對應(yīng)；螺紋陶瓷3用于繞制鎢絲；鉭箔內(nèi)桶5和鉭箔外桶4依次套設(shè)在螺紋陶瓷3外部，螺紋陶瓷3、鉭箔外桶4、鉭箔內(nèi)桶5均通過隔熱上支架7和隔熱下支架2固定，且相鄰兩個部件之間具有徑向間隙。

11、優(yōu)選地，還包括鎢絲壓板10，鎢絲壓板10套設(shè)在鉭管1外壁并固定于隔熱上支架7頂端，鎢絲繞制于螺紋陶瓷3后引出端由鎢絲壓板10壓緊并焊接固定。

12、優(yōu)選地，還包括加熱電源，所述加熱電源用于為加熱單元提供電加熱電能，加熱電源連接鎢絲兩端。

13、優(yōu)選地，還包括電場電源，所述電場電源用于提供陰陽極電場，電場電源連接陽極和陰極，電場電源采用100v-300v規(guī)格的直流電源。

14、優(yōu)選地，加熱床6采用采用氧化鈹、氧化鋁或氮化硼陶瓷材質(zhì)。

15、優(yōu)選地，發(fā)射體8采用lab6或鋇鎢材質(zhì)。

16、本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供一種熱啟動點火技術(shù)，并配置相應(yīng)的陰極結(jié)構(gòu)，利用螺紋陶瓷加熱結(jié)構(gòu)將發(fā)射體溫度提高到熱電子發(fā)射的溫度(1500℃以上)，引發(fā)陰極和陽極間持續(xù)的電弧放電。這種熱啟動方式有別于傳統(tǒng)電弧推力器的高電壓擊穿啟動，減少了傳統(tǒng)高電壓啟動的電源要求，使用普通電源(100-150v)即可滿足要求，解決了傳統(tǒng)啟動方式帶來的熱沖擊和高電壓侵蝕問題。

17、本發(fā)明不需要低電離能的啟動氣體，使得結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠。

18、電弧推力器組合發(fā)射體陰極結(jié)構(gòu)適用于大多數(shù)推進劑的使用，為電弧推力器的發(fā)展提供了一種新的結(jié)構(gòu)選擇。

技術(shù)特征：

1.一種電弧推力器組合發(fā)射體陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括鉭管(1)、加熱單元、發(fā)射體(8)和鎢電極(9)；發(fā)射體(8)和鎢電極(9)同軸嵌套安裝于鉭管(1)內(nèi)筒頂端，加熱單元用于對發(fā)射體(8)加熱以實現(xiàn)熱電子發(fā)射；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種電弧推力器組合發(fā)射體陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于，加熱單元包括隔熱下支架(2)、螺紋陶瓷(3)、鉭箔外桶(4)、鉭箔內(nèi)桶(5)、加熱床(6)和隔熱上支架(7)；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種電弧推力器組合發(fā)射體陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括鎢絲壓板(10)，鎢絲壓板(10)套設(shè)在鉭管(1)外壁并固定于隔熱上支架(7)頂端，鎢絲繞制于螺紋陶瓷(3)后引出端由鎢絲壓板(10)壓緊并焊接固定。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種電弧推力器組合發(fā)射體陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括加熱電源，所述加熱電源用于為加熱單元提供電加熱電能，加熱電源連接鎢絲兩端。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種電弧推力器組合發(fā)射體陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括電場電源，所述電場電源用于提供陰陽極電場，電場電源連接陽極和陰極，電場電源采用100v-300v規(guī)格的直流電源。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種電弧推力器組合發(fā)射體陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于，加熱床(6)采用氧化鈹、氧化鋁或氮化硼陶瓷材質(zhì)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種電弧推力器組合發(fā)射體陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于，發(fā)射體(8)采用lab6或鋇鎢材質(zhì)。

技術(shù)總結(jié)
一種電弧推力器組合發(fā)射體陰極結(jié)構(gòu)，屬于空間電推進領(lǐng)域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有電弧推力器存在的壽命短、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。本發(fā)明包括鉭管、加熱單元、發(fā)射體和鎢電極；發(fā)射體和鎢電極同軸嵌套安裝于鉭管內(nèi)筒頂端，發(fā)射體的套體同軸設(shè)置在鎢電極的桶體內(nèi)，套體與桶體之間形成環(huán)形氣體空間，加熱單元對發(fā)射體加熱至1500℃以上，發(fā)射體的凹槽內(nèi)產(chǎn)生熱發(fā)射種子電子，熱發(fā)射種子電子從鎢電極的小孔飛出，熱發(fā)射種子電子碰撞鎢電極側(cè)面旋流出氣的氣體工質(zhì)引發(fā)電子雪崩實現(xiàn)陰極陽極間的電弧放電，發(fā)射體持續(xù)產(chǎn)生的電子在陰陽極電場作用下到達陽極，建立陰極陽極間的持續(xù)電弧放電，最終實現(xiàn)電弧推力器的點火工作。

技術(shù)研發(fā)人員：丁永杰,汪勇
受保護的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9