阅读说明：本技术 一种同轴型真空电弧推进器的推进剂自动补给装置 (Propellant automatic supply device of coaxial vacuum arc propeller ) 是由 史宗谦 朱其杰 徐鹏飞 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种同轴型真空电弧推进器的推进剂自动补给装置。包括同轴固定的阳极,带有内螺纹的轴向绝缘套管,带有外螺纹的阴极杆,微型步进电机及其传动机构,其中传动机构选择了一对交错轴螺旋直齿轮及螺纹管。当推进剂需要补给时,来自PPU的触发脉冲信号驱动微型步进电机工作,其角位移引起交错轴螺旋直齿轮及螺纹管的转动,进而引起阴极杆的螺旋运动,达到推进剂补给的目的。其中微型步进电机单次推进补给的阴极质量应与当前阶段内阴极损耗相同,以此达到消耗与补给的平衡,延长推进器工作寿命。本发明结构简单,易于工业化应用,且可以实现对推进剂的精确补给以达到延长真空电弧推进器工作寿命的目的。(The invention discloses an automatic propellant supply device of a coaxial vacuum arc propeller. The miniature stepping motor comprises a coaxially fixed anode, an axial insulating sleeve with internal threads, a cathode rod with external threads, a miniature stepping motor and a transmission mechanism thereof, wherein the transmission mechanism selects a pair of crossed-axis spiral straight gears and a threaded pipe. When the propellant needs to be supplied, a trigger pulse signal from the PPU drives the micro stepping motor to work, and the angular displacement of the micro stepping motor causes the rotation of the crossed shaft spiral straight gear and the threaded pipe, so that the spiral motion of the cathode rod is caused, and the purpose of supplying the propellant is achieved. The quality of the cathode for single propelling and supplying of the micro stepping motor is the same as the cathode loss in the current stage, so that the balance between consumption and supplying is achieved, and the service life of the propeller is prolonged. The vacuum arc thruster is simple in structure and easy to industrially apply, and can accurately supply the propellant so as to achieve the purpose of prolonging the service life of the vacuum arc thruster.)

一种同轴型真空电弧推进器的推进剂自动补给装置

技术领域

本发明涉及卫星电推进技术领域，特别是涉及一种同轴型真空电弧推进器。

背景技术

受限于体积、重量和功率等因素、传统推进系统无法满足微纳卫星姿态控制与轨道转移的需求。真空电弧推进器(Vacuum Arc Thruster,VAT)作为一种新型的电推进技术，因其小型化、低电压、高比冲等特点，在微纳卫星推进应用方面具有很大的技术优势。

真空电弧推进器根据放电电极结构的不同，可以将其分为三种，分别是同轴型、圆环型和平板型三种结构类型。它们有着相同的原理：

1)电极间发生电弧放电产生高速、高能且准中性的等离子体，这些来源于阴极斑点的等离子体在自身压力和磁场的作用下从推进器表面高速逸出，使推进器获得一个相反方向的推力。

2)VAT是通过直接烧蚀阴极材料来获取推力的，阴极的质损大多以等离子体的形式高速喷射出去，少数部分为一些中性大颗粒或者液滴低速喷出，其中离子部分贡献了绝大部分推力。离子速度越大，方向越垂直于出射表面，则在单位重量阴极燃料下所获得的冲量越大。

3)在电极间加入绝缘介质后，电极间不是击穿绝缘介质而形成电弧而是在绝缘介质表面形成闪络放电来触发电弧，利用真空镀膜技术在绝缘介质表面镀一层导电涂层，进一步降低电极间击穿电压。放电结束后，阴极烧蚀产生的部分中性大颗粒和液滴将重新沉积在导电薄膜上，与放电过程中的消耗形成动态平衡，以实现稳定触发的效果。

4)在磁场的作用下，阴极斑点的旋转运动会使烧蚀更加均匀，延长电极的使用寿命。相比于圆环型VAT和平板型VAT，同轴型VAT可将内电极作为阴极，外电极作为阳极，能更好地限制阴极斑点的运动范围，能够更大程度的保持其形状以保证电弧放电特性的稳定。此外，同轴型VAT具有射流方向性好，等离子体的喷射速度略高的优点。

由于阴极本身作为推进剂，阴极表面材料的烧蚀会逐渐增大阴极和阳极之间放电路径，导致放电电压不足以形成真空电弧等离子体，缩短VAT的使用寿命。为了扩大VAT作为微纳卫星推进器的应用，需要设计自动补给机构维持推进剂补给。

对于同轴型VAT中内阳极外阴极的设计，普遍使用压缩弹簧蓄力提供补给推动力的方案，但这种方案下的推进器，射流方向性差，易发生阴极烧蚀效果差而导致的补给失败，且因为外壳对阴极的遮挡，会产生较大的能量损失。而同轴型VAT中外阳极内阴极的设计方案，VAT射流方向性好，阴极材料利用率高，且因为阴极的有效烧蚀可以带来VAT更高的使用效率。但目前在这种设计中缺少实用有效的推进剂自动补给方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的同轴型真空电弧推进器的推进剂可补给设计，有效解决同轴型真空电弧推进器作为微纳卫星推进器的补给难题。

本发明的技术方案是：利用微型步进电机的角位移通过传动机构螺旋驱动杆状阴极以实现同轴型VAT的推进剂补给。该方案中，阳极同轴地套装在杆状阴极外部，阴极与阳极之间设置有轴向绝缘套管，阳极与阴极外部边缘的距离即为绝缘套管的壁宽。杆状阴极具有外螺纹且轴向绝缘套管具有内螺纹，两者之间螺纹配合。在出口平面处，阳极、轴向绝缘套管和阴极杆三者表面基本平齐，轴向绝缘套管表面覆盖有导电涂层，阴极由于真空电弧放电而烧蚀。根据材料的烧蚀率、单次放电能量以及放电次数可知当前阶段已烧蚀质量，当阴极和阳极之间放电路径增大而需要补给时，触发微型步进电机工作，通过传动机构驱动阴极杆螺旋前进，对推进剂实施补给。

其中推进剂单次的补给量必须与其当前阶段内烧蚀量进行匹配，否则补给过多或者过少都会导致电弧放电失败。

其中微型步进电机单次工作中的推进剂补给量，可通过对触发脉冲信号、电机参数、传动机构传动比的设定进行调整。

本发明的特点在于：

同轴型真空电弧推进器的推进剂可自动补给，且补给量可由微型步进电机精确控制，以达到补给量与烧蚀量的平衡，从而延长推进器的工作寿命。

其中可通过单片机来控制微型步进电机的角位移，在电源处理单元(PowerProcessin Unit，PPU)中，利用半导体开关控制放电，通过单片机对脉冲放电次数进行计数。推进器的阴极材料烧蚀率是固定的，量级在数十微克每库伦。在推进器工作中，可得出烧蚀一定质量的推进剂需要的放电次数，当单片机计数至此数值时，对微型步进电机发出脉冲驱动信号，驱动传动机构补给与烧蚀质量相同的推进剂。

其中杆状阴极外螺纹和与之配合的轴向绝缘套管内螺纹的螺距应尽可能的小，以此提高微型步进电机补给的精度，延长推进器的工作寿命。

其中传动机构中选择交错轴螺旋直齿轮，可以减少传动机构设置的繁琐，为整个装置的空间安放提供更高的灵活性。

其中对轴向绝缘套管应作出要求，其厚度决定了电极间隙距离，进而决定了放电所需击穿电压的大小，距离过大所需要的击穿电压也会增大，距离过短，可能造成绝缘介质不可逆转的击穿，导致电极间短路。可选择氮化硼、氧化铝这类热稳定性好、能抵抗熔融金属侵蚀、相对介电常数较低、击穿强度高、加工性能良好的材料。

其中对阴极材料的选择应作出要求，放电阴极直接影响到真空电弧特性，从而影响到VAT的性能参数。阴极材料的熔点不宜过低，否则在烧蚀阴极时会产生较多中性大颗粒和液滴，降低推进器的效率。可选择钛、铜这类离子速度、熔点、烧蚀率较高的材质作为阴极材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：可以实现同轴型真空电弧推进器的推进剂自动补给,利用微型步进电机和传动机构的组合装置，可简单有效地实现以上目的。

附图说明

图1为包括电源处理单元的同轴型真空电弧推进器的示意图；

图2为同轴型真空电弧推进器出口端面的示意图；

图3为本发明中同轴型真空电弧推进器的推进剂自动补给装置结构示意图；

图4为图3所示推进剂自动补给装置左右二等角轴测视图。

图示说明：

1—直流电源，2—电感器，3—半导体开关，可选择MOSFET或IGBT，4—限流电阻，5—阳极，6—轴向绝缘套管，7—杆状阴极，8—绝缘底座，9—螺纹管，10—1号螺旋直齿轮，11—2号螺旋直齿轮，12—底座支架，13—绝缘体，14—微型步进电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种同轴型真空电弧推进器的推进剂自动补给装置进行详细阐述。

图1中PPU包括20-24V的直流电源1、电感器2、半导体开关3以及限流电阻4，其中半导体开关3通常可选择IGBT或MOSFET。通过脉冲信号发生器控制半导体开关3通断的工作频率和脉冲宽度，半导体开关3的栅极接收矩形触发脉冲信号，当触发信号处于高电平时，源极和漏极导通，电路导通，此时PPU处于储能状态；当触发信号处于低电平时，电路断开，此时PPU处于能量释放状态，所产生的电压由公式：

V＝L*dI/dt

图2是真空电弧推进器的放电端面，阳极5和杆状阴极7之间的轴向绝缘套管6表面镀有阻抗10Ω到10kΩ的导电薄膜，可选择石墨膜或者与阴极材质相同的纳米金属膜。PPU产生的脉冲电压将直接集中到导电薄膜与阴极杆7的若干个接触点两端，流经这些接触点处的电流密度非常大，由于焦耳热效应，导电薄膜材料与阴极金属将共同气化，在真空扩散的金属原子蒸气被电离成微等离子体，形成两个电极间阻抗约10mΩ的低阻抗通道，电流迅速从高阻抗的初始电极表面放电切换到低阻抗的等离子体放电路径，最终形成电极间的电弧放电。

在多次放电烧蚀过程中，阳极5和阴极7之间的放电路径随之增大，会导致触发放电失败。可设定一个数值M作为需要补给时的已烧蚀质量。当VAT处于某一工况时，单次脉冲经过电极的总电荷Q是恒定的,且阴极材料的烧蚀率γ也是恒定的。烧蚀率γ通过单次触发脉冲阴极的质量损失ΔM和总电荷Q求得：

γ＝ΔM/Q

通过设定的已烧蚀质量M、阴极材料烧蚀率γ以及单次放电能量Q可计算出阴极消耗质量M需要的脉冲放电次数N：

N＝M/Qγ

使用单片机对PPU回路中半导体开关3的脉冲信号进行计数，当PPU中脉冲放电次数达到上述计算得出的数值N时，在图3中，单片机对微型步进电机14施加脉冲信号使之发生角位移，带动1号螺旋直齿轮10旋转，因为1号螺旋直齿轮10同2号螺旋直齿轮11为交错轴咬合配置，2号螺旋直齿轮11随之旋转，进而带动同轴的螺纹管9转动。并且螺纹管9的外螺纹与杆状阴极7外螺纹同螺距咬合，进而使杆状阴极7螺旋前进，达到推进剂补给的目的。在此过程中，杆状阴极7的两端分别由轴向绝缘套管6和绝缘体13约束，阳极5外围由绝缘底座8固定，以保证在机械能转换的过程中各部件平稳，顺利补给。

需要注意的是，微型步进电机14单次补给的推进剂质量应与上述需要补给时的阴极已烧蚀质量M相同。单次补给的质量可通过对微型步进电机14的触发脉冲信号、电机参数、传动机构传动比的设置进行调整，以此达到消耗与补给的平衡，保证长时间工作下触发放电的稳定性，延长VAT工作寿命。