一种磁等离子体动力推力器的分级启动装置
阅读说明：本技术 一种磁等离子体动力推力器的分级启动装置 (Grading starting device of magnetic plasma power thruster ) 是由 周成 韩道满 李永 王戈 丛云天 王宝军 姚兆普 刘旭辉 赵博强 亢淼 应磊 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：一种磁等离子体动力推力器的分级启动装置,包括阴极、第一阳极、第二阳极、阴阳极绝缘陶瓷；推力器点火时,阴极和第一阳极首先启动引出束流,然后对第二阳极加载空载电压,使得第二阳极启动；阴阳极绝缘陶瓷用于第一阳极与第二阳极的绝缘；第一阳极与阴极之间的最小距离不超过预设第一间距且使得启动击穿电压不超过预设第一电压；第一阳极与第二阳极之间的最小距离不超过预设第二间距且第二阳极环与阴极的空载电压不超过预设第二电压。(A graded starting device of a magnetic plasma power thruster comprises a cathode, a first anode, a second anode and cathode-anode insulating ceramics; when the thruster is ignited, the cathode and the first anode are started to extract beam current, and then no-load voltage is loaded on the second anode to start the second anode; the cathode-anode insulating ceramic is used for insulating the first anode and the second anode; the minimum distance between the first anode and the cathode does not exceed a preset first distance and the starting breakdown voltage does not exceed a preset first voltage; the minimum distance between the first anode and the second anode does not exceed a preset second distance, and the no-load voltage of the second anode ring and the cathode does not exceed a preset second voltage.)
技术领域
本发明涉及一种磁等离子体动力推力器的分级启动装置，特别是一种大功率磁等离子体动力推力器分级启动结构装置，用于大功率航天器平台的姿态和轨道控制和高轨机动，属于空间航天器电推进动力系统设计技术领域。
背景技术
磁等离子体动力推进是一种通过高温电弧电离工质产生高密度等离子体，并利用强磁场和大电流形成的洛伦兹力对等离子体加速而产生推力的新型动力装置，具有超高比冲、大推力密度、结构紧凑等技术优势，其比冲等核心指标远高于目前已有空间推进技术，是决定未来载人火星探测、超大型天基武器平台实在部署等重大航天任务成败的关键技术之一。
传统磁等离子体动力推力器采用超高压单一阴阳级击穿点火结构设计，该设计方案相对简单，但是存在击穿电压过高、启动功率过高，阴极存在严重启动烧蚀问题，制约整个推力器寿命提升。此外，单一阴阳级击穿点火结构设计带来了大功率电源处理单元超高压模块绝缘保护、拓扑电路等设计困难，大幅提高了大功率电源处理单元研制难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种磁等离子体动力推力器的分级启动装置，包括阴极、第一阳极、第二阳极、阴阳极绝缘陶瓷；推力器点火时，阴极和第一阳极首先启动引出束流，然后对第二阳极加载空载电压，使得第二阳极启动；阴阳极绝缘陶瓷用于第一阳极与第二阳极的绝缘；第一阳极与阴极之间的最小距离不超过预设第一间距且使得启动击穿电压不超过预设第一电压；第一阳极与第二阳极之间的最小距离不超过预设第二间距且第二阳极环与阴极的空载电压不超过预设第二电压。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种磁等离子体动力推力器的分级启动装置，包括阴极、第一阳极、第二阳极、阴阳极绝缘陶瓷；
推力器点火时，阴极和第一阳极首先启动引出束流，然后对第二阳极加载空载电压，使得第二阳极启动；阴阳极绝缘陶瓷用于第一阳极与第二阳极的绝缘；
第一阳极与阴极之间的最小距离不超过预设第一间距且使得启动击穿电压不超过预设第一电压；
第一阳极与第二阳极之间的最小距离不超过预设第二间距且第二阳极环与阴极的空载电压不超过预设第二电压。
优选的，所述阴极采用多孔空心阴极。
优选的，第一阳极包括第一阳极环、第一阳极供电柱、第一阳极供电条、第一阳极绝缘陶瓷管；
第一阳极环与阴极同轴安装后形成组合体，阴阳极陶瓷绝缘套装在组合体外，且使得第一阳极环与第二阳极绝缘；第一阳极供电条经第一阳极供电柱为第一阳极环供电；其中第一阳极供电柱穿过第一阳极绝缘陶瓷管。
优选的，第二阳极包括第二阳极环、第二阳极供电块、第二阳极外壳；
第二阳极环套装在阴阳极绝缘陶瓷外且与第一阳极绝缘；
第二阳极供电块用于为第二阳极环供电；
第二阳极外壳与第二阳极环焊接，且第二阳极外壳与和第二阳极环之间形成第二阳极冷却通道。
优选的，第一阳极绝缘陶瓷管和阴阳极绝缘陶瓷均采用陶瓷材料制成。
优选的，第一阳极环采用耐高温导电材料制成。
优选的，第二阳极环、第二阳极外壳、第二阳极供电块均采用铜材料，通过钎焊焊接实现密封，第二阳极冷却通道的耐压最大值为4MPa。
优选的，第一阳极绝缘陶瓷管与第二阳极的第二阳极环的穿孔以间隙配合方式安装，间隙控制在0.05mm～0.1mm。
优选的，第一阳极环在安装时与阴极的前端圆柱面同轴，同轴度满足0.05mm～0.1mm要求。
优选的，第一阳极供电柱的一端为M5螺纹，与第一阳极环的锥孔连接，通过沉孔形式减少接触电阻；第一阳极供电柱的另一端为圆柱段，与第一阳极供电条通过M4螺钉和垫片进行压紧，并通过点胶固化防松。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明采用第一阳极与阴极环形嵌套结构设计方案，第一阳极环与阴极尖端最短直线距离范围为2～3mm，第一阳极与阴极的启动击穿电压为450V～800V，而传统磁等离子体动力推力器启动电压约为14000V，能够大幅降低推力器启动电压；稳定工作电压20～40V，稳定工作电流80～100A，引出束流长约350～500mm；
(2)本发明采用第二阳极环结构设计，第二阳极环与第一阳极环尖端最短直线距离为10～20mm，均采用环形腔体结构，加载350V～600V空载电压，将第一阳极束流引出到第二阳极，第二阳极稳定输出后关闭第一阳极输出；
(3)本发明通过陶瓷管与金属螺钉同轴配合，穿孔第二阳极和阴阳极绝缘陶瓷，完成第一阳极供电柱与第一阳极的连接且与第二阳极绝缘；陶瓷管外壁面与阴阳极绝缘陶瓷之间通过高温绝缘胶进行密封，防止等离子体通过间隙到达第二阳极，进而影响第一阳极启动点火。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种磁等离子体动力推力器的分级启动装置，其特征在于，包括阴极、第一阳极、第二阳极、阴阳极绝缘陶瓷；
推力器点火时，阴极和第一阳极首先启动引出束流，然后对第二阳极加载空载电压，使得第二阳极启动；阴阳极绝缘陶瓷用于第一阳极与第二阳极的绝缘；
第一阳极与阴极之间的最小距离不超过预设第一间距且使得启动击穿电压不超过预设第一电压；
第一阳极与第二阳极之间的最小距离不超过预设第二间距且第二阳极环与阴极的空载电压不超过预设第二电压。
第一阳极包括第一阳极环、第一阳极供电柱、第一阳极供电条、第一阳极绝缘陶瓷管；第一阳极环与阴极同轴安装后形成组合体，阴阳极陶瓷绝缘套装在组合体外，且使得第一阳极环与第二阳极绝缘；第一阳极供电条经第一阳极供电柱为第一阳极环供电；其中第一阳极供电柱穿过第一阳极绝缘陶瓷管。
第二阳极包括第二阳极环、第二阳极供电块、第二阳极外壳；第二阳极环套装在阴阳极绝缘陶瓷外且与第一阳极绝缘；第二阳极供电块用于为第二阳极环供电；第二阳极外壳与第二阳极环焊接，且第二阳极外壳与和第二阳极环之间形成第二阳极冷却通道。
所述阴极采用多孔空心阴极。
第一阳极绝缘陶瓷管和阴阳极绝缘陶瓷均采用陶瓷材料制成。第一阳极环采用耐高温导电材料制成，如钨、钼、锆、石墨等。
第二阳极环、第二阳极外壳、第二阳极供电块均采用铜材料，通过钎焊焊接实现密封，第二阳极冷却通道的耐压最大值为4MPa。
第一阳极绝缘陶瓷管与第二阳极的第二阳极环的穿孔以间隙配合方式安装，间隙控制在0.05mm～0.1mm。
第一阳极环在安装时与阴极的前端圆柱面同轴，同轴度满足0.05mm～0.1mm要求。
第一阳极供电柱的一端为M5螺纹，与第一阳极环的锥孔连接，通过沉孔形式减少接触电阻；第一阳极供电柱的另一端为圆柱段，与第一阳极供电条通过M4螺钉和垫片进行压紧，并通过点胶固化防松。
更具体的：
一种磁等离子体动力推力器的分级启动装置，如图1所示，包括多孔空心阴极、第一阳极环、第一阳极供电柱、第一阳极供电条、第一阳极绝缘陶瓷管、阴阳极绝缘陶瓷、第二阳极外壳、第二阳极环、第二阳极供电块。推力器点火瞬间通过第一阳极环和阴极间低压低功率启动引出束流，然后通过第二阳极供电块给第二阳极环加载空载电压，再完成第二阳极启动，实现分级启动。
一种磁等离子体动力推力器的分级启动装置，在整体结构安装上应保证阴极、第一阳极环和第二阳极环同轴度较好以实现均匀稳定放电，同轴度优于0.1mm；同时陶瓷绝缘结构上满足耐压要求，耐压超过15000V；供电连接安全可靠满足最大通流要求，不低于500A。第二阳极与阴阳极绝缘陶瓷通过间隙配合安装，多孔空心阴极通过与阴阳极绝缘陶瓷内孔相配合实现同轴匹配，而第一阳极环在安装时需要辅助安装套环工装预先配合阴极，在第一阳极供电柱、第一阳极绝缘陶瓷管穿过第二阳极与第一阳极环连接并通过压紧螺钉与第二阳极供电条固定后，实现第一阳极环位置固定，再撤出辅助安装套环工装。
第一阳极包括第一阳极环、第一阳极供电柱、第一阳极供电条、第一阳极绝缘陶瓷管，第一阳极环与阴极尖端最短直线距离为2～3mm，第一阳极与阴极的启动击穿电压为450V～800V，稳定工作电压20～40V，稳定工作电流80～100A，引出束流长约350～500mm。
第二阳极包括第二阳极环、第二阳极供电块、第二阳极外壳以及第二阳冷却环流通道，第二阳极环与阴极尖端最短直线距离为16～22mm，第二阳极环与第一阳极尖端最短直线距离为10～20mm，第二阳极与阴极的空载为350V～600V，稳定工作电压80～100V，稳定工作电流120～500A。
第一阳极供电柱一端为M5螺纹与第一阳极环的锥孔连接，通过沉孔减少接触电阻。另一端为圆柱段，其上与供电条通过螺钉和垫片进行压紧，并通过点高温绝缘胶固化防松。第一阳极供电柱为外径12～14mm的圆柱，满足电流110A以上的使用要求。
第二阳极供电通过M5螺钉将第二阳极供电块与第二阳极环压紧固定，拧紧力矩为2.5～3Nm，再通过点高温绝缘胶固化防松处理；第二阳极环与供电电缆通过压接形式连接。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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