本發(fā)明屬于電推進(jìn)領(lǐng)域，涉及磁等離子體推力器，具體涉及一種用于激光支持的磁等離子體推力器的多級放電電路。

背景技術(shù)：

磁等離子體推力器是一種電磁加速式電推進(jìn)系統(tǒng)，以其比沖高、效率高、推力大等特點在大型航天器軌道提升、行星際航行和深空探測等方面具有顯著優(yōu)勢。依據(jù)工作模式不同，可分為穩(wěn)態(tài)磁等離子體推力器和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)磁等離子體推力器，其中準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)磁等離子體推力器具有效率更高、壽命更長的特點。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)磁等離子體推力器中的放電電路,具有提供準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電能量的作用。

cn201610273464.9中公開了一種激光支持的磁等離子體推力器，此裝置采用激光燒蝕固體材料作為推力器的工質(zhì)。解決了傳統(tǒng)磁等離子體推力器供氣系統(tǒng)復(fù)雜、動態(tài)響應(yīng)慢、陰極燒蝕嚴(yán)重和大電流振蕩等問題，為航天器提供了一種動態(tài)響應(yīng)快、工質(zhì)利用率高、能量轉(zhuǎn)化效率高的激光支持的磁等離子體推力器。該激光支持的磁等離子體推力器采用固體工質(zhì)，其工作過程為：在推力器兩電極間施加高壓電場，當(dāng)激光燒蝕固體工質(zhì)時，燒蝕產(chǎn)物被兩電極間高壓電場電離產(chǎn)生部分等離子體，激光在兩電極間形成擊穿放電產(chǎn)生電離和加速等離子體。

現(xiàn)有的放電電路為一級放電，其中僅有一個充電電源，為一組電容充電，達(dá)到可擊穿電壓(大于2000v)時擊穿和放電同時發(fā)生，形成強(qiáng)電弧。將該放大電路用于該推力器時，在擊穿放電方時會產(chǎn)生強(qiáng)電弧，從而產(chǎn)生大量熱量，燒蝕固體工質(zhì)，形成嚴(yán)重的滯后燒蝕，造成工質(zhì)和能量的浪費。而且強(qiáng)電弧會燒蝕電極材料，降低推力器的使用壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于激光支持的磁等離子體推力器的多級放電電路，該發(fā)明解決了現(xiàn)有放電電路用于該磁等離子體推力器時，在放電過程中工質(zhì)存在嚴(yán)重的滯后燒蝕的技術(shù)問題。

本發(fā)明提供一種用于激光支持的磁等離子體推力器的多級放電電路，磁等離子體推力器包括陽極、陰極、隔離段和用于接受激光入射的工質(zhì)，隔離段的兩相對側(cè)分別設(shè)置陽極和陰極，工質(zhì)橫向穿透設(shè)置于隔離段中間；包括串聯(lián)于陰極和陽極上的脈沖擊穿電路、串聯(lián)于陰極和陽極上的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路和與一端與陽極相連接另一端接地的保護(hù)電路，

脈沖擊穿電路包括高壓充電電源、與高壓充電電源并聯(lián)的小容量電容和線路電感，高壓充電電源與小容量電容并聯(lián)后正極與線路電感的一端相連接，負(fù)極與陰極相連接；線路電感的另一端與陽極相連接；

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路包括大功率充電電源、多個充電單元和二極管，陽極、二極管、充電單元依序串聯(lián)；多個充電單元并聯(lián)后與大功率充電電源并聯(lián)；

充電單元包括依序串聯(lián)的整流電感、整流電阻和大容量電容；

保護(hù)電路包括功耗電阻和繼電器，功耗電阻一端與陽極相連接，另一端與繼電器相連接；繼電器的另一端接地。

進(jìn)一步地，小容量電容為μf量級，充電電壓高于2000v。。

進(jìn)一步地，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路中的電容容量和整流電感值按下式計算得到

其中，電容量cq，整流電感l(wèi)q，特征放電時間τq，電容數(shù)量n，電容初始電壓vini，等離子體電阻rp，放電電流iq，回路電感l(wèi)q。

進(jìn)一步地，脈沖擊穿電路與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路通過二極管并聯(lián)連接。

進(jìn)一步地，繼電器的限定電流大于陽極電壓與功耗電阻的比值。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1.本發(fā)明提供的用于激光支持的磁等離子體推力器的多級放電電路，通過兩個電路將點火、擊穿、放電過程分開，兩個電路通過二極管并聯(lián)，使其中脈沖擊穿電路的高壓不能向準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路傳輸。以激光方式點火，通過對推力器工作過程中激光點火、脈沖擊穿和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電的分別控制，從而依據(jù)實際需求對三部分進(jìn)行能量分配，增強(qiáng)了推力器的控制能力，有效提高了推力器的能量效率。

2.本發(fā)明提供的用于激光支持的磁等離子體推力器的多級放電電路，可依據(jù)推力器放電需求通過公式(5)計算獲得準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路中的電容量和電感值，方便調(diào)節(jié)推力器放電特性。脈沖擊穿電路中的小容量電容兩端電勢高，容易在推力器兩極板之間形成擊穿放電，增加了推力器放電的成功率。

3.本發(fā)明提供的用于激光支持的磁等離子體推力器的多級放電電路，其中的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路中的大容量電容兩端電勢低，降低了對于電容器和大功率充電電源的要求，從而降低了整個裝置的制造成本。增加了保護(hù)電路，提高了整個裝置的用電安全性。結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、穩(wěn)定性高，能量效率高。

具體請參考根據(jù)本發(fā)明的用于激光支持的磁等離子體推力器的多級放電電路提出的各種實施例的如下描述，將使得本發(fā)明的上述和其他方面顯而易見。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的用于激光支持的磁等離子體推力器的多級放電電路示意圖；

圖2是本發(fā)明中脈沖擊穿放電原理示意圖；

圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例脈沖擊穿放電原理下脈沖擊穿放電電壓—電流隨時間變化曲線示意圖；

圖4是本發(fā)明中準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電原理示意圖；

圖5是本發(fā)明優(yōu)選實施例準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電原理下的脈沖擊穿放電電壓—電流隨時間變化曲線示意圖。

圖例說明：

1、磁等離子體推力器；11、陽極；12、陰極；13、隔離段；14、工質(zhì)；2、脈沖擊穿電路；21、高壓充電電源；22、小容量電容；23、線路電感；3、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路；31、大功率充電電源；32、大容量電容；33、整流電阻；34、整流電感；35、二極管；4、保護(hù)電路；41、功耗電阻；42、繼電器。

具體實施方式

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。

本發(fā)明提供的放電電路，僅能用于cn201610273464.9中公開的激光支持磁等離子體推力器。

參見圖1，本發(fā)明提供的用于激光支持的磁等離子體推力器的多級放電電路，包括：脈沖擊穿電路2、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3和保護(hù)電路4。

所用磁等離子體推力器1包括陽極11、陰極12、隔離段13和工質(zhì)14。陽極11和陰極12分別設(shè)置于隔離段13的兩相對側(cè)。工質(zhì)14設(shè)置于隔離段13的中間。激光束正對工質(zhì)14入射。

脈沖擊穿電路2串聯(lián)于陰極11和陽極12上。脈沖擊穿電路2包括高壓充電電源21、與高壓充電電源21并聯(lián)的小容量電容22和與高壓充電電源21串聯(lián)的23。高壓充電電源21為小容量電容22充電。高壓充電電源21與小容量電容22并聯(lián)后的正極與線路電感23的一端串聯(lián)。線路電感23的另一端與陽極11連接。高壓充電電源21與小容量電容22并聯(lián)后的負(fù)極與陰極12連接。從而通過脈沖擊穿電路2在推力器1的陽極11和陰極12之間形成高壓電場。當(dāng)激光點火時在陽極11和陰極12之間形成擊穿放電，建立等離子體通道，進(jìn)而誘導(dǎo)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3工作。

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3，包括大功率充電電源31、至少一個充電單元和二極管35，陽極11、二極管35和充電單元依序串聯(lián)；多個充電單元之間并聯(lián)后與大功率充電電源31并聯(lián)。

充電單元包括依序串聯(lián)的整流電感34、整流電阻33和大容量電容32。多個充電單元之間并聯(lián)。第一個充電單元的整流電感34與二極管35串聯(lián)。大功率充電電源31用于對大容量電容32充電。同時陰極12與大地連接。；大功率充電電源31的另一端與陰極12串聯(lián)；

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3用于為推力器1提供放電能量，在推力器1的陽極12和陰極11之間形成大電流放電，為工質(zhì)提供強(qiáng)電磁加速作用。二極管35能阻止脈沖擊穿電路2的高電勢流向準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3，避免高電勢造成大容量電容32充電超過限定電壓。

保護(hù)電路4包括依序連接的功耗電阻41和繼電器42，功耗電阻41一端與陽極11相連，另一端通過繼電器42與大地相連。保護(hù)電路4用于保障推力器1安全放電。當(dāng)推力器1放電發(fā)生故障時，需要將陽極11與陰極12之間的高壓電場和電路中電容儲存的電能釋放，這時，打開保護(hù)電路4中的繼電器42，陽極11通過功耗電阻41與大地相連，功耗電阻41還可以通過發(fā)熱來釋放陽極11與陰極12之間的強(qiáng)電場和電路中電容儲存的電能。從而確保整個電路的安全。

本發(fā)明提供的多級放電電路，能夠有效提高推力器的能量效率，為激光支持的磁等離子體推力器提供準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電所需的放電能量。采用激光點火方式，省去了火花塞和火花塞點火電路，同時激光點火能量和點火位置方便控制。本發(fā)明將推力器的放電過程分為激光點火、脈沖擊穿和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電分別進(jìn)行控制，依據(jù)實際需求對三部分進(jìn)行能量分配，增強(qiáng)了推力器的控制能力，有效提高了推力器的能量效率。

優(yōu)選地，脈沖擊穿電路中的小容量電容為μf量級，充電電壓高于2000v。(充電電壓高于2000v是因為這樣容易形成擊穿，根據(jù)實驗經(jīng)驗獲得。充電電壓越高越容易擊穿，但充電電壓越高對充電電源和電容的要求越高。小容量電容為μf量級，實驗室經(jīng)驗，小容量電容容量大會在脈沖擊穿時形成強(qiáng)電弧，造成浪費；小容量電容容量小形成的擊穿電弧太弱，可能不會建立等離子體通道，無法形成準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電。)

優(yōu)選地，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路為多個大容量電容、整流電阻和整流電感的組合。(依據(jù)推力器放電需求，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路中通過不同大容量電容、整流電阻和整流電感的配合，可獲得不同的放電時間和放電能量。)

優(yōu)選地，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路中的電容容量和整流電感值根據(jù)推力器放電需求通過公式(5)計算獲得。(根據(jù)推力器放電需求，通過公式(5)計算獲得準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路中的電容容量和整流電感值)

優(yōu)選地，脈沖擊穿電路2與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3通過二極管35并聯(lián)連接。并聯(lián)連接才能夠使脈沖擊穿電路2與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3中的能量都釋放在推力器兩極板之間，且二極管35阻止了脈沖擊穿電路2的高壓向準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3傳輸。

優(yōu)選地，保護(hù)電路4中的繼電器42限定電流大于陽極11電壓與功耗電阻41的比值。

本發(fā)明提供的用于激光支持的磁等離子體推力器的多級放電電路將放電過程分為三個階段：激光點火、脈沖擊穿和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電。脈沖擊穿電路中的電容容量小、充電電壓高，從而使得推力器兩電極之間容易形成擊穿放電，在兩電極之間建立等離子體通道。兩電極間的等離子體通道連通兩電極，從而實現(xiàn)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路將能量釋放于兩極板之間。

同時，相比于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路，脈沖擊穿電路的能量非常小，在兩極板之間形成的電弧能量低，不會對極板材料和工質(zhì)造成嚴(yán)重?zé)g。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路釋放能量大，當(dāng)兩極板之間建立等離子體通道后，這大部分能量全部釋放于兩極板之間。采用本發(fā)明多級放電電路，可有效提高推力器的能量效率。

以下結(jié)合具體實例對本發(fā)明的原理進(jìn)行說明。

脈沖擊穿放電原理

如圖2所示，脈沖擊穿電路2包括高壓充電電源21、小容量電容22和線路電感23。推力器1發(fā)生脈沖擊穿放電時為典型的rlc欠阻尼放電，其回路方程為

式中，cp、lp和rp分別為脈沖擊穿放電回路的電容量、線路電感和等離子體電阻。q為極板電荷量。

脈沖擊穿放電過程滿足條件，是一個欠阻尼減幅振蕩過程，且放電電流因此可由方程(1)獲得擊穿放電電流表達(dá)式

式中v0為推力器陽極初始電壓，

假設(shè)推力器陽極初始電壓v0＝2000v，電容量cp＝3μf，線路電感l(wèi)p＝0.05μh，等離子體電阻rp＝0.1ω。則由公式(2)計算獲得脈沖擊穿放電電壓、電流隨時間變化如圖3所示，說明為典型的欠阻尼減幅振蕩。脈沖擊穿電路單次放電能量為6j。由此可知，相比于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電能量，脈沖擊穿電路的放電能量較小，對固體工質(zhì)和電極材料的燒蝕非常弱。從而實現(xiàn)了對工質(zhì)的保護(hù)。

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電原理

如圖4所示，由準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路各節(jié)點基爾霍夫定律可得：

式中vi為電路中各節(jié)點電壓，ii為各回路電流，rp為等離子體電阻，rq和lq分別為各整流電阻和整流電感，cq為電容量，qi為各回路電容的電荷量，n為電容數(shù)量。

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路特征放電時間τq和放電電流iq可由下式計算

進(jìn)而，獲得電容量cq和整流電感l(wèi)q的計算表達(dá)式

假設(shè)電容初始電壓為vini＝100v，等離子體電阻rp＝0.01ω，回路電阻rq＝0.01ω，電容數(shù)量n＝10，特征放電時間τq＝1.36ms，放電電流iq＝5000a,則通過式(5)計算獲得回路電感l(wèi)q＝0.68μh，電容量cq＝6.8mf。由公式(3)計算獲得準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電壓、電流隨時間變化如圖5所示，由此可見該準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路可提供準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的放電波形。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路單次放電能量為340j。

工作過程：

推力器1工作時，首先打開準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3的大功率充電電源31，為多個并聯(lián)的大容量電容32充電；同時，打開脈沖擊穿電路2的高壓充電電源21，為小容量電容22充電(大于2000v)。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3中的多個大容量電容32與脈沖擊穿電路2中的小容量電容22并聯(lián)連接于推力器1兩電極，小容量電容22兩端為高壓，大容量電容32兩端為低壓。由于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3中二極管35阻止了小容量電容22兩端電勢向大容量電容32傳導(dǎo)，推力器1兩極板電勢差與小容量電容22一致(大于2000v)。當(dāng)激光束作用推力器1工質(zhì)14后，燒蝕產(chǎn)生氣體工質(zhì)和部分等離子體，進(jìn)而誘導(dǎo)推力器1陽極11和陰極12之間擊穿放電，形成電弧，建立兩極板間等離子體通道，進(jìn)而連通準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3中多個大容量電容32儲存的電能經(jīng)多個整流電阻33和整流電感34整合后在推力器1兩極板間釋放，推力器1兩極板之間形成準(zhǔn)連續(xù)的大電流放電，進(jìn)而形成強(qiáng)磁場，加速兩極板間的等離子體噴出，從而形成推力。

當(dāng)推力器1放電發(fā)生故障時，電路中仍然儲存大量電能，且小容量電容22和兩極板間存在很高的電勢差，十分危險。此時首先關(guān)閉高壓充電電源21和大功率充電電源31，然后打開保護(hù)電路4中的繼電器42，將脈沖擊穿電路2中的小容量電容22正極、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)放電電路3中的大容量電容32正極、推力器1陽極11通過功耗電阻41與大地相連，電路中儲存的電能通過功耗電阻發(fā)熱消耗。耗電阻處于在保護(hù)電路中，即使發(fā)熱也不會造成工質(zhì)和電極材料的燒蝕，功耗電阻發(fā)熱通常發(fā)生在推力器放電發(fā)生故障時，此時通過發(fā)熱將電路存儲的電能釋放，避免了整個電路由于故障存儲過量電能的危險。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚本發(fā)明的范圍不限制于以上討論的示例，有可能對其進(jìn)行若干改變和修改，而不脫離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍。盡管己經(jīng)在附圖和說明書中詳細(xì)圖示和描述了本發(fā)明，但這樣的說明和描述僅是說明或示意性的，而非限制性的。本發(fā)明并不限于所公開的實施例。

通過對附圖，說明書和權(quán)利要求書的研究，在實施本發(fā)明時本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解和實現(xiàn)所公開的實施例的變形。在權(quán)利要求書中，術(shù)語“包括”不排除其他步驟或元素，而不定冠詞“一個”或“一種”不排除多個。在彼此不同的從屬權(quán)利要求中引用的某些措施的事實不意味著這些措施的組合不能被有利地使用。權(quán)利要求書中的任何參考標(biāo)記不構(gòu)成對本發(fā)明的范圍的限制。