本发明公开了一种双极多模式微阴极弧推力器，其特征在于，包括绝缘圆柱外壳(1)、绝缘板(2)、同轴形阳极(3)、中空同轴形绝缘件(4)、环形阴极(5)、环形阳极(6)、环形绝缘件(7)、电磁线圈(8)和永磁铁(9)。本发明的双极多模式微阴极弧推力器的双阳极结构存在两种不同构型的阳极结构，即同轴形阳极和环形阳极，随着推力器工作寿命的变化，可以切换选择使用同轴形阳极或环形阳极进行工作，从而实现推力器寿命期间内的两种模式的工作状态。
1.一种双极多模式微阴极弧推力器，包括绝缘圆柱外壳(1)、绝缘板(2)、同轴形阳极(3)、中空同轴形绝缘件(4)、环形阴极(5)、环形阳极(6)、环形绝缘件(7)、电磁线圈(8)和永磁铁(9)；所述绝缘板(2)与所述绝缘圆柱外壳(1)的后端连接形成半封闭式圆筒结构；所述同轴形阳极(3)的放电端插入所述中空同轴形绝缘件(4)，所述中空同轴形绝缘件(4)插入所述环形阴极(5)，所述中空同轴形绝缘件(4)保证所述同轴形阳极(3)和所述环形阴极(5)之间的间距和绝缘性；所述同轴形阳极(3)的放电端延伸突出所述中空同轴形绝缘件(4)；
所述绝缘圆柱外壳(1)的前端伸入所述电磁线圈(8)和所述永磁铁(9)叠置形成的圆筒结构内，使所述同轴形阳极(3)的放电端恰好位于所述电磁线圈(8)和所述永磁铁(9)形成的磁场范围内；
其特征在于，所述环形阳极(6)、所述环形绝缘件(7)和所述环形阴极(5)紧密堆叠式定位于所述绝缘圆柱外壳(1)的前端内部；所述环形阳极(6)定位于所述绝缘圆柱外壳(1)的最前端；所述环形绝缘件(7)置于所述环形阳极(6)和所述环形阴极(5)之间，保证所述环形阳极(6)和所述环形阴极(5)之间的间距和绝缘性。
2.根据权利要求1所述的双极多模式微阴极弧推力器，其特征在于，所述绝缘板(2)的中心设置有通孔，所述同轴形阳极(3)的与放电端相对的一端通过所述通孔固定连接于所述绝缘板(2)。
3.根据权利要求1所述的双极多模式微阴极弧推力器，其特征在于，所述绝缘板(2)和所述环形阴极(5)之间设置有弹簧，保证所述环形阴极(5)、所述环形绝缘件(7)和所述环形阳极(6)始终定位于所述绝缘圆柱外壳(1)的前端内部。
4.根据权利要求1所述的双极多模式微阴极弧推力器，其特征在于，所述环形阳极(6)、所述环形绝缘件(7)和所述环形阴极(5)的外径与所述绝缘圆柱外壳(1)的内径间隙配合。
5.根据权利要求1所述的双极多模式微阴极弧推力器，其特征在于，所述绝缘板(2)通过环氧树脂胶粘合连接于所述绝缘圆柱外壳(1)的后端。
6.根据权利要求1所述的双极多模式微阴极弧推力器，其特征在于，所述同轴形阳极(3)的外径与所述中空同轴形绝缘件(4)的内径过盈配合，所述中空同轴形绝缘件(4)的外径与所述环形阴极(5)的内径间隙配合。
7.根据权利要求1所述的双极多模式微阴极弧推力器，其特征在于，所述绝缘圆柱外壳(1)通过环氧树脂胶固定安装于所述电磁线圈(8)和所述永磁铁(9)叠置形成的圆筒结构内。
8.根据权利要求1所述的双极多模式微阴极弧推力器，其特征在于，所述中空同轴形绝缘件(4)的壁厚为4～10mm。
9.根据权利要求1所述的双极多模式微阴极弧推力器，其特征在于，所述环形绝缘件(7)的厚度为2～4mm。
10.根据权利要求1所述的双极多模式微阴极弧推力器，其特征在于，所述绝缘圆柱外壳(1)由陶瓷材料制成。
双极多模式微阴极弧推力器
技术领域
[0001] 本发明属于电推进等离子体应用领域，特别涉及一种应用于微、纳卫星的空间推进任务的双级多模式微阴极弧推力器。
背景技术
[0002] 电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。微阴极弧推力器(Micro-Cathode Arc Thruster简称μCAT)是一种专门为立方星设计的小推力电磁式微型推力器，主要特点为脉冲工作，体积小，能实现低功率(0.1W量级)高比冲(2000-3000s)，能广泛的应用于微、纳、立方星等小体积卫星的姿态调节和轨道保持任务中。
[0003] 目前已知的微阴极弧推力器存在长时间点火后性能参数下降，放电侵蚀和寿命后期容易出现失效等问题。主要原因是推力器的放电模式单一，在经过长时间点火过后，放电形面和壁面的侵蚀程度都会发生较大变化，但是放电模式无法做出相应的调整，进而导致推力器的性能下降或者失效。
发明内容
[0004] 为了至少克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种具有双电极结构的微阴极弧推力器，以实现μCAT的双电极可切换的多模式放电工作。
[0005] 根据本发明的一方面，提供了一种双极多模式微阴极弧推力器，包括绝缘圆柱外壳、绝缘板、同轴形阳极、中空同轴形绝缘件、环形阴极、环形阳极、环形绝缘件、电磁线圈和永磁铁；
[0006] 所述绝缘板与所述绝缘圆柱外壳的后端连接形成半封闭式圆筒结构；所述同轴形阳极的放电端插入所述中空同轴形绝缘件，所述中空同轴形绝缘件插入所述环形阴极，所述中空同轴形绝缘件保证所述同轴形阳极和所述环形阴极之间的间距和绝缘性；所述同轴形阳极的放电端延伸突出所述中空同轴形绝缘件；
[0007] 所述环形阳极、所述环形绝缘件和所述环形阴极紧密堆叠式定位于所述绝缘圆柱外壳的前端内部；所述环形阳极定位于所述绝缘圆柱外壳的最前端；所述环形绝缘件置于所述环形阳极和所述环形阴极之间，保证所述环形阳极和所述环形阴极之间的间距和绝缘性；
[0008] 所述绝缘圆柱外壳的前端伸入所述电磁线圈和所述永磁铁叠置形成的圆筒结构内，使所述同轴形阳极的放电端恰好位于所述电磁线圈和所述永磁铁形成的磁场范围内。
[0009] 在一些实施方式中，所述绝缘板的中心可以设置有通孔，所述同轴形阳极的与放电端相对的一端可以通过所述通孔固定连接于所述绝缘板。
[0010] 在一些实施方式中，所述绝缘板和所述环形阴极可以之间设置有弹簧，保证所述环形阴极、所述环形绝缘件和所述环形阳极始终定位于所述绝缘圆柱外壳的前端内部。
[0011] 在一些实施方式中，所述环形阳极、所述环形绝缘件和所述环形阴极的外径可以与所述绝缘圆柱外壳的内径间隙配合。
[0012] 在一些实施方式中，所述绝缘板可以通过环氧树脂胶粘合连接于所述绝缘圆柱外壳的后端。
[0013] 在一些实施方式中，所述同轴形阳极的外径可以与所述中空同轴形绝缘件的内径过盈配合，所述中空同轴形绝缘件的外径与所述环形阴极的内径间隙配合。
[0014] 在一些实施方式中，所述绝缘圆柱外壳可以通过环氧树脂胶固定安装于所述电磁线圈和所述永磁铁叠置形成的圆筒结构内。
[0015] 在一些实施方式中，所述中空同轴形绝缘件的壁厚可以为4～10mm。
[0016] 在一些实施方式中，所述环形绝缘件的厚度可以为2～3mm。
[0017] 在一些实施方式中，所述绝缘圆柱外壳可以由陶瓷材料制成。
[0018] 本发明的有益效果：
[0019] 本发明的μCAT的双阳极结构存在两种不同构型的阳极结构(同轴形阳极和环形阳极)，随着μCAT工作寿命的变化，可以切换选择使用同轴形阳极或环形阳极进行工作，从而实现μCAT推力器寿命期间(～100万次点火)内的两种模式的工作状态：
[0020] 工作模式1：在μCAT寿命初期，阴极表面光洁，由于同轴形电极结构的μCAT有相对较高的比冲和效率，因此，选择对同轴形阳极供电，此时推力器工作模式为同轴型μCAT；
[0021] 工作模式2：在μCAT寿命中后期，由于同轴型μCAT烧蚀面不均匀(会降低推力器的寿命和性能)的缺陷，阴极表面出现放电集中造成的斑点，而环形阳极结构的μCAT具有烧蚀均匀、寿命长、点火稳定性好的特点，因此，选择对环形阳极供电，此时推力器工作模式为环型μCAT。
附图说明
[0022] 图1(a)-(b)为本发明的双极多模式微阴极弧推力器的结构示意图，其中图1(a)为主视图，图1(b)为沿图1(a)的A-A的剖视图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0024] 如图1所示，本发明的双极多模式微阴极弧推力器包括绝缘圆柱外壳1、绝缘板2、同轴形阳极3、中空同轴形绝缘件4、环形阴极5、环形阳极6、环形绝缘件7、电磁线圈8和永磁铁9。
[0025] 绝缘圆柱外壳1可以由可加工陶瓷材质制成，绝缘板2与绝缘圆柱外壳1的后端连接形成半封闭式圆筒结构。特别地，绝缘板通过环氧树脂胶粘合连接于绝缘圆柱外壳的后端，确保内部的环形阴极5和环形阳极6与外界环境的绝缘性，也保证了整个结构的可拆卸性。在本实例中，绝缘板2的中心设置有通孔，同轴形阳极3的与其放电端相对的一端通过该通孔固定(例如通过过盈配合)连接于绝缘板。
[0026] 同轴形阳极3的放电端紧配合插入中空同轴形绝缘件4，中空同轴形绝缘件4采用间隙配合插入环形阴极5，使得中空同轴形绝缘件4位于同轴形阳极3和环形阴极5之间，以保证同轴形阳极3和环形阴极5之间的准确间距和绝缘性。在一些实施例中，中空同轴形绝缘件4的壁厚可以为4～10mm，优选地为6mm，以保证同轴形阳极3和环形阴极5之间具有特定的间距。
[0027] 特别地，同轴形阳极3的放电端应该延伸突出中空同轴形绝缘件4，以实现放电。
[0028] 如图所示，绝缘圆柱外壳1的前端具有定位台阶，环形阳极6通过该定位台阶定位于绝缘圆柱外壳1的最前端。环形阳极6、环形绝缘件7和环形阴极5紧密堆叠式定位于绝缘圆柱外壳1的前端内部，其中环形绝缘件7置于环形阳极6和环形阴极5之间，以保证环形阳极6和环形阴极5之间的准确间距和绝缘性。在一些实施例中，环形绝缘件7的厚度可以为2～4mm，优选地为2mm，以保证环形阳极6和环形阴极5之间具有特定的间距。
[0029] 同轴形阳极3和环形阴极5之间，以及环形阳极6和环形阴极5之间的间距直接决定了阴阳极之间电弧的长度，通过控制间距的距离可以获得良好的电弧形貌。
[0030] 在本实例中，绝缘板2和环形阴极5之间设置有弹簧10，以保证环形阴极5、环形绝缘件7和环形阳极6始终定位于绝缘圆柱外壳1的前端内部。特别地，环形阳极6、环形绝缘件7和环形阴极5的外径与绝缘圆柱外壳1的内径间隙配合。
[0031] 绝缘圆柱外壳1的前端伸入电磁线圈8和所述永磁铁9叠置形成的圆筒结构内，其伸入长度受同轴形阳极3的长度的影响，需要确保同轴形阳极3的放电端恰好进入电磁线圈8和永磁铁9形成的磁场范围内，以便保证电弧的形貌可以受到磁场的控制。当绝缘圆柱外壳1与电磁线圈8和永磁铁9的距离控制好之后，可以例如通过环氧树脂胶固定绝缘圆柱外壳1与电磁线圈8和永磁铁9叠置形成的圆筒结构的相对位置。
[0032] 通过以上结构，本发明的μCAT可以实现μCAT推力器寿命期间(～100万次点火)内的如下两种模式的工作状态：
[0033] 工作模式1：在μCAT寿命初期，阴极表面光洁，由于同轴形电极结构的μCAT有相对较高的比冲和效率，因此，选择对同轴形阳极供电，此时推力器工作模式为同轴型μCAT；
[0034] 工作模式2：在μCAT寿命中后期，由于同轴型μCAT烧蚀面不均匀(会降低推力器的寿命和性能)的缺陷，阴极表面出现放电集中造成的斑点，而环形阳极结构的μCAT具有烧蚀均匀、寿命长、点火稳定性好的特点，因此，选择对环形阳极供电，此时推力器工作模式为环型μCAT。
[0035] 对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。
