用于立方体卫星的空心阴极推力器的制作方法

本发明涉及推力器领域。

背景技术：

在小卫星分类中，纳卫星质量为1～10kg，皮卫星的质量为0.1～1kg。立方体卫星(cubesat)是一种新概念皮卫星规范，其质量在1kg左右，结构尺寸为10cm×10cm×10cm的正方体，又称为1u(一个立方体卫星单元)。数个立方体卫星单元又组装为纳卫星。立方体卫星具有结构简单、体积小、质量轻、成本低、研制周期短和发射成本低等特点，在空间演示验证和利用立方体卫星网络提高对地观测的空间、时间分辨率等方面具有广泛发展前景。

目前，立方体卫星在轨运行时的姿态控制利用微型三轴强磁计、微型动量轮和磁力矩器等微型组件构成姿态控制系统，完成对卫星的三轴稳定控制。另一种控制卫星姿态的方法是靠推进器来调整控制卫星姿态，同时推进器还负责卫星的轨道维持的任务。对于执行姿态调整和轨道机动任务的卫星推进系统，可以选择冷气推进系统和电推进系统。冷气推进器结构简单，能够产生的推力大，但是相比较于电推进，冷气推进器的比冲小，即单位重量流量的推进剂所产生的喷气速度较小。在携带相同质量推进剂的条件下，电推进的总冲会远大于冷气推进的总冲，使卫星的在轨寿命大幅延长。但现有的霍尔推力器、离子推力器和脉冲等离子体推力器等电推进系统的结构比较复杂，无法直接小型化到1u上。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有电推进系统的结构复杂，无法直接小型化到1u上的问题，从而提供用于立方体卫星的空心阴极推力器。

本发明所述的一种用于立方体卫星的空心阴极推力器，在空心阴极的通气管内通入的气体为放电气体和电负性气体。

空心阴极作为霍尔推力器、离子推力器的电子源和中和器，结构简单、体积小、重量轻、功耗低，可以直接利用现有的电推进储气系统和电源系统，并且相对于冷气推进系统而言，空心阴极推力器能够产生较高的比冲，是非常理想的立方体星推力器。但空心阴极作为电子源，离子无法直接向外喷出，产生的推力小，因此本发明提出了一种在不改变阴极结构和供电方式前提下，利用电负性气体作为主推进工质，利用放电气体在空心阴极推力器内部放电形成高密度等离子体环境，其中电子将电负性气体分解，形成负离子，负离子在空心阴极推力器内部电势作用下向外加速，产生高比冲推进效应。

本发明所述的另一种用于立方体卫星的空心阴极推力器，该空心阴极推力器包括底座1、通气管、发射体4、阳极管5和阳极板6；

通气管包括第一通气管2和第二通气管3；第一通气管2穿过底座1与第二通气管3导通，阳极管5套在第二通气管3外，阳极管5的一端和第二通气管3的一端均固定在底座1上，阳极管5的另一端嵌固有阳极板6，阳极板6的中心设有节流孔6-1，第二通气管3的另一端嵌固有发射体4；发射体4与供电电源负极连接，阳极板6与供电电源正极连接；

通气管内通入的气体为放电气体和电负性气体。

优选的是，放电气体和电负性气体单独存储，各通过一个流量计控制流入通气管的流量。

优选的是，放电气体和电负性气体按设定比例混合储存，通过一个流量计控制流入通气管的流量。

优选的是，放电气体为惰性气体。

优选的是，电负性气体为o2或f2。

优选的是，底座1的材料为陶瓷，第一通气管2的材料为不锈钢，第二通气管3和阳极管5的材料均为二氧化硅，发射体4的材料为七铝酸十二钙。

优选的是，发射体4依次通过第二通气管3侧壁的纯钛硅化碳—铜导电材料和第一通气管2与供电电源负极连接。

优选的是，阳极板6通过阳极管5侧壁的不锈钢材料与供电电源正极连接。

优选的是，纯钛硅化碳—铜导电材料为丝状、带状或筒状。

本发明的有益效果是：空心阴极推力器的结构简单、质量轻，能够满足立方体卫星对空间体积及载重质量的苛刻要求；同时空心阴极推力器的功耗小，发射体温度高，能够在低功率下获得相对较大的力；采用电推进能够增大推力器比冲，增加立方体卫星的有效载荷和延长使用寿命；利用电负性气体，在空心阴极推力器内部产生负离子，加速喷出，增大推力和比冲。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的用于立方体卫星的空心阴极推力器的结构示意图；

图2是具体实施方式二中的阴极与供电电源负极连接示意图；

其中，3-1为带状的不锈钢材料；

图3是具体实施方式二中的阳极供电电源正极连接示意图；

图4是具体实施方式三中的导电丝的结构示意图；

图5是具体实施方式三中的导电带的结构示意图；

图6是具体实施方式三中的导电筒的结构示意图；

图7是具体实施方式四中的空心阴极推力器的第一种供气方式示意图；

图8是具体实施方式四中的空心阴极推力器的第二种供气方式示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的用于立方体卫星的空心阴极推力器，该空心阴极推力器包括底座1、通气管、发射体4、阳极管5和阳极板6；

通气管包括第一通气管2和第二通气管3；第一通气管2穿过底座1与第二通气管3导通，阳极管5套在第二通气管3外，阳极管5的一端和第二通气管3的一端均固定在底座1上，阳极管5的另一端嵌固有阳极板6，阳极板6的中心设有节流孔6-1，第二通气管3的另一端嵌固有发射体4；发射体4与供电电源负极连接，阳极板6与供电电源正极连接；通气管内通入的气体为放电气体和电负性气体。

底座1的材料为陶瓷，第一通气管2的材料为不锈钢，第二通气管3和阳极管5的材料均为二氧化硅，发射体4的材料为七铝酸十二钙。

在通气管中通入放电气体，发射体作为负极发射电子，在阳极与阴极之间发生气体放电，形成高密度等离子体；通气管中通入电负性气体，电负性气体在阴极与阳极间隙中被电子分解，同时吸附电子成为负离子，在阳极电势作用下，部分负离子加速喷出节流孔，产生推进作用。

由于电负性气体具有较强的氧化性，因此第二通气管3与阳极管采用二氧化硅材料，能够抗氧化，第一通气管2和第二通气管3之间利用钽铂采用过盈配合，防止漏气。阳极管5与陶瓷底座1之间利用钽铂采用过盈配合，防止漏气。发射体为七铝酸十二钙材料，该材料在能够发射一定电子电流密度的同时，具有一定程度的抗氧化性。阳极板采用具有抗氧化性的导电高分子材料，防止阳极被氧化。

具体实施方式二：结合图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的用于立方体卫星的空心阴极推力器作进一步说明，本实施方式中，发射体4依次通过第二通气管3侧壁的纯钛硅化碳—铜导电材料和第一通气管2与供电电源负极连接。阳极板6通过阳极管5侧壁的不锈钢材料与供电电源正极连接。

空心阴极推力器放电需要将发射体4与供电电源负极连接，因此将第一通气管2与发射体之间连接导电材料。由于电负性气体分解后具有较强氧化性，因此导电材料采用具有良好抗氧化性的纯钛硅化碳—铜导电材料，将不锈钢材料的第一通气管2与发射体连接。由于阳极管为二氧化硅材料，因此用导线将阳极板与电源正极间导通。由于外部不需要考虑电负性气体的强氧化性，因此外部导电材料对抗氧化性的要求不高，本实施方式采用不锈钢材料，利用不导磁不锈钢的螺栓1-1将带状的不锈钢材料压紧，该带状的不锈钢材料称为不锈钢导电带5-1，不锈钢导电带5-1附在阳极管体上，焊接在阳极板上。

具体实施方式三：结合图4至图6具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的用于立方体卫星的空心阴极推力器作进一步说明，本实施方式中，纯钛硅化碳—铜导电材料为丝状、带状或筒状。

在第一通气管2与发射体之间采用具有良好抗氧化性的纯钛硅化碳—铜导电材料进行到导电，导电材料可以采用三种形状。第一种为丝状，称为导电丝，如图4所示，此种方案可以节省材料，同时起到将第一通气管2与发射体之间导通；第二种为带状，称为导电带，如图5所示，此种方案可以降低电流同流密度，防止熔断，同时增加了导电带使用寿命；方案三为筒状，称为导电筒，如图6所示，筒状导电带能进一步降低电流通流密度，进一步增加使用寿命。

具体实施方式四：结合图7和图8具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的用于立方体卫星的空心阴极推力器作进一步说明，本实施方式中，在空心阴极内部发生放电的气体采用惰性气体，如xe、ar和kr，而电负性气体有o2，f2等。

本实施方式的空心阴极推力器的供气方式有两种，分别如图7和图8所示。图7为电负性气体与放电气体分离保存，通过两个流量计控制通入到空心阴极推力器中的流量。该方案可以先通入惰性气体，建立起空心阴极放电，再通入电负性气体，利用电子将电负性气体分解电离形成负离子，同时还可以实现放电惰性气体和电负性气体的不同配比。图8为将电负性气体与放电气体按设定比例混合储存，流量计控制通入到空心阴极推力器中是流量，该方案可以减少一个储气罐，增加立方体卫星的有效载荷。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。