[发明专利]一种用于微型脉冲等离子体推进器半导体火花塞的点火电路

说明书

本发明针对优化点火系统质量和体积、提高点火系统电效率和时间控制精度、减少半导体火花塞发热及其热应力等技术问题，在不增加外部电路复杂性、不改变火花塞基本构型的基础上，针对采用半导体火花塞点火的微型脉冲等离子体推力器，设计了一种点火电路，并对半导体火花塞中心阳极的安装、固定方式进行了设计。

技术领域

本发明涉及一种半导体火花塞及其点火系统，特别适用于诱导微型脉冲等离子体推力器发生主放电而产推力。

背景技术

当前，卫星系统网络化、微型化发展对微型电推进器提出了广泛的需求。微型脉冲等离子体推进器(Micro-Pulsed Plasma Thruster,μPPT)是脉冲等离子体推进器(PulsedPlasma Thruster,PPT)的一种，其利用电容脉冲放电产生电磁场、工质烧蚀电离产生等离子体，再通过电磁力加速等离子体而产生推力。通常，将系统质量小于1kg的PPT称为μPPT，μPPT的质量、体积和功耗均至少要比PPT低一个量级。按工质的物理状态分类，μPPT可分为采用气体工质、采用液体工质和采用固体工质的μPPT，与采用气体工质和采用液体工质的μPPT相比，采用固体工质的μPPT把推进剂的供给与推力器本体组合成一个模块，省却了复杂的推进剂储存系统和供给系统，避免了阀门寿命的限制和工质泄露的问题，其除了具备传统PPT推力密度大、比冲高、推力小而精准、控制精度高、结构简单、可靠性高等优点外，还具备功耗低、成本低、质量轻、体积小等优点，十分适用于微纳卫星的空间应用和执行高精度控制的推进任务。

点火系统是μPPT的关键组成之一，其直接决定了μPPT的点火成败问题，还直接影响到整个推力器的质量和性能。对于采用固体工质的平行极板构型的μPPT，一般采用外部激发放电方式诱导推力器发生主放电：火花塞采用单独的点火电路控制，主放电采用电容储能放电，火花塞常用点火电压较低、点火稳定性较好的半导体火花塞。在点火系统的控制下，半导体火花塞点火，诱发主放电并产生电弧，近而烧蚀、电离和加速工质而产生推力。这种μPPT的点火电路具有控制精度高、可靠性较好、结构简单、成本低等优点，但也存在着一些问题：

需单独的点火电路，一定程度上增加了系统的质量、体积和复杂性。

半导体火花塞存在较大的热应力，使得推进系统的寿命受到火花塞寿命的限制。半导体火花塞在真空中连续长时间放电会产生温度积累，导致火花塞温度升高，加上太空环境昼夜温差大(高达300℃)，导致火花塞热胀冷缩现象普遍存在，产生的热应力较大，可能导致局部放电或非标准放电等现象发生，一定程度上加剧了火花塞的烧蚀、腐蚀和失效。

半导体火花塞的使用会影响传统点火系统的电效率和电容的充电时间。在点火电路不工作时，传统的金属型火花塞的阴极和中心电极间是完全隔离的，电路相当于断路；而半导体火花塞则会使电路导通，消耗一定的电能并发热(其自身的内阻相当于一个静态等效电阻)，同时，该静态等效电阻相当于与充电电阻并联，会对电容器的充电时间造成影响，从而影响控制精度。

发明内容

基于此，本发明在于克服现有技术的缺陷，提供一种半导体火花塞及其点火系统，针对优化点火系统质量和体积、提高点火系统电效率和时间控制精度、减少半导体火花塞发热及其热应力等技术问题，在不增加外部电路复杂性基础上，设计了一种半导体火花塞，以及用于半导体火花塞的点火电路。

一种半导体火花塞，用于微型脉冲等离子体推力器，该火花塞为间隙性火花塞，包括中心阳极，接地外壳，绝缘体和半导体涂层；中心阳极与接地外壳之间分别通过绝缘陶瓷组件绝缘隔离和半导体涂层放电；绝缘陶瓷下端面采用环状片式半导体环封口；火花塞中心阳极上端为接线螺栓，通过螺栓与点火电路供电端正极相连，火花塞接地阴极下端为螺栓，通过螺栓与推力器阴极板相连，构成回路；

在点火端面，中心阳极与外层阴极之间装有环状片式的半导体涂层，中心阳极与半导体涂层之间留有一定的装配间隙L，使得中心阳极可沿轴向滑动；装配间隙L参考周向膨胀量ΔR＝αRΔT的大小来确定，其中，α为热膨胀系数，R为中心阳极直径，ΔT为温度的变化量；