小型卫星VELARC电弧喷射推进器结构

在立方星、微纳卫星这类小型航天器的姿轨控分系统设计中，低功耗电推进装置一直是结构工程师选型时的核心考量部件，VELARC超低功率电弧喷射推进器正是针对这类场景开发的专用推力部件。从实际在轨应用场景来看，这类推进器主要承担两类核心任务：一是卫星入轨后的轨道高度维持，抵消低轨环境下大气阻力带来的轨道衰减，避免卫星提前离轨；二是精确的姿态调整与位置保持，比如星座组网阶段的星间相对位置校准，或是对地观测卫星的指向微调，这类任务不需要大推力输出，但对推力的精度、脉冲响应速度以及整机功耗有极高要求。

从功能特性上看，这款推进器采用电弧加热推进剂的工作原理，区别于传统化学推进器依赖燃烧反应释放能量的模式，它通过电极间产生的电弧将通入的推进剂加热到极高温度，随后高温推进剂经尾部拉瓦尔喷管加速喷出产生推力，这种工作模式不需要携带氧化剂，大幅降低了推进剂存储的结构重量与安全风险，同时在超低功率区间就能稳定工作，适配小型卫星有限的太阳能电池阵供电能力。推进器的核心结构沿轴向布局，主体为长轴式集成结构，中部设置有环形安装基座，基座侧面垂直引出的细管为推进剂供给接口，用于连接卫星推进剂储箱的供给管路，接口采用标准卡套式连接结构，可兼容常规航天推进系统的管路规格，降低系统集成的适配难度。

从设计思路层面拆解，这款推进器的结构完全围绕小型卫星的安装约束展开：整体采用同轴式布局，将电弧发生腔、喷管、电极组件全部集成在同一轴线上，最大限度压缩了径向安装尺寸，适配立方星标准的安装舱段空间；中部的环形安装基座为主要承力结构，基座上预留有均匀分布的安装孔位，可通过螺栓直接固定在卫星的推进舱安装板上，安装面的平面度公差控制在0.02mm以内，保证安装后推进器的推力轴线与卫星质心的同轴度偏差在允许范围内，避免推力输出时产生额外的干扰力矩。长轴结构的前段为电极与绝缘组件集成段，设置有多道环形绝缘隔层，不同直径的阶梯轴段分别对应阴极安装位、绝缘陶瓷套安装位、阳极固定位，阶梯轴的轴肩位置全部做了圆角过渡处理，避免高压工作状态下的电场集中引发放电击穿；长轴的后段为喷管延伸段，末端为收敛-扩张型喷管出口，喷管型面经过气动优化，在低推进剂流量下仍能保证较高的推力效率。

关于安装边界与尺寸适配，这款推进器的轴向总长度适配1U至6U立方星的舱段深度，径向最大尺寸为中部环形基座的外径，安装时需要在卫星安装板上预留对应直径的过孔，供推进器主体穿过，安装基座与安装板之间需要添加耐高温隔热垫片，避免推进器工作时的高温传导至卫星星体结构，影响其他星载设备的正常工作。推进剂供给接口的伸出长度经过精确计算，不会超出卫星星体的包络范围，避免卫星发射阶段与整流罩内壁发生干涉。在结构细节设计上，所有外露的金属结构件都做了航天级阳极氧化处理，既可以抵抗空间环境中的原子氧侵蚀，也能起到一定的绝缘防护作用；电极与外部供电线路的连接端设置在前段轴的端部，采用焊接式接线端子，减少接插件带来的接触电阻与可靠性风险。

在实际工程选型中，这类推进器的结构设计还充分考虑了地面试验的安装需求，中部的环形基座可以直接适配常规的推力测试台架装夹结构，不需要额外设计专用工装，能够缩短地面热试车与推力标定的准备周期。区别于其他类型的电推进装置，比如霍尔推力器或者离子推力器，这款电弧喷射推进器的结构复杂度更低，没有复杂的磁场发生组件，整体零件数量更少，对应的结构可靠性更高，更适合对成本与可靠性要求严苛的商业小卫星任务场景。在三维建模过程中，这类部件的结构还原需要重点关注同轴度公差的标注，以及不同材料部件之间的配合间隙，比如绝缘陶瓷套与金属电极之间的间隙需要兼顾热膨胀补偿与定位精度，避免工作状态下热胀冷缩导致部件开裂或者电极移位。