CN106286179A - 吸气式离子发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种吸气式离子发动机，可作为人造卫星、飞船、空间站等航天器的动力***，完成姿态控制、轨道维持、轨道机动等任务。该发明的最大特点是采用吸气式方案，充分利用轨道高度的稀薄大气组分作为发动机的工作介质，可极大程度上减少甚至完全避免传统航天器对自身携带推进剂的需求，从而获得大幅度降低卫星重量及火箭发射成本、显著提高卫星寿命等收益，具有重大的应用前景和和可观的经济价值。整个吸气式离子发动机主要由以下5个部分组成：进气道、电离室、加速栅极、离子中和器、电源及管理***。

Description

吸气式离子发动机

【技术领域】

本发明专利涉及一种吸气式离子发动机，可作为人造卫星、飞船、空间站等航天器的动力***，完成航天器姿态控制、轨道维持、轨道机动等任务。该发明通过吸气式方案将轨道高度的稀薄大气组分作为发动机的工作介质，可极大程度上减少甚至完全避免传统航天器对自身携带推进剂的依赖，从而获得大幅度降低卫星重量及火箭发射成本、显著提高卫星寿命等收益，具有重大的应用前景和和可观的经济价值。

【背景技术】

发动机***是火箭、卫星、空间站等航天器的完成各项任务所必需的动力之源，发动机的性能指标直接决定了航天器的整体技术水平。近年来，电推进方式由于其高比冲、长寿命的特点，与传统化学推进方式相比具有明显优势，因此在轨道卫星及深空探测等方面取得了越来越多的应用。根据工作原理的不同，电推进方式可分为电热式、电磁式、静电式三类。离子发动机属于目前应用较为广泛的一种静电式电推进技术。

目前已有的离子发动机(以及其它电推进方式或化学推进方式)，均不可避免的存在一个致命性的缺陷，即必须由航天器自身携带推进剂。一般来说，一个采用化学推进的卫星，推进剂所占其初始重量的比例甚至可能超过60％，若采用离子发动机等电推进技术，可显著降低推进剂携带量，然而仍无法彻底解决该问题，自身推进剂的消耗成为限制卫星寿命、影响卫星发射成本的最重要的因素。

本发明专利提出一种吸气式离子发动机，创新性的利用轨道高度的稀薄大气组分作为推进剂，可显著减少卫星对自身携带推进剂的依赖，从而显著提高卫星使用寿命、降低发射成本。

【发明内容】

根据本发明的一个方面，提供了一种吸气式离子发动机，整个***主要包括以下5个部分：进气道、电离室、加速栅极、离子中和器、电源及管理***等。本发明的工作原理及***构成如图1所示，发动机各部分的作用及***工作流程描述如下：

进气道(1)是吸气式离子发动机区别于传统离子发动机最主要的技术特点，也是其最大优势。进气道(1)的作用是利用卫星的轨道飞行速度对来流大气进行收集，作为离子发动机的工作介质；除完成常规进气功能外，还可利用永磁铁或电磁线圈，对来流中的正离子进行富集和筛选，以提高发动机内部的离子密度，满足发动机对不同推力、功耗的指标需求；

来流大气经进气口进入电离室(2)，电离室内通过电子轰击或电离器(6)对推进剂进行进一步电离，使来流大气中的O₂、N₂等组分转变为O⁺、N⁺等正离子；同时电离室内通过设置永磁铁或电磁线圈，实现对电子的偏转和收集；

电离室内的O⁺、N⁺等正离子，经过位于电离室尾部的加速栅极(3)，获得极高的速度增量，从而由于动量守恒原理，对发动机本身产生反作用力，发动机产生推力；

离子中和器(4)的作用为将电离室内产生的电子收集并从发动机尾喷口处排出，使之与加速栅极喷出的正离子流混合，电量中和，避免长期工作后发动机累积负电荷，影响发动机性能和其它设备的工作环境；

电源及管理***(5)主要完成功能为将航天器上的电能合理、高效的供给发动机上各部分，包括向电离器供电、电磁线圈控制、加速栅极电场控制、离子中和器控制等；目前卫星等航天器上最常用的能量来源为太阳能电池，具有能量稳定、技术成熟、可靠性高的特点，是用于吸气式离子发动机的理想能源。

根据本发明专利的一个方面，提供了一种吸气式离子发动机，其特征在于：

1、具有进气道(1)是吸气式离子发动机区别于传统离子发动机最主要的技术特点和最大优势，包括进气口、流量调节装置及离子偏转装置等，其作用是利用卫星的轨道飞行速度对来流大气进行收集，作为离子发动机工作的推进剂；

2、进气道(1)除完成常规进气作用外，还可利用永磁铁或电磁线圈，对来流中原有的正离子(O⁺)进行富集和筛选，以提高离子的面密度，满足发动机对不同推力、功耗的指标需求；

3、进气道(1)具备流量调节功能，即通过调整进气口面积，改变发动机的质量流量，从而实现变推力调节；

4、电离室(1)具备二次电离的功能，即可根据工作模式需要，选择是否对来流大气组分中的中性原子进行电离，从而适应不同任务模式下的功率限制和推力需求；

5、由于本发明采用吸气式方案，利用轨道高度的稀薄大气组分作为发动机的工作介质，因此无需传统卫星推进***中的推进剂贮箱、输送***等复杂设备，节省重量，降低复杂程度，提高卫星的可靠性及寿命。

本发明专利的有益效果包括：

(1)通过吸气式方案，可充分利用轨道高度的稀薄大气组分作为发动机的工作介质，从而减少甚至避免卫星对自身携带推进剂的依赖，从某种意义上讲等同于“无工质”推进，可大幅降低卫星发射重量和发射成本，显著提高卫星运行寿命，具有重要的应用前景和可观的经济价值；

(2)本发明提出的吸气式方案相对于传统离子发动机，省去了推进剂贮箱、输送***等设备，减轻了结构重量，降低***复杂程度，可显著提高卫星的可靠性及寿命；

(3)一般低轨卫星所运行的轨道高度大致位于地球大气电离层范围内，该范围内大气组分由于太阳辐射作用发生部分电离，存在大量的O⁺等正离子，是吸气式离子发动机天然的推进剂，同时可进一步节省发动机的电离能耗；

(4)传统的离子发动机(自身携带推进剂)经过多年的研究发展和改进，技术已较为成熟，目前已大量应用于各种卫星上，因此，作为本发明的基础，技术成熟度高，风险小，开发周期短，研制成本低；

(5)航空领域所采用的吸气式概念仅能利用稠密大气层中的氧气，仍需与自身携带的燃料进行氧化还原反应才能释放化学能，而本发明对工质加速采用的是静电加速方法，因此可完全实现零工质携带；

(6)本发明提出的“利用高空大气组分作为推进工质”的理念，同样可适用于其它类型的电推进发动机，如霍尔发动机、电弧加热式发动机、磁等离子发动机等，具有广阔的推广价值和应用前景。

【附图说明】

图1是本发明专利的工作原理及***构成图

附图标号说明：

1-进气道 2-电离室 3-加速栅极

4-离子中和器 5-电源及管理***

6-电离器 7-电磁线圈

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例说明本发明专利的技术方案。

一般认为，卫星和空间站等轨道航天器所运行的环境接近真空，由于大气极其稀薄，传统可用于临近空间飞行器的吸气式发动机，在轨道环境下由于进气量不足而无法工作。然而，从另外角度考虑，卫星在轨运行时处于失重状态，对发动机推力的需求要远远小于临近空间飞行器，因此有必要通过具体的数据分析，研究吸气式离子发动机方案在轨应用的可行性。

为说明本发明专利的设计原理及设计过程，以下针对某具体实施例进行发动机主要参数的性能分析和方案设计。

假定吸气式离子发动机典型的工作轨道高度为150km，该高度下大气参数为：大气密度3.0×10^-9kg/m³，大气组分为O₂、N₂、O、O⁺。参考常见卫星及离子发动机的参数，确定吸气式离子发动机进气口直径为200mm，轨道高度150km时卫星飞行速度约为7.8km/s，因此可得到发动机进气口质量流量为：

$\stackrel{\·}{m}=S_{in}\·V_0\·{\mathrm{\ρ}}_0=7.35\×{10}^{-7}kg/s$

其中，为进气口质量流量，S_in为进气口面积，ρ₀为轨道高度大气密度，V₀为飞行器与来流相对速度(近似等于卫星在轨飞行速度)。

假设通过电离室后以上质量流量的电离率为100％，即来流大气组分完全转化为O⁺、N⁺正离子。采用500V电压的加速栅极，推进剂可获得的速度增量为：

$\mathrm{\Δ}V=\sqrt{2V_{acc}\·q/m_e}=80322m/s$

其中，ΔV为推进剂速度增量，V_acc为加速栅极电压，m_e/q为推进剂平均质荷比，取1.55×10^-7kg/C。

根据动量定理，产生的推力为：

$F=\stackrel{\·}{m}\·\mathrm{\Δ}V=59mN$

参考常规离子发动机参数，取本实例的发动机效率为0.5，则需输入功率为

$P=(\frac{1}{2}\stackrel{\·}{m}\·{\mathrm{\ΔV}}^2)/\mathrm{\η}=4742W$

迎风面为1m²的卫星在该轨道高度的大气阻力一般为4.0×10^-4N，远小于吸气式离子发动机产生的推力，即说明采用吸气式离子发动机方案的剩余推力为正，该设计具有技术可行性及应用价值。

根据以上分析，该吸气式离子发动机的理论比冲为8196s，远远高于常规化学火箭发动机的性能(200s至450s)，并且通过增加加速栅极的电压，在功率可承受的范围内，该发动机的推力及比冲仍有较大的提高空间。

根据以上设计及分析过程，可得到本发明专利具体实施例的主要性能参数如下：

发动机进气口直径200mm，输入功率4742W，加速栅极电压500V，发动机比冲8196s，发动机推力59mN，携带推进剂质量0kg。

Claims (4)

1.一种吸气式离子发动机，其特征在于其包括以下5个部分：

进气道(1)是吸气式离子发动机区别于传统离子发动机最主要的特点，包括进气口、流量调节装置及离子偏转装置等，其作用是利用卫星的轨道飞行速度对来流大气进行收集，作为离子发动机的工作介质；

电离室(2)，包括室壁、电离器、电磁线圈等，电离室内通过电子轰击或接触式电离器对推进剂进行深度电离，使来流大气中的O₂、N₂等组分转变为O⁺、N⁺等正离子；同时电离室内通过设置永磁铁或电磁线圈，实现对电子的偏转和收集；

加速栅极(3)，位于电离室尾部，由一组或多组高压电场组成，通过静电力(库伦力)对电离室内的正离子进行加速，并从尾部高速喷出，由于动量守恒原理，使发动机产生推力；

离子中和器(4)，作用为将电离室内产生的电子从发动机尾喷口处排出，使之与通过加速栅极的高速正离子流混合，中和电量，避免长期工作后发动机累积负电荷，影响发动机的性能和其它设备的工作环境；

电源及管理***(5)，主要完成发动机各部分的能源供给和调节等功能，包括向电离器供电、电磁线圈控制、加速栅极电场控制、离子中和器控制等。

2.根据权利要求1所述的吸气式离子发动机，其特征在于进气道(1)除完成常规进气作用外，还可利用离子偏转装置，对来流大气中已有的正离子(O⁺)进行富集和筛选，以提高发动机内离子的面密度，满足发动机对不同推力、功耗的指标需求。

3.根据权利要求1所述的吸气式离子发动机，其特征在于，进气道(1)具备流量调节功能，即通过调整进气口面积，改变发动机的质量流量，从而实现变推力调节。

4.根据权利要求1所述的吸气式离子发动机，其特征在于，电离室(2)具备二次电离的功能，即可根据工作模式需要，选择是否对来流大气组分中的中性原子进行电离，从而适应不同任务模式下的功率限制和推力需求。