CN108869220A - 一种用于空间机动平台的推进装置及推进方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于空间机动平台的推进装置及推进方法，属于空间推进技术领域，该方法为一种化学推进和电推进相结合的复合推进方法。本发明提供一种用于空间机动平台的推进装置，并结合化学推进和电推进过程形成新的复合推进方法；所述化学推进过程是指将可燃气体工质混合物在高电压脉冲作用下电离并点燃，诱发化学燃烧反应，释放出大量的化学能使混合气体膨胀加速，由于前端推力壁阻挡将为装置提供向前的推力；所述电推进过程是指电离和燃烧化学反应生成的等离子体混合物在大电流与自身感应磁场相互作用产生的洛伦兹力作用下向后加速并经尾喷管喷出，为整个装置提供向前的推力。

Description

一种用于空间机动平台的推进装置及推进方法

技术领域

本发明涉及一种用于空间机动平台的推进装置及推进方法，属于空间推进技术领域，该方法为一种化学推进和电推进相结合的复合推进方法。

背景技术

空间机动平台作为一种轨道转移飞行器，可以携带多种有效载荷，将其投送到不同轨道作用于不同空间目标。为提高空间机动的时效性和多目标作用能力，要求空间机动平台具备大范围快速变轨和多次变轨能力，这就对大推力、高比冲空间推进器提出了迫切的需求。

根据能量来源和转换方式的不同，当前空间推进类型主要分为化学推进和非化学推进。其中，化学推进***的推力可达兆牛量级，更适合于航天器快速轨道转移。但纯化学推进的比冲不高，仅有几百秒，由于比冲越低，工质消耗越大，在应用于多次轨道转移或大范围机动任务时，化学推进通常要消耗大量燃料，一方面大大减少了有效载荷的承载量，另一方面一次大范围机动后，飞行器携带的燃料通常也基本耗尽，很难再进行二次或三次机动。非化学推进中以电推进研究最多，应用最广。传统电推进***像离子推力器和霍尔推力器推力通常都很小，仅在毫牛至百毫牛量级。对于快速轨道转移、深空载人探测这一类对于任务时间有着苛刻要求的任务，小推力电推进***则表现很差，一次轨道转移时间一般需要百天以上，这不仅大大降低了卫星投入的实时性，抵消了节省燃料带来的经济性，同时在转移的过程中对测控等问题提出了更高要求，大大增加了人力成本。而大功率电推进***，像磁等离子体推力器、螺旋波等离子体推力器等，虽然能够实现较大的推力和较高的比冲，但电能消耗将达到惊人的兆瓦量级。以目前及未来几年空间太阳能供电能力来衡量，远不能满足该类大功率电推进***的供电需求，未来也只能依靠空间核能供电，但目前空间核能供电技术还很不成熟。因此，大功率纯电推进***短期内在空间很难获得应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于空间机动平台的推进装置及推进方法。

本发明的技术解决方案是：

一种用于空间机动平台的推进装置，其特征在于：该装置包括电源、固定板、推力壁、阳极、尾喷管、阴极和混合气体输入装置；

电源用于给阴极和阳极之间供给电流和脉冲；

固定板固定连接在阳极的底端；

推力壁固定安装在阳极内；

尾喷管固定连接在阳极的顶端；

阴极同轴安装在阳极内，阴极和阳极之间形成空腔；

混合气体输入装置用于给阴极和阳极之间形成的空腔输入混合气体。

阴极穿过推力壁和固定板后固定在固定板上。

所述的阳极为一圆筒，阳极的材料为金属导电材料，阳极的底端带有法兰安装面和台阶，阳极的顶端带有法兰安装面；所述的阴极为一实心圆柱体，阴极的材料为金属导电材料。

混合气体输入装置包括气体燃料瓶、氧化剂瓶和预混室；气体燃料瓶用于盛放气体燃料；氧化剂瓶用于盛放氧化剂；预混室用于对气体燃料和氧化剂进行混合；预混室的一端与气体燃料瓶通过管路连接，连接管路上有阀门和气压计；预混室的另一端与氧化剂瓶通过管路连接，连接管路上有阀门和气压计。

所述的固定板为带有法兰安装面的圆板，阳极底端的法兰安装面与固定板的法兰安装面固定连接，推力壁固定安装在阳极底端的台阶与固定板之间；所述的尾喷管固定安装在阳极顶端的法兰安装面上。

所述的阳极的侧壁上带有一通孔，该通孔作为混合气体的进气口；所述的尾喷管的材料为金属导电材料；所述的推力壁的材料为绝缘材料；所述的固定板的材料为绝缘材料。

一种空间机动平台的推进方法，该方法的步骤包括：

(1)抽真空，使固定板、推力壁、阳极、尾喷管、阴极处于真空环境中；

(2)使用混合气体输入装置给阴极和阳极之间形成的空腔输入混合气体；

(3)电源输出脉冲和电流加在阴极和阳极之间；

(4)当混合气体从尾喷管喷出以后，电源终止输出，一个脉冲工作周期结束。

下一个工作周期重复(1)～(4)步骤，机动任务完成后，推进工作停止。

所述的电源输出的脉冲幅值V由下式确定：

其中，A、B、γ为通过实验确定的与气体种类和阴极材料有关的常数，比如当气体为氢气、阴极材料采用镍时对应的A、B、γ值分别为3.8、97.5和0.053，当气体为空气、阴极材料采用镍时对应的A、B、γ值分别为11.0、273.8和0.019，P为压强，d为阴极和阳极之间的距离。

所述的电源输出的电流I由下式确定：

其中，μ₀为真空磁导率，π为圆周率，r_a为阳极半径，r_c为阴极半径，T为推力器所需推力。

有益效果

(1)本发明提供一种用于空间机动平台的推进装置，并结合化学推进和电推进过程形成新的复合推进方法；所述化学推进过程是指将可燃气体工质混合物在高电压脉冲作用下电离并点燃，诱发化学燃烧反应，释放出大量的化学能使混合气体膨胀加速，由于前端推力壁阻挡将为装置提供向前的推力；所述电推进过程是指电离和燃烧化学反应生成的等离子体混合物在大电流与自身感应磁场相互作用产生的洛伦兹力作用下向后加速并经尾喷管喷出，为整个装置提供向前的推力。

(2)一种用于空间机动平台的推进方法，首先采用真空泵将真空罐抽气，直至罐内真空度达到要求，关闭抽气阀，停止真空泵；抽气结束后，将燃料与氧化剂组成的可燃气体工质按化学当量比注入预混室混合后注入加速腔，并关闭进气总阀；接着高压脉冲源和大电流源分别输出高电压脉冲和大电流加在阴极和阳极之间，高电压使气体发生电离，并点燃混合气体。化学燃烧反应释放的化学能引起气体膨胀加速，由于前端推力壁的阻挡，将会为整个装置提供向前的推力；同时，大电流通道产生周向感应磁场，大电流与磁场相互作用产生向后的洛伦兹力，等离子体混合物在洛伦兹力作用下向后加速，为整个装置提供向前的推力；等离子体混合物从后端喷管喷出以后，电源终止输出，一个工作周期结束。该复合推进方法为脉冲重频工作模式，下一工作周期将重复上述流程。

(3)本发明中洛伦兹力是由所述的大电流与自身产生的感应磁场相互作用产生的，使由高压电离和化学燃烧反应产生的等离子体混合物向后端加速。

(4)本发明公开的一种用于空间机动平台的推进装置和推进方法，与现有推进技术相比在空间平台多次大范围快速机动任务应用中更具有技术优势。该发明与纯化学推进器相比，比冲有较大提升；与纯电推进器相比，能够降低电能消耗。

(5)本发明针对现有推进技术在空间平台多次大范围轨道机动任务中应用的不足，提供一种用于空间机动平台的推进装置和推进方法，既能够利用化学推进实现大推力输出，并通过电能的注入提高化学推进的比冲，有效降低燃料消耗，满足多次大范围快速变轨需求，又能够有效利用化学推进释放的化学能从而降低电推进的电能消耗。随着空间太阳能供电能力的发展，该方法有望短期内解决空间机动平台的推进难题。

附图说明

图1为本发明的推进装置的结构示意图。

具体实施方式

一种用于空间机动平台的推进装置，该装置包括高压脉冲源1、电流源2、固定板3、推力壁4、阳极6、尾喷管7、阴极8、进气口9、进气总阀10、预混室11、气体燃料瓶12、氧化剂瓶13、进气阀14和17、气压计15和16、真空罐18、真空泵19和抽气阀20；

所述的阳极6为一圆筒，阳极6的材料为金属导电材料，阳极6的底端带有法兰安装面和台阶，阳极6的顶端带有法兰安装面；

所述的阴极8为一实心圆柱体，阴极8的材料为金属导电材料；

所述的气体燃料瓶12用于盛放气体燃料；

所述的氧化剂瓶13用于盛放氧化剂；

所述的预混室11用于对气体燃料和氧化剂进行混合；

所述的固定板3为带有法兰安装面的圆板；

所述的阳极6底端的法兰安装面与固定板6的法兰安装面固定连接，推力壁4固定安装在阳极6底端的台阶与固定板3之间；

所述的阴极8同轴安装在阳极6内，且穿过推力壁4和固定板3后固定在固定板3上；

所述的阳极6和阴极8之间的空间形成加速腔5；

所述的尾喷管7固定安装在阳极6顶端的法兰安装面上；

所述的阳极6的侧壁上带有一通孔，该通孔作为进气口9；

所述的高压脉冲源1和电流源2的输出正端同时与阳极6连接，并接地；

所述的高压脉冲源1和电流源2的输出负端同时与阴极8连接；

所述的进气总阀10一端通过管路与阳极6侧壁上的进气口9连通，进气总阀10的另一端通过管路与预混室11进行连接；

所述的预混室11的一端与气体燃料瓶12通过管路连接，连接管路上有阀门14和气压计15；

所述的预混室14的另一端与氧化剂瓶13通过管路连接，连接管路上有阀门17和气压计16；

所述的真空罐18和真空泵19用于提供真空工作环境，二者用抽气阀20连接；

所述的尾喷管7的材料为金属导电材料；

所述的推力壁4的材料为绝缘材料；

所述的固定板3的材料为绝缘材料；

固定板3、推力壁4、阳极6、尾喷管7与阴极8放置于真空罐18内，真空泵19与真空罐18通过抽气阀20连接，用于维持真空罐18内真空度与实际真空环境接近。

一种用于空间机动平台的推进方法，该方法的步骤包括：

(1)关闭气体总阀10，打开抽气阀20，使真空泵19开始对真空罐18抽气，当真空罐18内真空度达到要求后，关闭抽气阀20，真空泵19停止工作；

(2)将气体燃料放置于气体燃料瓶12中，将氧化剂放置于氧化剂瓶13中，然后将气体燃料和氧化剂按照化学当量比注入到预混室11中，打开进气总阀10使预混室11中的混合气体进入到加速腔5中，关闭进气总阀10；

(3)高压脉冲源1输出高压脉冲加在阴极8和阳极6之间，高压脉冲使混合气体电离并使其发生燃烧化学反应并向后端膨胀加速，同时电流源2输出电流加在阴极8和阳极6之间，使电离、燃烧产物向后端进一步加速；

(4)当混合气体从尾喷管7喷出以后，高压脉冲源1和电流源2终止输出，一个脉冲工作周期结束；

(5)下一个工作周期重复(1)～(4)步骤，机动任务完成后，推进工作停止。

下面就结合附图对本发明作进一步介绍。

本发明公开了一种用于空间机动平台的推进装置及推进方法。该推进装置的结构如图1所示，1为高压脉冲源，2为大电流源，3为固定板，4为推力壁，5为加速腔，6为阳极，7为尾喷管，8为阴极，9为进气口，10为进气总阀，11为预混室，气体燃料瓶12，氧化剂瓶13，气压计15和16，进气阀14和17，真空罐18，真空泵19和抽气阀20。其中，阳极6为圆筒结构，阴极8为圆柱体，并同轴安装，阳极6、阴极8和尾喷管7为金属导电材料，推力壁4和固定板3为绝缘材料，高压脉冲源1和电流源2的输出正端接阳极6并接地，高压脉冲源1和电流源2的负端接阴极8。该推进方法采用脉冲重频工作模式，一个脉冲工作周期具体工作过程如下：

(1)关闭气体总阀10，打开抽气阀20，真空泵19开始抽气，当真空罐18内真空度达到要求后，关闭抽气阀20，真空泵19停止工作。

(2)可燃气体工质是指由燃料与氧化剂这类可以发生化学燃烧反应的气体组成的混合物，典型燃料如氢气、甲烷等，典型氧化剂如空气、氧气等。将气体燃料放置于气体燃料瓶12中，将氧化剂放置于氧化剂瓶13中，然后将气体燃料和氧化剂按照化学当量比注入到预混室11中，打开进气总阀10使预混室11中的混合气体进入到加速腔5中，关闭进气总阀10。

(3)进气结束后，高压脉冲源1输出高压脉冲加在阴极8和阳极6之间，同时电流源2输出电流加在阴极8和阳极6之间。所述的高压脉冲源1的输出脉冲宽度一般小于100ns，输出脉冲幅值V由Paschen定律确定：

其中，A、B、γ为通过实验确定的与气体种类和阴极8的材料有关的常数，比如当气体为氢气、阴极8的材料采用镍时对应的A、B、γ值分别为3.8、97.5和0.053，当气体为空气、阴极8的材料采用镍时对应的A、B、γ值分别为11.0、273.8和0.019，P为充气结束后加速腔5内达到的压强，d为阴极8和阳极6之间的距离；

所述的电流源2的最大输出电流I由Maecker公式进行确定：

其中，μ₀为真空磁导率，π为圆周率，r_a为阳极6半径，r_c为阴极8半径，T为推力器所需推力。

(4)高压脉冲源1注入的能量首先将一部分混合气体分子的化学键打开，离解成单个气体原子，接着会有一部分气体原子获得或失去电子而电离成带电粒子，带电粒子将在电场作用下运动，与其他粒子相互碰撞并交换能量，使电离过程逐步加剧，最终在阴阳两极间形成电流通道。在高压脉冲作用下，腔内局部压强较低处的气体将会首先发生电离，成为着火点，从而诱发化学燃烧反应。气体电离点火以后将会在阴阳两极之间建立局部电流通路。

(5)在传统化学反应中，首先发生的是打开反应物内的化学键，需要吸收能量，然后再重组形成新的化学键，释放能量，化学反应释放出的总能量为上述两个过程能量变化的差值。在采用高压电离点火的化学燃烧反应中，打开反应物内的化学键所需的这部分能量已由高压脉冲源1的高压脉冲提供，高压作用下离解产生的气体原子可以直接发生化学燃烧反应，与传统化学燃烧反应相比将能释放出更多的能量。由于化学燃烧反应释放的化学能主要转化成气体膨胀加速后的动能，因此采用高压电离点火的化学燃烧反应后气体的喷出速度更高，对应化学推进的比冲也更高。伴随燃烧反应的进行，将会释放出大量的化学能，使气体受热膨胀加速，由于加速腔5前端有推力壁4阻挡，根据动量守恒定律，气体向后端膨胀将会为装置提供向前的推力。

(6)随着燃烧程度的加剧，等离子体混合物填充整个腔体，阴阳两极间的阻抗大幅降低并趋于稳定值，电流源2输出的电流将达到最大并趋于稳定。在电流线周向将产生感应磁场，由于阴极8流过电流最大，所产生的周向磁场最强，电流与感应磁场相互作用产生洛伦兹力。等离子体混合物在洛伦兹力作用下会向后端加速，为装置提供向前的推力，此时推力也将达到最大。由于高压脉冲源1和电流源2通过输出的能量最终转化为混合气体的动能，并且同时进行的化学燃烧反应释放出的大量化学能也将转化为混合气体的动能，而纯电推进过程混合气体的动能只能由电能转化而来，因此复合推进过程相比纯电推进加速过程将能有效降低电能的消耗。

上述过程(5)和(6)在加速腔5内是同时进行的。

(7)混合气体经尾喷管7完全喷出后，高压脉冲源1和电流源2停止工作，一个脉冲工作周期结束。一个脉冲周期时间是由抽气时间、充气时间、气体电离加速排出时间相加得到的。其中，抽气时间主要与真空泵的抽速有关；充气时间一般在10ms左右，气体电离加速排出时间一般在5ms左右。

(8)下一个工作周期重复(1)～(7)步骤，机动任务完成后，推进器停止工作。

实施例

(1)本发明与传统化学推进方法的理论比较

化学推进的能量来源于化学反应释放的化学能。同等质量工质下，释放的化学能越多，理论上化学推进所能达到的比冲越大。以氢气(H₂)作为燃料、氧气(O₂)作为氧化剂为例，传统化学推进方式下，1mol H₂和0.5mol O₂发生完全化学燃烧反应生成1mol水蒸汽(H₂O)释放的能量约为245kJ，能量方程为：

H₂(g)+0.5O₂(g)→H₂O(g)-245kJ/mol.

而H、O原子直接发生化学燃烧反应生成1mol水蒸汽释放的化学能约为930KJ，能量方程为：

2H(g)+O(g)→H₂O(g)-930kJ/mol.

如果采用本发明中的推进方法，因为采用高压电离点火方式，在发生化学燃烧反应之前，会有一部分H₂和O₂在高电压作用下已离解成H、O原子。假设H₂和O₂的离解率分别为10％，则释放的化学能约为：313.5kJ，相比传统化学推进方式释放的化学能增加68.5kJ。根据能量守恒定律，这部分增加的能量将会引起气体喷射速度的提升，对应的推进器比冲也会有所增加。另外，电离燃烧产物还会在洛伦兹力作用下进一步加速，比冲会进一步提升。

(2)本发明与纯电推进方法的理论比较

纯电推进方案中，推进器的能量来源于电能的消耗。针对同一设计指标，比如推力T＝50N、比冲I_sp＝1000s，重力加速度g取10m/s²，则对应的工质秒耗量为5×10-³kg/s。

根据能量守恒定律，采用纯电推进方案并假设电能利用效率为100％，耗电功率P将达到250kW。

而本发明的复合推进方法既有化学推进过程，又有电推进过程。在化学推进过程中，通过工质的化学燃烧反应将能释放出一定比例的化学能，这部分能量将能提供一定的比冲，假设该比冲值取传统化学推进典型比冲值400s。则电推进过程中电能的消耗仅用于将比冲从400s提升至1000s。根据能量守恒定律，耗电功率将降为210kW，相比纯电推进方法将节约40kW电能。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种用于空间机动平台的推进装置，其特征在于：该装置包括电源、固定板(3)、推力壁(4)、阳极(6)、尾喷管(7)、阴极(8)和混合气体输入装置；

电源用于给阴极(8)和阳极(6)之间供给电流和脉冲；

固定板(3)固定连接在阳极(6)的底端；

推力壁(4)固定安装在阳极(6)内；

尾喷管(7)固定连接在阳极(6)的顶端；

阴极(8)同轴安装在阳极(6)内，阴极(8)和阳极(6)之间形成空腔；

混合气体输入装置用于给阴极(8)和阳极(6)之间形成的空腔输入混合气体。

2.根据权利要求1所述的一种用于空间机动平台的推进装置，其特征在于：阴极(8)穿过推力壁(4)和固定板(3)后固定在固定板(3)上。

3.根据权利要求1所述的一种用于空间机动平台的推进装置，其特征在于：所述的阳极(6)为一圆筒，阳极(6)的材料为金属导电材料，阳极(6)的底端带有法兰安装面和台阶，阳极(6)的顶端带有法兰安装面；所述的阴极(8)为一实心圆柱体，阴极(8)的材料为金属导电材料。

4.根据权利要求1所述的一种用于空间机动平台的推进装置，其特征在于：混合气体输入装置包括气体燃料瓶、氧化剂瓶和预混室；气体燃料瓶用于盛放气体燃料；氧化剂瓶用于盛放氧化剂；预混室用于对气体燃料和氧化剂进行混合；预混室的一端与气体燃料瓶通过管路连接，连接管路上有阀门和气压计；预混室的另一端与氧化剂瓶通过管路连接，连接管路上有阀门和气压计。

5.根据权利要求1所述的一种用于空间机动平台的推进装置，其特征在于：所述的固定板(3)为带有法兰安装面的圆板，阳极(6)底端的法兰安装面与固定板(3)的法兰安装面固定连接，推力壁(4)固定安装在阳极(6)底端的台阶与固定板(3)之间；所述的尾喷管(7)固定安装在阳极(6)顶端的法兰安装面上。

6.根据权利要求1所述的一种用于空间机动平台的推进装置，其特征在于：所述的阳极(6)的侧壁上带有一通孔，该通孔作为混合气体的进气口；所述的尾喷管(7)的材料为金属导电材料；所述的推力壁(4)的材料为绝缘材料；所述的固定板(3)的材料为绝缘材料。

7.一种使用权利要求1-6任一所述的装置进行空间机动平台的推进方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)抽真空，使固定板(3)、推力壁(4)、阳极(6)、尾喷管(7)、阴极(8)处于真空环境中；

(2)使用混合气体输入装置给阴极(8)和阳极(6)之间形成的空腔输入混合气体；

(3)电源输出脉冲和电流加在阴极(8)和阳极(6)之间；

(4)当混合气体从尾喷管(7)喷出以后，电源终止输出，一个脉冲工作周期结束。

8.根据权利要求7所述的一种用于空间机动平台的推进方法，其特征在于：下一个工作周期重复(1)～(4)步骤，机动任务完成后，推进工作停止。

9.根据权利要求7或8所述的一种用于空间机动平台的推进方法，其特征在于：所述的电源输出的脉冲幅值V由下式确定：

其中，A、B、γ为常数，P为压强，d为阴极和阳极之间的距离。

10.根据权利要求7或8所述的一种用于空间机动平台的推进方法，其特征在于：所述的电源输出的电流I由下式确定：

其中，μ₀为真空磁导率，π为圆周率，r_a为阳极半径，r_c为阴极半径，T为推力器所需推力。