CN110159501A - 超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器，包括吸气道，设有进气口与出气口，用于对稀薄空气进行压缩并将其吸入推力器；放电腔，与出气口连通，由阴极体、阳极体与电源组成，所述阴极体、阳极体均与电源电性相连，用于将压缩后的稀薄空气电离成等离子体并在电场的作用下将等离子体加速喷出，所述放电腔内设有磁场以进一步提升等离子体加速喷出的效果；限流阀，位于吸气道与放电腔之间，所述限流阀的进气端与出气口连通，所述限流阀的出气端与放电腔连通，用于控制进入放电腔的压缩空气团的质量流量。实现了推力器对环境中稀薄空气的捕获、存储、控制、电离和加速等过程，从而稳定产生推力。本发明应用于航天技术与等离子体领域。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术与等离子体领域，尤其涉及一种超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器。
背景技术
随着空间轨道的卫星数量日渐饱和，超低轨道成为了卫星拓展运行范围、提升任务能力的新选择。相对于其他轨道而言，卫星在超低轨道上运行，能够显著降低卫星的发射成本，提升其导航定位精度与响应速度，在天气预测、两极冰覆盖监控、火灾监控、农业监控、电子通信、定位导航、遥感等领域都有着广阔的应用前景。然而，超低轨道空间环境的特殊性和复杂性使得卫星持久驻留将面临寿命短、推进剂补给困难且在轨维护成本高等问题，严重制约了空间超低轨道卫星的发展。
追求性能稳定、寿命长、重量轻且成本低的推进***是当前航空航天领域的前沿研究重点。尽可能利用空间环境中存在的物质为基础发展新的推进方案，能够有效减少卫星相关成本，增大寿命，为超低轨道卫星的轨道控制提供了新的方案。但是相关研究尚少，且无法实现推力精确可变，不能满足超低轨卫星的多项飞行任务动力需求。
发明内容
针对现有技术中，本发明的目的是提供一种超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器。
其采用的技术方案是：
超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器，包括：
吸气道，位于推力器的首端，设有进气口与出气口，用于对稀薄空气进行压缩并将其吸入推力器；
放电腔，位于推力器的尾端并与出气口连通，由阴极体、阳极体与电源组成，所述阴极体、阳极体均与电源电性相连，用于将压缩后的稀薄空气电离成等离子体并在电场的作用下将等离子体加速喷出，所述放电腔内设有加速磁场以进一步提升等离子体加速喷出的效果；
限流阀，位于吸气道与放电腔之间，所述限流阀的进气端与出气口连通，所述限流阀的出气端与放电腔连通，用于控制进入放电腔的压缩空气团的质量流量。
进一步优选的，还包括分流器，所述分流器位于限流阀与放电腔之间；
所述阴极体与阳极体均为空心柱状结构，所述阴极***于阳极体的空腔内，所述阴极体外壁与阳极体内壁之间围成环形腔，所述放电腔由环形腔以及阳极体中剩余的空腔组成，所述阳极体的外壁上环绕有磁线圈，所述加速磁场由磁线圈生成；
所述分流器的一端设有分流进口，所述分流器的另一端设有第一分流出口以及环绕在第一分流出口周围的第二分流出口，所述第一分流出口、第二分流出口均通过分流器内的分流结构与分流进口连通；
所述分流进口与限流阀的出气端连通，所述第一分流出口与阴极体的空腔连通，所述第二分流出口与环形腔连通。
进一步优选的，所述电源包括：
点火电路，与阴极体、阳极体电性相连以用于对放电腔内的进行点火操作；
主放电电路，与阴极体、阳极体电性相连以用于向放电腔提供电场。
进一步优选的，所述点火电路包括：
第一充电电源，用于为第一电容充电；
第一电容，包括第一端子与第二端子，第一电容的第一端子与第一充电电源的阳极耦合，第一电容的第二端子与第一充电电源的阴极耦合，所述阴极体与第一电容的第二端子、第一充电电源的阴极耦合；
第一可控硅整流器，包括第一端子与第二端子，第一可控硅整流器的第一端子与第一电容的第一端子、第一充电电源的阳极耦合，第一可控硅整流器的第二端子与阳极体耦合。
进一步优选的，所述主放电电路包括第二充电电源、第二可控硅整流器、二极管、保护电阻、继电器、n个第二电容C1～Cn与n个电感L1～Ln，其中，n为大于1的自然数；
所述第二可控硅整流器、保护电阻、继电器以及每个第二电容均包括第一端子与第二端子；
第一个第二电容C1的第一端子与第二充电电源的阳极耦合，第i个第二电容Ci的第一端子与第i+1个第二电容Ci+1的第一端子通过第i个电感Li耦合，每一个第二电容C1～Cn的第二端子均与第二充电电源的阴极耦合，其中，1≤i<n；
第n个第二电容Cn的第一端子还通过第n个电感Ln与二极管的输入端耦合，二极管的输出端通过匹配电阻与阳极体耦合；
所述第二可控硅整流器的第一端子分别与第二充电电源的阴极、每一个第二电容C1～Cn的第二端子耦合，所述第二可控硅整流器的第二端子与阴极体耦合；
第一个第二电容C1的第一端子还与保护电阻的第一端子耦合，所述保护电阻的第二端子与继电器的第一端子耦合，第二个第二电容C2的第二端子与继电器的第二端子耦合并接地。
进一步优选的，所述吸气道为喇叭状结构，所述进气口位于喇叭状结构的大端，所述出气口位于喇叭状结构的小端。
进一步优选的，所述吸气道上靠近出气口位置的部分吸气道由储氮、储氧固溶体材料制成，剩余部分的吸气道由泡沫碳化硅材料制成，所述吸气道上的泡沫碳化硅材料中填充有碳分子筛。
进一步优选的，所述吸气道上的泡沫碳化硅材料中碳分子筛的填充比例沿进气口到出气口的方向逐渐增大。
进一步优选的，所述吸气道上位于进气口的位置上设有增强涂层。
进一步优选的，所述阴极体为采用钨金属材料制成，所述阳极体由钛金属材料制成。
本发明的有益技术效果：
1.本发明结构简单，通过对压缩后的稀薄空气进行电离和加速，进而产生推力，无需携带推进剂，不但能够规避掉推进剂耗尽对推力器寿命的限制，而且能够省去复杂的推进器供给装置和地面装配，能够有效减小推力器整体重量和成本，进一步提升性能。
2.本发明通过对稀薄空气吸收、压缩和存储，再利用限流阀实现压缩空气进入放电腔的流量控制，同时利用电源控制稀薄空气在放电腔内的放电功率，可有效实现对推力大小的精准控制，有效满足卫星不同任务的需求。
3.本发明通过在放电腔内布置加速磁场，结合阳极体与阴极体之间产生的电场对空气放电产生的等离子体起到稳定的加速效果，进而获得推力。
附图说明
图1是本实施例中推力器的剖视图；
图2是本实施例中分流器的分流过程的示意图；
图3是本实施例中限流阀的结构示意图；
图4是本实施例中电源中的电路示意图。
具体实施方式
为了使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下结合具体实施例，并根据附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，未描述的内容以及部分英文简写为所属技术领域中普通技术人员所熟知的内容。本实施例中给定的一些特定参数仅作为示范，在不同的实施方式中该值可以相应地改变为合适的值。
如图1所示的超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器，包括吸气道1、限流阀2、分流器3、阴极体4、阳极体5、磁线圈6和电源7等部分，其中具体的：
吸气道1呈横截面积逐渐变小的喇叭状结构，位于推力器的首端，其上设有进气口11与出气口12，进气口11位于喇叭状结构的大端，出气口12位于喇叭状结构的小端，有效实现对稀薄空气的压缩，增大来流空气的体密度；吸气道1上靠近出气口12位置的部分吸气道1由储氮、储氧固溶体材料制成，剩余部分的吸气道1由泡沫碳化硅材料制成，吸气道1上的泡沫碳化硅材料中填充有碳分子筛，通过填充碳分子筛进而有效增强吸气道1的吸气效率，其中，吸气道1上的泡沫碳化硅材料中碳分子筛的填充比例沿进气口11到出气口12的方向逐渐增大最终实现对稀薄空气的定向吸附，便于吸气道1中的储氮、储氧固溶体材料对空气进行存储；与此同时，在吸气道1上位于进气口11的位置上设有由C-SiC纳米复合材料制成的增强涂层，有效的增强吸气道1对高速粒子的碰撞防护性能。
本实施例中，吸气道1上由储氮、储氧固溶体材料制成的部分吸气道1占吸气道1总长度的1/3～1/2，制成部分吸气道1的储氮、储氧固溶体材料具体为Ce0.Zr0.O·xBaO，使得压缩后稀薄空气既可存储于吸气道1中，可存储于也吸气道1本身的固溶体材料中。
阴极体4与阳极体5均为空心柱状结构，具体的，阴极体4为采用钨金属材料制成的空心柱状结构，阳极体5为采用钛金属材料制成的空心扩张环结构，阴极体4位于阳极体5的空腔内，使得阴极体4外壁与阳极体5内壁之间围成环形腔81，环形腔81以及阳极体中剩余的空腔组成共同组成放电腔，其中，阳极体中剩余的空腔指的是阳极体的空腔中除去环形腔81与阴极体4占据的部分后所剩余的部分；优选的，阴极体4的轴与阳极体5的轴相互平行；进一步的，阴极体4的轴与阳极体5的轴重合，其中具体的：阴极体4的长度为阳极体5的长度的1/3，阴极体4的一端与阳极体5的一端位于同一横截面上，阴极体4的另一端位于阳极体5的空腔内。经过吸气道1压缩吸入推力器的空气进入放电腔内被电离成等离子体并在电场的作用下将等离子体加速喷出；电源7也位于阳极体的空腔83内，阴极体4与电源7的阴极电性相连，阳极体5与电源7的阳极的电性相连，电源7即对放电腔内产生电场起到供能作用，也对电场中的空气电离起到点火作用。同时阳极体5的外壁上环绕有磁线圈6，磁线圈6通电后即在放电腔内产生沿阳极体5轴向的加速磁场，结合电场对空气放电产生的等离子体起到稳定的加速效果，进而获得推力，其中，空心式结构的阴极体4与阳极体5也能够有效增大电离率和加速效率。此过程中调整电源7对阴极体4、阳极体5输出电压的大小进而起到调节电场的作用，或者调解磁感线中电流的大小进而起到调节加速磁场的作用，均能达到调节推力的效果。
限流阀2位于吸气道1与放电腔之间，限流阀2的进气端与出气口12连通，限流阀2的出气端通过分流器3与放电腔连通，用于控制进入放电腔的压缩空气团的质量流量。其中，参考图2，分流器3的一端设有分流进口31，分流器3的另一端设有第一分流出口32以及环绕在第一分流出口32周围的第二分流出口33，第一分流出口32、第二分流出口33均通过分流器3内的分流结构与分流进口31连通；分流进口31与限流阀2的出气端连通，第一分流出口32与阴极体的空腔82连通，第二分流出口33与环形腔81连通，图2中的箭头即空气流动方向，通过第一分流出口32与第二分流出口33将空气团分离式的通入放电腔81，使得空气能够更加均匀的分布在放电腔81中，进而提升电离与加速的效率。
参考图3，本实施例中的限流阀2采用专利CN 105840904 B中所公开的一种阀，其整体呈环状结构，由限流阀进气口20、螺旋型驱动线圈21、线圈骨架22、截锥型簧片23、密封垫24、限位块25、主阀体26、阀腔27与O型圈28构成，控制进入放电腔的压缩空气团的质量流量进而调整推力大小。在该限流阀2中，螺旋型驱动线圈21和截锥型簧片23构成阀的驱动机构，截锥型簧片23为动作执行部件。当脉冲电流流过螺旋型驱动线圈21时，根据电磁感应原理，由其产生的瞬变磁场在截锥型簧片23中感生出与之流动方向相反的环状电流。感生电流与线圈电流产生的磁场的径向分量相互作用，将在截锥型簧片23中产生轴向洛伦兹力，当轴向洛伦兹力远大于截锥型簧片23的初始弹力，截锥型簧片23外沿在轴向洛伦兹力的作用下将迅速抬升，当轴向洛伦兹力小于簧片的初始弹力，截锥型簧片23将反向。因此，在限流阀2工作过程中，通过调整螺旋型驱动线圈21电流大小控制电磁力驱动阀口开启的大小，可精确控制进入放电腔的压缩空气团的质量流量，最终实现推力器可变推力的功能，具有响应快速、寿命长、抗干扰强和耐久度高特点。
由于空间内空气较稀薄，尽管吸气道1对空气进行简单压缩，但对放电腔内的空气进行放电点火仍有一定难度。因此，本实施例针对稀薄大气点火特点，设计了如图4所示的兼容点火电路71和主放电电路72的电源7。电源7不仅能有效提高点火成功率与促进电离率，而且兼具控制放电功率调节推力变化的功能。电源7主要包括主要包括点火电路71和主放电电路72。点火电路71与阴极体4、阳极体5电性相连以用于对放电腔内的进行点火操作；主放电电路72，与阴极体4、阳极体5电性相连以用于向放电腔提供电场。
参考图4，其中点火电路71包括：第一充电电源711、第一电容712和第一可控硅整流器713。点火电路71的第一充电电源711为低功率高压充电电源，第一电容712为低容量电容，第一充电电源711用于为低容量高电压的电容充电；第一可控硅整流器713用于控制点火电路71与推力器之间的导通，同时防止反向电流流入点火电路71。其中，第一电容712与第一可控硅整流器713上均设有第一端子与第二端子。
点火电路71的具体结构为：第一电容712的第一端子与第一充电电源711的阳极耦合，第一电容712的第二端子与第一充电电源711的阴极耦合，阴极体4与第一电容712的第二端子、第一充电电源711的阴极耦合；第一可控硅整流器713的第一端子与第一电容712的第一端子、第一充电电源711的阳极耦合，第一可控硅整流器713的第二端子与阳极体5耦合。
主放电电路72包括：第二充电电源721、n个第二电容C1～Cn、n个电感L1～Ln、二极管722、第二可控硅整流器723、保护电阻724和继电器25，其中，n为大于1的自然数。主放电电路72的第二充电电源721为高功率大电流充电电源，第二电容为大容量电容，第二充电电源721用于为大容量电容充电；第二电容与电感的匹配组合为推力器提供所需的放电波形；二极管722用于阻止点火电路71的高压充电电源7向主放电电路72的电容充电；第二可控硅整流器723用于控制主放电电路72与推力器之间的导通，同时防止反向电流流入主放电电路72；保护电阻724用于在推力器放电失效情况下，将主放电电路72存储的电能通过保护电阻724释放；继电器25用于控制保护电阻724与主放电电路72的联通与断开。图4中的匹配电阻73用于对放电电路阻抗和推力器放电阻抗之间进行负载匹配，以提高推力器能量利用效率。其中，第二可控硅整流器723、保护电阻724、继电器25以及每个第二电容均设有第一端子与第二端子。
主放电电路72的具体结构为：第一个第二电容C1的第一端子与第二充电电源721的阳极耦合，第i个第二电容Ci的第一端子与第i+1个第二电容Ci+1的第一端子通过第i个电感Li耦合，每一个第二电容C1～Cn的第二端子均与第二充电电源721的阴极耦合，其中，1≤i<n；第n个第二电容Cn的第一端子还通过第n个电感Ln与二极管722的输入端耦合，二极管722的输出端通过匹配电阻73与阳极体5耦合；第二可控硅整流器723的第一端子分别与第二充电电源721的阴极、每一个第二电容C1～Cn的第二端子耦合，第二可控硅整流器723的第二端子与阴极体4耦合；第一个第二电容C1的第一端子还与保护电阻724的第一端子耦合，保护电阻724的第二端子与继电器25的第一端子耦合，第二个第二电容C2的第二端子与继电器25的第二端子耦合并接地。
本实施例的工作过程为：吸气道1位于推力器首端，随着超低轨卫星前进运动而收集空气，并且针对稀薄空气进行捕获、压缩并储存在吸气道1的尾部；限流阀2控制从吸气道1进入放电腔中空气的流量，进而达到控制被电离的空气量的效果，进而改变推力产生的大小，实现可变推力的目的；分流器3对从限流阀2流出的空气进行分流，采用阳极和阴极同时进气的方式使空气同时进入阴极体的空腔82与阳极体的空腔83，并且可利用第一分流出口32与第二分流出口33的结构尺寸设计实现不同工况对阳极体5空腔和阴极体4空腔进气比的需求；阴极体4、阳极体5和电源7组成放电腔，对空气团进行电离，形成等离子体；电源7可控制放电功率大小，进而可进一步控制推力大小，限流阀2与电源7的双重控制有效提高可变推力的控制精度；等离子体在磁线圈6的加速磁场和放电腔的电场作用下，等离子体加速喷出进而获得推力。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。
Claims (10)
1.超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器，其特征在于，包括：
吸气道，位于推力器的首端，设有进气口与出气口，用于对稀薄空气进行压缩并将其吸入推力器；
放电腔，位于推力器的尾端并与出气口连通，由阴极体、阳极体与电源组成，所述阴极体、阳极体均与电源电性相连，用于将压缩后的稀薄空气电离成等离子体并在电场的作用下将等离子体加速喷出，所述放电腔内设有加速磁场；
限流阀，位于吸气道与放电腔之间，所述限流阀的进气端与出气口连通，所述限流阀的出气端与放电腔连通，用于控制进入放电腔的压缩空气团的质量流量。
2.根据权利要求1所述超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器，其特征在于，还包括分流器，所述分流器位于限流阀与放电腔之间；
所述阴极体与阳极体均为空心柱状结构，所述阴极***于阳极体的空腔内，所述阴极体外壁与阳极体内壁之间围成环形腔，所述放电腔由环形腔以及阳极体中剩余的空腔组成，所述阳极体的外壁上环绕有磁线圈，所述加速磁场由磁线圈生成；
所述分流器的一端设有分流进口，所述分流器的另一端设有第一分流出口以及环绕在第一分流出口周围的第二分流出口，所述第一分流出口、第二分流出口均通过分流器内的分流结构与分流进口连通；
所述分流进口与限流阀的出气端连通，所述第一分流出口与阴极体的空腔连通，所述第二分流出口与环形腔连通。
3.根据权利要求1所述超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器，其特征在于，所述电源包括：
点火电路，与阴极体、阳极体电性相连以用于对放电腔内的进行点火操作；
主放电电路，与阴极体、阳极体电性相连以用于向放电腔提供电场。
4.根据权利要求3所述超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器，其特征在于，所述点火电路包括：
第一充电电源，用于为第一电容充电；
第一电容，包括第一端子与第二端子，第一电容的第一端子与第一充电电源的阳极耦合，第一电容的第二端子与第一充电电源的阴极耦合，所述阴极体与第一电容的第二端子、第一充电电源的阴极耦合；
第一可控硅整流器，包括第一端子与第二端子，第一可控硅整流器的第一端子与第一电容的第一端子、第一充电电源的阳极耦合，第一可控硅整流器的第二端子与阳极体耦合。
5.根据权利要求3所述超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器，其特征在于，所述主放电电路包括第二充电电源、第二可控硅整流器、二极管、保护电阻、继电器、n个第二电容C1～Cn与n个电感L1～Ln，其中，n为大于1的自然数；
所述第二可控硅整流器、保护电阻、继电器以及每个第二电容均包括第一端子与第二端子；
第一个第二电容C1的第一端子与第二充电电源的阳极耦合，第i个第二电容Ci的第一端子与第i+1个第二电容Ci+1的第一端子通过第i个电感Li耦合，每一个第二电容C1～Cn的第二端子均与第二充电电源的阴极耦合，其中，1≤i<n；
第n个第二电容Cn的第一端子还通过第n个电感Ln与二极管的输入端耦合，二极管的输出端通过匹配电阻与阳极体耦合；
所述第二可控硅整流器的第一端子分别与第二充电电源的阴极、每一个第二电容C1～Cn的第二端子耦合，所述第二可控硅整流器的第二端子与阴极体耦合；
第一个第二电容C1的第一端子还与保护电阻的第一端子耦合，所述保护电阻的第二端子与继电器的第一端子耦合，第二个第二电容C2的第二端子与继电器的第二端子耦合并接地。
6.根据权利要求1至5任一项所述超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器，其特征在于，所述吸气道为喇叭状结构，所述进气口位于喇叭状结构的大端，所述出气口位于喇叭状结构的小端。
7.根据权利要求1至5任一项所述超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器，其特征在于，所述吸气道上靠近出气口位置的部分吸气道由储氮、储氧固溶体材料制成，剩余部分的吸气道由泡沫碳化硅材料制成，所述吸气道上的泡沫碳化硅材料中填充有碳分子筛。
8.根据权利要求7所述超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器，其特征在于，所述吸气道上的泡沫碳化硅材料中碳分子筛的填充比例沿进气口到出气口的方向逐渐增大。
9.根据权利要求1至5任一项所述超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器，其特征在于，所述吸气道上位于进气口的位置上设有增强涂层。
10.根据权利要求1至5任一项所述超低轨可变推力吸气式磁等离子体推力器，其特征在于，所述阴极体为采用钨金属材料制成，所述阳极体由钛金属材料制成。
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