CN110159502A - 超低轨可变推力吸气式脉冲等离子体推力器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可变推力吸气式脉冲等离子体推力器，包括吸气道，用于对稀薄空气进行压缩并将其吸入推力器；储气器，用于存储压缩后的稀薄空气；单向阀，设在储气器上，单向阀的进口与吸气道的出气口连通，单向阀的出口与储气腔连通，用于防止储气器内的稀薄空气回流至吸气道；放电腔，与储气器相连，用于对压缩后的稀薄空气进行电解和加速，进而产生推力；流量阀，设在储气器上，流量阀的进口与储气腔连通，流量阀的出口与放电腔连通，用于控制压缩后的空气进入放电腔的流量，进而控制推力产生的大小。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脉冲等离子体推力器。
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
针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种超低轨可变推力吸气式脉冲等离子体推力器。
其采用的技术方案是：
超低轨可变推力吸气式脉冲等离子体推力器，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；
储气器，内部设有储气腔并与吸气道相连，用于存储压缩后的稀薄空气；
单向阀，设在储气器上，单向阀的进口与吸气道的出气口连通，单向阀的出口与储气腔连通，用于防止储气器内的稀薄空气回流至吸气道；
放电腔，由腔体结构的阴极体、阳极体与电容组成，所述阴极体与电容的阴极相连，所述阳极体与电容的阳极相连，所述阴极体或阳极体上设有火花塞，所述放电腔与储气器相连，用于对压缩后的稀薄空气进行电离和加速，进而产生推力；
流量阀，设在储气器上，流量阀的进口与储气腔连通，流量阀的出口与放电腔连通，用于控制压缩后的空气进入放电腔的流量，进而控制推力产生的大小。
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开口较大的一端，所述出气口位于喇叭状结构开口较小的一端。
进一步优选的，所述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，所述增强涂层由C-SiC纳米复合材料制成。
进一步优选的，所述储气器由储氮、储氧固溶体材料制成。
进一步优选的，所述储气器上设有流量阀的一端位于放电腔内，所述储气器上设有单向阀的一端设在放电腔外。
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，再利用流量阀实现压缩空气进入放电腔的流量控制，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。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
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所示的一种可变推力吸气式脉冲等离子体推力器，包括吸气道1、储气器2、单向阀3、流量阀5、阴极体4、阳极体7、电容8和火花塞6等八个部件，其中具体的：
吸气道1呈横截面积逐渐变小的喇叭状结构，其上设有进气口11与出气口12，进气口11位于喇叭状结构开口较大的一端，出气口12位于喇叭状结构开口较小的一端，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由泡沫碳化硅材料制成，并且在吸气道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，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，使得最终实现对稀薄空气的定向吸附，便于储气器2的存储；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。
储气器2为内部剖去一个正方体且两侧开口的长方体壳体结构，即在储气器2内部形成一个中空的储气腔21；储气器2的左侧设有一个开口，该开口处设有单向阀3，单向阀3的进口与吸气道1的出气口12连通，单向阀3的出口与储气腔21连通，以使得经过吸气道1压缩后的稀薄空气存储至储气器2中；储气器2由储氮、储氧固溶体材料制成，本实施例中，制成储气器2的储氮、储氧固溶体材料具体为Ce0.5Zr0.5O2·xBaO，使得压缩后稀薄空气既可存储于储气腔21中，可存储于也储气器2本身的固溶体材料中。
阴极体4与阳极体7均为板状结构，将阴极体4与阳极体7如图1中平行布置，并将阴极体4与电容8的阴极相连，阳极体7与电容8的阳极相连，并在阴极体4或阳极体7上设有火花塞6，本实施例中的火花塞6设在阴极体4上；使得在阴极体4与阳极体7之间形成放电腔9，放电腔9与储气器2相连，用于对压缩后的稀薄空气进行电离和加速，进而产生推力；具体的，储气器2的右侧设有另一个开口，该开口处设有流量阀5，流量阀5的进口与储气腔21连通，流量阀5的出口与放电腔9连通，用于控制压缩后的空气进入放电腔9的流量，进而控制推力产生的大小；同时还能通过控制电容8的放电功率的大小，进而可进一步控制推力大小，双重控制有效提高可变推力的控制精度。
优选的，储气器2上设有流量阀5的一端位于放电腔9内，储气器2上设有单向阀3的一端设在放电腔9外，即如图1所示，储气器2右侧的一部分嵌入放电腔9；进一步的，阴极体4与储气器2顶部的外壁相贴，阳极体7与储气器2底部的外壁相贴，同时本发明中的推力器还包括并未图示的壳体，壳体将储气器2、单向阀3、流量阀5、阴极体4、阳极体7、电容8和火花塞6以及吸气道1上靠近出气口12的一部分均密封起来以与外界隔开，尽可能密封隔绝外界稀薄空气参与到放电过程，有效提高流量阀5对推力的控制。
本实施例的工作过程为：高速稀薄空气分子冲击和碰撞吸气道1而被捕获且被压缩，压缩空气分子穿过单向阀3储存在储气器2中；流量阀5控制储气器2中的压缩空气进入放电腔9中，电容8与阴阳极板之间相连使其带电，火花塞6点火促进来流空气电离产生等离子体，等离子体在带阴极体4与阳极体7的加速下喷出产生推力；生成推力的同时可利用流量控制来流空气的流量，配合电容8放电功率调节可有效调整推力器推力大小。
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 (8)
1.超低轨可变推力吸气式脉冲等离子体推力器，其特征在于，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；
储气器，内部设有储气腔并与吸气道相连，用于存储压缩后的稀薄空气；
单向阀，设在储气器上，单向阀的进口与吸气道的出气口连通，单向阀的出口与储气腔连通，用于防止储气器内的稀薄空气回流至吸气道；
放电腔，由腔体结构的阴极体、阳极体与电容组成，所述阴极体与电容的阴极相连，所述阳极体与电容的阳极相连，所述阴极体或阳极体上设有火花塞，所述放电腔与储气器相连，用于对压缩后的稀薄空气进行电离和加速，进而产生推力；
流量阀，设在储气器上，流量阀的进口与储气腔连通，流量阀的出口与放电腔连通，用于控制压缩后的空气进入放电腔的流量，进而控制推力产生的大小。
2.根据权利要求1所述超低轨可变推力吸气式脉冲等离子体推力器，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开口较大的一端，所述出气口位于喇叭状结构开口较小的一端。
3.根据权利要求1或2所述超低轨可变推力吸气式脉冲等离子体推力器，其特征在于，所述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。
4.根据权利要求3所述超低轨可变推力吸气式脉冲等离子体推力器，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。
5.根据权利要求1或2所述超低轨可变推力吸气式脉冲等离子体推力器，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。
6.根据权利要求5所述超低轨可变推力吸气式脉冲等离子体推力器，其特征在于，所述增强涂层由C-SiC纳米复合材料制成。
7.根据权利要求1或2所述超低轨可变推力吸气式脉冲等离子体推力器，其特征在于，所述储气器由储氮、储氧固溶体材料制成。
8.根据权利要求1或2所述超低轨可变推力吸气式脉冲等离子体推力器，其特征在于，所述储气器上设有流量阀的一端位于放电腔内，所述储气器上设有单向阀的一端设在放电腔外。
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