CN112555114A - 一种用于激光烧蚀推进的电磁组合矢量加速喷管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于激光烧蚀推进的电磁组合矢量加速喷管，包括前部环形电极、尾部环形电极、三段式矢量喷管和线圈；其中，三段式矢量喷管包括矢量喷管前部、矢量喷管中部、矢量喷管尾部、第一驱动装置和第二驱动装置；前部环形电极和尾部环形电极分别安装于三段式矢量喷管的入口和出口，用于在两个环形电极之间电场实现离子的二次加速，通过线圈上通电进而产生磁场来约束等离子体，使其沿着喷管的方向运动，进一步提高激光烧蚀推进的比冲和推进效率，通过矢量喷管前部，矢量喷管中部，矢量喷管尾部与驱动电机相互配合，来改变矢量喷管的喷口方向，实现推力的矢量控制，从而简化了微纳卫星推进***的结构，减轻了推进***重量，增大了微纳卫星的有效载荷。

Description

一种用于激光烧蚀推进的电磁组合矢量加速喷管
技术领域
本发明涉及激光烧蚀推进技术以及电磁耦合作用技术，具体是一种用于激光烧蚀推进的电磁组合矢量加速喷管。
背景技术
近年来，微纳卫星由于其体积小、成本低、技术更新快、机动性好等特点在卫星通信、导航等领域得到了广泛的应用，逐渐成为空间技术研究的热点，成为了卫星未来发展的主要领域之一。但是目前微纳卫星缺乏可靠和高效的推进***对卫星的精确操纵和长期部署，是新技术进一步应用的较大障碍。微推进***用于姿态调整和轨道保持所需的推力更小，精度更高；同时，还要满足微小卫星上体积小，重量轻，低功耗的特点。
激光烧蚀推进可以很好的满足上述推进***的要求。激光烧蚀推进是一种利用高功率密度的激光照射工质，使其离化，产生高温等离子体喷射现象，来获得反作用冲量和推力。根据激光参数和工质种类的不同，冲量最小可控制在10-4～10-9Ns量级，推力最小可达10-7～10-4N量级。
激光推进技术近几年得到了快速的发展，但是其比冲、冲量耦合系数以及推进效率等仍然具有较大的提升空间。前期研究表明，对烧蚀产生的射流添加约束喷管能够一定程度上提高比冲和推力，但是增加喷管后又会出现其他的问题。比如等离子体射流从工质表面喷射出去时呈扩散的形状，其喷射速度能够达到1～6km，高速的等离子体在喷出喷管之前，以喷管水平方向为基准，喷射角度较大的离子容易撞击到喷管壁面，一方面对造成了能量的浪费，使得推进效率降低，另一方面高速离子容易对喷管造成腐蚀，损坏推力器。此外，要想实现微纳卫星姿态的精确控制，一个卫星上至少需要三组推进***，浪费了较多的空间，使得微纳卫星的有效载荷减小。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于减少微纳卫星激光烧蚀推进***的喷管的数量，简化微纳卫星激光烧蚀推进***的复杂度，减轻微纳卫星激光烧蚀推进***重量，增大了微纳卫星的有效载荷。进一步的，本发明的目的还在于实现微纳卫星姿态精确控制，减少功耗。
为解决上述技术问题，本发明提供了本发明提供了一种用于激光烧蚀推进的电磁组合矢量加速喷管，包括，前部环形电极、尾部环形电极、三段式矢量喷管和线圈；其中，三段式矢量喷管包括矢量喷管前部、矢量喷管中部、矢量喷管尾部、第一驱动装置和第二驱动装置；前部环形电极和尾部环形电极分别安装于三段式矢量喷管的入口和出口，用于在两个环形电极之间产生加速电场实现离子的二次加速；矢量喷管前部、矢量喷管中部、矢量喷管尾部的外部设置有线圈，线圈通电后产生约束磁场来约束等离子体，使等离子体沿着矢量喷管的轴向方向运动；矢量喷管前部的出口有前部连接环，用于与矢量喷管中部入口的中部第一连接环可转动的连接；矢量喷管中部的出口有中部第二连接环，用于与矢量喷管尾部入口的尾部连接环可转动的连接；第一驱动装置用于驱动矢量喷管中部和矢量喷管尾部整体旋转，第二驱动装置(340)用于驱动矢量喷管尾部旋转，第一驱动装置和第二驱动装置相互配合实现矢量喷管(350)能够在一个周向内90°偏转。
进一步的，第一驱动装置包括第一底座、第一电机和第一驱动齿轮，第一底座固定于矢量喷管前部上，用于安装第一电机，第一电机输出轴上安装第一驱动齿轮，第一驱动齿轮与中部第一连接环外部的从动齿轮啮合，带动矢量喷管中部和矢量喷管尾部整体旋转；第二驱动装置包括第二底座、第二电机和第二驱动齿轮；第二底座固定于矢量喷管中部上，用于安装第二电机，第二电机输出轴上安装第二驱动齿轮，第二驱动齿轮与尾部连接环外部的从动齿轮啮合，带动矢量喷管尾部旋转。
进一步的，第一电机和第二电机采用步进电机，能够根据实际的角度需求来对喷管角度进行微调。
进一步的，矢量喷管前部和矢量喷管中部之间，以及矢量喷管中部和矢量喷管尾部之间，采用卡榫结构连接，或者采用轴承连接。
进一步的，采用卡榫结构连接的方式之一是采用T型和U型滚球卡槽结构连接，滚珠均匀布置于T型和U型卡槽之间。
进一步的，矢量喷管前部、矢量喷管中部、矢量喷管尾部由绝缘陶瓷材料做成，壁厚为1mm，三段喷管直径相同均为4mm，矢量喷管总长度为15mm，矢量喷管前部和矢量喷管尾部的中心截面为直角梯形，长边长6mm，短边长4mm，矢量喷管中部的中心为等边梯形，其中长边长7mm，短边长3mm。
进一步的，前部环形电极和尾部环形电极二者尺寸一样，厚度为0.5mm，环形电极宽4mm。
进一步的，前部环形电极上电压为4V，尾部环形电极上电势为0V。
进一步的，线圈选用柔性通电线圈，缠绕在矢量喷管前部、矢量喷管中部、矢量喷管尾部上，通过调节通入电流的大小，能够调节产生的磁场大小。
进一步的，矢量喷管前部、矢量喷管中部、矢量喷管尾部的外部设置的三段线圈分别连接电源。
有益效果
本发明用于激光烧蚀推进的电磁组合矢量加速喷管一是通过静电场对高速等离子体进行二次加速，增大了激光烧蚀推进的推力，增大了比冲；二是通过通电线圈产生的磁场对高速等离子体进行约束，使得激光烧蚀后产生的向四周喷射的高速等离子体能够约束在矢量加速喷管内部，不会冲击喷管壁，沉积到喷管壁上，提高了能量的利用率，提高了推进效率；三是能够实现矢量喷管喷口三维方向、90°范围的转动，使得推力方向可以根据需求任意改变，实现推力的矢量控制，进而使得微纳卫星姿态控制更精确，轨道变换更灵活。总的来说，本发明的矢量加速喷管的应用能够减少微纳卫星中推力器的数量，简化微纳卫星的结构，增大微纳卫星的有效载荷。
附图说明
图1是本发明矢量加速喷管结构图(不发生偏转)；
图2是本发明矢量加速喷管剖视图；
图3是图2中矢量加速喷管A处局部放大图；
图4是本发明矢量加速喷管具体实施方式中的三段连接示意图；
图5是本发明矢量加速喷管偏转60°示意图；
图6是本发明矢量加速喷管偏转90°示意图；
图7是本发明电场加速、磁场约束仿真结果图；
图8是本发明矢量加速喷管偏转90°时电场分布云图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
如图1-图3所示，本发明设计的一种用于激光烧蚀推进的电磁组合矢量加速喷管包括前部环形电极1、尾部环形电极2、三段式矢量喷管3和线圈4；其中，三段式矢量喷管3包括矢量喷管前部310、矢量喷管中部320、矢量喷管尾部330、第一驱动装置340和第二驱动装置350；前部环形电极1和尾部环形电极2分别安装于三段式矢量喷管3的入口和出口，用于在两个环形电极之间产生电场实现离子的二次加速；矢量喷管前部310、矢量喷管中部320、矢量喷管尾部330的外部设置有线圈4，线圈4通电后产生磁场来约束等离子体，使等离子体沿着矢量喷管的轴向方向运动，进一步提高激光烧蚀推进的比冲和推进效率；矢量喷管前部310的出口有前部连接环311，用于与矢量喷管中部320入口的中部第一连接环321可转动的连接；矢量喷管中部320的出口有中部第二连接环322，用于与矢量喷管尾部330入口的尾部连接环331可转动的连接；第一驱动装置340用于驱动矢量喷管中部320和矢量喷管尾部330整体旋转，第二驱动装置340用于驱动矢量喷管尾部330旋转。如图5、图6所示，矢量喷管前部310、矢量喷管中部320、矢量喷管尾部330在第一驱动装置340、第二驱动装置350的驱动下，改变矢量喷管3的喷口方向，实现推力的矢量控制，从而简化了微纳卫星推进***的结构，减轻了推进***重量，增大了微纳卫星的有效载荷。
如图1-图3所示，在本发明的一具体实施方式中，第一驱动装置340包括第一底座341、第一电机342和第一驱动齿轮343，第一底座341固定于矢量喷管前部310上，用于安装第一电机342，第一电机342输出轴上安装第一驱动齿轮343，第一驱动齿轮343与中部第一连接环321外部的从动齿轮322啮合，带动矢量喷管中部320和矢量喷管尾部330整体旋转。同样的方式，第二驱动装置350包括第二底座351、第二电机352和第二驱动齿轮353；第二底座351固定于矢量喷管中部320上，用于安装第二电机352，第二电机352输出轴上安装第二驱动齿轮353，第二驱动齿轮353与尾部连接环331外部的从动齿轮332啮合，带动矢量喷管尾部330旋转。第一驱动装置340和第二驱动装置350相互配合实现矢量喷管3能够在一个周向内90°偏转。
矢量喷管3的电机可采用步进电机，能够根据实际的角度需求来对喷管角度进行微调。
进一步的，矢量喷管前部310和矢量喷管中部320之间的位置360，以及矢量喷管中部320和矢量喷管尾部330之间的位置370，采用卡榫结构连接，或者采用轴承连接，采用卡榫结构连接的具体实施方式如图3、图4所示，图3、图4给出了本发明具体实施例T型和U型滚球卡槽结构连接部分局部放大图，T型卡槽361(371)和U型卡槽362(372)配合，实现了矢量加速喷管三段之间的连接。在T型卡槽和U型卡槽之间均匀布置18颗滚珠363(373)，使得各段之间发生相对运动时摩擦力减小，喷管偏转更灵活。以T型和U型滚球卡槽结构连接时，矢量喷管3的前部、中部和尾部分别按沿轴向截面对称的两部分进行加工，然后将相互连接部分的T型卡槽和滚珠装配进U型卡槽中，从而得到矢量配管3沿轴向截面对称的两部分，然后将这两部分进行焊接或者粘接得到矢量配管的整体机构。
在本发明的一具体实施方式中，矢量加速喷管由绝缘陶瓷材料做成，壁厚1mm，三段喷管直径相同均为4mm，矢量喷管总长度为15mm，矢量喷管前部310和矢量喷管尾部330的中心截面为直角梯形，长边长6mm，短边长4mm，矢量喷管中部320的中心为等边梯形，其中长边长7mm，短边长3mm。进一步的，矢量加速喷管的加速电场由前部环形电极1和尾部环形电极2产生，二者尺寸一样，内径等于喷管直径，厚度为0.5mm，环形电极宽，即内外径之差，为4mm。
两个电极类似于电容，两个极板上通入恒定的电压，其中前部环形电极1上电压为4V，尾部环形电极2上电势为0V。假定离子带电量为+1的离子以3.35km/s的初速度进入喷管，在经过偏转45°的矢量加速喷管之后，速度能够达到5.32km/s，速度提高了58.8％，离子通过喷管的时间约为4μs，仿真计算结果如图7所示。
矢量加速喷管的约束磁场由线圈4产生，在本发明具体实施方式中线圈可选用刚性通电线圈，也可选择柔性通电线圈。线圈分三段分别缠绕在矢量喷管前部、中部和尾部上，直径为0.5mm，通过调节不同通入电流的大小，能够调节产生的磁场大小。三段线圈可以串联后连接电源，也可以分别连接电源，后者在缠绕时不用考虑矢量喷管运动的影响。当通入电流，产生3T磁场时候，当进入矢量加速喷管的离子有1.5km/s的竖直方向的初速度时，产生的磁场能够对其有很好的约束，可以发现其被约束在磁场中做旋转向前的运动，仿真计算结果如图8所示。
以上仅为发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想原则内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于激光烧蚀推进的电磁组合矢量加速喷管，其特征在于包括，
前部环形电极(1)、尾部环形电极(2)、三段式矢量喷管(3)和线圈(4)；其中，三段式矢量喷管(3)包括矢量喷管前部(310)、矢量喷管中部(320)、矢量喷管尾部(330)、第一驱动装置(340)和第二驱动装置(350)；前部环形电极(1)和尾部环形电极(2)分别安装于三段式矢量喷管(3)的入口和出口，用于在两个环形电极之间产生加速电场实现离子的二次加速；矢量喷管前部(310)、矢量喷管中部(320)、矢量喷管尾部(330)的外部设置有线圈(4)，线圈(4)通电后产生约束磁场来约束等离子体，使等离子体沿着矢量喷管的轴向方向运动；矢量喷管前部(310)的出口有前部连接环(311)，用于与矢量喷管中部(320)入口的中部第一连接环(321)可转动的连接；矢量喷管中部(320)的出口有中部第二连接环(322)，用于与矢量喷管尾部(330)入口的尾部连接环(331)可转动的连接；第一驱动装置(340)用于驱动矢量喷管中部(320)和矢量喷管尾部(330)整体旋转，第二驱动装置(340)用于驱动矢量喷管尾部(330)旋转，第一驱动装置(340)和第二驱动装置(350)相互配合实现矢量喷管(350)能够在一个周向内90°偏转。
2.如权利要求1所述的电磁组合矢量加速喷管，其特征在于，
第一驱动装置(340)包括第一底座(341)、第一电机(342)和第一驱动齿轮(343)，第一底座(341)固定于矢量喷管前部(310)上，用于安装第一电机(342)，第一电机(342)输出轴上安装第一驱动齿轮(343)，第一驱动齿轮(343)与中部第一连接环(321)外部的从动齿轮(322)啮合，带动矢量喷管中部(320)和矢量喷管尾部(330)整体旋转；
第二驱动装置(350)包括第二底座(351)、第二电机(352)和第二驱动齿轮(353)；第二底座(351)固定于矢量喷管中部(320)上，用于安装第二电机(352)，第二电机(352)输出轴上安装第二驱动齿轮(353)，第二驱动齿轮(353)与尾部连接环(331)外部的从动齿轮(332)啮合，带动矢量喷管尾部(330)旋转。
3.如权利要求2所述的电磁组合矢量加速喷管，其特征在于，
第一电机(342)和第二电机(352)采用步进电机，能够根据实际的角度需求来对喷管角度进行微调。
4.如权利要求1-3所述的电磁组合矢量加速喷管，其特征在于，
矢量喷管前部(310)和矢量喷管中部(320)之间，以及矢量喷管中部(320)和矢量喷管尾部(330)之间，采用卡榫结构连接，或者采用轴承连接。
5.如权利要求4所述的电磁组合矢量加速喷管，其特征在于，
采用卡榫结构连接的方式之一是采用T型和U型滚球卡槽结构连接，滚珠均匀布置于T型和U型卡槽之间。
6.如权利要求1-3所述的电磁组合矢量加速喷管，其特征在于，
矢量喷管前部(310)、矢量喷管中部(320)、矢量喷管尾部(330)由绝缘陶瓷材料做成，壁厚为1mm，三段喷管直径相同均为4mm，矢量喷管总长度为15mm，矢量喷管前部(310)和矢量喷管尾部(330)的中心截面为直角梯形，长边长6mm，短边长4mm，矢量喷管中部(320)的中心为等边梯形，其中长边长7mm，短边长3mm。
7.如权利要求1-3所述的电磁组合矢量加速喷管，其特征在于，
前部环形电极(1)和尾部环形电极(2)二者尺寸一样，厚度为0.5mm，环形电极宽4mm。
8.如权利要求7所述的电磁组合矢量加速喷管，其特征在于，
前部环形电极(1)上电压为正电压4V，尾部环形电极(2)上电势为0V。
9.如权利要求1-3所述的电磁组合矢量加速喷管，其特征在于，
线圈(4)选用柔性通电线圈，缠绕在矢量喷管前部(310)、矢量喷管中部(320)、矢量喷管尾部(330)上，通过调节通入电流的大小，能够调节产生的磁场大小。
10.如权利要求1-3所述的电磁组合矢量加速喷管，其特征在于，
矢量喷管前部(310)、矢量喷管中部(320)、矢量喷管尾部(330)的外部设置的三段线圈(4)分别连接电源。
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