CN114352494A - 基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等离子体加速推进装置，具体涉及一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置及方法。解决了单段喷管的等离子体生成装置不利于优化磁场位形，使等离子体射流的轨迹难以控制，导致比冲和推力不理想的技术问题。本发明装置包括工质供应分配单元和等离子体生成加速单元，工质供应分配单元包括由内到外同轴设置的工质分配器、第二绝缘体、过渡电极和第三绝缘体；等离子体生成加速单元包括n段喷管、n‑1段第一绝缘体、与喷管对应的加速器电场电源、与喷管对应的电磁线圈以及与电磁线圈对应的电磁场电源；n段喷管和n‑1段第一绝缘体形成喷管组件。本发明还提供了一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体加速推进技术，具体涉及一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置及方法。
背景技术
等离子体加速技术可应用于空间推进装置或大功率等离子体炬等特定需要等离子体射流的产品研发中。其作为推力装置具有比冲高、寿命长、结构紧凑、体积小和污染轻等优点，是目前空间推进装置的重要发展方向，其基本原理是利用电能对工质进行加热、离解，并加速工质形成高速射流而产生的推进技术，目前世界各航天大国针对不同类型的等离子体推进产品开展了大量的研究和探索，一些产品成功获得了在轨应用。将这些产品用作等离子体炬产品可以提升射流速度和等离子体密度，可拓展其在固废处理或表面处理等行业的应用。
在常规的化学火箭发动机中，一般通过气体动力学喷管(即拉瓦尔喷管)将燃气中的热能转化为动能进行加速从而产生推力，而在电推进及等离子体生成装置中，除了自感应磁场外，可使用外加磁场将等离子体受到洛伦兹力，通过周向动能转化为轴向动能产生推力，即利用磁喷管效应进行加速。
现有等离子体生成装置主要是单级磁场单段喷管，其比冲和推力难以达到磁等离子体推力器及相关等离子体生成装置的要求，同时，不利于优化磁场位形，使等离子体射流的轨迹难以控制，进而难以提升等离子体的加速效果。
发明内容
本发明的目的是解决现有单级磁场单段喷管的等离子体生成装置不利于优化磁场位形，使等离子体射流的轨迹难以控制，进而难以提升电磁的加速效果，导致比冲和推力不理想的技术问题，而提供一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置及方法。本发明中设置多级分段磁场更有利于磁场位型优化，通过调节线圈电流强度可以使在沿喷管轴线方向上磁力线方向获得优化，也就是说设计多段磁场之后，磁场位型是可调的，通过设置每段磁场线圈电流的大小来生成最优的位型，适应喷管几何形面提供加速性能。
本发明的技术方案为:
一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置，包括工质供应分配单元和等离子体生成加速单元，其特殊之处在于：
所述工质供应分配单元包括由内到外同轴设置的工质分配器、第二绝缘体、过渡电极和第三绝缘体；所述工质分配器中通入的工质为惰性气体、氮气或空气；
所述等离子体生成加速单元包括n段喷管、n-1段第一绝缘体、与每段喷管对应的加速器电场电源、设置在每段喷管外的电磁线圈以及与电磁线圈对应的电磁场电源；其中，n≥2；
所述n段喷管和n-1段第一绝缘体沿轴向间隔设置形成喷管组件；所述第一绝缘体的内型面与喷管的内型面保持光滑过渡，所述喷管组件的直径尺寸沿喷管组件的出口方向逐渐变大；
所述喷管组件的小端套设在第三绝缘体上；
所有加速器电场电源的负极均与工质分配器连接，其正极分别与相应的喷管连接；所述加速器电场电源用于在工质分配器与相应喷管之间产生电弧；
所述电磁场电源用于给相应的电磁线圈供电并在相应喷管内产生磁场，且越远离喷管组件小端的电磁线圈所产生的磁场强度越小；所述磁场的磁力线方向朝向喷管组件的大端。
进一步地，所述喷管组件按拉瓦尔喷管原理进行设计，且满足超音速介质的气动加速条件。
进一步地，所述喷管采用钼金属制备；
所述工质分配器采用氧化物弥散的强化钨合金制备；
所述第一绝缘体、第二绝缘体和第三绝缘体均采用氮化硼陶瓷制备。
进一步地，所述工质分配器中通入的工质为惰性气体；所述磁场的磁感应强度为0.1T-1T；所述加速器电场电源为恒流模式电源，适用的维持电流范围100A-500A。
进一步地，所述n＝3。3段喷管的设计有利于喷管型面优化和分段磁场结构和设计参数的优化，同时避免带来较大的***增重。
一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1)对等离子体生成装置进行电连接
将n段喷管分别连接各自加速器电场电源的正极；工质分配器3连接各加速器电场电源的负极；每段喷管上的电磁线圈分别与各自电磁场电源连接；
步骤2)对等离子体生成装置进行启动电压预设
分别给每段喷管设置对应的启动电压，启动电压大小根据工质类型设置；
步骤3)对等离子体生成装置进行维持电流预设
预设每段喷管电弧的维持电流；
电弧建立后，各加速器电场电源将自动进入恒流模式以维持电弧，恒流模式的维持电流预设值根据通入工质类型及流量进行匹配设置；
步骤4)调节等离子体生成装置的电磁线圈磁感应强度
电磁线圈磁感应强度通过调节各电磁场电源输出电流进行调节；
使得磁场位形满足磁喷管工作原理，沿喷管轴线方向，靠近出口处的磁场强度逐渐减弱；
步骤5)等离子体生成装置进入启动阶段
开启各加速器电场电源，随后对工质分配器3通入工质，电源***检测到电流通路建立；
步骤6)等离子体生成装置进入工作阶段
电流通路建立后，各加速器电场电源自动进入恒流模式以维持电弧，各加速器电场电源按照预设电流进行输出，在工质流量满足稳定工作条件下，电弧将一直维持，工质不断被电离，产生的等离子体在磁喷管效应同时叠加喷管几何扩张型面的加速效应下，从出口高速喷出；
步骤7)等离子体生成装置加速性能调节阶段
在等离子体生成装置工作过程中，通过调整工质供应流量、各加速器电场电源维持电流参数和各电磁场电源的输出电流参数，达到对喷管组件出口的等离子体射流形态和射流速度的调节。
进一步地，步骤2)中，所述工质类型为惰性气体，启动电压设置为千伏量级；
步骤3)中，所述恒流模式的维持电流设置为100A-500A；
步骤4)中，所述磁感应强度为0.1T-1T。
本发明的有益效果：
1.本发明装置与单阳极相比，分段喷管(即分段阳极)每级均可产生并维持电弧，工质进入放电通道后，电离更加充分，同时等离子体在多级电弧自感生磁场下加速更均匀，可获得比单级喷管更大的推力。
2.本发明装置采用多阳极喷管分段后，充分利用磁喷管效应和拉瓦尔喷管气动效应进行等离子体的加速，从而获得更高的比冲。
3.本发明装置采用多级分段磁场更有利于磁场位形优化，通过调节线圈电流强度可以使在沿喷管轴线方向上磁力线方向获得优化，即磁力线发散方向与喷管型面方向角度趋于一致，带电粒子加速后喷出喷管更容易与磁力线分离，减少了推力损失。
4.本发明装置采用多级喷管与多级磁场结合的等离子体生成装置加速范围更宽，即加速范围和推力调节范围更大，适应的应用场景更加广泛，用作电推进推力器时，变推力/变比冲范围更宽。
5、本发明方法对多级磁场进一步优化磁场位形，提高了对等离子体射流的轨迹控制和电磁加速效果。
6、本发明方法在过渡电极和多段阳极作用下，有利于电弧的顺利启动和提高加速电压，保证生成装置的点火可靠性和电场加速能力。
7、本发明方法中分段喷管和多级磁场有利于磁场位形与电弧特性匹配，可优化射流轨迹，提高工质的电磁加速效果和比冲，同时降低喷管的烧蚀速率和热损失。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
附图标记说明：1-喷管，3-工质分配器，4-过渡电极，5-第一绝缘体，6-第二绝缘体，7-第三绝缘体，11-加速器电场电源，21-电磁场电源。
具体实施方式
参见图1，本发明一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置，包括工质供应分配单元和等离子体生成加速单元，整个等离子体生成装置为同轴状结构。
工质供应分配单元包括由内到外同轴设置的工质分配器3、第二绝缘体6、过渡电极4和第三绝缘体7；工质分配器3中通入的工质为惰性气体、氮气或空气；本实施例中工质采用惰性气体。工质分配器3采用氧化物弥散的强化钨合金制备得到,因此，采用此种材料制成的工质分配器3同时具备阴极的功能，具备易发射电子、启动电压低等特点；第一绝缘体5、第二绝缘体6和第三绝缘体7均采用机械加工性能与绝缘性能都良好的氮化硼陶瓷。
等离子体生成加速单元包括三段喷管1、两段第一绝缘体5、与每段喷管1对应的加速器电场电源11、设置在每段喷管外的电磁线圈以及与电磁线圈对应的电磁场电源21；三段喷管1和两段第一绝缘体5沿轴向间隔设置形成喷管组件，第一绝缘体5的内型面与喷管1的内型面保持光滑过渡，喷管组件的直径尺寸沿喷管组件的出口方向逐渐变大；喷管组件按拉瓦尔喷管原理进行设计，且满足超音速介质的气动加速条件。喷管组件的小端套设在第三绝缘体7上；所有加速器电场电源11的负极均与工质分配器3连接，其正极分别与相应的喷管1连接；加速器电场电源11用于在工质分配器3与相应喷管1之间产生电弧，电弧走势如图1中带箭头弧线所示；电磁场电源21用于给相应的电磁线圈供电并在相应喷管1内产生磁场，且越远离喷管组件小端的电磁线圈所产生的磁场强度越小；磁场的磁力线方向朝向喷管组件的大端。喷管1采用耐高温材料钼,可减少加速器工作过程中的烧蚀，延长加速器的寿命。工质分配器3中通入的工质为惰性气体；对应设置磁场的磁感应强度为0.1T-1T；加速器电场电源11为恒流模式电源，适用的维持电流为100A-500A。
本发明还提供了一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成方法，用于前面所述的等离子体生成装置，包括以下步骤：
步骤1)对等离子体生成装置进行电连接
将三段喷管1分别连接各自加速器电场电源11的正极；工质分配器3连接各加速器电场电源11负极；每段喷管1上的电磁线圈分别与各自电磁场电源21连接；
步骤2)对等离子体生成装置进行启动电压预设
分别给每段喷管1设置对应的启动电压，启动电压大小根据工质类型设置；本实施例中工质采用惰性气体，启动电压设置为千伏量级；启动电压作用是保证工质被击穿，形成电流通路；
步骤3)对等离子体生成装置进行维持电流预设
预设每段喷管1内电弧的维持电流；
电弧建立后，各加速器电场电源11将自动进入恒流模式以维持电弧，恒流模式的维持电流预设值与通入工质类型及流量有关,恒流模式的维持电流预设值和反馈电压根据通入工质类型及流量进行匹配设置；工质采用惰性气体，恒流模式下的维持电流设置为100A-500A，反馈电压为100伏量级，等离子体生成装置的整体功率为几十千瓦；
步骤4)调节等离子体生成装置的电磁线圈磁感应强度
电磁线圈磁感应强度通过调节各电磁场电源21输出电流进行调节；工质采用惰性气体，保持磁感应强度为0.1T-1T；
使得磁场位形满足磁喷管工作原理，沿喷管组件轴线方向，靠近喷管组件出口处的磁场强度逐渐减弱；
步骤5)等离子体生成装置进入启动阶段
开启各加速器电场电源11，随后对工质分配器3通入工质，工质采用惰性气体；电源***检测到电流通路建立；
步骤6)等离子体生成装置进入工作阶段
电流通路建立后，各加速器电场电源11自动进入恒流模式以维持电弧，各加速器电场电源11按照预设电流进行输出，在工质流量满足稳定工作条件下，电弧将一直维持，工质不断被电离，产生的等离子体在磁喷管效应同时叠加喷管几何扩张型面的加速效应下，从喷管组件出口高速喷出；
步骤7)等离子体生成装置加速性能调节阶段
在等离子体生成装置工作过程中，通过调整工质供应流量、各加速器电场电源11维持电流参数和各电磁场电源21的输出电流参数(主要影响磁感应强度及整体磁场位形)，达到对喷管组件出口的等离子体射流形态和射流速度的调节；在匹配范围内，增大气体供应流量和电源维持电流参数会引起射流出口的等离子体密度增大，同时增大磁感应强度会引起射流速度的增加。
本发明将传统的磁喷管部分采取多级磁场和多段喷管1设计，多级磁场进一步优化磁场位形，提高了对等离子体射流的轨迹控制和电磁加速效果；多段喷管1形成了多级阳极有利于提高喷管组件的加速电压，增强了电场加速能力，从而获得更高的速度，且比冲更高。同时。每一段喷管1外布置一套电磁线圈，每套电磁线圈和喷管有自己的供电电源***，通过放电电弧自身磁场、每级线圈产生磁场、每段喷管产生的电场，以及气动力的共同作用下加速等离子体射流，实现对等离子体的多场加速，获得更高的比冲和推力，拓宽等离子体技术的应用场景。
将本发明设计思路应用于磁等离子体推力器和大功率等离子体炬的设计中，可提高磁喷管的电离率，提高了磁等离子体推力器的比冲以及等离子体炬的射流速度。
本发明方法可广泛推广至磁等离子体推力器及相关等离子体生成装置中，应用前景广阔。
Claims (7)
1.一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置，包括工质供应分配单元和等离子体生成加速单元，其特征在于：
所述工质供应分配单元包括由内到外同轴设置的工质分配器(3)、第二绝缘体(6)、过渡电极(4)和第三绝缘体(7)；所述工质分配器(3)中通入的工质为惰性气体、氮气或空气；
所述等离子体生成加速单元包括n段喷管(1)、n-1段第一绝缘体(5)、与每段喷管(1)对应的加速器电场电源(11)、设置在每段喷管(1)外的电磁线圈以及与电磁线圈对应的电磁场电源(21)；其中，n≥2；
所述n段喷管(1)和n-1段第一绝缘体(5)沿轴向间隔设置形成喷管组件；所述第一绝缘体(5)的内型面与喷管(1)的内型面保持光滑过渡，所述喷管组件的直径尺寸沿喷管组件的出口方向逐渐变大；
所述喷管组件的小端套设在第三绝缘体(7)上；
所有加速器电场电源(11)的负极均与工质分配器(3)连接，其正极分别与相应的喷管(1)连接；所述加速器电场电源(11)用于在工质分配器(3)与相应喷管(1)之间产生电弧；
所述电磁场电源(21)用于给相应的电磁线圈供电并在相应喷管(1)内产生磁场，且越远离喷管组件小端的电磁线圈所产生的磁场强度越小；所述磁场的磁力线方向朝向喷管组件的大端。
2.根据权利要求1所述的基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置，其特征在于：所述喷管组件按拉瓦尔喷管原理进行设计，且满足超音速介质的气动加速条件。
3.根据权利要求1或2所述的基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置，其特征在于：
所述喷管(1)采用钼金属制备；
所述工质分配器(3)采用氧化物弥散的强化钨合金制备；
所述第一绝缘体(5)、第二绝缘体(6)和第三绝缘体(7)均采用氮化硼陶瓷制备。
4.根据权利要求3所述的基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置，其特征在于：所述工质分配器(3)中通入的工质为惰性气体；所述磁场的磁感应强度为0.1T-1T；所述加速器电场电源(11)为恒流模式电源，适用的维持电流为100A-500A。
5.根据权利要求4所述的基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置，其特征在于：所述n＝3。
6.一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)对等离子体生成装置进行电连接：
将n段喷管(1)分别连接各自加速器电场电源(11)的正极；工质分配器(3)连接各加速器电场电源(11)的负极；每段喷管(1)上的电磁线圈分别与各自电磁场电源(21)连接；
步骤2)对等离子体生成装置进行启动电压预设：
分别给每段喷管(1)设置对应的启动电压，启动电压大小根据工质类型设置；
步骤3)对等离子体生成装置进行维持电流预设：
预设每段喷管(1)中电弧的维持电流；
电弧建立后，各加速器电场电源(11)将自动进入恒流模式以维持电弧，恒流模式的维持电流预设值根据通入工质类型及流量进行匹配设置；
步骤4)调节等离子体生成装置的电磁线圈磁感应强度：
电磁线圈的磁感应强度通过调节各电磁场电源(21)输出电流进行调节，使得磁场位形满足磁喷管工作原理，沿喷管组件轴线方向，靠近喷管组件出口处的磁场强度逐渐减弱；
步骤5)等离子体生成装置进入启动阶段：
开启各加速器电场电源(11)，随后对工质分配器(3)通入工质，电源***检测到电流通路建立；
步骤6)等离子体生成装置进入工作阶段：
电流通路建立后，各加速器电场电源(11)自动进入恒流模式以维持电弧，各加速器电场电源(11)按照预设电流进行输出，在工质流量满足稳定工作条件下，电弧将一直维持，工质不断被电离，产生的等离子体在磁喷管效应同时叠加喷管几何扩张型面的加速效应下，从喷管组件出口高速喷出；
步骤7)等离子体生成装置加速性能调节阶段
在等离子体生成装置工作过程中，通过调整工质供应流量、各加速器电场电源(11)维持电流参数和各电磁场电源(21)的输出电流参数，达到对喷管组件出口的等离子体射流形态和射流速度的调节。
7.根据权利要求6所述的基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成方法，其特征在于：
步骤2)中，所述工质类型为惰性气体，启动电压设置为千伏量级；
步骤3)中，所述恒流模式的维持电流设置为100A-500A；
步骤4)中，所述磁感应强度为0.1T-1T。
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