磁场调控型液相工质大面积微腔放电等离子体微推进器 |
|||||||
| 申请号 | CN201410837625.3 | 申请日 | 2014-12-29 | 公开(公告)号 | CN104696180B | 公开(公告)日 | 2017-07-28 |
| 申请人 | 中国空间技术研究院; | 发明人 | 王伟宗; 姚娜; 肖林; 魏福智; 范达; 万晓云; | ||||
| 摘要 | 磁场 调控型液相工质大面积微腔放电 等离子体 微 推进器 ，推进剂工质进给机构将液体推进剂储箱内的液体推进剂扩散进放电微腔中，所述的放电微腔由一个直径不等的孔贯穿金属片和绝缘 电介质 构成，绝缘电介质夹在相邻两个金属片之间，相邻两个金属片组成一个 电极 对；放电微腔末端的金属片和绝缘电介质组成拉法尔喷口，其中，绝缘电介质构成拉法尔喷口的收缩段和扩张段， 阳极 金属片组成拉法尔喷口的喉部，其与位于拉法尔喷口扩张段出口处的 阴极 金属片组成一个电极对；拉法尔喷口的 水 平段上至少设置一个电极对，外部电源模 块 提供周期性交流或者直流高压脉冲 电压 ，并利用 导线 接至每个电极对上，环形的 永磁体 套装在上述放电微腔的管壁外侧。 | ||||||
| 权利要求 | 1.磁场调控型液相工质大面积微腔放电等离子体微推进器，其特征在于：包括推进器本体结构、永磁体(9)和外部电源模块(6)；推进器本体结构包括液体推进剂储箱(8)，推进剂工质进给机构(7)，金属片，绝缘电介质(3)以及拉法尔喷管(4)；其中，在直流放电条件下，金属片分别构成成对存在的阳极(1)、阴极(2)； |
||||||
| 说明书全文 | 磁场调控型液相工质大面积微腔放电等离子体微推进器技术领域背景技术[0002] 对空间小型化平台微推进技术的迫切需求源于本世纪微纳卫星的蓬勃发展。进入21世纪后，微纳卫星组网技术飞速发展、日益成熟，这使得微纳卫星在能完成传统大卫星功能的同时，更具有周期短、风险低、发射方式灵活、可拓展性强的优点。由于微纳卫星体积小、质量轻、转动惯量小，用于卫星轨道与姿态控制所需推力小，重复性好，要求精度高，一般为毫牛量级，甚至到微牛量级；优异的微推进器还应兼具较宽的推力范围，以适应不同的任务应用需求。同时，微纳卫星编队飞行的目标是维持卫星间的相对位置，而不是保持各卫星的绝对位置，因此需要的最小冲量脉冲非常小，以满足控制系统高精度要求。因此研究适合于微纳卫星轨道保持、轨道机动与姿态控制用的高集成度、低功耗、精确冲量、高比冲的微小推进系统是微纳卫星发展的必然要求和关乎成败的关键环节。 [0003] 相比化学微推进，电推进具有低成本、高比冲、推力小、控制精度高等优点，能大大减少推进剂的携带量而增加卫星有效载荷，或不减少推进剂而大大延长卫星的工作寿命，因而成为最具发展潜力的微推进方式之一。微电推进器分为电热式、静电式和电磁式。电热式微推进器无污染，原则上可以使用任何推进剂，成本低，但它的比冲很低，存在泄漏问题。静电式微推进器有场效应静电推进器、胶体微推进器、离子微推进器、霍尔微推进器。但静电式微推进器普遍需要高的工作电压(kV量级)或者较大的电源功率(百瓦量级)，超过了微纳卫星的供给能力，也就限制了其在超小型微纳卫星方面的应用。电磁式微推进器如脉冲等离子推进器固有质量较大，也存在羽流污染问题，并且推功比不高。 [0004] 目前为止，质量和功率对推进系统的约束使得微纳卫星的电推进方式主要以电热式为主。传统的电阻加热式微推进系统面临比冲小、加热效率低等突出问题，射频放电电热式微推进又具有能量利用效率低、器壁表面烧蚀大的不足，微电弧发动机的尺寸也无法满足厘米以下的加工需求。这些不利因素限制了上述推进系统在微纳卫星上的应用。相比之下，微腔放电等离子体推进是一种利用微放电技术发展而来的新型电热式微推进技术。微腔放电，是一种新颖的非平衡高气压辉光放电，只需要非常低的电压(几百伏特)或者输入功率(百毫瓦数量级)，通过等离子体与中性气体的碰撞以及电场对离子的加速所用，加热工质气体，再通过一定的喷管结构喷出，产生推力,从而为提高推进系统的性能开辟了新的途径。美国伊利诺伊州立大学的电推进实验室和德克萨斯州立大学的计算等离子体实验室最早提出了微腔放电微纳卫星推进器的设计(如图1所示)并在美国空军中心科学研究基金资助下开展了相应的研究工作 发明内容[0005] 本发明的技术解决问题是：克服传统微腔放电等离子体微推进器比冲下，能量效率低，推进控制精度低的瓶颈，提出一种基于磁场调制的液相工质大面积微腔放电等离子体微推进器，通过多种外部控制条件的综合调控和多种新型部组件的优化配置实现高比冲、长寿命和高控制精度的微纳卫星推进。 [0006] 本发明的技术解决方案是：磁场调控型液相工质大面积微腔放电等离子体微推进器，包括推进器本体、永磁体和外部电源模块；推进器本体结构包括液体推进剂储箱，推进剂工质进给机构，金属片，绝缘电介质以及拉法尔喷管； [0007] 推进剂工质进给机构控制工质流量并将液体推进剂储箱内的液体推进剂形成喷雾扩散进放电微腔中，所述的放电微腔由一个直径不等的孔贯穿金属片和绝缘电介质构成，绝缘电介质夹在相邻两个金属片之间，相邻两个金属片组成一个电极对；放电微腔末端的金属片和绝缘电介质组成拉法尔喷口，其中，绝缘电介质构成拉法尔喷口的收缩段和扩张段，阳极金属片组成拉法尔喷口的喉部，其与位于拉法尔喷口扩张段出口处的阴极金属片组成一个电极对；拉法尔喷口的水平段上至少设置一个电极对，外部电源模块提供周期性交流或者直流高压脉冲电压，并利用导线接至每个电极对上，环形的永磁体套装在上述放电微腔的管壁外侧。 [0008] 将上述外部电源模块和推进器本体结构作为一个推进单元，多个相同的推进单元排成点阵，外部套装环形的永磁体组成多腔推进器，永磁体与每个推进单元之间填充绝缘材料。 [0009] 本发明与现有技术相比有益效果为： [0010] (1)采用复式多电极结构表面放电在较低的电源输入功率面密度下获得大面积的放电等离子体，并能够降低放电的高频振荡，提高放电的稳定性，克服推进剂流量较大时大量气相工质无法有效放电电离加热，推进器工质利用效率低的瓶颈； [0011] (2)采用圆环形永磁体产生的外部轴向磁场调制优化显著降低放电电压并强化电离过程，调控微腔放电等离子体放电输运特性，提高带电粒子对推进性能提高的贡献； [0012] (3)液体推进剂通过工质进给机构入放电微腔扩散的速度要比气体推进剂慢很多，推进剂流量控制更为容易，能够实现对微纳卫星推进器比冲、推力以及微小冲量更高精度的操作控制；其次，液体推进剂质量密度大，无需高压储箱，可以节省推进器以及微纳卫星的体积和重量； [0013] (4)微腔放电等离子体微型推进器采用MEMS技术加工制造满足微纳卫星对推进系统重量、体积、功率的苛刻要求； [0014] (5)工质进给机构使液体推进剂以雾状形式进入放电微腔，由此增大了液体推进剂和放电电极、等离子体的接触面积，更有利于推进剂的加热和提高放电效率。 [0016] 图1传统微腔放电推进器示意图 [0017] 图2为本发明单个推进单元示意图； [0018] 图3a、3b为本发明多腔推进器排列两种示意图。 具体实施方式[0019] 如图2所示，本发明一种磁场调控型液相工质大面积微腔放电等离子体微推进器，包括推进器本体结构、永磁体9和外部电源模块6；推进器本体结构包括液体推进剂储箱8，推进剂工质进给机构7，金属片(阳极1、阴极2)，电介质3以及拉法尔喷管4； [0020] 其中，液体推进剂储箱8内存储有易挥发性的液体推进剂(乙醇、水等)，工质进给机构7包括一个控制工质流量的微阀门和将液态工质雾化的毛细管注射雾化器，将液体推进剂扩散进放电微腔并实现喷雾处理。在空间环境下，毛细管注射雾化器将液体工质压入毛细管造成高速射流，将液滴以极细微的颗粒喷射出来形成液雾，可以自动扩散到出口端为真空的电极空间中。所述的放电微腔由一个直径(从几十微米到几百微米)不等的孔贯穿金属片(铜、镍、铂金、钨等)和绝缘电介质3(云母、陶瓷、有机玻璃等)构成，绝缘电介质3夹在相邻两个金属片之间，相邻两个金属片组成一个电极对；电介质3用于防止等放电发生在在除电极腔内电极之间的其它部位。 [0021] 将上述两个金属片及夹在两个金属片之间的绝缘电介质3称为一个放电装置，推进器本体内部多个放电装置平行放置，放电微腔末端的金属片和绝缘电介质组成拉法尔喷口4，其中，绝缘电介质构成拉法尔喷口4的收缩段和扩张段，阳极金属片组成拉法尔喷口4的喉部，其与位于拉法尔喷口4扩张段出口处的阴极金属片组成一个电极对；拉法尔喷口4的水平段上至少设置一个电极对。 [0022] 外部电源模块6将空间航天器太阳能电池转换得到的低压稳恒直流输出转换为周期性交流或者直流高压脉冲电压，并利用导线接至阳极1和阴极2的接线柱上，在两个金属片电极之间放电产生等离子体5，其放电情况与孔径大小、电极间距、气压以及电流大小有关。每个电极对连接的外部电源并联在一起，以相同的幅值和频率由外部触发电路控制放电产生等离子体。由于放电微腔孔径很小，只需较低的电压便可维持两电极之间产生稳定的放电，得到气体温度和电子密度都较高的等离子体，并经过多个电极对单元的放电加热作用，经过末端的拉法尔喷管(具有典型的收缩段、约束段和扩张段)，在下游扩张段膨胀后呈现高速流动，借助有效的反作用力实现航天器的推进。多个放电单位平行排布构成推进阵列，实现推力的自动调节控制，环形的永磁体9(磁铁为钕铁硼永磁体，亦可为钐钴磁铁、铝镍钴磁铁铁氧体磁铁等永磁体)套装在上述放电微腔的管壁外侧，产生和气流流向一致的轴向磁场，显著降低放电电压并强化电离过程，调控带电粒子沿着平行轴向运动，从而祈祷调制放电过程和等离子体输运过程的目的。 [0023] 如图3a、图3b所示，将上述外部电源模块6和推进器本体结构及作为一个推进单元10，多个相同的推进单元排成点阵，为了便于控制推进单元的工作，可能的推进单元排列形式包含圆环形和二维矩阵形。外部套装环形的永磁体9组成多腔推进器，永磁体9与每个推进单元之间填充绝缘材料。 [0024] 本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈