一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器

申请号 CN201610667777.2 申请日 2016-08-12 公开(公告)号 CN106114913A 公开(公告)日 2016-11-16
申请人 上海卫星工程研究所; 发明人 柳明星; 徐亮; 王伟; 张嵬; 李彦之; 张恒;
摘要 本 发明 提供了一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,包括:探测器本体、供电装置、驱动装置、磁帆展开机构、 磁场 发生装置、光帆、伸缩杆机构,所述探测器本体位于磁帆与光帆中间,并通过机械连接装置进行连接;所述供电装置对推进系统进行供电,所述磁帆展开机构将磁帆伸缩展开,所述磁场发生装置作为磁帆的主要装置,通电后 电流 产生磁场与太空中 太阳 风 等离子体 流相互作用产生推 力 ,所述的伸缩杆机构将光帆展开,所述光帆在太阳光的照射下产生光压驱动力.本发明所提供的深空探测器无需携带推进剂,推力可持续,具有传统化学推进和电推进无可比拟的优势和广阔的应用前景。
权利要求

1.一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,其特征在于,包括:探测器本体、供电装置、驱动装置、磁帆展开机构、磁场发生装置、光帆、伸缩杆机构,所述探测器本体位于磁帆与光帆中间,并通过机械连接装置进行连接;所述供电装置对推进系统进行供电,所述磁帆展开机构将磁帆伸缩展开,所述磁场发生装置作为磁帆的主要装置,通电后电流产生磁场与太空中太阳等离子体流相互作用产生推,所述的伸缩杆机构将光帆展开,所述光帆在太阳光的照射下产生光压驱动力。
2.根据权利要求1所述的一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,其特征在于,所述供电装置采用放射性同位素热电机核电源进行供电。
3.根据权利要求1所述的一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,其特征在于,所述磁场发生装置为采用超导材料的圆形电流环。
4.根据权利要求3所述的一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,其特征在于,所述圆形电流环的直径大于20m。
5.根据权利要求3所述的一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,其特征在于,所述圆形电流环产生的电流大于1KA。
6.根据权利要求1所述的一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,其特征在于,所述光帆直径大于20m。
7.根据权利要求1所述的一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,其特征在于,所述磁帆由两个电流环对称安装形成,单个电流环产生的推进力为:

其中,CD为推力系数; 为动压,ρ为太阳风密度,usw为太阳风的速度;S为磁场特征面积。定义磁场的特征长度为L,则S=πL2。
8.根据权利要求1所述的一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,其特征在于,所述光帆采用石墨烯光压材料,光帆产生的推力为:

其中,η为帆的效率参数,取值范围为0~1之间;P为光帆单位面积的辐射压力,A为光帆面积,a为太阳光入射,n为光帆法向方向。
9.根据权利要求1所述的一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,其特征在于,探测器通过控制探测器姿态以及电流大小对推力大小和方向进行控制,具体为:定义磁帆的攻角α为电流环法线方向与太阳风的夹角,与探测器姿态有关,转向角β为推力方向与太阳风的夹角,通过调节磁帆的攻角来控制磁帆产生推力的大小和方向。

说明书全文

一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种新型深空探测器,具体地,涉及一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器的设计。

背景技术

[0002] 推进技术是深空探测器设计的关键技术,太阳系内行星探测总速度增量需求达到10km/s左右,目前深空探测器主要采用化学推进和电推进技术,其最高比冲分别为350s和
4000s,比冲较低,要求探测器携带燃料量较大,分别达到探测器总质量的94.6%和22.5%,从而减少了探测器携带有效载荷的能,降低了科学产出的效能。
[0003] 为克服传统推进方式的不足,光帆和磁帆作为无工质推进,是一种新颖且有效的解决途径。光帆利用太阳光辐射产生压力,太阳光子连续撞击光帆,使光帆获得的动量逐渐递增;磁帆是探测器自身携带磁场发生装置与太阳等离子体流相互作用产生推力,二者都不需要任何推进剂,但获得的推力较小。光帆推力大小与光帆面积呈正相关;磁帆产生推力的大小取决于磁场发生装置产生磁场的强弱。

发明内容

[0004] 针对现有技术的局限,本发明的目的是设计一种采用磁帆与光帆组合的无质损磁光双帆推进探测器,可满足火星等太阳系内行星的探测需求,是一种通过结合现有技术优点,提高探测器推进性能的有效手段。
[0005] 为达到上述目的,本发明所采用的技术方案如下:
[0006] 一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,包括:探测器本体、供电装置、驱动装置、磁帆展开机构、磁场发生装置、光帆、伸缩杆机构,所述探测器本体位于磁帆与光帆中间,并通过机械连接装置进行连接;所述供电装置对推进系统进行供电,所述磁帆展开机构将磁帆伸缩展开,所述磁场发生装置作为磁帆的主要装置,通电后电流产生磁场与太空中太阳风等离子体流相互作用产生推力,所述的伸缩杆机构将光帆展开,所述光帆在太阳光的照射下产生光压驱动力。
[0007] 所述供电装置采用放射性同位素热电机核电源进行供电。
[0008] 所述磁场发生装置为采用超导材料的圆形电流环。
[0009] 所述圆形电流环的直径大于20m。
[0010] 所述圆形电流环产生的电流大于1KA,通过电磁感应产生磁场。
[0011] 所述光帆直径大于20m。
[0012] 所述磁帆由两个电流环对称安装形成,单个电流环产生的推进力为:
[0013]
[0014] 其中,CD为推力系数; 为动压,ρ为太阳风密度,usw为太阳风的速度;S为磁场特征面积。定义磁场的特征长度为L,则S=πL2。
[0015] 所述光帆采用石墨烯光压材料,光帆产生的推力为:
[0016]
[0017] 其中,η为帆的效率参数,取值范围为0~1之间;P为光帆单位面积的辐射压力,A为光帆面积,a为太阳光入射,n为光帆法向方向。
[0018] 所述光帆为方形结构,采用新型光压材料石墨烯,理论光压为传统光帆的1000倍以上。
[0019] 磁光双帆组合推进探测器产生的推力可达到1~6N,由于不消耗工质,故理论比冲为无穷大。
[0020] 探测器通过控制探测器姿态以及电流大小对推力大小和方向进行控制,具体为:定义磁帆的攻角α为电流环法线方向与太阳风的夹角,与探测器姿态有关,转向角β为推力方向与太阳风的夹角,通过调节磁帆的攻角来控制磁帆产生推力的大小和方向。
[0021] 本发明能够结合传统光帆和磁帆无需携带推进剂的优势,并充分利用日益成熟的常温超导材料,同时吸收了石墨烯材料在光压驱动方面的最新突破性成果,进一步提高推进性能,降低航天器推进、能源分系统设计难度。本发明的应用可为太阳系行星探测提供持续可观的速度增量,也可用于太阳系内行星(星和金星)探测任务的减速制动,在满足推进需求的同时也可丰富人类深空探测的形式。与现有技术相比,本发明所提供的深空探测器无需携带推进剂,可极大提高探测器有效载荷比重,降低推进系统的资源需求,有利于缩小探测器规模,降低探测成本,增加科学产能输出。
[0022] 本发明所提供的一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,巧妙地将磁帆与光帆相结合提供持续加速的推力,并利用超导材料与新型石墨烯光压材料进一步提高推进性能,从而为新型动力深空探测提供了一种有效的技术途径。附图说明
[0023] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0024] 图1为本发明中磁光双帆推进深空探测器示意图;
[0025] 图2为本发明中涉及的磁帆典型构型图;
[0026] 图3是本发明中磁帆推进原理图;
[0027] 图4是本发明中磁帆的攻角α和转向角β的定义图。

具体实施方式

[0028] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0029] 请同时参阅图1至图4,本发明所提供的一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,包括:探测器本体1、放射性同位素电源(RTG)5、磁帆展开机构4、超导电流环2、光帆6、伸缩杆机构7,探测器本体1在磁帆3与光帆6中间,通过伸缩杆机构进行连接。
[0030] 放射性同位素电源(RTG)5对探测器进行供电,如图1所示,本发明中探测器本体1的一端连接磁帆3,另一端连接光帆6。磁帆展开机构4将磁帆3伸缩展开,伸缩杆机构7将光帆6展开。本实施例中,光帆6为正方形结构,以石墨烯作为光压材料;磁帆电流环为圆形,采用超导材料以产生高电流。
[0031] 如图3所示,磁帆的原理是利用电流环通电在探测器周围形成磁场,在磁层边界处与太阳风粒子场中的带电粒子(质子和电子等)相互作用产生推力F。如图2所示,其为本发明的磁帆典型构型示意图。为了获得足够的推力,产生磁场的线圈需要很大的电流,为此采用超导电流环代替普通磁场发生装置,可产生数kA大小的电流。单个磁帆产生的推力大小为:
[0032]
[0033] 其中,CD为推力系数;1/2ρusw2为动压,ρ为太阳风密度,usw为太阳风的速度;S为磁场特征面积。定义磁场的特征长度为L(环中心到磁层边界的半径长度),则S=πL2。
[0034] 如图4所示,对于本发明中电流环与太阳风方向存在夹角的情况,可以定义磁帆的攻角α(电流环法线方向与太阳风的夹角,与探测器姿态有关)和转向角β(推力方向与太阳风的夹角),可以通过调节磁帆的攻角来控制磁帆产生推力的大小和方向。
[0035] 光帆的太阳辐射压力的大小完全由太阳与帆的距离、入射角以及光压材料决定。如图4所示,如果太阳光以入射角a照射在面积为A的光帆上,在距离太阳1AU处,石墨烯获得
2
的太阳辐射压力为P0=4.563mN/m ,在理想反射情况下,推力总是沿着光帆的法向n的方向。
光帆上产生的光压驱动力为:
[0036]
[0037] 将光帆和磁帆结合作为组合推进。
[0038] 为了避免单个电流环产生力矩造成姿态失稳,同时进一步提高推进性能,磁帆的两个电流环如图1呈对称安装,该布局不仅能有效消除力矩对探测器姿态的影响,更能获得双倍推力。与光帆结合后,就会产生三个向前的推进力,构成一个“三驱动”的推进形式。产生的推力大小为:
[0039] Fmax=Fsunsail+2×Fmagsail
[0040] 本发明所述深空探测器无需消耗推进剂,充分利用太空中广泛存在的太阳风等离子体流、太阳光与自身的相互作用产生推力。具体地,产生的推力可达1~6N,理论比冲为无穷大。
[0041] 本发明采用新型光压材料石墨烯作为光帆光压材料,实验室已经实现的石墨烯产生的光压为传统光压的1000倍以上;采用超导电流环代替普通线圈,通电形成的数千安培电流可产生更大的磁场与太阳风等离子体流发生作用。磁光双帆结合,提高推进性能。
[0042] 由此可见,本发明所提供的一种采用无质损磁光双帆组合推进的深空探测器,可极大提高探测器有效载荷比重,降低推进系统的资源需求,有利于缩小探测器规模,降低探测成本,增加科学产能输出。既可为太阳系行星探测提供持续可观的速度增量,也可用于太阳系内行星(水星和金星)探测任务的减速制动。
[0043] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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