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用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统及方法

阅读：497发布：2020-05-24

专利汇可以提供用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统及方法，包括磁帆模块和光帆模块，所述磁帆模块的磁场发生装置产生磁场，该磁场与太阳风作用后形成推力一，所述光帆模块受太阳光子的撞击发生动量交换形成推力二，推力一与推力二叠加后形成组合推进力，推动探测器在太空中运行。本发明能够有效提高深空探测器的推进性能，无需携带推进剂，推力可持续，极大提高航天器有效载荷比重，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。，下面是用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统，其特征在于，包括磁帆模块和光帆模块，所述磁帆模块的磁场发生装置产生磁场，该磁场与太阳风作用后形成推力一，所述光帆模块受太阳光子的撞击发生动量交换形成推力二，推力一与推力二叠加后形成组合推进力，推动探测器在太空中运行。
2.根据权利要求1所述的用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统，其特征在于，所述磁场发生装置为圆形的电流环，所述电流环通过伸缩展开装置安装在探测器本体上，且所述电流环的法线方向与太阳风的方向一致。
3.根据权利要求2所述的用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统，其特征在于，所述伸缩展开装置设置有旋转机构，即能够调整电流环的朝向。
4.根据权利要求2所述的用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统，其特征在于，所述电流环采用高温超导材料制成。
5.根据权利要求1所述的用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统，其特征在于，光帆模块包括：光帆和旋转机构，所述光帆通过旋转机构安装在探测器本体上，所述光帆采用石墨烯光压材料制成。
6.一种用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进方法，其特征在于，包括如下步骤：
磁帆推动步骤：由磁场发生装置产生磁场，该磁场与太阳风作用后形成推力一；
光帆推动步骤：光帆受太阳光子的撞击发生动量交换形成推力二；
组合推动步骤：推力一与推力二叠加后形成组合推进力，推动探测器在太空中运行。
7.根据权利要求6所述的用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进方法，其特征在于，所述磁场发生装置包括圆形的电流环，所述电流环通过柔性展开装置安装在探测器本体上，且所述电流环的法线方向与太阳风的方向一致；电流环产生的推力一Fmagsail的计算公式如下：

其中：S＝πL2；
式中：CD表示推力系数；ρusw2/2表示动压，ρ表示太阳风密度，usw表示太阳风的速度；S为磁场特征面积，L表示电流环中心到磁层边界的半径长度。
8.根据权利要求6所述的用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进方法，其特征在于，所述光帆采用石墨烯光压材料制成，光帆产生的推力二Fsunsail的计算公式如下：
Fsunsail＝2ηPAcos2αn；
式中，η表示光帆的效率，取值范围为0～1之间；P表示光帆单位面积的辐射压力，A表示光帆面积，α为太阳光入射角，n为光帆法向方向。
9.根据权利要求6所述的用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进方法，光帆能够产生的推力Fsunsail范围为1～6N。

说明书全文

用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及深空新型推进技术领域，具体地，涉及一种用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统及方法。

背景技术

[0002] 对于深空推进技术，受当前推进技术水平限制，目前化学推进和电推进技术所能达到的最高比冲分别为350s和4000s，比冲较低，要求深空探测器携带的燃料量较大，从而减少了探测器携带有效载荷的能力，降低了科学产出的效能。

[0003] 为克服传统推进方式的不足，光帆和磁帆作为不需要携带燃料的无工质推进器，是一种新颖且有效的推进技术。光帆利用太阳光电磁波传送到光帆上产生辐射压力，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风等离子体流相互作用产生推力，二者均不需要携带推进剂，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。

[0004] 在上述背景下，本专利提出了一种光帆与磁帆组合的磁光双帆推进技术，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光压材料石墨烯进一步提高推进性能，从而为深空探测新型推进提供了一种有效的技术途径。

发明内容

[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统及方法。

[0006] 根据本发明提供的用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统，包括磁帆模块和光帆模块，所述磁帆模块的磁场发生装置产生磁场，该磁场与太阳风作用后形成推力一，所述光帆模块受太阳光子的撞击发生动量交换形成推力二，推力一与推力二叠加后形成组合推进力，推动探测器在太空中运行。

[0007] 优选地，所述磁场发生装置为圆形的电流环，所述电流环通过伸缩展开装置安装在探测器本体上，且所述电流环的法线方向与太阳风的方向一致。

[0008] 优选地，所述伸缩展开装置具有转向功能，即能够调整电流环的朝向。

[0009] 优选地，所述电流环采用高温超导材料制成，以增大电流大小。

[0010] 优选地，光帆模块包括：光帆和旋转机构，所述光帆通过旋转机构安装在探测器本体上，所述光帆采用石墨烯光压材料制成，以增强光压驱动效果。

[0011] 根据本发明提供的用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进方法及方法，包括如下步骤：

[0012] 磁帆推动步骤：由磁场发生装置产生磁场，该磁场与太阳风作用后形成推力一；

[0013] 光帆推动步骤：光帆受太阳光子的撞击发生动量交换形成推力二；

[0014] 组合推动步骤：推力一与推力二叠加后形成组合推进力，推动探测器在太空中运行。

[0015] 优选地，所述磁场发生装置包括圆形的电流环，所述电流环通过柔性展开装置安装在探测器本体上，且所述电流环的法线方向与太阳风的方向一致；电流环产生的推力一Fmagsail的计算公式如下：

[0016]

[0017] 其中：S＝πL2；

[0018] 式中：CD表示推力系数；ρusw2/2表示动压，ρ表示太阳风密度，usw表示太阳风的速度；S为磁场特征面积，L表示电流环中心到磁层边界的半径长度。

[0019] 优选地，所述光帆采用石墨烯光压材料制成，光帆产生的推力二Fsunsail的计算公式如下：

[0020] Fsunsail＝2ηPAcos2θn；

[0021] 式中，η表示光帆的效率，取值范围为0～1之间；P表示光帆单位面积的辐射压力，A表示光帆面积，θ为太阳光入射角，n为光帆法向方向。

[0022] 优选地，磁光双帆推进系统及方法可实现1～6N大小的推力，由于不消耗工质，故理论比冲为无穷大。

[0023] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0024] 1、本发明无需携带推进剂，可极大提高航天器有效载荷比重，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。

[0025] 2、本发明能够结合传统光帆和磁帆推进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及对资源需求。

[0026] 3、应用本发明能够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，是一种解决深空探测高精度导航问题的有效手段。附图说明

[0027] 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：

[0028] 图1为本发明提供的磁光双帆推进方法原理示意图；

[0029] 图2为本发明中磁帆的结构示意图；

[0030] 图3为本发明中光帆的推进原理示意图；

[0031] 图4为本发明中磁帆的原理示意图；

[0032] 图5为磁帆在直角坐标系中的推进原理示意图。

[0033] 图中：

[0034] 1-电流线圈；

[0035] 2-柔性展开装置；

[0036] 3-探测器本体；

[0037] 4-太阳帆；

[0038] 5-太阳；

[0039] 6-质子；

[0040] 7-磁层边界；

[0041] 8-电流环。

具体实施方式

[0042] 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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0043] 根据本发明提供的用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统，如图1所示，包括磁帆模块和光帆模块，所述磁帆模块的磁场发生装置产生磁场，该磁场与太阳风作用后形成推力一，所述光帆模块受太阳光子的撞击发生动量交换形成推力二，推力一与推力二叠加后形成组合推进力，推动探测器在太空中运行。

[0044] 所述磁场发生装置包括圆形的电流环，所述电流环通过柔性展开装置安装在探测器本体上，且所述电流环的法线方向与太阳风的方向一致。

[0045] 所述柔性装置设置有旋转机构，即能够调整电流环的朝向。

[0046] 所述电流环采用高温超导材料制成。

[0047] 光帆模块包括：光帆和旋转机构，所述光帆通过旋转机构安装在探测器本体上，所述光帆采用石墨烯光压材料制成。

[0048] 根据本发明提供的用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进方法，包括如下步骤：

[0049] 磁帆推动步骤：由磁场发生装置产生磁场，该磁场与太阳风作用后形成推力一；

[0050] 光帆推动步骤：光帆受太阳光子的撞击发生动量交换形成推力二；

[0051] 组合推动步骤：推力一与推力二叠加后形成组合推进力，推动探测器在太空中运行。

[0052] 本发明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，提高深空推进性能的有效手段。

[0053] 具体地，根据本发明提供的特点，用于深空探测的无质损磁光双帆组合推进系统，包括：磁帆模块和光帆模块，所述磁帆模块的磁场发生装置产生磁场，该磁场与太阳风作用后形成推力一，所述光帆模块受太阳光子的撞击发生动量交换形成推力二，推力一与推力二叠加后形成组合推进力，推动探测器在太空中运行。

[0054] 所述磁场发生装置为圆形的电流环，所述电流环通过伸缩展开装置安装在探测器本体上，且所述电流环的法线方向与太阳风的方向一致。

[0055] 所述伸缩展开装置具有转向功能，即能够调整电流环的朝向。

[0056] 所述电流环采用高温超导材料制成，以增大电流大小。

[0057] 所述光帆模块包括：光帆和旋转机构，所述光帆通过旋转机构安装在探测器本体上，其中光帆采用石墨烯光压材料制成，以增强光压驱动效果。

[0058] 所述推进系统的的推进步骤为：由磁场发生装置产生磁场，该磁场与太阳风作用后形成推力一：光帆受太阳光子的撞击发生动量交换形成推力二：推力一与推力二叠加后形成组合推进力，推动探测器在太空中运行。

[0059] 如图4和图5所示，所述电流环产生的推力一Fmagsail的计算公式如下：

[0060]

[0061] 其中：S＝πL2；

[0062] 式中：CD表示推力系数；ρusw2/2表示动压，ρ表示太阳风密度，usw表示太阳风的速度；S为磁场特征面积，L表示电流环中心到磁层边界的半径长度。

[0063] 所述光帆采用石墨烯光压材料制成，光帆产生的推力二Fsunsail的计算公式如下：

[0064] Fsunsail＝2ηPAcos2θn；

[0065] 式中，η表示光帆的效率，取值范围为0～1之间；P表示光帆单位面积的辐射压力，A表示光帆面积，θ为太阳光入射角，n为光帆法向方向。

[0066] 所述磁光双帆推进系统及方法可实现1～6N大小的推力，由于不消耗工质，故理论比冲为无穷大。

[0067] 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；采用日益成熟的超导材料代替普通线圈，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。

[0068] 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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