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一种采用无质损磁动力推进的深空探测器

阅读：89发布：2020-05-24

专利汇可以提供一种采用无质损磁动力推进的深空探测器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种采用无质损磁动力推进的深空探测器，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，所述探测器以磁帆作为无质损推进系统，与探测器本体进行连接；所述供电装置对探测器进行供电，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。本发明所述的深空探测器无需携带推进剂，推力可持续，是一种具有广阔应用前景的新型动力深空探测形式。，下面是一种采用无质损磁动力推进的深空探测器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种采用无质损磁动力推进的深空探测器，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，所述探测器以磁帆作为无质损推进系统，与探测器本体进行连接；所述供电装置对探测器进行供电，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。
2.根据权利要求1所述的一种采用无质损磁动力推进的深空探测器，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动力推进的深空探测器，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动力推进的深空探测器，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1所述的一种采用无质损磁动力推进的深空探测器，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动力推进的深空探测器，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。
7.根据权利要求1所述的一种采用无质损磁动力推进的深空探测器，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

一种采用无质损磁动力推进的深空探测器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种新型动力深空探测器，具体地，涉及一种采用无质损磁动力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，要求探测器携带推进剂较大，分别达到探测器总质量的94.6％和22.5％，从而限制了探测器携带有效载荷的能力，降低了科学产能的输出。

[0003] 为克服传统推进方式的不足，磁帆(磁动力)作为无工质推进，是一种新颖且有效的解决途径。磁帆的原理是利用探测器自身携带磁场发生装置与太空中广泛存在的太阳风等离子体流相互作用产生推力，因此无需携带推进剂即可获得动力来源。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，即与电流环所通电流大小有关。

发明内容

[0004] 针对上述现有技术的局限，本发明的目的是提供一种采用磁动力推进的深空探测器设计，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] 一种采用无质损磁动力推进的深空探测器，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，所述探测器以磁帆作为无质损推进系统，与探测器本体进行连接；所述供电装置对探测器进行供电，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。

[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] 所述圆形电流环能够产生数kA的电流。

[0011] 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，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：

[0012]

[0013] 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。

[0014] 所述磁动力推进深空探测器产生的推力可达到N级，由于不消耗工质，故理论比冲为无穷大。

[0015] 磁帆的超导电流环产生的电流大于1000A，通过电磁感应原理产生磁场，磁场与太阳风带电粒子产生力的相互作用。

[0016] 探测器通过控制探测器姿态以及电流大小，就可以对推力大小和方向进行控制。

[0017] 本发明能够充分利用磁动力推进无需携带推进剂的优势，并以日益成熟的高温超导材料产生高电流，增强与太阳风等离子体流的作用强度，进一步提高推进性能。本发明的应用可丰富人类太阳系内深空探测的形式，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。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，降低推进系统对探测器的资源需求，可极大缩小探测器规模，降低探测成本，增加科学产能输出。

[0018] 本专利提出的一种采用无质损磁动力推进的深空探测器，巧妙地将磁帆的两个电流环对称安装不仅能有效避免磁帆产生的力矩造成探测器姿态失稳，同时也能有效提高驱动力；另外，电流环利用超导材料产生高电流增强与等离子体流的相互作用从而进一步提升推进性能，从而为新型动力深空探测器设计提供了一种有效的技术途径。附图说明

[0019] 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：

[0020] 图1是本发明中磁动力推进深空探测器示意图；

[0021] 图2是本发明中磁帆典型构型图；

[0022] 图3是本发明中磁帆推力原理示意图。

具体实施方式

[0023] 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。

[0024] 请同时参阅图1至图3,本发明所提供的一种采用无质损磁动力推进的深空探测器，包括：探测器本体1、机械连接结构6、放射性同位素电源(RTG)5、磁帆展开机构4、超导电流环2，磁帆3与探测器本体1之间通过机械连接结构进行连接。

[0025] 放射性同位素电源(RTG)5在对探测器1进行供电，如图1所示，本发明中探测器本体1通过机械连接装置6连接磁帆3。磁帆展开机构4将磁帆3伸缩展开。本实施例中，磁帆电流环2为圆形，采用高温超导材料以产生高电流。

[0026] 磁帆的原理是利用电流环2通电在探测器周围形成磁场与太阳风粒子场相互作用产生推力。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，增强磁场作用与带电粒子的作用强度。单个磁帆产生的推力大小为：

[0027]

[0028] 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(环中心到磁层边界的半径长度)，则S＝πL2。

[0029] 如图3所示，对于本发明中探测器产生推力的方向，可以定义磁帆的攻角α(超导电流环2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F的大小和方向。

[0030] 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3的两个电流环2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，构成一个“双轮驱动”的推进形式。磁帆产生的总推力大小为：

[0031] Fmax＝2×Fmagsail

[0032] 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与自身携带磁场发生装置的相互作用产生推力。具体地，产生的推力可达N级，理论比冲为无穷大。

[0033] 由此可见，本发明所提供的一种采用无质损磁动力推进的深空探测器，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。

[0034] 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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