平行极板型激光支持的脉冲等离子体推力器制造技术

技术编号:19736713 阅读:34 留言:0更新日期:2018-12-12 03:20
一种平行极板型激光支持的脉冲等离子体推力器,包括激光系统、两块平行相对设置的电磁加速阳极板和电磁加速阴极板、磁场线圈、固体工质;电磁加速电极的一端开口,电磁加速电极的另一端由隔离板密封,在隔离板上开设有一通孔,该通孔与陶瓷管的一端联通,陶瓷管的另一端远离电磁加速电极向外伸出且其端口设有固体工质;激光系统发射出的激光束烧蚀陶瓷管外端口上的固体工质产生激光等离子体,激光等离子体依次穿过陶瓷管、隔离板上的通孔后进入电磁加速阴、阳极板之间并诱导产生短脉冲放电电弧,使得激光等离子体加热并进一步离子化,等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出,从而产生推力。其具备推力可调、推进效率高、比冲高等优点。

【技术实现步骤摘要】
平行极板型激光支持的脉冲等离子体推力器
本技术涉及一种为微小卫星轨道提升、位置保持、姿态控制和组网飞行等提供精准推力的新型推力器,尤其涉及一种利用激光烧蚀固体工质产生激光烧蚀等离子体,然后利用电磁场加速的推力器。
技术介绍
微小卫星具有体积小、重量轻、成本低、功能密度大、研制周期短、发射灵活、组网较快、生存能力强等优势,它在通信、导航、侦察、环境监控与预报、抢险救援、测绘、科学研究等领域发挥了重要作用。微小卫星由有效载荷和卫星平台两大部分组成,推进系统作为卫星平台的重要组成部分,可以为卫星提供姿态控制、轨道保持、轨道机动、位置保持等服务,从而使得卫星能完成更多、更复杂的任务并提高其使用寿命。因此,先进的空间推进系统的研制是至关重要的。然而由于微小卫星本身的特殊性以及完成特殊任务的需要,对其配备的推进系统提出了一些特殊要求,比如:质量轻、体积小、功耗小、最小元冲量小、比冲高等。目前,传统的化学推进存在比冲高、质量重、控制精度低等问题,因此很难满足上述要求。因此,人们迫切需要寻找新型小推力非化学推进系统来满足微小卫星对推进系统的需求。电推进系统因具有比冲高、推力小、重量轻、体积小、消耗工质少等特点而有望成为微小卫星的推进系统。固体烧蚀型脉冲等离子体推力器(ablativepulsedplasmathruster,APPT)是电推进系统的一种,其工作过程为:火花塞点火使暴露在两电极之间的推进剂表面诱导出高温放电电弧,使推进剂蒸发和电离,形成等离子体;然后等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出,从而产生推力。APPT具有结构简单、比冲较高和重量轻等优势,使其成为微小卫星推进系统的优先选择对象,因此,各航天大国对其进行了长期深入的研究。虽然APPT具有诸多优点,但是由于其存在滞后烧蚀等问题,从而使得其工质利用率低、能量利用效率低并存在羽流污染等问题。此外,还存在火花塞点火失效和积碳的问题以及性能不精确可控等问题亟待解决。因此,使得APPT的优势不能得到充分发挥,影响了其实际应用进程。
技术实现思路
针对APPT存在的工质利用率低、能量利用效率低、火花塞点火易失效且易积碳、羽流污染和性能不精确可控等问题,在此提出一种平行极板型激光支持的脉冲等离子体推力器。本技术提供的这种推力器具备推进效率高、性能精确可控且可调、比冲高、结构简单、可靠性高和羽流污染小等优点。为实现本技术之目的,采用以下技术方案予以实现:一种平行极板型激光支持的脉冲等离子体推力器,包括激光系统、电磁加速电极、磁场线圈、固体工质。电磁加速电极包括两块平行相对设置的电磁加速阳极板和电磁加速阴极板;磁场线圈将电磁加速阳极和电磁加速阴极包覆在内,在电磁加速阳极板和电磁加速阴极板之间产生外加磁场。电磁加速阳极板、电磁加速阴极板连接电磁加速电极电源以获取工作电源,磁场线圈连接磁场线圈电源以获取工作电源。电磁加速电极的一端开口,电磁加速电极的另一端由隔离板密封,在隔离板上开设有一通孔,该通孔与陶瓷管的一端联通,陶瓷管的另一端远离电磁加速电极向外伸出且其端口设有固体工质。激光系统发射出的激光束烧蚀陶瓷管外端口上的固体工质产生激光等离子体,激光等离子体依次穿过陶瓷管、隔离板上的通孔后进入电磁加速阴极板、电磁加速阳极板之间并诱导产生短脉冲放电电弧,短脉冲放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化,等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出,从而产生推力。根据激光束的入射方向与激光束烧蚀固体工质产生的激光等离子体的运动方向是否相同,分为反射式和透射式两种形式。反射式:激光系统设置在电磁加速电极的开口一端的外侧,激光系统发射出的激光束从电磁加速电极的开口一端入射,穿过隔离板上的通孔以及陶瓷管,烧蚀陶瓷管外端口上的固体工质。透射式:固体工质的外侧面上贴覆有一层透明基底层,激光系统设置在固体工质外侧,激光系统发射出的激光束入射到透明基底层上,激光束穿过透明基底层后烧蚀固体工质进而产生激光等离子体。无论是反射式还是透射式,本技术激光系统发射出的激光束、电磁加速电极、磁场线圈、隔离板和陶瓷管的中轴线重合。无论是反射式还是透射式,固体工质均连接有固体工质供给装置,固体工质供给装置给推力器提供固体工质,以更新烧蚀位置,保证同样激光烧蚀条件下具有较为相同的烧蚀条件,从而确保较为相同的烧蚀产物,进而确保提供精准的推力。本技术所述的固体工质可以为铜和铝等金属、聚四氟乙烯和聚氯乙烯等高分子聚合物以及其它能在太空环境中易于存储且能被激光烧蚀产生等离子体的固体材料,所以不像采用气体、液体作为工质的推力器那样需要推进剂储箱、阀门和管路等系统,因此,推力器可以非常简单和紧凑。本技术中所述陶瓷管的作用是将固体工质与电磁加速电极之间隔开一段距离,使得推力器工作时,电磁加速电极之间产生的放电电弧不会对固体工质进行烧蚀,从而确保推力器每次工作时消耗的固体工质都由激光烧蚀产生,因此避免了滞后烧蚀的产生,这有利于提高固体工质的利用效率和推进效率。本技术中隔离板的作用是阻挡激光等离子体回流,避免造成推力损失。因为推力器工作时,放电电弧会在隔离板附近产生,因此隔离板必须具有耐高温烧蚀的特性,以此来保证推力器每次工作时消耗的固体工质都由激光烧蚀产生。同时,隔离板选用绝缘材料,能够避免电磁加速阳极板和电磁加速阴极板之间导通。因此,隔离板需要由耐高温烧蚀的绝缘材料制成,比如陶瓷、高硅氧玻璃纤维等。本技术中的激光系统包括激光器以及光束调节系统。激光器的作用是给推力器输出脉冲激光,其输出的激光参数(比如激光能量、脉宽、波长、工作频率等)可以通过控制系统进行调节,从而控制推进性能的大小,以完成不同的任务需求。光束调节系统位于激光器的正前方不远处,其作用是将激光器发射出来的激光按照要求聚焦对固体工质进行烧蚀。对于反射式的推力器,其激光系统还包括羽流保护装置,羽流保护装置位于光束调节系统和激光器的正前方,其作用是阻挡推力器产生的羽流,防止光束调节系统和激光器受到羽流中微粒、气体以及等离子体等的污染,从而影响其工作状态。本技术还包括控制系统以及电源处理系统。所述控制系统连接电源处理系统、激光器以及光束调节系统,按照空间任务的需求来对各个耗电部件的输出电压、激光参数和聚焦后光斑大小、位置进行调节,从而改变推力器的相关推进性能。所述电源处理系统连接电磁加速电极电源、磁场线圈电源,按照控制系统的指令给各个耗电部件提供所需的电能。电磁加速电极电源包括电容充电电源以及电容单元,电容充电电源通过导线连接电容单元并给电容单元充电,电容单元的正负端分别通过导线与电磁加速阳极板和电磁加速阴极板连接,使电磁加速阳极板和电磁加速阴极板之间存在电势差。通过控制系统对电源处理系统的控制能够控制电容充电电源输出的电压大小,从而改变电容单元充电大小,也即改变电磁加速阳极板和电磁加速阴极板之间的电压大小,进而改变放电电流大小,最终达到调整推进性能的作用。通过控制系统对电源处理系统的控制能够控制电源处理系统提供给磁场线圈电源的供电电压大小,改变该磁场线圈电源输出的电压大小,从而改变磁场线圈的电流大小,进而改变外加磁场的大小,从而提高推力器的推进性能。电磁加速电极连接电容单元,其作用是:当电磁加速阳极板和电本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种平行极板型激光支持的脉冲等离子体推力器,其特征在于:包括激光系统、电磁加速电极、磁场线圈、固体工质;电磁加速电极包括两块平行相对设置的电磁加速阳极板和电磁加速阴极板;磁场线圈将电磁加速阳极和电磁加速阴极包覆在内,在电磁加速阳极板和电磁加速阴极板之间产生外加磁场;电磁加速阳极板、电磁加速阴极板连接电磁加速电极电源以获取工作电源,磁场线圈连接磁场线圈电源以获取工作电源;电磁加速电极的一端开口,电磁加速电极的另一端由隔离板密封,在隔离板上开设有一通孔,该通孔与陶瓷管的一端联通,陶瓷管的另一端远离电磁加速电极向外伸出且其端口设有固体工质;激光系统发射出的激光束烧蚀陶瓷管外端口上的固体工质产生激光等离子体,激光等离子体依次穿过陶瓷管、隔离板上的通孔后进入电磁加速阴极板、电磁加速阳极板之间并诱导产生短脉冲放电电弧,短脉冲放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化,等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出,从而产生推力。

【技术特征摘要】
1.一种平行极板型激光支持的脉冲等离子体推力器,其特征在于:包括激光系统、电磁加速电极、磁场线圈、固体工质;电磁加速电极包括两块平行相对设置的电磁加速阳极板和电磁加速阴极板;磁场线圈将电磁加速阳极和电磁加速阴极包覆在内,在电磁加速阳极板和电磁加速阴极板之间产生外加磁场;电磁加速阳极板、电磁加速阴极板连接电磁加速电极电源以获取工作电源,磁场线圈连接磁场线圈电源以获取工作电源;电磁加速电极的一端开口,电磁加速电极的另一端由隔离板密封,在隔离板上开设有一通孔,该通孔与陶瓷管的一端联通,陶瓷管的另一端远离电磁加速电极向外伸出且其端口设有固体工质;激光系统发射出的激光束烧蚀陶瓷管外端口上的固体工质产生激光等离子体,激光等离子体依次穿过陶瓷管、隔离板上的通孔后进入电磁加速阴极板、电磁加速阳极板之间并诱导产生短脉冲放电电弧,短脉冲放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化,等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出,从而产生推力。2.根据权利要求1所述的平行极板型激光支持的脉冲等离子体推力器,其特征在于:所述激光系统设置在电磁加速电极的开口一端的外侧,激光系统发射出的激光束从电磁加速电极的开口一端入射,穿过隔离板上的通孔以及陶瓷管,烧蚀陶瓷管外端口上的固体工质。3.根据权利要求2所述的平行极板型激光支持的脉冲等离子体推力器,其特征在于:所述激光系统包括激光器、光束调节系统和羽流保护装置,光束调节系统位于激光器的正前方,羽流保护装置位于光束调节系统的正前方。4.根据权利要求1所述的平行极板型激光支持的脉冲等离子体推力器,其特征在于:固体工质的外侧面上贴覆有一层透明基底层,激光系统设置在固体工质外侧,激光系统发射出的激光束入射到透明基底层上,激光束穿过...

【专利技术属性】
技术研发人员:吴建军谭胜程玉强王墨戈黄强张宇李健欧阳朱晓彬胡润生
申请(专利权)人:中国人民解放军国防科技大学
类型:新型
国别省市:湖南,43

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