同轴极板型激光支持的脉冲等离子体推力器制造技术

一种同轴极板型激光支持的脉冲等离子体推力器，包括激光系统，空心圆筒形的电磁加速阳极的一端由隔离板密封，圆柱形的电磁加速阴极的一端固定在隔离板上，另一端伸入电磁加速阳极内且电磁加速阴、阳极同轴设置。在隔离板上且以隔离板上电磁加速阴极的中心为圆心的一圆周上均匀开设有多个通孔，各通孔均分别与一陶瓷管联通，陶瓷管的另一端远离隔离板向外伸出且其端口均设有固体工质，激光系统发射出的激光束烧蚀固体工质产生激光等离子体，激光等离子体进入电磁加速电极之间时会诱导产生放电电弧并使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】
同轴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
近年来，微小卫星由于其体积小、研制周期短、发射灵活、成本低、组网快和生存能力强等优点而逐渐受到了世界各国的普遍重视，并在通信、导航、对地遥感、空间探测、技术验证和高校培训等领域得到了广泛应用，尤其是在商业和军事方面的应用更是成为世界各国竞相发展的重点，给空间技术开辟了新的应用领域，成为当前航天科技发展的重要方向之一，也必将成为未来航天高技术竞争的热点之一。基于提高微小卫星工作寿命、完成更多复杂任务以及减少空间轨道碎片等方面的考虑，必须为微小卫星配备推进系统。然而由于微小卫星自身体积、重量等的限制，对其所配备的推进系统提出了一些特殊要求：比如：体积小、质量轻、工作寿命长、低电磁干扰、成本低、比冲高等。因此，传统的化学推进很难满足上述要求，而电推进系统由于具有比冲高、推力小、重量轻等优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，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，在此提出一种同轴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：一种同轴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。电磁加速电极包括电磁加速阳极和电磁加速阴极，电磁加速阳极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成的空心圆筒形结构或者空心圆台结构(即靠近耐高温隔离板一侧小，出口一侧大的空心圆台结构)，电磁加速阴极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成的实心圆柱形结构。电磁加速阴极设置在电磁加速阳极内且两者同轴设置，磁场线圈包覆在电磁加速阳极的外壁上，在电磁加速阳极和电磁加速阴极之间产生外加磁场。电磁加速阳极和电磁加速阴极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，在隔离板上开设有固定电磁加速阴极的安装孔，电磁加速阴极的一端固定在隔离板上，另一端伸入电磁加速阳极内。在电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的隔离板上且以隔离板上电磁加速阴极的中心为圆心的一圆周上均匀开设有多个通孔，各通孔均分别与一陶瓷管联通，陶瓷管的另一端远离电磁加速电极向外伸出且其端口均设有固体工质。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、电磁加速阳极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，穿过隔离板上的一通孔以及该通孔联通的陶瓷管，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。作为本技术的另一技术方案，也属于反射式的同轴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。电磁加速电极包括电磁加速阳极和电磁加速阴极，电磁加速阳极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成的空心圆筒形结构或者空心圆台结构(即靠近耐高温隔离板一侧小，出口一侧大的空心圆台结构)，电磁加速阴极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成的空心圆柱形结构。电磁加速阴极设置在电磁加速阳极内且两者同轴设置，磁场线圈包覆在电磁加速阳极的外壁上，在电磁加速阳极和电磁加速阴极之间产生外加磁场。电磁加速阳极和电磁加速阴极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，在隔离板上开设有固定电磁加速阴极的安装孔，电磁加速阴极的一端固定在隔离板上，另一端伸入电磁加速阳极内。电磁加速阴极的内部空腔内同轴套装有一空心陶瓷管，空心陶瓷管内同轴套装有一圆柱形的固体工质。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，烧蚀陶瓷管内的固体工质产生激光等离子体，激光等离子体进入电磁加速阴极、电磁加速阳极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。无论是反射式还是透射式的同轴极板型激光支持的脉冲等离子体推力器，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和电磁加速阴极之间导通。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同轴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；电磁加速电极包括电磁加速阳极和电磁加速阴极，电磁加速阳极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成的空心圆筒形结构或者空心圆台结构，电磁加速阴极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成的实心圆柱形结构；电磁加速阴极设置在电磁加速阳极内且两者同轴设置，磁场线圈包覆在电磁加速阳极的外壁上，在电磁加速阳极和电磁加速阴极之间产生外加磁场；电磁加速阳极和电磁加速阴极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，在隔离板上开设有固定电磁加速阴极的安装孔，电磁加速阴极的一端固定在隔离板上，另一端伸入电磁加速阳极内；在电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的隔离板上且以隔离板上电磁加速阴极的中心为圆心的一圆周上均匀开设有多个通孔，各通孔均分别与一陶瓷管联通，陶瓷管的另一端远离电磁加速电极向外伸出且其端口均设有固体工质；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、电磁加速阳极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】
1.一种同轴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；电磁加速电极包括电磁加速阳极和电磁加速阴极，电磁加速阳极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成的空心圆筒形结构或者空心圆台结构，电磁加速阴极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成的实心圆柱形结构；电磁加速阴极设置在电磁加速阳极内且两者同轴设置，磁场线圈包覆在电磁加速阳极的外壁上，在电磁加速阳极和电磁加速阴极之间产生外加磁场；电磁加速阳极和电磁加速阴极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，在隔离板上开设有固定电磁加速阴极的安装孔，电磁加速阴极的一端固定在隔离板上，另一端伸入电磁加速阳极内；在电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的隔离板上且以隔离板上电磁加速阴极的中心为圆心的一圆周上均匀开设有多个通孔，各通孔均分别与一陶瓷管联通，陶瓷管的另一端远离电磁加速电极向外伸出且其端口均设有固体工质；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、电磁加速阳极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所述的同轴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，穿过隔离板上的一通孔以及该通孔联通的陶瓷管，烧蚀陶瓷管外端口上的固体工质。3.根据权利要求2所述的同轴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所述的同轴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，激光束穿过透明基底层后烧蚀固体工质进而产生激光等离子体。5.根据权利要求4所述的同轴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，光束调节系统位于激光器的正前方。6.根据权利要求4所述的同轴极板型激光支持的脉冲等离子体推力器，其特征在于：透明基底层采用聚对苯二...

【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