航天器超导磁推进装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种航天器磁推进装置，涉及航天器无工质动力技术领域。包括包括磁场测量模块、加速度计量模块、控制模块、电源模块、超导线圈单元和液氦制冷系统；所述控制模块分别与磁场测量模块、加速度计量模块、超导线圈单元和液氦制冷系统连接；所述超导线圈单元同时与电源模块和液氦制冷系统相连接。本发明专利技术能够放置在空间站等航天结构内部，实现百毫牛量级推力，而且可以通过多个局部屏蔽线圈叠加可以扩展至1牛量级推力，避免了常规磁推进装置的磁矩影响，本发明专利技术适用于具有较强磁场行星，如木星等。

Superconducting Magnetic Propulsion Device for Spacecraft

The invention discloses a spacecraft magnetic propulsion device, which relates to the technical field of spacecraft power without working substance. It includes magnetic field measurement module, acceleration measurement module, control module, power supply module, superconducting coil unit and liquid helium refrigeration system; the control module is connected with magnetic field measurement module, acceleration measurement module, superconducting coil unit and liquid helium refrigeration system respectively; the superconducting coil unit is connected with power supply module and liquid helium refrigeration system at the same time. The invention can be placed in the space station and other space structures to achieve a thrust of 100 millicals, and can be extended to a thrust of 1 bull magnitude through the superposition of multiple local shielding coils, thus avoiding the influence of magnetic moment of conventional magnetic propulsion devices. The invention is suitable for planets with strong magnetic field, such as Jupiter.

【技术实现步骤摘要】
航天器超导磁推进装置
本专利技术属于航天器无工质动力
，特别涉及一种航天器超导磁推进装置。
技术介绍
目前航天器的无工质动力技术途径主要包含以下几个方面:1)太阳光压动力:其特点是采用大面积轻质材料，以朝向太阳光入射方向方式，在空间中获取太阳光电磁辐射压力作用，例如太阳帆技术。主要优点是推力方向通过调整太阳帆角度具有一定可控性，而且推力随着离太阳越近效果越明显，主要缺点是展开面积较大，必须处于太阳光福照下，在低地球轨道阻力远大于推力，而且随着太阳距离进一步增加推力下降。2)太阳风动力：其特点是通过磁场或静电场偏折或加速空间等离子体，例如静电帆或磁帆。主要优点是无需太阳光辅照，在行星际空间可以提供动力，主要缺点是结构面积较大，工程实现难度较大。3)磁场动力：其特点是利用行星磁场差异来实现动力，例如大型磁线圈和局部屏蔽线圈等，主要优点是可以形成百毫牛至几牛的较大动力，而且便于控制，主要缺点是依赖于行星际磁场的复杂结构，控制困难，而且结构庞大，实现成本高。通过对上述动力技术途径的分析可以发现，目前航天器超导磁推进装置主要存在结构尺寸大，产生的推力较小，不适用于近地球轨道航天器动力需求的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提出一种航天器超导磁推进装置，以解决现有技术存在的结构尺寸大，产生的推力较小，不适用于近地球轨道航天器动力需求的问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种航天器超导磁推进装置，包括磁场测量模块、加速度计量模块、控制模块、电源模块、超导线圈单元和液氦制冷系统；所述控制模块分别与磁场测量模块、加速度计量模块、电源模块、超导线圈单元和液氦制冷系统连接；所述超导线圈单元分别与电源模块和液氦制冷系统相连接；所述磁场测量模块用于测量空间磁场矢量大小为控制模块提供电源控制输入参数；所述加速度计量模块用于测量航天器的加速度变化为控制模块提供反馈参数；所述控制模块用于监测加速度计模块和磁场测量模块信号并根据设定程序控制电源模块；所述电源模块为超导线圈单元供电，供应所需的大电流；所述超导线圈单元用于扩大其内外两侧行星磁场所产生的安培力差别，形成较大非零合力，所述行星包括地球、木星；所述液氦制冷系统用于液氦制冷循环；所述超导线圈单元与液氦制冷系统之间通过液氦导管连接。进一步的，所述电源模块与超导线圈单元之间通过大电流电源线连接。进一步的，所述超导线圈单元包括储藏罐、超导线圈、超导管和支撑结构；所述储藏罐为密封结构，超导线圈、超导管和支撑结构均位于储藏罐内；所述超导管固定在支撑结构上，并与支撑结构围成中空同心圆结构；所述超导线圈绕接在所述中空同心圆结构的空心内外。所述超导管主要实现超导管内外地球磁场的差异；支撑结构为铝制支架，主要用于固定支撑超导线圈和超导管。所述储藏罐的设计有两种方案，具体方案如下：方案一，所述储藏罐由单层的外层壁组成；所述外层壁上设置有液氦出气口、超导线入口、液氦出口、液氦入口和超导线出口；所述支撑结构包括外层支撑结构和内层支撑结构；所述超导管夹在外层支撑结构和内层支撑结构之间，围成中空同心圆结构；所述超导线圈采用绕接方式，由超导线入口引入，穿过外层支撑结构、超导管和内层支撑结构所围成的中空同心圆结构的空心内外，在它们里外绕接之后由超导线出口引出。进一步的，所述外层壁由无磁不锈钢或钛合金制成；所述液氦出气口、超导线入口、液氦出口、液氦入口和超导线出口均由无磁不锈钢材料制成；所述外层支撑结构和内层支撑结构均由铝纯度99％以上铝合金制成；所述超导管由超导材料制成且壁厚在0.5mm以上。方案二，所述储藏罐由双层的内层壁和外层壁组成；所述内层壁和外层壁之间注入有液氦；所述支撑结构包括外层支撑结构和内层支撑结构；所述超导管夹在外层支撑结构和内层支撑结构之间，围成中空同心圆结构；所述超导线圈、外层支撑结构、超导管和内层支撑结构均位于内层壁所包裹的空间内且不与液氦直接接触；所述外层壁上设置有液氦出气口、超导线入口、液氦出口和液氦入口；所述超导线圈采用绕接方式，由超导线入口引入，穿过外层支撑结构、超导管和内层支撑结构所围成的中空同心圆结构的空心内外；所述中空同心圆结构的空心部分、外层壁和内层壁之间贯通设置有密封柱。进一步的，制成所述液氦出气口、密封柱、液氦出口、内层壁、外层壁和液氦入口的材料包括无磁不锈钢或钛合金。液氦制冷系统为双级Stirling制冷机，主要实现液氦制冷循环。本专利技术的工作原理是：超导局部屏蔽线圈主要利用人为方法，扩大在线圈两侧上地球磁场所产生的安培力差别，最终形成较大非零合力。地球磁场本身的不均匀性也可以在线圈上形成一定非零合力，但由于空间站尺度相对地球磁场尺度较小，因此除非使用直径几米的大尺度大电流线圈，否则无法在更小的结构内形成可观推力。采用超导局部屏蔽线圈理论上可以解决该难题，典型的超导局部屏蔽线圈原理如图1所示。超导局部屏蔽利用的是超导体迈耶斯效应，使得在屏蔽管内的地球磁场强度远低于外界正常地磁场强度，穿过屏蔽管的带电导线受力小于线圈其它部位非屏蔽导线，而地磁场对超导体的作用主要是磁压力，由此形成了非零合力。由于二代高温超导体的出现，超导态的出现并不意味着迈耶斯效应的发生，只有在温度低于第一态临界温度时才能出现该现象。因此超导局部线圈的冷却液体必须是液氦等低温循环剂，目前空间中应用的双级Stirling制冷机可以达到该要求。超导局部屏蔽线圈的受力情况如表1所示，对于空间站推进效果而言，仅需考虑表1中外部作用力即可。但对于结构的安装和制作而言，还必须考虑到表1中内力影响下的材料的支撑和固定。表1超导局部屏蔽线圈受力情况表1中FD与FD*、FE与FE*以及FG与FG*互为反作用力。其中地球磁场对超导管的作用力与磁场磁压相关，其大小可以表示为式中B为地磁强度，μ0为磁导率，cosθ为磁场方向与超导表面法线夹角，ds为面积元。屏蔽段导线和非屏蔽段导线受力如下式所示式中B'为超导屏蔽管内的地磁强度，I为导线电流，为导线方向与磁场方向夹角，dL为长度单元。由于地球磁场B经超导屏蔽管屏蔽后，在屏蔽管内强度B'远小于外部强度B，因此当屏蔽段内和屏蔽段外导线长度和电流强度相同(电流方向相反)时，磁推力大小满足：FB＜FC由此产生推力效果，推力大小等于：对于其效果有两种，一种是推力作用，另一种是力矩作用，其中力矩作用可以通过合理的结构搭配进行消除。另外需注意的是，的大小除了依赖于供电电流，还依赖于地球磁场，因此随着空间站位置不同，其大小和方向均发生变化。本专利技术与现有技术相比所具有的有益效果是：1)航天器超导磁推进装置结构尺寸小，可以放置在空间站等航天结构内部；2)在低地球轨道，航天器超导磁推进装置可以实现百毫牛量级推力，而且可以通过多个局部屏蔽线圈叠加扩展至1牛量级推力；3)航天器超导磁推进装置磁矩效应微弱，避免了常规磁推进装置的磁矩影响；4)航天器超导磁推进装置适用于具有较强磁场行星，如木星等。附图说明图1为超导局部屏蔽线圈原理；图2为超导磁推进装置组成图；图3为实施方案一超导线圈单元结构图；图4为实施方案一超导线圈单元结构图的前视图；图5为实施方案二超导线圈单元结构图；图6为超导管内外导线的磁场通量对比。附图标记：101-航天器外壁；102-磁场测量模块；1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天器超导磁推进装置，其特征在于，包括磁场测量模块(102)、加速度计量模块(103)、控制模块(104)、电源模块(105)、超导线圈单元(106)和液氦制冷系统(108)；所述控制模块(104)分别与磁场测量模块(102)、加速度计量模块(103)、电源模块(105)、超导线圈单元(106)和液氦制冷系统(108)连接；所述超导线圈单元(106)分别与电源模块(105)和液氦制冷系统(108)相连接；所述磁场测量模块(102)用于测量空间磁场矢量大小为控制模块(104)提供电源控制输入参数；所述加速度计量模块(103)用于测量航天器的加速度变化为控制模块(104)提供反馈参数；所述控制模块(104)用于监测加速度计模块(102)和磁场测量模块(103)信号并根据设定程序控制电源模块(105)；所述电源模块(105)为超导线圈单元(106)供电；所述超导线圈单元(106)用于扩大其内外两侧行星磁场所产生的安培力差别，形成非零合力；所述液氦制冷系统(108)用于液氦制冷循环；所述超导线圈单元(106)与液氦制冷系统(108)之间通过液氦导管(107)连接。

【技术特征摘要】
1.一种航天器超导磁推进装置，其特征在于，包括磁场测量模块(102)、加速度计量模块(103)、控制模块(104)、电源模块(105)、超导线圈单元(106)和液氦制冷系统(108)；所述控制模块(104)分别与磁场测量模块(102)、加速度计量模块(103)、电源模块(105)、超导线圈单元(106)和液氦制冷系统(108)连接；所述超导线圈单元(106)分别与电源模块(105)和液氦制冷系统(108)相连接；所述磁场测量模块(102)用于测量空间磁场矢量大小为控制模块(104)提供电源控制输入参数；所述加速度计量模块(103)用于测量航天器的加速度变化为控制模块(104)提供反馈参数；所述控制模块(104)用于监测加速度计模块(102)和磁场测量模块(103)信号并根据设定程序控制电源模块(105)；所述电源模块(105)为超导线圈单元(106)供电；所述超导线圈单元(106)用于扩大其内外两侧行星磁场所产生的安培力差别，形成非零合力；所述液氦制冷系统(108)用于液氦制冷循环；所述超导线圈单元(106)与液氦制冷系统(108)之间通过液氦导管(107)连接。2.根据权利要求1所述的一种航天器超导磁推进装置，其特征在于，所述电源模块(105)与超导线圈单元(106)之间通过大电流电源线(110)连接。3.根据权利要求1或2所述的一种航天器超导磁推进装置，其特征在于，所述超导线圈单元(106)包括储藏罐、超导线圈(202)、超导管(204)和支撑结构；所述储藏罐为密封结构，超导线圈(202)、超导管(204)和支撑结构均位于储藏罐内；所述超导管(204)固定在支撑结构上，并与支撑结构围成中空同心圆结构；所述超导线圈(202)绕接在所述中空同心圆结构的空心内外。4.根据权利要求3所述的一种航天器超导磁推进装置，其特征在于，所述储藏罐由单层的外层壁(210)组成；所述外层壁(210)上设置有液氦出气口(201)、超导线入口(205)、液氦出口(207)、液氦入口(208)和超导线出口(209)；所述支撑结构包括外层支撑结构(203)和内层支撑...

【专利技术属性】
技术研发人员：全荣辉，戴天屹，马家兴，方美华，吕金鹏，郭义盼，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32