CN102966463A - 卫星大推力变轨发动机喉管部的磁热屏蔽方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星大推力变轨发动机喉管部的磁热屏蔽方法，在卫星大推力变轨发动机喉管部的前端设置紫外激光器，利用紫外激光器产生的紫外光照射发动机喉管内的发动机喷焰并使其电离，同时在发动机喉管部前端的外部圆周设置永磁铁或电磁铁，使发动机喷焰电离后的离子沿磁力线方向运动，避免其与喉管发生碰撞产生热交换。与现有技术相比，本发明通过采用紫外激光器与磁场的结合使用，使得发动机喷管内的喷焰电离并对流向进行磁约束，从而减少了喷焰向喉管的热量船体，降低了发动机工作时喉管部位的温度，延长了喉管部的使用时间，该技术还大幅提高了目前卫星大推力变轨发动机的工作寿命。

Description

卫星大推力变轨发动机喉管部的磁热屏蔽方法
技术领域
本发明属于航天器推进技术领域，特别涉及一种卫星大推力变轨发动机喉管部的磁热屏蔽方法。
背景技术
高性能动力是发展先进航天器的基础。卫星发动机的推重比(即推力与重量之比)是衡量其性能水平的标志。因此，提高卫星发动机的推重比是改善先进航空和航天器性能的重要手段。
通常，发动机的推重比很大程度上取决于能否最大限度地将发动机燃料燃烧所释放的化学能转化为动能，这就要求尽量提高燃烧温度。但是，随着燃烧温度的提高，在大推力（490N卫星发动机）工作环境下，发动机燃料燃烧产生的喷焰对喷管喉部的烧蚀非常严重。再受到我国先进超高温复合材料的性能水平限制，导致我国卫星大推力变轨发动机喉管材料的耐高温性较差，从而使得变轨发动机的工作寿命短，严重限制了大推力、长寿命变轨发动机研制技术的发展。
鉴于此，提出一种能够减少燃烧温度提高情况下的喉管保护方法十分重要，也存在迫切的现实需求。
发明内容
基于此，本专利巧妙地利用紫外激光束电离方法将高温喷焰中气体电离，并结合使用磁场来控制离子的运动轨迹，使受磁场控制的离子不再碰撞发动机的喉管部位，从而屏蔽了喷焰热量传递给喉管。
本发明的一种卫星大推力变轨发动机喉管部的磁热屏蔽方法，在卫星大推力变轨发动机喉管部的前端设置紫外激光器，利用紫外激光器产生的紫外光照射发动机喉管内的发动机喷焰并使其电离，同时在发动机喉管部前端的外部圆周设置永磁铁或电磁铁，使发动机喷焰电离后的离子沿磁力线方向运动，避免其与喉管发生碰撞产生热交换。
其中，采用电磁线圈或永磁体，在喉部喷管处形成磁镜的磁场位型。
其中，前端磁铁位于喉部的前端一定距离，使得在喉管内的磁场基本上平行喉管的喷流方向。 
其中，紫外光波长可选择在10nm-100nm。
其中，电磁线圈中心点的磁场大于0.15T；在喉部喷管内的磁场大于0.1T。
其中，利用紫外激光束辅助提高推进剂燃烧剩余物的电离度到50%；激光功率15W。
进一步地，可以利用多个激光束作用于喷管中的喷焰，使其电离。
与现有技术相比，本发明通过采用紫外激光器与磁场的结合使用，使得发动机喷管内的喷焰电离并对流向进行磁约束，从而减少了喷焰向喉管的热量船体，降低了发动机工作时喉管部位的温度，延长了喉管部的使用时间，该技术还大幅提高了目前卫星大推力变轨发动机的工作寿命。
附图说明
图1为本发明的卫星大推力变轨发动机喉管部磁热屏蔽方法中所用系统的示意图；
图中：1-紫外激光器；2-紫外激光束；3-永磁体或电磁铁；4-发动机喉管；5-喷焰电离后的离子；6-磁场磁力线。
具体实施方式
以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
下面结合附图对本发明的卫星大推力变轨发动机喉管部磁热屏蔽方法作进一步的说明。
图1为本发明的卫星大推力变轨发动机喉管部磁热屏蔽方法中所用系统的示意图。该系统主要是在原发动机结构基础上于卫星大推力变轨发动机喉管部的前端增加了紫外激光器（1）和永磁铁/电磁铁（2）两个部件。紫外激光器（1）发出的激光束（2）照射发动机管壁内喷焰的气体分子上，从而电离气体分子产生离子（5），离子（5）由于受到发动机喉管外部圆周外设置的永磁铁或电磁铁（3）产生的磁场作用，将在发动机喉管内部沿磁力线（6）方向运动，从而避免了与发动机喉管（4）发生碰撞，产生热量交换，从而降低了喉管部的温度，起到了热屏蔽的作用。 
其中，流动到后管部的喷焰其热速度约为3600m/s，（比冲360s），喷焰的燃烧剩余物主要由N2，H2O，以及一些其他少量的剩余物。主要喷焰成分中最重的分子N2，分子量为28.28×1.67×10-27kg=4.676×10-26kg。假设喉部喷管的直径为φ20mm，要求N+的离子回旋半径小于1mm。 
Figure 2012104991837100002DEST_PATH_IMAGE001
如果喉部喷管内的磁场大于0.11T，则N+离子的回旋半径小于1mm。当喷焰N2分子的热速度为3600m/s时，其温度约为3828k。反应室内的气体分子密度约为1026m-3。在3828k温度下气体分子有部分处于电离状态，受到背景磁场的约束，以及磁镜场的梯度作用，在喷出喉部喷管过程中，大部分的动能都转换到平行喉部喷管的轴向，减少热流对喉部喷管壁的传导。在这种条件下，磁场对化学喷焰的垂直喉部喷管轴向的热传导起到一定抑制作用，减少喉部喷管的烧蚀。为了进一步提高磁场的热屏蔽作用，可以利用紫外激光器入射到燃烧室内进一步提高推进剂反应物的电离率，进而进一步减少热流向管壁的传输。
通常将电磁线圈或永磁体产生的最大磁场处于喉部喷管靠近燃烧室的一侧，在电磁线圈中心点的磁场要大于0.15T；在喉部喷管内的磁场大于0.1T。利用紫外激光束辅助提高推进剂燃烧剩余物的电离度到50%；激光功率15W，可以利用多数激光束作用于喷管中的喷焰。通过这种技术的处理，使得流向管壁的热流通量减少80%以上，管壁温度控制在1500k以下，在有效降低发动机工作时的喉管温度外，还显著提高了发动机的工作寿命。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种卫星大推力变轨发动机喉管部的磁热屏蔽方法，在卫星大推力变轨发动机喉管部的前端设置紫外激光器，利用紫外激光器产生的紫外光照射发动机喉管内的发动机喷焰并使其电离，同时在发动机喉管部前端的外部圆周设置永磁铁或电磁铁，使发动机喷焰电离后的离子沿磁力线方向运动，避免其与喉管发生碰撞产生热交换。
2.如权利要求1所述的磁热屏蔽方法，其中，采用电磁线圈或永磁体，在喉部喷管处形成磁镜的磁场位型。
3.如权利要求2所述的磁热屏蔽方法，其中，前端磁铁位于喉部的前端一定距离，使得在喉管内的磁场基本上平行喉管的喷流方向。
4.如权利要求1所述的磁热屏蔽方法，其中，紫外光波长可选择在10nm-200nm。
5.如权利要求1所述的磁热屏蔽方法，其中，电磁线圈中心点的磁场大于0.15T，在喉部喷管内的磁场大于0.1T。
6.如权利要求1所述的磁热屏蔽方法，其中，利用紫外激光束辅助提高推进剂燃烧剩余物的电离度到50%；激光功率1500W。
7.如权利要求1所述的磁热屏蔽方法，其中，利用多个激光束作用于喷管中的喷焰，使其电离。
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