CN105201769A - 激光等离子体组合推进系统 - Google Patents

Abstract

一种激光等离子体组合推进系统，包括中性推进剂储存装置、等离子发生装置、高能脉冲激光发射装置、等离子加速装置、电流控制器、电源装置；所述中性推进剂储存装置中储存的推进剂经过所述等离子发生装置时，在高压电的作用下与电子碰撞形成等离子流；所述高能脉冲激光发射装置发射脉冲强激光对所述等离子流再电离，令所述等离子流的电离度增大，形成高能高速粒子流；所述等离子体加速装置通过磁场作用进一步加速所述高能高速粒子流；所述高能高速粒子流以高速喷出，产生反作用推力。本发明提出的激光等离子体组合推进系统是对激光和等离子体两种推进系统的有效结，能够为航天探测仪提供高比冲、高效率、长寿命的推进动力。

Description

激光等离子体组合推进系统

技术领域

本发明涉及航天航空领域，特别是涉及激光等离子体组合推进系统。

背景技术

由于深空探测技术的不断发展，对空间目标任务的要求不断提高，空间飞行任务的难度也在加大，比如行星际间探测等，这些空间任务的完成，要求探测器系统要具有智能化、效率高、更节能、使用寿命长、全天候的巡天、对探测目标探测准的优势，深空探测技术正朝更深的空间拓展，而深空探测任务的完成，要求火箭推进系统要具有效率高、更节能、使用寿命长的特点。

目前的电火箭推进系统采用化学燃料来驱动火箭升空的技术存在发射费用昂贵、载荷比较低、发射操作运转模式负责等问题，且电火箭推进系统在工程上的应用，已显示出化学能火箭推进系统难以达到的高比冲、高效率和长寿命等要求。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种高比冲、高效率和长寿命的激光等离子体组合推进系统。

一种激光等离子体组合推进系统，包括中性推进剂储存装置、等离子发生装置、高能脉冲激光发射装置、等离子加速装置、电流控制器、电源装置；所述中性推进剂储存装置中储存的推进剂经过所述等离子发生装置时，在高压电的作用下与电子碰撞形成等离子流；所述高能脉冲激光发射装置发射脉冲强激光对所述等离子流再电离，令所述等离子流的电离度增大，形成高能高速粒子流；所述等离子体加速装置通过磁场作用进一步加速所述高能高速粒子流；所述高能高速粒子流以高速喷出，产生反作用推力。

本发明提出的激光等离子体组合推进系统是对激光和等离子体两种推进系统的有效结合，能够为航天探测仪提供高比冲、高效率、长寿命的推进动力。

附图说明

图1为激光等离子体组合推进系统的结构示意图。

图2为激光等离子体组合推进系统的工作原理图。

图3为等离子发生装置的主视图。

图4为等离子发生装置的剖视图。

图5为等离子加速装置的工作原理图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明实施方式的激光等离子体组合推进系统，包括：中性推进剂储存装置10，等离子发生装置11，高能脉冲激光发射装置12，等离子加速装置13，电流控制器14，电源装置15。

请参阅图2，本发明提出的激光等离子体组合推进系统的工作原理，在高压电的作用下将电子从阴极向阳极发射并进入等离子发生装置，中性推进剂-氙气同时被注入等离子发生装置。氙原子和电子发生碰撞，碰撞后氙原子核周围的部分电子将被击开，使得氙原子被电离，经过脉冲强激光的再电离增加了电离度，然后经过等离子加速装置，使电离后的离子运动更快，形成高密度等离子流从离子发生器喷口喷出。最后经过中和器收集多余的电子并把它们注入喷出的等离子流中，防止发动机带上太多的正电荷，等离子流从发动机喷口高速喷出，产生反作用推力，推动深空探测器飞行。

请继续参阅图1，中性推进剂储存装置10设有储气罐101和流量控制泵102，该储气罐101储存中性推进剂氙气，该流量控制泵102与储气罐101连接，负责将中性推进剂输出至等离子发生装置11，并控制中性推进剂的流量，以保证中性推进剂以定量可控的方式进入等离子发生装置11。

等离子发生装置11与中性推进剂储存装置10相连，接收中性推进剂储存装置10提供的中性推进剂，使中性推进剂在高压电的作用下形成等离子流。

图3为等离子发生装置11的主视图，图4为等离子发生装置11的剖视图，等离子发生装置11设有正负电极111、电磁体112和绝缘体113，电极与电绝缘侧壁形成等离子体通道。该通道一方面与带有电场强度E的电场垂直，另一方面还贯穿由电磁场产生磁感B的磁流。该等离子发生装置11的水平入射口为激光导入口，用于辅助等离子体源。接口通道安放激光器的一端在等离子体发生区垂直安装有摄机，有三个备用通道连接离子发生器，其中激光通道和等离子体通道夹角为45°。三个离子发生器接口放置相隔12°。形成的等离子流具有动能，全部的粒子可用速度分布函数表示，即在给定速度范围内的粒子数：

$dn=f\left(\stackrel{\‾}{v}\right)d\left(\stackrel{\‾}{v}\right)$

式中为速度，为速度空间单元。

全部粒子数为：

$n=\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}f\left(\stackrel{\‾}{v}\right)d\stackrel{\‾}{v}$

在没有外力作用时，等离子体趋向于热平衡，速度按麦克斯韦分布的方程式为：

$f(v_x,v_y,v_z)=n{(m/2\mathrm{\π}kT)}^{3/2}\exp (-\frac{1}{2}m(v^{2}x+v^{2}y+v^{2}z)/kT)$

式中：m为粒子质量；

k为玻尔兹曼常数，1.38*10^-23J/K；

T为等离子流温度，单位电子伏特；

在等离子流内，所有离子处于热平衡，离子温度为Ti，所有电子也处于热平衡，电子温度为Te，中性离子的热平衡温度较Ti或Te小得多。表示单位体积内粒子的平均数：

$F\left(\stackrel{\‾}{v}\right)d\stackrel{\‾}{v}=4{\mathrm{\πv}}^{4}f\left(v\right)=4{\mathrm{\πv}}^{2}n{(m/2\mathrm{\π}kT)}^{3/2}{e}^{-{\mathrm{mv}}^2/2kT}$

能量分布函数f(E)按麦克斯韦分布：

f(E)＝F(v)dv/dE＝n(4/π)^1/2(kT)^-3/2E^1/2e^-E/kT

粒子的平均能量为：

$E_{meanx}=\frac{3}{2}kT$

在各向同性的等离子体中，每一个方向的平均运动速度为：

$E_{meanx}=E_{meany}=E_{meanz}=\frac{1}{2}kT$

粒子的平均速度为：

v_mean＝(8kT/πm)^1/2

粒子速度的均方根值为：

v_rms＝(3kT/m)^1/2

在温度为leV的氢等离子体内，正离子的平均速度为1.56*10⁴m/s，电子的平均速度为6.7*10⁴m/s。

进一步地，高能脉冲激光发射装置12发射高能脉冲激光增加该等离子流的电离度。该高能脉冲激光发射装置12同等离子发生装置11一起与中性推进剂储存装置10连接。高能脉冲激光发射装置12设有激光器121、扩束镜122和聚焦镜123，激光器121发射高能脉冲激光，扩束镜122设于激光器121和聚焦镜123之间，扩展该高能脉冲激光的直径，减少所述高能脉冲激光的发射角，聚焦镜123聚焦该脉冲激光能量，将该高能脉冲激光照射到所述等离子流，将将其再电离。

本实施例中高能脉冲激光发射装置12中的激光器121为飞秒固体激光器。该飞秒固体激光器的参数为：

脉冲强激光的波长：1.06um

脉冲强激光的脉宽：≥100fs

脉冲强激光的重复频率：≥10Hz

脉冲强激光的强度：≥10¹⁵w/cm²

能量稳定性：±3％

单脉冲能量：≥300mj

在本发明的其它实施中，该激光器121还可以是其它类型的高能脉冲激光发射装置，例如，红宝石激光器，氮分子激光器，准分子激光器等。

进一步地，等离子流经过等离子加速装置13，该等离子加速装置13设有电磁加速线圈131和中和器132，电磁加速线圈131与等离子发生装置11和高能脉冲激光发射装置12相连，为等离子流的再加速提供磁场，中和器132置于电磁加速线圈131的尾部，收集多余的电子并将其注入喷出的等离子流中。

请参阅图5，等离子加速装置13的工作原理图，等离子流在电磁加速线圈131的感应磁场中受到洛伦兹力再次加速，形成高密度等离子流，该等离子流以高速从喷管16喷出，产生反作用推力。

中性推进剂储存装置10、等离子发生装置11、高能脉冲激光发射装置12和等离子加速装置13都与电流控制器14相连，并由电流控制器14控制各部件的电流。

电源装置15设有电源控制器151和电源能量提供装置152，该电源控制器151与电流控制器14相连，控制该等离子体组合推进装置的电源开关，该电源能量提供装置152负责为该激光等离子体组合推进系统提供电源能量，该电源装置15为太阳能电池帆板，该太阳能电池帆板设有能量转换控制器153和帆板姿态调节器154，该能量转换控制器153与电流控制器14和电源装置15相连，将太阳能转换为电能，该帆板姿态调节器154用于调节帆板的空间位置，以获取最大太阳能。

下面说明本发明实施例提出的等离子体组合推进装置的推进效率。

发动机比冲与电磁场强度、激光强度参数的基本关系为：

F＝km_gu_g＝mu

式中F为推力，m_g为高速排出的推进剂质量流量；u_g为高速排出推进剂的排气速度；m为推进剂质量流量；u为有效排气速度；k为喷射束发散等因素引起的推力修正系数。其中，高速排出的推进剂质量流量为：

m_g＝η_mm

有效排气速度为：

u＝kη_mu_g

式中η_m是发动机的推进剂效率

比冲I_s为：

$I_s=\frac{F}{m}$

不考虑空气动力和天体引力的作用，且发动机的比冲和推力不变，在发动机工作时，飞行器的瞬时质量Ms和发动机对飞行器的有效作用力βF分别为：

M_S＝M_L1+M_L2+M_P–mt

βF＝M_SV_S

式中M_L1为结构与有效载荷质量，其中包括发动机质量和推进剂储存于输送子系统的干质量；M_L2为电源子系统和电源变换器与控制子系统的质量；M_P为推进剂质量；t为发动机的工作时间；V_S为飞行器的瞬间加速度；β为推力有效利用因子，与推力矢量、所需推进方向的夹角和飞行器轨道有关。

推进效率定义为单位时间发动机对飞行器所做的推进功与该推进发动机功加上损失能量之和的比值，记为η_P，

${\mathrm{\η}}_P=\frac{F_v}{pv+m{(u_e-v)}^2/2}$

式中，v为飞行器的飞行速度。

本发明实施例提出的等离子体组合推进装置的工作性能指标表如下：

推进剂	氙气
		点火电压	300VDC
推力	0.8N

预期工作小时	41200h
		功耗	1400V
比冲	1200s
		功效	85％

以上数据显示出本发明提出的激光等离子体组合推进系统能够提供高比冲、高效率和长寿命推进动力，能够为航空航天领域的空间飞行器、探测器、微型卫星等提供动力支持。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种激光等离子体组合推进系统，其特征在于，包括中性推进剂储存装置、等离子发生装置、高能脉冲激光发射装置、等离子加速装置、电流控制器、电源装置；所述中性推进剂储存装置中储存的推进剂经过所述等离子发生装置时，在高压电的作用下与电子碰撞形成等离子流；所述高能脉冲激光发射装置发射脉冲强激光对所述等离子流再电离，令所述等离子流的电离度增大，形成高能高速粒子流；所述等离子体加速装置通过磁场作用进一步加速所述高能高速粒子流；所述高能高速粒子流以高速喷出，产生反作用推力。

2.根据权利要求1所述的激光等离子体组合推进系统，其特征在于，所述中性推进剂储存装置设有储气罐和流量控制泵；所述储气罐储存中性推进剂；所述流量控制泵与所述储气罐连接，输出中性推进剂，并控制中性推进剂的流量。

3.根据权利要求2所述的激光等离子体组合推进系统，其特征在于，所述中性推进剂储存装置储存的中性推进剂为氙气。

4.根据权利要求1所述的激光等离子体组合推进系统，其特征在于，所述等离子发生装置与所述中性推进剂储存装置相连，设有正负电极、电磁体和绝缘体，接收所述中性推进剂储存装置提供的中性推进剂，使中性推进剂在高压电的作用下形成等离子流。

5.根据权利要求1所述的激光等离子体组合推进系统，其特征在于，所述高能脉冲激光发射装置同所述等离子发生装置一起与所述中性推进剂储存装置连接；所述高能脉冲激光发射装置设有激光器、扩束镜和聚焦镜；所述激光器发射高能脉冲激光；所述扩束镜设于所述激光器和所述聚焦镜之间，扩展所述高能脉冲激光的直径，减少所述高能脉冲激光的发射角；所述聚焦镜聚焦所述脉冲激光能量，将所述高能脉冲激光照射到所述等离子流，将所述等离子流再电离。

6.根据权利要求1所述的激光等离子体组合推进系统，其特征在于，所述等离子加速装置设有电磁加速线圈和中和器；所述电磁加速线圈与所述等离子发生装置和所述高能脉冲激光发射装置相连，为等离子流的再加速提供磁场；所述中和器置于所述电磁加速线圈的尾部，收集多余的电子并将其注入喷出的等离子流中。从发动机喷口高速喷出，产生反作用推力，推动深空探测器飞行。

7.根据权利要求1所述的激光等离子体组合推进系统，其特征在于，所述电流控制器与所述激光等离子体组合推进系统的各个部件相连，控制各个部件的电流。

8.根据权利要求7所述的激光等离子体组合推进系统，其特征在于，所述电流控制器的电源能量由所述电源装置提供。

9.根据权利要求8所述的激光等离子体组合推进系统，其特征在于，所述电源装置设有电源控制器和电源能量提供装置；所述电源控制器控制所述等离子体组合推进装置的电源开关；所述电源能量提供装置为太阳能电池帆板；所述太阳能电池帆板设有能量转换控制器和帆板姿态调节器；所述能量转换控制器与所述电流控制器相连，将太阳能转换为电能；所述帆板姿态调节器用于调节帆板的空间位置。