CN105756875A - 电离加速一体化空间碎片等离子体推进器 - Google Patents

Abstract

一种电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，本发明将传统推进器中工质的电离和加速过程合二为一，使其与空间碎片粉末颗粒的工质条件相匹配。本发明的粉碎机与球磨机相连，粉末充电系统固定在球磨机内部；一、二、三号内磁极固定在主轴上，一、二号内线圈绕在主轴上；内、外套管固定在二号底座上，外磁轭固定在一号底座上；一、二号外磁极固定在外套管上，三号外磁极固定在外磁轭上，一、二号外线圈绕在外套管上；阳极固定在二号底座上，阳极的推进剂注入管道穿过一号底座延伸到推进器外部，阴极位于推进器出口外磁轭附近，阳极、阴极均与电源相连；对空间碎片粉末颗粒的电离更加充分和均匀，推进器更加稳定和紧凑。适用于作为航天器的推进器。

Description

电离加速一体化空间碎片等离子体推进器

技术领域

本发明涉及一种电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，属于推进器技术领域。

背景技术

空间碎片是指分布在地球轨道(通常为距地面100km～40000km高度的空间)上的非功能性物体，包括自然成因的宇宙尘与人造物体的碎片及部件。随着航天活动的进行，空间碎片的质量已经达到了3000多吨，其中仅大碎片(尺寸>10cm)的数量就在1.9万左右，小碎片(尺寸<1mm)则多得难以计数。这些巨量的空间碎片会对航天器造成严重的损伤甚至毁坏，因此，预防空间碎片的危害显得尤为重要，目前主要的发展趋势是从观测、规避空间碎片到清理和在轨利用。其中，观测、规避都不能从根本上解决空间碎片的危害，而大多数空间碎片的清理技术又仅仅处在概念设计阶段，且需要的清理成本高、周期长，不能实现工程应用，但是若将空间碎片在轨利用，将其作为推进器的工质来源，则既可以从根本上解决空间碎片的危害，又能够提高航天器的在轨服役时间，减小携带工质的质量，增加它的有效载荷率，也可以为深空探测及行星际探测的飞行器提供能量来源，同时，由于推进器在航天器上的成熟应用以及空间碎片捕获技术的发展，这在工程上比较容易实现。

虽然将空间碎片作为推进器的工质加以利用具有很大的优势，但是由于空间碎片颗粒自身的特点，它对推进器的性能有更加严格的要求。由于空间碎片的粉末颗粒较常规的推进剂(如氩气)粒子大得多，因此，若采用LeiLan等人的论文“DebrisEngine:APotentialThrusterforSpaceDebrisRemoval”中提出的静电式推进器加速空间碎片粉末颗粒，则栅网电极的堵塞、碰撞损伤较为严重，致使系统效率较低、可靠性较差，这一缺陷可由电磁式等离子体推进器来补偿。但是，由于空间碎片粉末颗粒的成分复杂、电离能差异较大，如果单纯采用传统的电磁式等离子体推进器，则需要较长的电离区域才能兼顾到大部分颗粒的电离，且电离后的粉末颗粒的荷质比差异较大，从推进器喷出的等离子体流不连续，这不利于推进器加速过程的控制，会导致系统的控制精度、稳定性和效率下降。

产生前述问题的根本原因是传统的电磁式等离子体推进器中工质的电离及加速过程是分开的，在空间形成了两个分离的功能区域，因而，只有完全电离的工质才能从电场中获得能量，以比中性气流高出数十倍的速度喷出产生推力，这对于推进剂工质的均一性提出了较高的要求，但是如前所述，空间碎片粉末颗粒工质的成分复杂，传统的电磁式等离子体推进器与此工质条件不匹配。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种电离加速一体化空间碎片等离子体推进器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，包括：粉碎机、球磨机、粉末颗粒充电系统和推进器；

所述粉碎机的出口与球磨机的入口相连通，粉末颗粒充电系统固定在球磨机出口处的内部，粉碎机用于将空间碎片初步粉碎，球磨机用于将初步粉碎的空间碎片粉碎为亚微米量级的粉末颗粒，粉末颗粒充电系统用于使亚微米量级的粉末颗粒带上正电荷；

所述推进器包括一号底座、阳极、二号底座、外磁轭、一号外磁极、一号外线圈、二号外磁极、三号外磁极、二号外线圈、外套管、内套管、一号内磁极、一号内线圈、二号内磁极、二号内线圈、主轴、三号内磁极、阴极和电源；

所述主轴的尾部固定在一号底座上，二号底座穿过主轴固定在一号底座上，一号内磁极、二号内磁极和三号内磁极依次固定在主轴上，一号内线圈缠绕在一号内磁极与二号内磁极之间的主轴上，二号内线圈缠绕在二号内磁极与三号内磁极之间的主轴上，且二号内线圈与二号内磁极之间留有距离；内套管和外套管的尾部均固定在二号底座上；外磁轭沿圆周方向均匀分布有四个，外磁轭固定在一号底座上，一号外磁极和二号外磁极固定在外套管上，三号外磁极固定在外磁轭上，一号外线圈缠绕在一号外磁极与二号外磁极之间的外套管上，二号内线圈缠绕在二号外磁极与三号外磁极之间的外套管上，且二号外线圈与二号外磁极之间留有距离；阳极固定在二号底座上，阳极上的推进剂注入管道穿过二号底座和一号底座与球磨机的出口相连通，阴极设置于推进器出口外磁轭附近，电源的负极与阴极相连接，电源的正极与阳极相连接。

本发明电离加速一体化空间碎片等离子体推进器的工作原理：推进器供电后，阴极受热发射高能电子，高能电子在电场的作用下通过放电通道向阳极运动，由于放电通道的径向存在磁场，运动的高能电子被径向磁场约束，因此，高能电子在径向磁场和轴向电场的作用下，沿着放电通道的环向进行漂移，形成环向漂移电流。带正电的亚微米量级空间碎片粉末颗粒通过阳极推进剂注入管道注入到放电通道后会向阴极加速运动，放电通道内的高能电子会与带正电的亚微米量级空间碎片粉末颗粒发生碰撞，由于放电通道内壁处“会切形”磁场位形的存在，高能电子及带正电空间碎片粉末颗粒被磁场压强约束在放电通道内的狭窄区域，高能电子及空间碎片粉末颗粒与放电通道内壁的碰撞几率减小，则高能电子与空间碎片粉末颗粒的碰撞更加充分和均匀，碰撞使得带正电亚微米量级的粉末颗粒电离，形成空间碎片粉末颗粒等离子体放电区域，电离空间碎片粉末颗粒产生的正粒子沿电场方向加速，形成空间碎片等离子体加速区域，加速后的粉末颗粒沿着放电通道的阴极所在的方向喷出，给推进装置提供推力。喷出推进装置后，带正电粉末颗粒与阴极发射的高能电子中和，使整个推进装置处于电中性。

本发明的有益效果是，由于放电通道内壁处“会切形”磁场位形的存在，使得传统电磁式等离子体推进器的电离和加速过程合二为一，空间碎片粉末颗粒的电离更加充分和均匀，减小了粉末颗粒电离后荷质比分布的弥散度，提高了系统的控制精度和稳定性，使得推进器与空间碎片粉末颗粒这一工质条件相匹配。此外，由于电离区和加速区合二为一，可以减小放电通道的长度，使得推进器的结构更加紧凑、重量更轻。

附图说明

图1为电离加速一体化空间碎片等离子体推进器的结构示意图。

图2为传统的电磁式等离子体推进器与电离加速一体化空间碎片等离子体推进器放电通道内磁场位形模拟结果的对比图，其中，图2a为电离加速一体化空间碎片等离子体推进器放电通道内的磁场位形；图2b为传统的电磁式等离子体推进器放电通道内磁场位形；图2c为电离加速一体化空间碎片等离子体推进器放电通道内磁场分布云图；图2d为传统的电磁式等离子体推进器放电通道内磁场分布云图。

图3为传统的电磁式等离子体推进器与电离加速一体化空间碎片等离子体推进器放电通道内径向磁场的正梯度分布对比图。

图4为具体实施方式四中电离加速一体化空间碎片等离子体推进器的结构示意图。

图5为具体实施方式四中电离加速一体化空间碎片等离子体推进器的磁场模拟结果，其中，图5a为磁场位形；图5b为放电通道内磁场分布云图；图5c为放电通道内径向磁场的正梯度分布对比图。

图1和图4中的附图标记，1为粉碎机，2为球磨机，3为粉末颗粒充电系统，4为推进器，5为一号底座，6为阳极，7为二号底座，8为外磁轭，9为一号外磁极，10为一号外线圈，11为二号外磁极，12为三号外磁极，13为二号外线圈，14为外套管，15为内套管，16为一号内磁极，17为一号内线圈，18为二号内磁极，19为二号内线圈，20为主轴，21为三号内磁极，22为阴极，23为电源。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

具体实施方式一：如图1和图4所示，一种电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，包括：粉碎机1、球磨机2、粉末颗粒充电系统3和推进器4；

所述粉碎机1的出口与球磨机2的入口相连通，粉末颗粒充电系统3固定在球磨机2出口处的内部，粉碎机1用于将空间碎片初步粉碎，球磨机2用于将初步粉碎的空间碎片粉碎为亚微米量级的粉末颗粒，粉末颗粒充电系统3用于使亚微米量级的粉末颗粒带上正电荷；

所述推进器4包括一号底座5、阳极6、二号底座7、外磁轭8、一号外磁极9、一号外线圈10、二号外磁极11、三号外磁极12、二号外线圈13、外套管14、内套管15、一号内磁极16、一号内线圈17、二号内磁极18、二号内线圈19、主轴20、三号内磁极21、阴极22和电源23；

所述主轴20的尾部固定在一号底座5上，二号底座7穿过主轴20固定在一号底座5上，一号内磁极16、二号内磁极18和三号内磁极21依次固定在主轴20上，一号内线圈17缠绕在一号内磁极16与二号内磁极18之间的主轴20上，二号内线圈19缠绕在二号内磁极18与三号内磁极21之间的主轴20上，且二号内线圈19与二号内磁极18之间留有距离；内套管15和外套管14的尾部均固定在二号底座7上；外磁轭8沿圆周方向均匀分布有四个，外磁轭8固定在一号底座5上，一号外磁极9和二号外磁极11固定在外套管14上，三号外磁极12固定在外磁轭8上，一号外线圈10缠绕在一号外磁极9与二号外磁极11之间的外套管14上，二号内线圈19缠绕在二号外磁极11与三号外磁极12之间的外套管14上，且二号外线圈13与二号外磁极11之间留有距离；阳极6固定在二号底座7上，阳极6上的推进剂注入管道穿过二号底座7和一号底座5与球磨机2的出口相连通，阴极22设置于推进器出口外磁轭8附近，电源23的负极与阴极22相连接，电源23的正极与阳极6相连接。

所述的推进器4在工作时一号内线圈17、二号内线圈19和二号外线圈13中的电流方向均相同，一号外线圈10中的电流方向与一号内线圈17、二号内线圈19和二号外线圈13中的电流方向均相反。

所述二号底座7为圆环状。

所述一号内磁极16、二号内磁极18和三号内磁极21均为圆环状。

所述一号外磁极9、二号外磁极11和三号外磁极12均为圆环状。

所述的推进器4各组成部件实现的功能为：一号内线圈17和一号外线圈10用于产生沿放电通道内壁的“会切形”磁场位形；二号内线圈19和二号外线圈13用于产生沿放电通道轴向具有正梯度的径向磁场位形；主轴20、一号底座5、一号内磁极16、二号内磁极18、三号内磁极21、外磁轭8、一号外磁极9、二号外磁极11和三号外磁极12起引导和会聚磁场的作用；所述内套管15与外套管14之间的区域为等离子体放电通道，用于空间碎片粉末颗粒的电离和加速；阳极6与阴极22提供沿放电通道轴向的电场；阳极6上的推进剂注入管道用于注入空间碎片粉末颗粒，阴极22提供电离空间碎片粉末颗粒的高能电子，阴极22用于中和放电通道出口处带正电的空间碎片粉末颗粒，使整个系统成电中性；一号底座5、二号底座7、主轴20和外磁轭8起支撑和固定作用；电源23为推进器4的所有电气部件供电。

所述的电离加速一体化空间碎片等离子体推进器的运行参数为：空间碎片粉末颗粒的特征尺寸在亚微米量级，所带的基本电荷在10⁵个左右，空间碎片的密度用硅(Si)近似估计。所述阳极6与阴极22之间的放电电压为U_d，U_d＝200～1000V，等离子体放电通道内的径向磁感应强度为B，B的数值在0.02T～0.1T之间，且B沿着放电通道的正梯度为200Gass/cm，内壁处“会切形”磁场的强度为B₁，B₁在0.02T～0.1T之间，且B₁从放电通道中心线到放电通道内壁的径向梯度为100Gass/cm，推进器4的推力为T，T在50mN左右。推进器4几何结构的特征参数为放电通道的轴向长度L、放电通道的宽度h以及放电通道的平均直径d，推进器4空间碎片粉末颗粒的阳极质量流速为

所述的电离加速一体化空间碎片等离子体推进器中，电子与带正电空间碎片粉末颗粒的回旋半径r_ce、r_ci分别为：

$r_{ce}=\frac{m_e{v}_e\left(T_e\right)}{eB}$

$r_{ci}=\frac{m_i{v}_i\left(T_i\right)}{q_{i}B}$

其中，e为电子的电荷量，e＝1.602×10^-19C；q_i为空间碎片粉末颗粒所带的电荷量，q_i＝10⁵e；v_e(T_e)、v_i(T_i)分别为电子和空间碎片粉末颗粒的速度，单位为m/s，v_i(T_i)用空间碎片粉末流在推进器4中电离加速后的速度估计，令空间碎片粉末流的初速度为v_i0(T_i)＝500m/s；m_e为电子的质量，m_e＝9.1×10^-31kg；m_i为单个带正电空间碎片粉末颗粒的质量，单位为kg。

$\frac{1}{2}{m}_e{v}_e^2\left(T_e\right)=10eV$

v_i(T_i)＝v_i0(T_i)+(2q_iU_d/m_i)^1/2

$m_i=\frac{4}{3}{\mathrm{\&pi;r}}^3{\mathrm{\&rho;}}_{Si}$

其中，r为空间碎片粉末颗粒的半径，r＝0.1×10^-6m；ρ_si＝2.33×10^-3kg/cm³为硅的密度；若U_d＝200V时，r_ce＝0.11mm～0.53mm，r_ci＝7.99m～39.91m；U_d＝1000V时，r_ce＝0.11mm～0.53mm，r_ci＝14.09m～70.42m；为保证进入放电通道内的电子被磁化而带正电空间碎片粉末颗粒从推进器4的出口处加速喷出，推进器4需要满足r_ce<<h<<r_ci，由前述当B>0.02T时，r_ce<0.5mm，一般取h～3～5cm，L～5h＝15cm～20cm；d由等离子体推进器的经验定标关系(C_T2＝0.613)估计，d＝51mm～76mm；由(C_T1＝1.0773)得到推进器4的阳极质量流速在具体确定h和d的相对大小关系时，还要考虑产生所需磁场时线圈对推进器4几何结构参数的限制。

所述的电离加速一体化空间碎片等离子体推进器通道内壁处的“会切形”磁场的强度由等离子体比压(等离子体压强与磁场压强之比)确定：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{n_i{\mathrm{kT}}_i+n_e{\mathrm{kT}}_e}{{B_1}^2/2{\mathrm{\&mu;}}_0}<<1$

其中，n_i为空间碎片粉末的密度，单位为m^-3；k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10-23J/K；T_i为空间碎片粉末的温度，取T_i＝300K；n_e为放电通道内的电子密度，n_e＝10¹⁸m^{- 3}；T_e为等离子体的电子温度，T_e＝1.16×105K；μ₀为真空中的磁导率，μ₀＝4π×10-7H/m；空间碎片粉末的密度由阳极质量流速及推进器4的几何结构尺寸计算：

$n_i=\frac{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}{v_{i0}\left(T_i\right)m_i\mathrm{\&pi;}(r_2^2-r_1^2)}$

其中，r₂为放电通道的内半径，r₁为放电通道的外半径，若B₁＝0.02T，等离子体的比压在10^-3数量级，故本发明中B₁(0.02T～0.1T)满足要求。

具体实施方式二：如图2和图3所示，所述推进器4的几何结构参数为：h＝15mm，L＝62mm，d＝51mm；所述一号内线圈17、二号内线圈19、一号外线圈10和二号外线圈13的横截面尺寸均为15mm×10mm，所通的电流均为500A，则电流密度为3.33A/mm²，在铜导体的绝缘限度之内。在ANSYSMaxwell中进行模拟可得，本发明电离加速一体化空间碎片等离子体推进器能够产生所需的磁场位形，相比于传统的电磁式等离子体推进器，推进器4通道内壁处多了一个强度在0.023～0.031T(从放电通道中心线到内壁处沿径向增强)的“会切形”磁场，并且此磁场的径向梯度为107Gass/cm，但二者放电通道出口附近的径向磁场位形基本一致，最大的径向磁场位于放电通道出口平面处，且径向磁场的梯度为230Gass/cm，实验结果表明，径向磁场梯度的存在会使等离子体的放电加速过程更加稳定。

具体实施方式三：如图1所示，一号内线圈17和一号外线圈10相对推进器4主轴20的轴向位置相同，并且安匝数、横截面相同，一号内磁极16与一号外磁极9、二号内磁极18与二号外磁极11在轴向上分别对齐，以保证放电通道内壁处产生的会切形磁场关于通道中心线内外对称，放电通道内的等离子体被约束在狭窄的区域内；二号内线圈19和二号外线圈13与推进器4主轴20的轴向位置相同，并且安匝数、横截面相同，三号内磁极21、三号外磁极12在推进器4出口处与放电通道的内套管15、外套管14分别对齐，保证放电通道出口处的磁场沿着径向分布。

具体实施方式四：如图4和图5所示，二号外线圈13缠绕在外磁轭8的外部，固定在一号底座5与三号外磁极12之间。一号外线圈10的横截面为15mm×4mm，电流为500A，电流密度为8.33A/mm²。此时，放电通道出口处的磁场朝推进器4的主轴20方向弯曲，有利于空间碎片带电粒子的加速与稳定，但是与前述的方式相比，要在放电通道出口处产生同样大小的磁场所需一号外线圈10、二号外线圈13的激励增加，即耗能增加，且由于二号内线圈19的横截面积减小，其热载荷加重。

具体实施方式五：通过调节一号内线圈17的轴向位置来调节一号内线圈17和二号内线圈19之间的距离，通过调节二号内线圈19的轴向位置来调节二号内线圈19和二号外线圈13之间的距离，这可以调节推进器4电离区与加速区的耦合程度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，包括：粉碎机(1)、球磨机(2)、粉末颗粒充电系统(3)和推进器(4)；其特征在于，

所述粉碎机(1)的出口与球磨机(2)的入口相连通，粉末颗粒充电系统(3)固定在球磨机(2)出口处的内部，粉碎机(1)用于将空间碎片初步粉碎，球磨机(2)用于将初步粉碎的空间碎片粉碎为亚微米量级的粉末颗粒，粉末颗粒充电系统(3)用于使亚微米量级的粉末颗粒带上正电荷；

所述推进器(4)包括一号底座(5)、阳极(6)、二号底座(7)、外磁轭(8)、一号外磁极(9)、一号外线圈(10)、二号外磁极(11)、三号外磁极(12)、二号外线圈(13)、外套管(14)、内套管(15)、一号内磁极(16)、一号内线圈(17)、二号内磁极(18)、二号内线圈(19)、主轴(20)、三号内磁极(21)、阴极(22)和电源(23)；

所述主轴(20)的尾部固定在一号底座(5)上，二号底座(7)穿过主轴(20)固定在一号底座(5)上，一号内磁极(16)、二号内磁极(18)和三号内磁极(21)依次固定在主轴(20)上，一号内线圈(17)缠绕在一号内磁极(16)与二号内磁极(18)之间的主轴(20)上，二号内线圈(19)缠绕在二号内磁极(18)与三号内磁极(21)之间的主轴(20)上，且二号内线圈(19)与二号内磁极(18)之间留有距离；内套管(15)和外套管(14)的尾部均固定在二号底座(7)上；外磁轭(8)沿圆周方向均匀分布有四个，外磁轭(8)固定在一号底座(5)上，一号外磁极(9)和二号外磁极(11)固定在外套管(14)上，三号外磁极(12)固定在外磁轭(8)上，一号外线圈(10)缠绕在一号外磁极(9)与二号外磁极(11)之间的外套管(14)上，二号内线圈(19)缠绕在二号外磁极(11)与三号外磁极(12)之间的外套管(14)上，且二号外线圈(13)与二号外磁极(11)之间留有距离；阳极(6)固定在二号底座(7)上，阳极(6)上的推进剂注入管道穿过二号底座(7)和一号底座(5)与球磨机(2)的出口相连通，阴极(22)设置于推进器出口外磁轭(8)附近，电源(23)的负极与阴极(22)相连接，电源(23)的正极与阳极(6)相连接。

2.根据权利要求1所述的电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，其特征在于，所述的推进器(4)在工作时一号内线圈(17)、二号内线圈(19)和二号外线圈(13)中的电流方向均相同，一号外线圈(10)中的电流方向与一号内线圈(17)、二号内线圈(19)和二号外线圈(13)中的电流方向均相反。

3.根据权利要求2所述的电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，其特征在于，所述阳极(6)与阴极(22)之间的放电电压为U_d，U_d＝200～1000V。

4.根据权利要求1所述的电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，其特征在于，所述内套管(15)与外套管(14)之间的区域为等离子体放电通道，用于空间碎片粉末颗粒的电离和加速。

5.根据权利要求4所述的电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，其特征在于，等离子体放电通道内的径向磁感应强度为B，B的数值在0.02T～0.1T之间，且B沿着放电通道的正梯度为200Gass/cm。

6.根据权利要求5所述的电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，其特征在于，所述推进器(4)的几何结构参数为：h＝15mm，L＝62mm，d＝51mm。

7.根据权利要求6所述的电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，其特征在于，所述一号内线圈(17)、二号内线圈(19)、一号外线圈(10)和二号外线圈(13)的横截面尺寸均为15mm×10mm。

8.根据权利要求7所述的电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，其特征在于，所述一号外线圈(10)的横截面为15mm×4mm，电流为500A，电流密度为8.33A/mm²。