CN105781920A - 激光支持的磁等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光支持的磁等离子体推力器，包括给推力器中各用电设备供电的推力器电源，推力器电源将卫星平台电能经转换后提供给推力器，还包括工质供给装置、阴极、阳极和激光发生机构，阴极和阳极之间形成了放电通道，用于固定和输送工质的工质供给装置设置在放电通道外，所述工质为固体工质，工质伸入放电通道内，激光器发生机构向放电通道内发射激光束烧蚀工质，激光束不断烧蚀工质产生部分电离气体以及颗粒物质进入放电通道之中。本发明解决了磁等离子体推力器供气系统复杂、动态响应慢、阴极烧蚀严重和大电流振荡导致性能降低等问题，为航天器提供一种动态响应快、工质利用率高、能量转化效率高的激光支持的磁等离子体推力器。

Description

激光支持的磁等离子体推力器

技术领域

本发明涉及一种用于航天器轨道提升、深空探测、载人登陆火星等空间任务的电推进系统。尤其是一种利用激光气化并部分电离固体工质，主要用电磁力加速的，以准稳态或稳态工作的磁等离子体推力器。

背景技术

磁等离子体推力器(Magnetoplasmadynamicthruster,MPDT)是一种电磁加速式的电推进系统，具有比冲高(1000～10000s)，效率高(高于30％)，推力大(可大于10N)，推力密度大和系统质量小等优势，成为最适合与高功率的空间太阳能和核能系统对接的推力器，在大型航天器轨道提升、行星际航行和深空探测等方面具有显著优势。

磁等离子体推力器一般包括电源、工质供给系统，电磁加速装置(即推力器本体)，以及附加磁场(用于附加磁场MPDT，AF-MPDT，Applied-FieldMPDT)等部分。推力器本体包括中心阴极、圆筒状阳极和工质供应管道、阀门等部件，阳极与阴极同轴并包围阴极，推力器工作时，气体工质从推力器头部注入，在阴阳极之间形成大电流电弧，电弧电离并加速工质。工质一般为氢气、氩气或者锂蒸气。依据推力器工作模式不同，可分为准稳态MPDT和稳态MPDT；依据磁场产生原理不同，可分为自感磁场MPDT(Self-FieldMPDT,SF-MPDT)和附加磁场MPDT(AF-MPDT)。

MPDT在行星际航行和深空探测等方面具有不可替代的优势，但人们对MPDT工作机理的认识和掌握还远远不够。国内外研究者虽然对MPDT进行了多年的探索与研究，但是MPDT推力构成以及电磁耦合加速机理仍没有完全弄清，也不能完整精确地描述MPDT的详细工作过程。目前尚没有进行空间飞行试验的MPTD，主要原因在于MPDT存在以下问题：

(1)供气系统复杂，动态响应慢。MPDT需要复杂的工质存储装置和复杂的供气系统为推力器提供气态工质，受供气系统管路和阀门的限制，MPDT工作响应慢，且当推力器以准稳态工作时，供气和放电很难同步，造成工质的浪费。

(2)阴极烧蚀严重。由于MPDT功率高，工作过程中放电电流大，阴极温度高，易造成阴极的严重烧蚀，从而降低推力器的工作寿命。尽管目前已采用空心阴极的推力器构型，降低了推力器工作过程中阴极的温度，但仍存在阴极烧蚀的问题。

(3)大电流振荡现象(“onset”现象)。在大电流(＞5000A)工作状态下，推力器放电电流和电压出现不稳定振荡，推力器能量转化效率下降，严重影响推力器的性能和寿命。

发明内容

针对磁等离子体推力器供气系统复杂、动态响应慢、阴极烧蚀严重和大电流振荡导致性能降低等问题，本发明的目的是为航天器提供一种动态响应快、工质利用率高、能量转化效率高、结构简单、可靠性高、使用寿命长的激光支持的磁等离子体推力器。

本发明的技术方案是：

一种激光支持的磁等离子体推力器，包括给推力器中各用电设备供电的推力器电源，推力器电源将卫星平台电能经转换后提供给推力器，该推力器还包括工质供给装置、阴极、阳极、激光发生机构，阴极和阳极之间形成了放电通道，用于固定和输送工质的工质供给装置设置在放电通道外，所述工质为固体工质，工质伸入放电通道内，激光器发生机构向放电通道内发射激光束烧蚀工质，激光束不断烧蚀工质产生部分电离气体以及颗粒物质进入放电通道之中。

进一步地，本发明的推力器还包括控制器，所述控制器与推力器电源以及激光发生机构连接，控制器监测推力器电源输出的电流和电压，控制激光发生机构输出的激光功率，调节其输出光束质量、光斑大小和聚焦位置，从而快速调节工质的烧蚀速率和等离子体参数以达到控制电极间的电压和电流的效果。

进一步地，本发明所述激光发生机构包括光束控制系统以及激光器，所述光束控制系统以及激光器均与控制器连接，激光器输出的激光功率由控制器控制，激光器输出的激光束由光束控制系统调节输出光束质量、光斑大小和聚焦位置。

进一步地，本发明所述激光发生机构还包括羽流防护装置，所述羽流防护装位于位于光束控制系统与放电通道之间的激光光路上，用于防止羽流污染光束控制系统的光学镜面。

本发明中所述阴极为实心或空心圆柱结构，所述阳极为内部空心的收缩扩张的喷管型或者圆柱筒型，所述阴极设置在阳极内部且阴极和阳极同轴设置。此时，所述工质可以同时作为阴极，工质作为阴极设置在阳极内部且工质和阳极同轴设置。

进一步地，在上述阴极和阳极同轴设置的情况下，所述激光束可以从放电通道出口射向工质，激光束与同轴型阳极的中心轴线成一定夹角，夹角的角度在保证激光束能够烧蚀工质的条件下尽可能大，同时羽流防护装置在推力器结构尺寸允许范围内偏离同轴型阳极的中心轴尽可能远。或者，所述阳极上开设有供激光束穿过的通孔，所述激光束穿过阳极上开设的通孔射向工质。

进一步地，在上述阴极和阳极同轴设置的情况下，若自感磁场强度不够，可在推力器阳极外侧加装磁场线圈，磁场线圈通过磁场线圈电源供电，磁场线圈产生大致沿推力器轴向的附加磁场以提高推力器性能，同时，也可对磁场线圈及外加磁场进行设计以更好地加速等离子体。进一步地，控制器可控制磁场线圈电源，调节磁场线圈的电流大小，从而加强或减小外加磁场。

本发明中的所述阴极以及阳极还可采用平板结构，所述阴极和阳极平行或者呈一定张角设置。

当阴极以及阳极采用平板结构，阴极和阳极平行或者呈一定张角设置，阴极和阳极之间形成放电通道。这种情况下，激光束可以从放电通道的一侧射向工质。也可以在所述阴、阳极板上开设有供激光束穿过的通孔，所述激光束穿过阴、阳极板上开设的通孔射向工质。进一步地，可以在放电通道两侧布置永磁铁或电磁线圈，产生与自感应磁场同向的附加磁场以提升推力器推进性能。

本发明中的激光器可以连续模式工作或脉冲模式工作，当以脉冲模式工作时，脉冲频率要足够高，以保持工质烧蚀的近似连续性。

本发明的有益技术效果：

激光支持的磁等离子体推力器利用激光烧蚀固体工质产生高速激光等离子体气流，气流在推力器放电通道内得到进一步离解、电离和加速，从而使工质获得更高的电离率和喷射速率。激光技术应用于MPDT不仅可以克服MPDT的固有缺点，提升其性能，而且可为揭示MPDT工作过程和电磁加速机理提供新的方法和手段。激光烧蚀MPDT的优势体现在如下几方面：

(1)推力器采用固体工质。不需要供气系统，在降低推力器质量和体积的同时可大大提高推力器的工作响应时间。

(2)对工质要求低，烧蚀量精确可控。可以采用各种材料作为工质，金属、聚合物以及二者的混合物都可以作为工质，且工质烧蚀量可以通过调节激光参数精确控制，这是传统MPDT不具备的优点。

(3)同轴型激光烧蚀MPDT，推力器的阴极可同时作为工质。将推力器阴极作为工质，可解决推力器阴极烧蚀问题，有利于提高推力器工作寿命。

(4)推力器工质利用率高、系统效率高、比冲高。在激光烧蚀阶段，被烧蚀的工质已经部分电离，且激光烧蚀产生的工质具有较高的初始速度。在后续的电磁加速阶段，气流被进一步电离并加速，使得工质的电离率和利用率大大提高，从而推力器的工质利用率、系统效率和比冲相比传统MPDT可以明显提高。

综上所述，激光烧蚀MPDT具有工质烧蚀量精确可控、工质利用率高、推力响应快、比冲高、系统效率高等优点，可为航天器轨道提升、深空探测、载人登陆火星等空间任务提供一种高效先进的推进系统。

附图说明

图1是本发明激光支持的磁等离子体推力器一个具体实施例的结构示意图；

图2是同轴型推力器工质作为阴极示意图；

图3是激光穿过同轴型阳极小孔射向工质示意图；

图4是激光从平行极板侧面射向工质示意图；

图5是激光穿过平行极板上的小孔射向工质示意图。

图1～5中标示为：

1—控制器；

2—磁场线圈电源；

3—磁场线圈；

4—推力器电源；

5—工质供给装置；

6—工质；

7—同轴型阴极；

8—同轴型阳极；

9—羽流防护装置；

10—光束控制系统；

11—激光器；

12—平板阳极；

13—平板阴极。

具体实施方式

本发明提供一种激光支持的磁等离子体推力器，其是利用激光烧蚀固体工质产生等离子体气流，气流在推力器放电通道内得到进一步电离和加速，从而使工质获得更高的电离率和喷射速率，同时，利用激光的快速响应能力，对工质的烧蚀速率、等离子体参数进行快速调节，以控制推力器放电电极间的电压和电流，从而消除大电流振荡现象并减小阴极烧蚀现象。

参照图1，为本发明一种激光支持的磁等离子体推力器的一个具体实施例的结构示意图。包括控制器1、推力器电源4、工质供给装置5、工质6、同轴型阴极7、同轴型阳极8、羽流防护装置9、光束控制系统10、激光器11以及各种支撑件、连接线和传输线，推力器可以以稳态工作或准稳态工作。当推力器功率大、电极之间电流足够大时，其自感磁场足以约束离子的行为，此时不需要增设磁场线圈电源2和磁场线圈3。当电极之间电流较小时，其自感磁场较小，此时需要增设磁场线圈电源2和磁场线圈3产生外加磁场来约束等离子体的行为，以提高推力器性能。推力器以稳态和准稳态状态工作，其工作过程为：激光器11发射强激光烧蚀工质6端面形成等离子体，诱导推力器阴阳两极间形成放电电流，从而形成自感应磁场，若电流较小则由磁场线圈3产生附加磁场，等离子体在推力器放电通道内受电磁力作用加速喷出，从而形成推力。

推力器电源4、光束控制系统10、激光器11均与控制器1连接。控制器1可通过控制链路对外磁场线圈电源2、推力器电源4、光束控制系统10和激光器11发出控制指令。控制器1的主要作用是监测推力器电源4输出的电流和电压，控制光束控制系统10和激光器11，使二者快速调整激光参数，从而快速调节工质的烧蚀速率和等离子体参数以达到控制电极间的电压和电流的效果。控制器1可控制外磁场线圈电源2的输出电流大小，从而调整外加磁场的磁感应强度大小。推力器电源4的作用是将卫星平台电能经转换后提供给推力器，控制器1可向推力器电源4发出指令，让推力器电源4输出不同的功率。

参照图1，同轴型阴极7为实心圆柱结构，同轴型阳极8为内部空心的圆柱筒型，同轴型阴极7设置在同轴型阳极8内部且同轴型阴极7和同轴型阳极8同轴设置。同轴型阴极7和同轴型阳极8之间形成了放电通道，用于固定和输送工质6的工质供给装置5设置在放电通道外，所述工质6为固体工质，工质6伸入放电通道内，激光器11向放电通道内发射激光束烧蚀工质，激光束不断烧蚀工质产生部分电离气体以及颗粒物质进入放电通道之中。

本实施例中：激光器11输出红外波长的激光，激光功率2000瓦，光束发散角在0.01弧度以下，激光束在光束控制系统10中扩束整形并聚焦形成会聚光束，会聚光束经过羽流防护装置9并从放电通道出口端倾斜穿入射向工质6的端面。激光束与同轴型阳极的中心轴线的夹角为30度，且羽流防护装置9与工质6端面间的距离较长，以保证羽流防护装置9远离推力器羽流中心区。

本实施例中：同轴型阳极8材质为铜，直径为0.2米，同轴型阴极7和同轴型阳极8由推力器电源4提供稳定的能量输入，输入功率为200千瓦。所述同轴型阳极8外侧加装磁场线圈3，磁场线圈3通过磁场线圈电源2供电，磁场线圈3产生沿推力器轴向的附加磁场以提高推力器性能。磁场线圈3产生稳定的、平行于放电通道轴线的外加磁场，其最大磁感应强度为0.1特斯拉。工质6的材质为改性特氟龙，激光束烧蚀工质6产生等离子体喷射至放同轴型阴阳极之间，工质烧蚀的质量流率在0.0001～0.002kg/s。推力器以稳态工作，激光烧蚀工质形成等离子体，诱导推力器两极间形成稳定的放电电流，放电电流形成自感应磁场，等离子体在放电电场和自感应磁场以及外中沿轴向加速后向外喷出。

控制器1可控制推力器电源4输出功率大小，从而控制推力大小。在控制器1的控制下，激光器11输出的激光束可由光束控制系统10调节输出光束质量、光斑大小和聚焦位置，同时，激光器11输出的激光功率也可由控制器1控制。

本发明中：工质供给装置5的功能是输送工质，将工质送到两极之间的适当位置，当工质烧蚀完之后可及时补充。工质供给装置5可根据工质烧蚀情况自动将工质送到预定位置。

工质6由工质供给装置5输送和固定，激光烧蚀工质产生的部分电离气体和颗粒物质全部进入放电通道之中。工质6为可以在太空环境下长期存储的固体，材料只要能被激光烧蚀气化并部分电离都可作为推力器的工质，推力器的工质一般为特氟龙或改性特氟龙等。工质可为金属或其他导电固体。

羽流防护装置9位于光束控制系统10与阴阳极板之间，通过透镜遮挡等方式阻止从激光光路逸出的颗粒、气体及离子等污染光束控制系统10的光学镜面，将危害降低到最小程度。羽流防护装置9与工质6端面的距离较长，以保证羽流防护装置9远离推力器羽流中心区。

光束控制系统10受控制器1的控制，可调节输出光束质量、光斑大小和聚焦位置等参数，从而控制激光对工质表面的烧蚀过程。

激光器11受控制器1的控制，可对激光功率等进行调节。激光器11发出的激光经光束控制系统10和羽流防护装置9后射向工质，激光烧蚀工质产生中性气体、离子以及大小不等的颗粒物质。对于同轴型推力器，激光可从阳极喷管尾部斜射向工质，也可在阳极上开小孔，让激光通过射向工质。对于平行极板型推力器，激光可穿过极板上的小孔射向工质，也可从平板极板的侧面射向工质。激光束与离子喷射方向垂直或成一斜角，以让光束控制系统10的镜面尽量少受到喷射羽流粒子的冲刷。

参照图2，图2是同轴型推力器工质作为阴极示意图；同轴型阳极8为内部空心的圆柱筒型，所述工质6为金属或其导电能力良好的固体，工质6可以同时作为同轴型阴极7，工质6为实心圆柱结构，工质由工质供给装置固定且伸入同轴型阳极8的内部，工质6设置在同轴型阳极8内部且与同轴型阳极8同轴设置。工质6(即同轴型阴极7)和同轴型阳极8之间形成了放电通道。工质6可同时作为推力器的阴极，工质烧蚀完后可及时补充，这样可消除阴极烧蚀严重的问题。

所述激光束从同轴型阴极7、同轴型阳极8形成的放电通道出口射入时，为保证羽流防护装置9尽量免受羽流影响，激光与同轴型阳极8的中心轴成一定角度，此角度在保证激光顺利烧蚀工质的条件下越大越好，同时羽流防护装置9在允许范围内偏离同轴型阳极8的中心轴越远越好。

参照图3，图3是激光束穿过同轴型阳极小孔射向工质示意图；采用同轴型阴极7、同轴型阳极8组成放电通道时，激光束可穿过同轴型阳极8上开的小孔射向工质。

图1、图2、图3给出的是采用同轴型阴极、同轴型阳极作为放电通道，这种同轴型推力器工作时，激光烧蚀工质产生部分电离气体和颗粒物质，阴阳两极在烧蚀产物支持下形成稳定电流，电流形成自感应磁场，等离子体在电场和自感应磁场中沿轴向加速后向外喷出。当自感磁场不够时，可在推力器阳极外侧加装磁场线圈3，产生沿推力器轴向的附加磁场，等离子体在附加磁场中形成周向力，通过扩张喷管将旋转动能转化为轴向能量，提升推力器推进性能。

图4是激光束从平行极板侧面射向工质示意图；本发明中还可采用平板阴极13、平板阳极12作为放电通道。平板阴极13、平板阳极12均为平板结构，平板阴极13和平板阳极12平行或者呈一定张角设置，平板阴极13和平板阳极12之间形成放电通道。工质从放电通道的一侧伸入平板阴极13和平板阳极12之间的放电通道内，工质6与平板阴极13和平板阳极12之间设置有隔离板。激光束从放电通道的另一侧倾斜穿过放电通道射向工质6。

图5是激光穿过平行极板上的小孔射向工质示意图，同样的采用平板阴极13、平板阳极12作为放电通道。平板阴极13、平板阳极12均为平板结构，平板阴极13和平板阳极12平行或者呈一定张角设置，平板阴极13和平板阳极12之间形成放电通道。工质从放电通道的一侧伸入平板阴极13和平板阳极12之间的放电通道内，工质6与平板阴极13和平板阳极12之间设置有隔离板。平板阴极13上开设有供激光束穿过的通孔，激光束从该通孔中穿过射向放电通道内的工质6上。

图4和图5是采用平板阴极、平板阳极构建放电通道，当推力器采用平行板阴极13、平行板阳极12时，工质置于两极板之间，激光烧蚀工质产生部分电离气体和颗粒物质，阴阳两极在烧蚀产物支持下形成稳定电流，同时电流形成垂直于电流方向的感应磁场，正离子在电磁场中受电磁力作用加速喷出，从而产生推力。可在这种平行极板型推力器放电通道两侧布置永磁铁或电磁线圈，产生与放电电流自感应磁场同向的附加磁场以提升推力器推进性能。

磁场线圈电源2和磁场线圈3用于产生外加磁场，对平行极板型推力器可分段添加垂直于放电通道轴线并平行于极板的磁场；对同轴型推力器添加平行于放电通道轴线的磁场。结合等离子体加速特性，分别改变放电通道轴线各段磁场大小，以改善推力器放电波形提高推力器性能。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种激光支持的磁等离子体推力器，包括给推力器中各用电设备供电的推力器电源，推力器电源将卫星平台电能经转换后提供给推力器，其特征在于：还包括工质供给装置、工质、阴极、阳极和激光发生机构，阴极和阳极之间形成了放电通道，用于固定和输送工质的工质供给装置设置在放电通道外，所述工质为固体工质，工质伸入放电通道内，激光器发生机构向放电通道内发射激光束烧蚀工质，激光束不断烧蚀工质产生部分电离气体以及颗粒物质进入放电通道之中。

2.根据权利要求1所述的激光支持的磁等离子体推力器，其特征在于：推力器还包括控制器，所述控制器与推力器电源以及激光发生机构连接，控制器监测推力器电源输出的电流和电压，控制器控制激光发生机构输出的激光功率，调节其输出光束质量、光斑大小和聚焦位置。

3.根据权利要求2所述的激光支持的磁等离子体推力器，其特征在于：所述激光发生机构包括光束控制系统以及激光器，所述光束控制系统以及激光器均与控制器连接，激光器输出的激光功率由控制器控制，激光器输出的激光束由光束控制系统调节输出光束质量、光斑大小和聚焦位置。

4.根据权利要求3所述的激光支持的磁等离子体推力器，其特征在于：所述激光发生机构还包括羽流防护装置，所述羽流防护装位于位于光束控制系统与放电通道之间的激光光路上，用于防止羽流污染光束控制系统的光学镜面。

5.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的激光支持的磁等离子体推力器，其特征在于：所述阳极为内部空心的收缩扩张的喷管型或者圆柱筒型，所述阴极设置在阳极内部且阴极和阳极同轴设置。

6.根据权利要求5所述的激光支持的磁等离子体推力器，其特征在于：所述工质同时作为阴极。

7.根据权利要求5所述的激光支持的磁等离子体推力器，其特征在于：所述激光束从放电通道出口射向工质，激光束与同轴型阳极的中心轴线成一定夹角，夹角的角度在保证激光束能够烧蚀工质的条件下尽可能大，同时羽流防护装置在推力器结构尺寸允许范围内偏离同轴型阳极的旋转轴尽可能远。

8.根据权利要求5所述的激光支持的磁等离子体推力器，其特征在于：所述阳极上开设有供激光束穿过的通孔，所述激光束穿过阳极上开设的通孔射向工质。

9.根据权利要求5所述的激光支持的磁等离子体推力器，其特征在于：所述阳极外侧加装磁场线圈，磁场线圈通过磁场线圈电源供电，磁场线圈产生大致沿推力器轴向的附加磁场以提高推力器性能。

10.根据权利要求9所述的激光支持的磁等离子体推力器，其特征在于：控制器可控制磁场线圈电源，调节磁场线圈的电流大小，从而加强或减小外加磁场。

11.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的激光支持的磁等离子体推力器，其特征在于：所述阴极以及阳极均为平板结构，所述阴极和阳极平行或者呈一定张角设置。

12.根据权利要求11所述的激光支持的磁等离子体推力器，其特征在于：激光束从放电通道的一侧射向工质；或者所述阴、阳极板上开设有供激光束穿过的通孔，所述激光束穿过阴、阳极板上开设的通孔射向工质。

13.根据权利要求11所述的激光支持的磁等离子体推力器，其特征在于：放电通道两侧布置永磁铁或电磁线圈，产生与自感应磁场同向的附加磁场以提升推力器推进性能。

14.根据权利要求1所述的激光支持的磁等离子体推力器，其特征在于，激光器能够连续模式工作或脉冲模式工作。