CN105781921A - 一种基于周期结构的电磁推力器腔体 - Google Patents

一种基于周期结构的电磁推力器腔体 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于周期结构的电磁推力器腔体，首次将该技术应用于电磁推力器领域。本发明通过在常规谐振腔内局部安装由导电金属，或非金属材料表面镀有导电层，构成的微波周期结构，使得电磁波在谐振腔内产生不均衡分布，在特定方向产生定向辐射压，进而产生推力，可以有效降低航天器推进系统重量，延长航天器使用寿命，并能够在此基础上产生新概念航天器。

Description

一种基于周期结构的电磁推力器腔体
技术领域
本发明涉及一种基于周期结构的电磁推力器腔体，属于推力器设计领域。
背景技术
电磁推力器是近年来出现的一种新概念推进技术。该技术利用微波在特定结构谐振腔内的不均匀分布产生推力。
电磁推力器具有如下特点：
1)无须携带燃料，可极大提高搭载有效载荷能力
电磁推力器仅使用电能产生推力，无须携带燃料，可极大减轻航天器重量用于有效载荷。
2)不需要喷出工质气体，无化学燃料的污染和安全问题
电磁推力器的推力来自微波的动量，不需要喷出工质气体，不使用、贮存化学燃料，因此具有较好的环保性能和安全性能；
3)推力器寿命不再受燃料的约束
电磁推力器只使用电能，且只需电能即可产生推力，使推力器的使用不再受燃料的制约，从而延长了推力器的使用寿命。
4)体积小，重量轻
电磁推力器具有的上述特点，使其成为一种革命性的新技术，可以大幅度提高航天器的性能，并可能基于此技术产生新概念航天器。
谐振腔是电磁推力器的关键部件。在外加微波源激励的条件下，特定形状、特定内部结构的谐振腔内，可以产生空间分布不均匀的电磁场，产生推力。因此，谐振腔的腔型、结构设计，是电磁推力器的关键技术。目前该领域使用的腔体，一般设计为圆台或角锥形状，现有设计单位功率产生的推力较小(即效率较低)。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于周期结构的电磁推力器腔体，第一次将该类谐振腔应用在电磁推力器领域，解决了目前该类推力器单位功率推力较低的问题。
本发明的技术方案是：一种基于周期结构的电磁推力器腔体，包括谐振腔和安装在谐振腔内部的周期结构；所述周期结构与谐振腔固定在一起，使谐振腔内的电磁场集中分布在周期结构附近空间，形成不均衡的电磁场分布，进而产生不均衡的电磁力；所述周期结构为具有相同或相似几何形状的结构单元，在谐振腔体内部连续排布。
所述的谐振腔为矩形，结构单元为矩形板状结构；每个结构单元之间的间隔小于该结构单元的宽度。
所述的谐振腔为矩形，结构单元为带有缺口的矩形板状结构；每个结构单元之间的间隔小于该结构单元的宽度；结构单元与谐振腔侧壁接触的两侧对称开有缺口。
所述的谐振腔为圆柱形，结构单元为环状结构，每个环状结构之间的间隔小于环状结构的高度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)本专利通过引入周期结构设计，可以有效将电磁场局域在周期结构附近，理论上可以更大程度提高电磁场的不均衡分布程度，因此单位功率产生的推力高于现有腔体的设计；
2)使腔体的形状更加灵活，腔体可以为矩形或环形，便于工程使用和安装，而现有设计只能为圆台或角锥形状；
附图说明
图1为基于有缺口板状周期结构的矩形谐振腔正视图；
图2为基于有缺口板状周期结构的矩形谐振腔侧视图；
图3为基于有缺口板状周期结构的矩形谐振腔电场分布示意图；
图4为基于环状周期结构的圆柱谐振腔正视图；
图5为基于环状周期结构的圆柱谐振腔俯视图；
图6为基于环状周期结构的圆柱谐振腔电场分布示意图。
具体实施方式
本发明的设计思路为：
1)设计特定周期性的板状结构(包括有缺口板状结构)、环状结构等，将每个结构单元周期性地排布在腔体的局部空间内；
2)场分布设计：因周期结构种类繁多，其电磁场设计理论复杂，为简化问题，在工程设计上，使用电磁场有限元软件，计算设计步骤1)中建立的模型，通过调整周期结构的尺寸与腔体尺寸的比例关系，以及调整周期结构在腔体内的位置，使场分布集中在周期结构附近。
3)在步骤2)中得到的满足场分布要求的模型基础上，使用电磁仿真软件计算出腔体的谐振频率和腔体品质因数，如谐振频率不符合要求，在电磁仿真软件内修改周期结构以及谐振腔的模型尺寸，重新计算谐振频率，直至频率符合需求；
4)该设计模式可进一步延伸为其它周期结构的谐振腔设计。
设计实例：
1.如图1、图2所示，基于板状(缺口板状)周期结构的矩形谐振腔设计
缺口板单元结构设计，板的X、Y、Z向长度分别为60mm，80mm，2mm，在板单元结构的法向为Z，在板单元结构的Y向两侧边缘(+Y向,-Y向)有两个缺口，缺口X向长度5mm，缺口Y向长度60mm(缺口+Y向30mm，缺口-Y向-30mm)，根据电磁场设计理论，缺口板单元结构间距小于板的X向或Y向长度中较小的长度，在本例中取40mm。电场分布如图3所示。
2.如图4、图5所示，基于环状周期结构的圆柱形谐振腔设计
环状周期结构设计，共有三层环，内径分别为69mm，129mm，189mm，环的厚度为1mm，环的高度为70mm，三层环结构的法向为Z，根据电磁场设计理论，环结构间距小于环的高度，在本例中取60mm。电场分布如图6所示
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种基于周期结构的电磁推力器腔体，其特征在于：
包括谐振腔和安装在谐振腔内部的周期结构；所述周期结构与谐振腔固定在一起，使谐振腔内的电磁场集中分布在周期结构附近空间，形成不均衡的电磁场分布，进而产生不均衡的电磁力；所述周期结构为具有相同或相似几何形状的结构单元，在谐振腔体内部连续排布。
2.根据权利要求所述的一种基于周期结构的电磁推力器腔体，其特征在于：所述的谐振腔为矩形，结构单元为矩形板状结构；每个结构单元之间的间隔小于该结构单元的宽度。
3.根据权利要求所述的一种基于周期结构的电磁推力器腔体，其特征在于：所述的谐振腔为矩形，结构单元为带有缺口的矩形板状结构；每个结构单元之间的间隔小于该结构单元的宽度；结构单元与谐振腔侧壁接触的两侧对称开有缺口。
4.根据权利要求所述的一种基于周期结构的电磁推力器腔体，其特征在于：所述的谐振腔为圆柱形，结构单元为环状结构，每个环状结构之间的间隔小于环状结构的高度。
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