CN105822515A - 空间碎片等离子体推进器 - Google Patents

Abstract

空间碎片等离子体推进器。属于航天技术领域。在利用空间碎片时，静电式等离子体推进器栅网型电极的损伤较为严重，进而导致空间碎片作为推进剂的利用率低问题。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；外套管位于外磁轭内部，内套管位于外套管内部，内磁轭位于内套管内部；主轴的穿过内磁轭固定在支撑结构上，内磁轭、内套管、外套管和外磁轭均固定在支撑结构上；外线圈缠绕在外磁轭的外壁上，内线圈缠绕在内磁轭的外壁上；阳极与球磨机和放电通道相连；阴极位于放电通道出口处靠近外磁轭的位置；电源的正极与阳极相连，电源的负极与阴极相连。有效解决了栅网型电极的损伤问题，提高了对空间碎片的利用率。适用于作为航天器的推进器。

Description

空间碎片等离子体推进器

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及空间碎片的清理与利用技术，具体涉及电磁式等离子体推进技术。

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。随着人类空间活动的进行，空间碎片的质量和数量急剧增加。截止2013年，空间碎片的质量就已经达到了3000多吨，占发射入轨航天器质量的一半，而大碎片尺寸>10cm的数量在1.9万左右，中等碎片尺寸在1mm～10cm有3～4千万个，小碎片尺寸<1mm则多得难以计数。大量的空间碎片在地球轨道的空间上形成一定质量和数量的分布，尤其是聚集在800km近地轨道附近，并且由于大多数质量>50kg的碎片聚集在600km、800km及1000km的轨道附近，这对航天器的可靠运行有着巨大的危害。空间碎片以每秒几公里或几十公里的速度与航天器碰撞，在碰撞时释放的能量非常大，以空间碎片与航天器相对速度10km/s计算1克空间碎片的撞击动能相当于24克TNT炸药的爆炸当量，这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就显得尤为重要，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。大多数空间碎片的清理技术由于费用高且实际情况复杂而不能应用于工程实践，仅处在概念设计阶段，同时由于捕获空间碎片的难度大，很少有文献论及关于对空间碎片的利用技术。

目前公开发表的针对空间碎片利用的文献资料较少，基于LakeA.Singhn等人关于航天器推进剂收集技术的论文“Areviewofresearchinlowearthorbitpropellantcollection”，我们可以提出一条利用空间碎片的思路，即利用电磁式等离子体推进方式来高效利用粉碎后的空间碎片颗粒。此论文中综述了近地轨道空间航天器推进剂的收集技术，该技术基于一定的推进器结构将低地球轨道航天器空间环境中的大气进行利用，或者将其用于实时推进或者贮存起来以备执行空间任务，这将明显节省航天器从地面携带的推进剂，从而增大航天器的有效载荷率，此外，它还可以为深空探测及行星际探测的飞行器提供能量来源。但是，气体类推进剂收集不仅耗能较高，而且推进器对于超音速流或高热分子流的入口设计需求严格，收集和利用率也只有10％～30％左右，另外，这类气体不是惰性气体，化学活性较强，对推进器电极和放电腔室有较强的腐蚀作用。

目前，检索到的将空间碎片作为推进剂加以利用的文献仅有LeiLan等人的论文“DebrisEngine:APotentialThrusterforSpaceDebrisRemoval”，这篇论文提出了一种空间碎片发动机，它将捕获收集到的空间碎片粉碎、充电后通过一个静电式等离子体推进器加速，然后将空间碎片以较大的动能喷出产生推力，在喷嘴处采用阴极电子枪中和带正电的粉末，但该方法中带电粉末要通过栅网型电极，对栅网型电极的堵塞、碰撞损伤较为严重，致使系统效率较低、可靠性较差。

发明内容

本发明的目的是为了解决在利用空间碎片时，静电式等离子体推进器栅网型电极的损伤较为严重，进而导致空间碎片作为推进剂的利用率低问题，提出了一种空间碎片等离子体推进器。

本发明所述的空间碎片等离子体推进器，它包括粉碎机、球磨机和粉末充电系统；粉碎机的出口与球磨机的入口连通，粉末充电系统固定在球磨机内部的出口处；

它还包括推进装置；

所述推进装置包括阳极、外线圈、外磁轭、外套管、支撑结构、内线圈、内套管、内磁轭、电源、阴极、内磁极、外磁极和主轴；

所述主轴为圆柱体；内磁轭、内套管、外套管和外磁轭均为圆筒状，内磁极、外磁极均为圆环状；其中，外套管位于外磁轭内部，内套管位于外套管内部，内磁轭位于内套管内部；主轴的一端穿过内磁轭固定在支撑结构上，内磁轭、内套管、外套管和外磁轭的一端均固定在支撑结构上；内磁极固定在内磁轭的另一端端面上，外磁极固定在外磁轭的另一端端面上，外线圈、外磁轭、外套管、内线圈、内套管、内磁轭和主轴的轴线平行；

所述内套管与外套管之间的区域为放电通道；外线圈缠绕在外磁轭的外壁上，内线圈缠绕在内磁轭的外壁上；

所述阳极为管状结构，阳极的一端与球磨机的出口相连通；阳极的另一端穿过支撑结构延伸到放电通道的内部；阴极位于放电通道出口处靠近外磁轭的位置；

电源的正极通过导线与阳极相连，电源的负极通过导线与阴极相连。

本发明所述的空间碎片等离子体推进器的工作过程为：首先，将航天器捕获的空间碎片通过粉碎机进行初步粉碎，再通过球磨机进行进一步粉碎，空间碎片依次经过粉碎机和球磨机后变为微米量级的粉末；然后，微米量级的粉末通过粉末充电系统后，粉末充电系统使其带上正电荷；最后，将带正电荷的微米量级粉末作为推进剂通过阳极注入到推进装置的放电通道，通过推进装置对带正电荷的微米量级粉末加速，并以较大的动能喷出，从而产生推力。

所述推进装置对带正电荷的微米量级粉末进行加速的工作原理为：推进装置供电后，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的磁场约束，因此，高能电子在径向磁场和轴向电场的同时作用下，沿着放电通道的环向进行漂移，形成环向漂移电流；带正电荷微米量级的粉末通过阳极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荷微米量级的粉末发生碰撞，碰撞后使带正电荷微米量级的粉末电离，形成空间碎片粉末等离子体放电区域，电离空间碎片粉末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，加速后的正粒子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，正粒子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本发明将空间碎片收集捕获、粉碎、充电后作为推进装置的推进剂，这既从本质上解决了空间碎片的危害问题，又减小了航天器的推进剂携带量，增大了有效载荷率，为航天器或卫星的姿态控制、轨道变换及飞行器的深空探测提供了能量来源。有效解决了静电式空间碎片等离子体推进器中栅网型电极的损伤问题，提高了对空间碎片的利用率，进而提高了推进器的效率及推力，为空间碎片粉末提供了一种有效的电离加速方式。

适用于作为航天器的推进器。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的空间碎片等离子体推进器的结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为具体实施方式四和具体实施方式五中的推进装置的剖视图；

图4为具体实施方式六和具体实施方式七中的推进装置的剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的空间碎片等离子体推进器，它包括粉碎机1、球磨机2和粉末充电系统3；粉碎机1的出口与球磨机2的入口连通，粉末充电系统3固定在球磨机2内部的出口处；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微米量级的粉末，粉末充电系统3用于使微米量级的粉末带上正电荷；

它还包括推进装置4；

所述推进装置4包括阳极5、外线圈6、外磁轭7、外套管8、支撑结构9、内线圈10、内套管11、内磁轭12、电源13、阴极14、内磁极20、外磁极19和主轴15；

所述主轴15为圆柱体；内磁轭12、内套管11、外套管8和外磁轭7均为圆筒状，内磁极20、外磁极19均为圆环状；其中，外套管8位于外磁轭7内部，内套管11位于外套管8内部，内磁轭12位于内套管11内部；主轴15的一端穿过内磁轭12固定在支撑结构9上，内磁轭12、内套管11、外套管8和外磁轭7的一端均固定在支撑结构9上；内磁极20固定在内磁轭12的另一端端面上，外磁极19固定在外磁轭7的另一端端面上，内磁极20和外磁极19保证了径向磁场强度沿着等离子体喷流方向的正梯度变化；支撑结构9起固定作用；内磁轭12用于引导内线圈10产生磁场，外磁轭7用于引导外线圈6产生磁场；

外线圈6、外磁轭7、外套管8、内线圈10、内套管11、内磁轭12和主轴15的轴线平行；

所述内套管11与外套管8之间的区域为放电通道；外线圈6缠绕在外磁轭7的外壁上，内线圈10缠绕在内磁轭12的外壁上；内套管11和外套管8起支撑作用；外线圈6和内线圈10用于产生径向的磁场；放电通道用于提供空间碎片粉末电离及加速的空间区域；

所述阳极5为管状结构，阳极5的一端与球磨机2的出口相连通；阳极5的另一端穿过支撑结构9延伸到放电通道的内部；阴极14位于放电通道出口处靠近外磁轭7的位置；

电源13的正极通过导线与阳极5相连，电源13的负极通过导线与阴极14相连，电源13用于给推进装置的电气部件供电。

在本实施方式中空间碎片等离子体推进器的运行参数为：空间碎片粉末的特征尺寸在μm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。阳极5与阴极14之间的放电电压为U_d，放电通道内的径向磁感应强度为B，B在0.01T～0.1T之间，推进装置4的推力为T，T在1N左右。推进装置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，推进器空间碎片粉末的阳极质量流速为

所述的空间碎片等离子体推进器运行的约束条件有以下几点：

(1)为保证空间碎片粉末的充分电离，放电通道的轴向长度L需满足Melikov–Morozov判据，Melikov–Morozov判据为一种相似准则，其中电离过程的平均自由程λ_i为：

${\mathrm{\&lambda;}}_1=\frac{v_n\left(T_n\right)}{n_n{\mathrm{\&sigma;}}_i\left(T_e\right)v_e\left(T_e\right)}<<L$

其中，v_n(T_n)为空间碎片粉末的热速度，单位为K；n_n为空间碎片粉末的密度，单位为kg·m^-3；σ_i(T_e)为电离碰撞的截面积，单位为m²；v_e(T_e)为电子的热速度，单位为K；

(2)为保证进入放电通道的电子被磁化而空间碎片粉末电离后产生的带正电的粒子从推进器出口处加速喷出，需要满足r_ce<<h<<r_ci，其中，r_ce、r_ci分别为电子和带正电的粒子的回旋半径：

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

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

其中，e为电子的电荷量，单位为C；q_i为空间碎片粉末离子的电荷量，单位为C；v_i(T_i)为带正电粒子的热速度，单位为K；m_e为电子的质量，单位为kg；m_i为带正电粒子的质量，单位为kg；

(3)为保证电子被磁场完全约束，减小电子横越磁力线的扩散损耗，电子的回旋运动频率必须远远大于电子与空间碎片粉末的碰撞频率，即满足：

$\frac{{\mathrm{\&omega;}}_{ce}}{v_{en}}=\frac{eB}{m_e{n}_n{\mathrm{\&sigma;}}_{en}{v}_{en}}>>1$

其中，ω_ce为电子的回旋运动频率，单位为Hz；ν_en为电子与空间碎片粉末的碰撞频率，单位为Hz；σ_en为电子和空间碎片粉末的动量交换截面积，单位为m²；

所述的空间碎片等离子体推进器特征参数的确定方法为：给定放电通道内的磁场值B以及放电电压U_d，然后根据推进器的运行条件及性能参数(如比冲、推力等)与推进装置4特征参数之间的定标关系，同时利用现有推进装置4数据库所导出的经验法则，来确定合理的L、h、d以及碎片粉末的阳极质量流速

所述的空间碎片等离子体推进器的特征参数的确定过程为：由推进器的推力与阳极4质量流速及放电电压的关系式得到阳极质量流速由推进器的推力与放电通道的平均直径及放电电压的关系确定推进器放电通道的平均直径d；由放电通道宽度与粒子回旋半径之间的大小关系r_ce<<h<<r_ci确定放电通道的宽度h，并根据经验规则L～5h大致得到放电通道的轴向长度L，且要使L满足空间碎片粉末充分电离的要求λ_i<<L；根据电子的回旋频率与电子和空间碎片粉末之间的碰撞频率来验证放电通道内磁场的强度是否能够完全磁化电子，对磁场B进行修正；反复选取磁场及放电电压，重复同样的计算过程，使推进器的性能指标达到最佳。

本具体实施方式给出了空间碎片等离子体推进器特征参数的估算过程，以及表征空间碎片等离子推进器特性的参数计算，这对于空间碎片等离子体推进器参数估计及性能评价具有重要意义。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的空间碎片等离子体推进器进一步限定，在本实施方式中，内磁轭12、内套管11、外套管8、外磁轭7和主轴15同轴设置。

本具体实施方式保证了径向磁场强度沿圆周方向的均匀性。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的空间碎片等离子体推进器进一步限定，在本实施方式中，电源13的电压为200V～1000V。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的空间碎片等离子体推进器进一步限定，在本实施方式中，采用内永磁体17代替内线圈10；所述内永磁体17为圆筒状，并且，内永磁体17与内磁轭12同轴设置。

以内永磁体17代替内线圈10同样能够达到产生径向磁场的目的。

具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的空间碎片等离子体推进器进一步限定，在本实施方式中，采用外永磁体16代替外线圈6；所述外永磁体16为圆筒状，并且，外永磁体16与外磁轭7同轴设置。

以外永磁体16代替外线圈6同样能够达到产生径向磁场的目的。

具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的空间碎片等离子体推进器进一步限定，在本实施方式中，外磁轭7和外线圈6均为多个，多个外磁轭7沿周向均匀分布在外套管8周围，每个外线圈6缠绕在一个外磁轭7的外壁上。

具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的空间碎片等离子体推进器进一步限定，在本实施方式中，它还包括多个外线圈轴18，外线圈轴18与外磁轭7一一对应，并且，外线圈轴18位于外磁轭7内部，外线圈轴18用于固定外磁轭7。

Claims (7)

1.空间碎片等离子体推进器，它包括粉碎机(1)、球磨机(2)和粉末充电系统(3)；粉碎机(1)的出口与球磨机(2)的入口固定连通，粉末充电系统(3)固定在球磨机(2)内部的出口处；

其特征在于，它还包括推进装置(4)；

所述推进装置(4)包括阳极(5)、外线圈(6)、外磁轭(7)、外套管(8)、支撑结构(9)、内线圈(10)、内套管(11)、内磁轭(12)、电源(13)、阴极(14)、内磁极(20)、外磁极(19)和主轴(15)；

所述主轴(15)为圆柱体；内磁轭(12)、内套管(11)、外套管(8)和外磁轭(7)均为圆筒状，内磁极(20)、外磁极(19)均为圆环状；其中，外套管(8)位于外磁轭(7)内部，内套管(11)位于外套管(8)内部，内磁轭(12)位于内套管(11)内部；主轴(15)的一端穿过内磁轭(12)固定在支撑结构(9)上，内磁轭(12)、内套管(11)、外套管(8)和外磁轭(7)的一端均固定在支撑结构(9)上；内磁极(20)固定在内磁轭(12)的另一端端面上，外磁极(19)固定在外磁轭(7)的另一端端面上，外线圈(6)、外磁轭(7)、外套管(8)、内线圈(10)、内套管(11)、内磁轭(12)和主轴(15)的轴线平行；

所述内套管(11)与外套管(8)之间的区域为放电通道；外线圈(6)缠绕在外磁轭(7)的外壁上，内线圈(10)缠绕在内磁轭(12)的外壁上；

所述阳极(5)为管状结构，阳极(5)的一端与球磨机(2)的出口相连通；阳极(5)的另一端穿过支撑结构(9)延伸到放电通道的内部；阴极(14)位于放电通道出口处靠近外磁轭(7)的位置；

电源(13)的正极通过导线与阳极(5)相连，电源(13)的负极通过导线与阴极(14)相连。

2.根据权利要求1所述的空间碎片等离子体推进器，其特征在于，内磁轭(12)、内套管(11)、外套管(8)、外磁轭(7)和主轴(15)同轴设置。

3.根据权利要求1或2所述的空间碎片等离子体推进器，其特征在于，电源(13)的电压为200V～1000V。

4.根据权利要求1所述的空间碎片等离子体推进器，其特征在于，采用内永磁体(17)代替内线圈(10)；所述内永磁体(17)为圆筒状，并且，内永磁体(17)与内磁轭(12)同轴设置。

5.根据权利要求1所述的空间碎片等离子体推进器，其特征在于，采用外永磁体(16)代替外线圈(6)；所述外永磁体(16)为圆筒状，并且，外永磁体(16)与外磁轭(7)同轴设置。

6.根据权利要求1所述的空间碎片等离子体推进器，其特征在于，外磁轭(7)和外线圈(6)均为多个，多个外磁轭(7)沿周向均匀分布在外套管(8)周围，每个外线圈(6)缠绕在一个外磁轭(7)的外壁上。

7.根据权利要求6所述的空间碎片等离子体推进器，其特征在于，它还包括多个外线圈轴(18)，外线圈轴(18)与外磁轭(7)一一对应，并且，外线圈轴(18)位于外磁轭(7)内部，外线圈轴(18)用于固定外磁轭(7)。