CN105952603B - 激光烧蚀脉冲等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

一种激光烧蚀脉冲等离子体推力器，包括电源处理单元，电容单元、工质、工质供给装置、阴极、阳极和激光发生机构，电源处理单元通过传输线连接电容单元，电容单元的正负输出端分别通过一传输线分别连接到阴极和阳极上，电容单元、传输线、阴极和阳极组成放电回路，可将阴、阳极间气体电离和加速，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一端，工质从此端伸入放电通道内，工质与两极之间均存在间距，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形成沿放电通道运动的等离子体射流并产生推力。其比冲和总冲高、工质利用率高、控制精度高。

Description

激光烧蚀脉冲等离子体推力器

技术领域

本发明涉及一种用于航天器姿态调整、轨道修正、轨道提升、深空探测、载人登月、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，电磁加速式的脉冲等离子体推力器。

背景技术

固体烧蚀型脉冲等离子体推力器(Ablative Pulsed Plasma Thruster,APPT)是一种电磁加速的电推进系统，其原理是先将电容充电到2000V左右，储能数焦耳到数十焦耳，然后利用火花塞点火诱导电容放电产生电弧并通过电弧烧蚀特氟龙工质，最后，被气化的工质在电磁力作用下进一步电离和加速。这种推力器最大的优点是将推进剂的供应与推力器本体组合成一个模块，省却了复杂的推进剂储存和供应系统，具备推力密度大、比冲高、推力精度高、结构简单、可靠性高、耗电功率要求低等优点，十分适用于微小卫星的空间应用以及执行高精度控制的推进任务。但是APPT也存在一些不足，主要表现在：1)推力器能量转化效率不高，一般小于10％，2)工质利用率低，存在滞后烧蚀等效应，大约90％的烧蚀产物未被电离加速，3)火花塞的积碳和点火失效问题。

为了提高APPT的推力和能量转化效率，发展了一种高能APPT。这种推力器的电容能充电到10-15kV，储能可达上万焦，其工作原理与传统的APPT相同，只不过此种推力器主要采用同轴型极板，而传统的APPT一般采用一对平行极板。高能APPT一个脉冲的冲量可大于0.1N·s，比冲可达6000-7000s，能量转化效率可达50％。这种推力器存在的问题是，充电电源和储能电容相当笨重，而且，高电压和高能量给电容带来极大的挑战，电容充放电次数受限，使用寿命不长。此外，高能APPT的工质利用率虽有一定提高，但仍存在滞后烧蚀的问题。

另一种类型的PPT是气体工质脉冲等离子体推力器(Gas-Fed Pulsed PlasmaThruster),这种推力器的工质供给系统由储箱和管路阀门等组成，其点火与工质电离加速系统与APPT类似。这种推力器同样具有推力密度大、高比冲、推力精度高、放电电路简单、结构简单、可靠性高等优点，同时与APPT相比还具有羽流污染少、可用工质种类多、推力和比冲范围宽、推力重复性好、无滞后烧蚀现象、可在较低电压下工作等优点。这种推力器的能量转化效率能达到50％以上，比冲可达7000s以上，功率可达500kW，其应用范围广泛，但由于其工质供给是靠管路和阀门系统，其阀门使用寿命有限，而且存在工质泄露的问题。另外，由于电容放电时间为数十微秒，而阀门开关时间远大于电容放电时间，这种推力器仍存在工质利用率低的问题。

发明内容

针对脉冲等离子体推力器寿命短、工质利用率低、能量转化效率低以及火花塞容易失效等问题，为航天器提供一种具备推力输出范围大、推力密度大、比冲高、工质利用率高、能量转化效率高、结构简单、可靠性高、使用寿命长的激光烧蚀脉冲等离子体推力器。

本发明的技术方案是：

一种激光烧蚀脉冲等离子体推力器，包括电源处理单元，电源处理单元将卫星平台的母线电压转换后提供给推力器中的用电设备，还包括电容单元、工质、工质供给装置、阴极、阳极和激光发生机构，所述电源处理单元通过传输线连接电容单元，电容单元的输出端分别通过传输线连接到阴极和阳极上，电容单元、传输线、阴极和阳极组成放电回路，可将阴、阳极间气体电离和加速，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一端，固体工质从此端伸入放电通道内，工质与两极之间均存在间距，放电通道的另一端为喷射气体出口，激光发生机构向放电通道内发射激光束烧蚀工质，激光束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，形成沿放电通道运动的等离子体射流并产生推力。

本发明中的工质为能够在太空环境下存储的固体且能够被激光烧蚀气化并部分电离。进一步地，工质为特氟龙或改性特氟龙。

进一步地，本发明的推力器还包括控制系统，所述控制系统与电源处理单元以及激光发生机构连接，控制系统通过控制电源处理单元决定电容的充电动作以及电容充电量的多少，控制系统控制激光发生机构输出的激光功率，调节其输出光束质量，调节激光在工质表面的辐照位置和光斑大小。

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系统连接，激光器输出的激光功率、激光脉冲长短、脉冲工作频率由控制系统控制，激光器输出的激光束由光束控制系统调节输出光束质量、调节激光在工质表面的辐照位置和光斑大小。

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，激光器发出的激光束经光束控制系统和羽流防护装置后射向工质,羽流防护装置的主要作用是防止烧蚀产生的颗粒、气体以及离子对光束控制系统和激光器的光学镜面的污染。

进一步地，本发明所述电容单元由单个或多个电容组成，电源处理单元连接卫星平台和电容单元，电源处理单元按照控制系统的指令要求向电容单元充电，电容充电时间长短由电源处理单元提供的功率和电容容量决定，电容可完全充满电，也可充到额定电压范围内的某一电压。

进一步地，所述电容单元与电源处理单元之间的传输线上或/和电容单元与阴阳极之间的传输线上可串联或并联有电感。

本发明中的所述阴极以及阳极可以采用金属制成的极板，所述阴极和阳极平行或者呈一定张角设置。两极板的一端均分别与传输线相连，工质位于此端极板间但不接触，另一端为喷射气体出口，两极板之间为放电通道。极板形状可为长方形也可为梯形及三角形，两极板平面之间可以平行，也可以成一定角度。进一步地，激光束可以从两极板间斜射向工质或者从两极板间且垂直于一极板侧面射向工质；或者所述阴极或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。

本发明中的所述阴极和阳极还可为同轴极板，阴极和阳极同轴设置，阴极和阳极之间为放电通道，所述激光束可以从放电通道的喷射气体出口端斜射向工质，或者，在所述外侧极板上开设有供激光束穿过的通孔，所述激光束穿过外侧极板上开设的通孔射向工质。

进一步地，本发明的推力器还包括外磁场系统，所述外磁场系统设置在组成放电通道的极板外侧，外磁场系统是利用电磁铁或永磁体在极板间及极板外围区域形成固定的磁场。当采用平行极板时，外磁场方向可设置为平行于极板并垂直于放电通道，此外，外磁场位形可以按要求设计以更好的电离和加速工质。当激光需要从外磁场系统穿过时，可在激光光路上开设小孔，以让激光通过。

进一步地，本发明的激光束与离子喷射方向垂直或成一倾斜夹角(该夹角不为零和180度)，以让光束控制系统的镜面尽量少受到喷射羽流粒子的冲刷。

本发明的有益技术效果：

(1)采用激光辐照工质点火的方式，不存在火花塞积碳和点火失效问题，并且，工质的可选范围宽。

(2)工质的单脉冲烧蚀质量精确可控，不存在滞后烧蚀等问题，提高了工质利用率。

(3)工质在激光作用下已部分电离，在放电通道中，工质的电离率高，推进系统可获得高的能量转化效率和高比冲。

(4)激光器的脉冲频率和脉冲宽度可调节，电容的充电电能可调节，因此，推力器的耗电功率可调，推力可调，比冲可调。

(5)推进系统活动部件少，结构简单，可靠性高。

激光烧蚀等离子体推力器(LaserAblation Pulsed Plasma Thruster，LAPPT)是将固态的工质在脉冲激光作用下气化并部分电离，接着由电极间的电弧进一步电离和加速的电推进装置。激光功率、脉宽和辐照位置容易控制，可实现对工质的烧蚀质量、烧蚀时间和烧蚀位置的精确控制，从而实现对推力器工作过程的精确控制。激光烧蚀等离子体推力器的推进剂的供应与推力器本体组合成一个模块，具备推力密度大、比冲高、工质利用率高、能量转化效率高、结构简单、可靠性高、耗电功率要求低、寿命长等优点，其潜在应用十分广泛。

附图说明

图1激光烧蚀等离子体推力器结构示意图

图2激光垂直极板侧面射向工质示意图

图3激光透过极板射向工质示意图

图4同轴极板推力器示意图

图5同轴极板剖面图

图中标示为：

1—电源处理单元；

2—电容单元；

3—传输线；

4—平行极板；

5—工质供给装置；

6—工质；

7—羽流防护装置；

8—光束控制系统；

9—激光器；

10—控制系统；

11—外磁场系统；

12—同轴极板。

具体实施方式

参照图1，本发明提供一种激光烧蚀脉冲等离子体推力器，包括电源处理单元1、电容单元2、传输线3、两平行极板4(其中一块平行极板为阳极，一块平行极板为阴极)、工质供给装置5、工质6、羽流防护装置7、光束控制系统8、激光器9、控制系统10、外磁场系统11。

所述电源处理单元通过传输线3连接电容单元2，电容单元2的正负输出端分别通过一传输线3分别连接到阴极和阳极上，电容单元、传输线3、阴极和阳极组成放电回路，可将阴、阳极间气体电离和加速，阴极和阳极之间形成了放电通道。电源处理单元1连接卫星平台和电容单元2，电源处理单元1将卫星平台的母线电压转换后提供给推力器中的电容2。电源处理单元1按照控制系统10的指令要求向电容单元充电，电容单元充电时间长短由电源处理单元提供的功率和电容容量决定。

用于固定和输送工质6的工质供给装置5设置在放电通道一端，固体工质6从此端伸入放电通道内，工质6与两极之间均存在间距，放电通道的另一端为喷射气体出口。激光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。

所述光束控制系统8以及激光器9均与控制系统10连接，激光器9输出的激光功率、激光脉冲长短、脉冲工作频率由控制系统10控制，激光器9输出的激光束由光束控制系8统调节输出光束质量、调节激光在工质表面的辐照位置和光斑大小。所述羽流防护装置7位于位于光束控制系统8与放电通道之间的激光光路上，激光器发出的激光束经光束控制系统和羽流防护装置后射向工质，以烧蚀工质产生部分电离的气体进入放电通道之中。羽流防护装置9在激光光路上，用于防止羽流污染光束控制系统8的光学镜面。

外磁场系统11紧邻平行极板4外侧设置，在放电通道内产生与自感磁场同向的附加磁场，用于提高工质电离率和能量转化效率。

推力器以脉冲模式工作；激光束烧蚀固体工质6产生中性气体、离子以及颗粒物质；激光束烧蚀工质产生的中性气体、离子以及颗粒物质全部进入放电通道之中；部分电离的气体引发极板放电，极板放电过程进一步电离烧蚀产物，烧蚀产物在极板间电场、自感磁场以及外加磁场的作用下加速喷出，烧蚀产物主要由电磁力加速。

本发明中的电源处理单元1的主要功能是将卫星平台母线电压转换为推力器工作所需的各种电压和电流，此外，还具有对输入控制指令的执行功能以及各路电压、电流的遥测采样功能。电源处理单元1连接卫星平台和电单元2，由卫星平台电源提供所需的功率，按照控制系统10的指令要求向电容充电，电容充电时间长短由电源处理单元1提供的功率和电容容量等因素决定。在非充电期间，电源处理单元1对电容、传输线、极板等放电电路产生的影响应可忽略不计。

电容单元2通过传输线3与平行极板4紧凑相连。电容单元2可以由单个或多个组成，电容可完全充满电，也可按控制指令充电到额定电压范围内的某一电压，电容具有损耗小、寿命长等优点。传输线3应尽量短以减小其本身电阻，传输线本身的电感也应尽量小，但为了对整个放电波形进行设计，在传输线上也可串联或并联电感。

平行极板4为导电性好的金属制成的平板型极板，极板形状可为长方形也可为梯形及三角形，两极板平面之间可以平行，也可以成一定角度。如图1、2、3所示，激光可从平行极板4的两板间斜射向工质(参照图1)或垂直于极板侧面射向工质(参照图2)，也可透过极板射向工质。参照图3，当激光需要透过极板射向工质时，极板上可开设小孔或小槽让激光通过。

工质供给装置5的功能是输送工质，将工质送到两极板之间，当一段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，其烧蚀面位于放电通道的一端，且工质不与两极板接触，激光烧蚀工质的产物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。

激光器9发出的激光经光束控制系统8和羽流防护装置7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。激光可穿过极板射向工质，或从平板式极板的侧面射向工质。激光束与离子喷射方向垂直或成一不为零和180度的夹角，以让光束控制系统8的镜面尽量少受到喷射羽流粒子的冲刷。

羽流防护装置7位于光束控制系统8与平行极板4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8的光学镜面，将危害降低到最小程度。

光束控制系统8可调节激光在工质表面的辐照位置和光斑大小，从而控制激光对工质表面的均匀烧蚀。

外磁场系统11围绕在平行极板4周围。外磁场系统11是利用电磁铁或永磁体在极板间及附近区域形成固定的磁场，外磁场方向为平行于极板并垂直于放电通道，外磁场位形可以按要求设计以更好的电离和加速工质。当激光需要从外磁场系统11穿过时，可在激光光路上开设小孔，以让激光通过。

激光器9由卫星平台母线提供电源，其输出激光功率大小和脉冲宽度决定了所能烧蚀的物质和烧蚀量的多少及烧蚀气体的电离程度。

控制系统10可控制光束控制系统，电容充电量的多少，激光脉冲长短、脉冲工作频率等。

参照图4和图5，推力器的极板也可采用同轴极板12。其包括阴极和阳极，其阴极为实心圆柱结构，其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，阴极和阳极之间为放电通道。

同样，同轴极板12的一端与传输线3相连，工质6位于此端极板间但与两极板均不接触，另一端为喷射气体出口，两极板之间为放电通道。同轴极板12为导电性好的金属制成的同轴型极板。激光可从放电通道出口斜射向工质或穿过外侧极板上开设的通孔射向工质。

本发明工作时，首先，控制系统10向电源处理单元1发送指令，让电源处理单元1给电容单元2充满电，在平行极板4(或同轴极板12)的极板之间形成与电容单元2相同的电压；然后，控制系统10给激光器9和光束控制系统8发送指令，使激光器9发出激光脉冲，并让光束控制系统8控制激光在工质6表面的入射位置和光斑大小；最后，激光烧蚀产生的气体和部分等离子体在平行极板4(或同轴极板12)中引起电容放电，极板间产生电弧和电流片，被电离的工质在外磁场系统11产生的磁场、自感磁场和极板间电场作用下加速并从放电通道中喷出产生推力。电容2放电完后推力器一次脉冲工作完毕，此时即可开始下一轮充放电工作周期。

参见附图1，控制系统10向激光器9发出指令输出激光，激光通过光纤传导至光束控制系统8后经羽流防护装置7照射在工质6表面，在工质6表面形成烧蚀光斑，激光能量烧蚀工质6产生部分电离的气体和微颗粒；同时控制系统10向电源处理单元1发出指令，给放电电容2充电，激光烧蚀工质6产生的部分电离的气体和微颗粒进入平行极板4之间，诱导极板放电，极板间的电磁场进一步电离和加速工质，形成等离子体射流喷出放电通道并产生推力。

电源处理单元1的核心部件为充电电源，充电电压800伏，从卫星上获得能量给电容单元2充电。电容单元2采用无感的聚酯膜电容，所有电容并联联接，总容量为2000微法。平行极板4为铜板，工质6为特氟龙。羽流防护装置7采用对激光透射率高的平板玻璃，玻璃污染后可自动更换。激光器9采用光纤激光器，功率150瓦，激光聚焦后光斑直径在100微米左右。外磁场系统11采用永磁铁来形成。

电源处理单元1可由控制系统10调节电容2充电的电压幅值和能量大小，从而控制单脉冲放电能量。

激光器9可由控制系统10调节输出功率、频率和脉宽，从而控制推力器工作频率和单脉冲推力。

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。

光束控制系统8可调节激光在工质表面的辐照位置和光斑大小，从而控制激光对工质表面的均匀烧蚀。

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 (16)

1.一种激光烧蚀脉冲等离子体推力器，包括电源处理单元，电源处理单元将卫星平台的母线电压转换后提供给推力器中的用电设备，其特征在于：还包括电容单元、固体工质、工质供给装置、阴极、阳极和激光发生机构，所述电源处理单元通过传输线连接电容单元，电容单元的输出端分别通过传输线连接到阴极和阳极上，电容单元、传输线、阴极和阳极组成放电回路，可将阴、阳极间气体电离和加速，阴极和阳极之间形成了放电通道，用于固定和输送固体工质的工质供给装置设置在放电通道一端，固体工质从此端伸入放电通道内，固体工质与两极之间均存在间距，放电通道的另一端为喷射气体出口，激光发生机构向放电通道内发射激光束烧蚀固体工质，激光束烧蚀固体工质产生部分电离气体以及颗粒物质进入放电通道之中，形成沿放电通道运动的等离子体射流并产生推力。

2.根据权利要求1所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，其特征在于：固体工质为能够在太空环境下存储的固体且能够被激光烧蚀气化并部分电离。

3.根据权利要求1所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，其特征在于：固体工质为特氟龙或改性特氟龙。

4.根据权利要求1所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，其特征在于：推力器还包括控制系统，所述控制系统与电源处理单元以及激光发生机构连接，控制系统通过控制电源处理单元决定电容的充电动作以及电容充电量的多少，控制系统控制激光发生机构输出的激光功率，调节其输出光束质量，调节激光在固体工质表面的辐照位置和光斑大小。

5.根据权利要求4所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，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系统连接，激光器输出的激光功率、激光脉冲长短、脉冲工作频率由控制系统控制，激光器输出的激光束由光束控制系统调节输出光束质量、调节激光在固体工质表面的辐照位置和光斑大小。

6.根据权利要求5所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述激光发生机构还包括羽流防护装置，所述羽流防护装置位于位于光束控制系统与放电通道之间的激光光路上，激光器发出的激光束经光束控制系统和羽流防护装置后射向固体工质。

7.根据权利要求2至6中任意一项权利要求所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述电容单元由单个或多个电容组成，电源处理单元连接卫星平台和电容单元，电源处理单元按照控制系统的指令要求向电容单元充电，电容充电时间长短由电源处理单元提供的功率和电容容量决定。

8.根据权利要求7所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述阴极为柱状结构，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，阴极和阳极之间为放电通道。

9.根据权利要求8所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述阴极和阳极均为导电性能良好的金属制成。

10.根据权利要求8所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述激光束从放电通道的喷射气体出口端斜射向固体工质。

11.根据权利要求8所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，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固体工质。

12.根据权利要求7所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述阴极以及阳极均为金属制成的极板，所述阴极和阳极平行或者呈一定张角设置。

13.根据权利要求12所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，其特征在于：所述极板的形状为梯形、长方形或三角形。

14.根据权利要求12所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，其特征在于：激光束从两极板间斜射向固体工质或者从两极板间且垂直于一极板侧面射向固体工质；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固体工质。

15.根据权利要求8至14中任一权利要求所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，其特征在于：还包括外磁场系统，所示外磁场系统设置在组成放电通道的极板外侧，外磁场系统是利用电磁铁或永磁体在极板间及极板外围区域形成固定的磁场。

16.根据权利要求15所述的激光烧蚀脉冲等离子体推力器，其特征在于：激光束与离子喷射方向垂直或呈一倾斜夹角。