CN107939625B - 反射式激光-电磁场耦合推力器 - Google Patents

Abstract

一种反射式激光‑电磁场耦合推力器，包括激光系统、电磁加速电极组件和静电场组件，电磁加速电极组件包括电磁加速阴极、电磁加速阳极和电磁加速电极电源；静电场组件包括静电场加速电极、工质和静电场加速电源，静电场加速电源为工质和静电场加速电极通电，在工质和静电场加速电极之间建立电势差形成静电场；激光束烧蚀工质产生的激光等离子体进入静电场，被静电场加速后的激光等离子体运动到电磁加速阴、阳极之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出，从而产生推力。其具备推力可调、推进效率高、推力密度大等优点。

Description

反射式激光-电磁场耦合推力器

技术领域

本发明涉及一种为微纳卫星轨道提升、位置保持、姿态控制和组网飞行等提供精准推力的新型推力器，尤其涉及一种利用激光烧蚀固体工质产生激光烧蚀等离子体，然后利用静电场和电磁场加速的推力器。

背景技术

现代战争和自然灾害等具有突发性和局域性的特点，即使庞大的空间系统也难以实现对事件突发区域的完全覆盖，且耗资巨大；同时，随着反卫星技术的不断发展，空间系统越来越脆弱，极端战争情况下，面临被摧毁的严重威胁。因此，作为空间系统应急增强和被毁后快速重建的必备手段，有必要实现卫星的快速研制、快速发射和快速应用。为此，微纳卫星应运而生。

微纳卫星作为微电子、微机械、新材料、计算机等领域高新技术和空间探索任务发展的产物，以其功能密度高、研制周期短、成本低廉、应用灵活、技术带动性强等优点，成功应用于对地遥感、特种通信、空间环境探测以及空间科学实验等诸多领域，已成为一类维护国家安全和保障经济社会发展的重要航天系统。

微纳卫星既能以单颗卫星实现一种或多种特定功能，也能通过组网、编队或集群飞行等构成分布式卫星系统，实现大卫星的功能或者完成单颗大卫星难以实现的空间任务。对于微纳卫星，特别是多颗微纳卫星组成的分布式卫星系统，极易受到多种摄动因素的影响，使得轨道编队不稳定，从而使得不能充分发挥其作用或者发挥作用时间很短。因此，需要为微纳卫星配备特定的推进系统，为它的轨道提升、位置保持、姿态控制和组网飞行等提供精准的推力。针对这一需求，各种极具潜力的推进系统(包括离子推力器、场发射推力器、脉冲等离子体推力器(简称PPT)、电喷射推力器、电阻加热式推力器、微波电弧推力器、脉冲电弧推力器、激光等离子体微推力器(简称μLPT)等)被提出来并处于快速发展之中。

PPT具有结构简单、易于小型化和重量轻等优势，使其成为微纳卫星推进系统的优先选择对象，因此，各航天大国对其进行了长期深入的研究。其工作过程为：火花塞点火使暴露在两电极之间的推进剂表面诱导出持续几毫秒的短脉冲放电，使推进剂蒸发和电离，形成等离子体；然后等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出，从而产生推力。虽然PPT具有诸多优点，但是由于其存在滞后烧蚀等问题，所以系统效率不高(不大于10％)，因此如何提高它的系统效率一直是研究的重点问题。为此国内外专家学者对该问题进行了系统的研究，尽管取得了一定的成果，但总的来说系统效率提高有限，无法充分发挥PPT的优势。此外，PPT还存在火花塞点火失效和积碳以及羽流污染等问题亟待解决。

随着激光系统向着体积小、重量轻、功率大的方向发展，星载μLPT正在蓬勃发展。μLPT是一种能应用于微纳卫星的质量小(目前研制的样机仅850g)、效率高、寿命长、结构简单、推力可调的微推力器。其工作过程为：从激光器发射出来的激光聚焦后照射到推进剂表面，使推进剂表面烧蚀，喷出包含等离子体、气体、中性微粒等物质，从而产生推力。但是，μLPT的一些推进性能(比如推力、比冲等)还有待进一步提高。

发明内容

针对PPT存在的推进效率低、火花塞点火易失效且易积碳和羽流污染等问题以及μLPT推力、比冲低等问题，本发明目的在于提供一种反射式激光-电磁场耦合推力器，其具备比冲高、推力可调整性高、推进效率高、结构简单、推力密度大等优点。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种反射式激光-电磁场耦合推力器，包括激光系统、电磁加速电极组件以及静电场组件，所述电磁加速电极组件包括电磁加速电极、电容充电电源以及电容单元，电磁加速电极包括电磁加速阴极和电磁加速阳极，电磁加速阳极和电磁加速阴极平行设置且两者之间保有间距，所述电容充电电源通过导线连接电容单元并给电容单元充电，电容单元的正负端分别通过导线与电磁加速阳极和电磁加速阴极连接，使电磁加速阳极和电磁加速阴极之间存在电势差；所述静电场组件包括静电场加速电极、工质以及静电场加速电源，所述静电场加速电源的正负端分别通过导线连接工质和静电场加速电极，工质与静电场加速电极平行相对设置且两者之间保有间距，静电场加速电源为工质和静电场加速电极通电，在工质和静电场加速电极之间建立电势差，从而在两者之间形成静电场；

所述电磁加速电极的一端由绝缘层包覆密封，所述绝缘层上开设有圆孔，所述绝缘层的外侧设有静电场加速电极，所述静电场加速电极上开设有与绝缘层上圆孔正对且贯通的圆孔；

所述激光系统发射的聚焦后的激光束从电磁加速电极的一端入射后经过位于电磁加速电极另一端的绝缘层以及静电场加速电极上的圆孔穿出，烧蚀与静电场加速电极平行相对的工质；激光束烧蚀工质产生的激光等离子体进入工质和静电场加速电极之间的静电场，被静电场加速后的激光等离子体依次穿过静电场加速电极上的圆孔以及绝缘层上的圆孔运动到电磁加速阳极和电磁加速阴极之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出，从而产生推力。

进一步地，本发明还包括磁场线圈组件，所述磁场线圈组件包括磁场线圈以及磁场线圈电源，磁场线圈电源通过导线连接磁场线圈并给磁场线圈充电；所述磁场线圈包覆在电磁加速电极的外侧壁上，在电磁加速电极的电磁加速阳极和电磁加速阴极之间产生外加磁场。

进一步地，本发明还包括控制系统以及电源处理系统，控制系统与电源处理系统连接，电源处理系统连接磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件中的各个电源，电源处理系统按照控制系统的指令为磁场线圈电源、电容充电电源以及静电场加速电源提供所需的电能。

进一步地，本发明通过控制系统对电源处理系统的控制能够控制电源处理系统提供给磁场线圈电源的供电电压大小，改变该磁场线圈电源输出的电压大小，从而改变磁场线圈的电流大小，进而改变外加磁场的大小。

通过控制系统对电源处理系统的控制能够控制电容充电电源输出的电压大小，从而改变电容单元充电大小，也即改变电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的电压大小，进而改变放电电流大小。

通过控制系统对电源处理系统的控制能够改变静电场加速电源的输出电压大小，进而改变工质和静电场加速电极之间的电势差，从而改变两者之间静电场的大小。

进一步地，本发明所述激光系统包括给推力器输出脉冲激光的脉冲激光器和光束调节系统，所述光束调节系统设置在脉冲激光器的正前方，用于对脉冲激光器发射出的脉冲激光进行聚焦，脉冲激光器、光束调节系统均与控制系统连接，控制系统控制脉冲激光器的工作，且控制系统通过控制光束调节系统进而能够调整脉冲激光束其聚焦后的光斑大小以及聚焦点位置。进一步地，所述激光系统还包括羽流保护装置，羽流保护装置位于光束调节系统和脉冲激光器的正前方，其作用是阻挡推力器产生的羽流，防止光束调节系统和脉冲激光器受到羽流中微粒、气体以及等离子体的污染。

进一步地，作为本发明的优选方案：本发明所述电磁加速阳极和电磁加速阴极为两块平行相对设置的电磁加速阳极板和电磁加速阴极板，磁场线圈将电磁加速阳极和电磁加速阴极包覆在内。本发明中的电磁加速阳极和电磁加速阴极由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成；电磁加速阳极和电磁加速阴极的形状尺寸相同且平行正对，其形状是矩形、梯形或三角形。

所述电磁加速电极的一端由绝缘层包覆密封，所述绝缘层上开设有圆孔，所述绝缘层的外侧设有静电场加速电极，所述静电场加速电极上开设有与绝缘层上圆孔等大、正对且贯通的圆孔。进一步地，所述绝缘层上的圆孔开设在绝缘层的中心位置处，静电场加速电极上的圆孔开设在静电场加速电极的中心位置处，圆孔的面积是静电场加速电极面积的1/20以下。磁场线圈的中心轴线、电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的中心轴线、激光系统的中心轴线以及静电场加速电极的中心轴线在一条直线上。

所述脉冲激光器发射的激光束经光束调节系统聚焦后从电磁加速电极的一端入射后经过位于电磁加速电极另一端的绝缘层以及静电场加速电极上的中心圆孔穿出，烧蚀与静电场加速电极平行相对的工质；激光束烧蚀工质产生的激光等离子体进入工质和静电场加速电极之间的静电场，被静电场加速后的激光等离子体依次穿过静电场加速电极上的中心圆孔以及绝缘层上的中心圆孔运动到电磁加速阳极和电磁加速阴极之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出，从而产生推力。

作为本发明的一优选技术方案：所述电磁加速阳极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成的空心圆筒形结构，电磁加速阴极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成实心圆柱形结构；电磁加速阴极设置在电磁加速阳极内，磁场线圈包覆在电磁加速阳极的外侧壁上；电磁加速阳极的另一端由圆形的绝缘层完全包覆密封，在电磁加速阳极与电磁加速阴极之间的绝缘层上且以绝缘层的圆心为圆心的圆周上均匀开设有多个圆孔，所述绝缘层的外侧设有圆形的静电场加速电极，所述静电场加速电极上开设有与绝缘层上圆孔等大、等数量、一一正对且贯通的圆孔，圆孔的面积是静电场加速电极面积的1/20以下；静电场加速电极和绝缘层上相互正对且彼此贯通的两个圆孔为一圆孔对。磁场线圈的中心轴线、电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的中心轴线以及静电场加速电极的中心轴线在一条直线上。

所述脉冲激光器发射的激光束经光束调节系统聚焦后从电磁加速阳极和电磁加速阴极之间穿过后经绝缘层以及静电场加速电极上的一圆孔对穿出，烧蚀与静电场加速电极平行相对的工质；激光束烧蚀工质产生的激光等离子体进入工质和静电场加速电极之间的静电场，被静电场加速后的激光等离子体从同一圆孔对穿过并运动到电磁加速阳极和电磁加速阴极之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出，从而产生推力。其中：实心圆柱形的电磁加速阴极的一端伸入空心圆筒形的电磁加速阳极内部，电磁加速阴极的另一端穿过绝缘层、静电场加速电极、工质以及工质供给装置其中心开设的供电磁加速阴极穿过并支撑的安装孔，电磁加速阴极与绝缘层、静电场加速电极、工质以及工质供给装置之间的接触面上包覆有绝缘材料，绝缘材料可以是任意良好的固体绝缘材料。

本发明控制系统的作用是对电源处理系统、磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件和激光系统进行控制，以按照空间任务的需求来对各个电源的输出电压、激光参数和聚焦后光斑大小、位置进行调节，从而改变推力器的相关推进性能。

本发明中电源处理系统是连接微纳卫星以及磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件中的各个电源(磁场线圈电源、电容充电电源、静电场加速电源)的中介，它的作用是按照控制系统的指令给各个电源提供所需的电能。

本发明静电场组件中的静电场加速电源为工质和静电场加速电极通电，在工质和静电场加速电极之间建立电势差，且这两者之间的电势差不宜过大，一般小于300V，以防止两者产生放电。进一步地，工质和静电场加速电极之间的相对面的形状、尺寸完全相同且两者平行正对，以在两者之间形成稳定的静电场。其中工质可以为铜、铝、银、铁等能在太空环境中易于存储且能被激光烧蚀产生等离子体的导电固体材料，所以不像采用气体、液体作为工质的推力器那样需要推进剂储箱、阀门和管路等系统，因此，推力器可以非常简单和紧凑。进一步地，还包括用于不断提供工质的工质供给装置，工质供给装置不断为推力器提供工质，以更新烧蚀位置，保证同样激光烧蚀条件下具有较为相同的烧蚀条件，从而确保较为相同的烧蚀产物，进而确保提供精准的推力。静电场加速电极可以为铜、铝、银、铁等导电固体材料，它的作用是与工质形成相对电势差，从而在两者之间形成静电场，进而对激光烧蚀产生的等离子体进行加速。

本发明所述绝缘层以及静电场加速电极上开设有等大相对且贯通的圆孔。圆孔的面积相对于整个静电场加速电极的面积来说很小，圆孔的面积是静电场加速电极面积的1/20以下，以使圆孔对应区域的静电场不受该圆孔的影响，或者影响小到可以忽略。

磁场线圈组件设计的意义在于：磁场线圈在电磁加速阳极和电磁加速阴极间添加额外的磁场以进一步提高推力器的推进性能。所添加的磁场大小可以通过改变磁场线圈电源输出的电压大小来调整，以适应任务需要而提供不同大小的推力和冲量。

本发明绝缘层的设计用于对静电场加速电极和电磁加速电极进行隔绝，以保证电磁加速电极不与静电场加速电极导通，同时也能避免在电磁加速电极和静电场加速电极之间发生放电。绝缘层的面积足够将整个电磁加速电极的一端完全覆盖，只在绝缘层上开设有用于激光束及烧蚀后的等离子体穿过的圆孔。为了防止电磁加速电极之间放电时对绝缘层的烧蚀，绝缘层必须使用耐高温烧蚀的绝缘材料，比如陶瓷、高硅氧玻璃纤维等。

相对于现有技术，本发明产生了以下有益技术效果：

1、由于等离子体主要由激光烧蚀产生，所以单次烧蚀工质的质量可精确控制，在电磁加速电极放电时不存在滞后烧蚀，相比传统的PPT来说，提高了推进效率。

2、由于使用短脉冲激光烧蚀工质产生等离子体，所以在电磁加速电极间产生短时间的导电等离子体，进而获得比传统PPT更短的短脉冲放电。因为使用短脉冲放电能获得更短的放电持续时间，有望获得更大的电流。由于该加速器诱导产生的力取决于电流的平方，因此能有望提高其加速特性。

3、激光烧蚀会使得诱导出来的等离子体具有数千米每秒的初速度，相对于传统PPT来说，这也提高了推进性能。此外，具有初速度的等离子体由于先被静电场加速，然后被电磁加速电极之间形成的电磁力进一步加速，有望大大提高推进性能。

4、因为任何导电固体材料都能作为推进剂，所以可用工质的范围增大且不需要推进剂储箱、阀门和管路等系统。同时，该推力器活动部件较少，因此，推力器结构非常简单，可靠性高，响应速度快。

5、由于可以通过控制系统实现对激光能量大小和各个电源(静电场加速电源、电容充电电源、磁场线圈电源)电压大小的调节，所以该推力器功耗、推力和比冲可调性更高。

6、用激光点火取代传统PPT的火花塞点火，不存在火花塞积碳和点火失效问题。

7、工质在激光烧蚀时已经部分电离，在电磁加速电极间放电时又会被进一步电离，因此推力器可获得较高的电离率，能量转化效率也相应提高。

综上所述，该反射式激光-电磁场耦合推力器具有结构简单、推进效率高、比冲高、可靠性高、推力可调整性高等优点，有望为微纳卫星的轨道提升、位置保持、姿态控制和组网飞行等提供精准推力，为微纳卫星的长时间位置保持和机动飞行等提供了可行的推力器。

附图说明

图1是反射式平行极板型激光-电磁场耦合推力器原理示意图；

图2是反射式同轴极板型激光-电磁场耦合推力器原理示意图；

图中标号：

1、控制系统；2、电源处理系统；3、磁场线圈电源；4、静电场加速电源；5、电容充电电源；6、电容单元；7、工质；8、工质供给装置；9、静电场加速电极；10、磁场线圈；11、电磁加速阳极；12、电磁加速阴极；13、绝缘层；14、脉冲激光器；15、光束调节系统；16、羽流保护装置；17、圆孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

图1和图2提供的是两种反射式激光-电磁场耦合推力器，其中图1是反射式平行极板型激光-电磁场耦合推力器原理示意图，图2是反射式同轴极板型激光-电磁场耦合推力器原理示意图。

下面先来介绍图1中所示的反射式平行极板型激光-电磁场耦合推力器。其包括控制系统1、电源处理系统2、磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件以及激光系统。

控制系统1的作用是对电源处理系统2、磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件和激光系统进行控制，以按照空间任务的需求来对各个电源的输出电压、激光参数和聚焦后光斑大小、位置进行调节，从而改变推力器的相关推进性能。

电源处理系统2是连接微纳卫星以及磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件中的各个电源(静电场加速电源4、电容充电电源5、磁场线圈电源3)的中介，它的作用是按照控制系统1的指令给各个电源提供所需的电能。

所述激光系统用于发射出聚焦后的激光束，所述激光系统包括给推力器输出脉冲激光的脉冲激光器14、光束调节系统15以及羽流保护装置16，所述光束调节系统15设置在脉冲激光器14的正前方，用于对脉冲激光器14发射出的脉冲激光进行聚焦。控制系统1与脉冲激光器14连接，用于控制脉冲激光器14，脉冲激光器14输出的激光参数比如脉冲激光能量、脉宽、波长、工作频率等可以通过控制系统1进行调节，从而控制推进性能的大小，以完成不同的任务需求。光束调节系统15与控制系统1连接，控制系统1可以控制光束调节系统15进而调整脉冲激光聚焦后的光斑大小以及聚焦点位置。羽流保护装置16位于光束调节系统15和脉冲激光器14的正前方，其作用是阻挡推力器产生的羽流，防止光束调节系统15和脉冲激光器14受到羽流中微粒、气体以及等离子体等的污染，从而影响它们的工作状态。

磁场线圈组件包括磁场线圈10、磁场线圈电源3，磁场线圈电源3通过导线连接磁场线圈10并给磁场线圈10充电。所述控制系统1连接电源处理系统2，所述电源处理系统2通过导线连接磁场线圈电源3，电源处理系统2为磁场线圈电源3供电，磁场线圈电源3通过导线连接磁场线圈10并给磁场线圈10充电。通过控制系统1对电源处理系统2的控制可以控制电源处理系统2提供给磁场线圈电源3的供电电压的大小，从而改变该磁场线圈电源3输出的电压大小，从而改变磁场线圈10的电流大小，从而改变外加磁场的大小，进而调整推进性能。磁场线圈10的作用：磁场线圈10产生外加磁场，以提高推力器的推进性能。

电磁加速电极组件包括电磁加速电极、电容充电电源5以及电容单元6，电磁加速电极包括电磁加速阳极11和电磁加速阴极12。本实施例中，电磁加速阳极11和电磁加速阴极12为两块平行相对设置的电磁加速阳极板和电磁加速阴极板。电磁加速阳极11和电磁加速阴极12由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成。电磁加速阳极11和电磁加速阴极12的形状尺寸相同且平行正对，其形状可以是矩形、梯形、三角形等形状。电容充电电源5通过导线连接电容单元6并给电容单元6充电，电容单元6的正负端分别通过导线与电磁加速阳极11和电磁加速阴极12连接。本实施例中电容充电电源5与电源处理系统2连接，电源处理系统2为电容充电电源5供电。控制系统1连接电源处理系统2，通过控制系统1对电源处理系统2的控制可以改变电容充电电源5输出的电压大小，从而改变电容单元6充电大小，也即改变电磁加速电极之间的电压大小，进而改变放电电压大小，最终达到调整推进性能的作用。电容单元6可以为单个电容或者多个电容。

静电场组件包括静电场加速电极9、静电场加速电源4、工质7以及用于不断提供工质7的工质供给装置8，所述静电场加速电源4的正负端分别通过导线连接工质7和静电场加速电极9。工质7与静电场加速电极9平行相对且两者之间保有间距。静电场加速电源4为工质7和静电场加速电极9通电，在工质7和静电场加速电极9之间建立电势差，且这两者之间的电势差不宜过大，以防止两者产生放电。工质7和静电场加速电极9之间的相对面的形状、尺寸完全相同且两者平行正对，以在两者之间形成稳态的静电场。其中工质7可以为铜、铝、银、铁等能在太空环境中易于存储且能被激光烧蚀产生等离子体的导电固体材料。工质供给装置8不断为推力器提供工质7，以更新烧蚀位置，保证同样激光烧蚀条件下具有较为相同的烧蚀条件，从而确保较为相同的烧蚀产物，进而确保提供精准的推力。静电场加速电极9可以为铜、铝、银、铁等导电固体材料，它的作用是与工质形成相对电势差，从而在两者之间形成静电场，进而对激光烧蚀产生的等离子体进行加速。静电场加速电源4与电源处理系统2连接，电源处理系统2为静电场加速电源4供电，控制系统1与电源处理系统2连接，控制系统1通过控制电源处理系统2为静电场加速电源4供电可以改变静电场加速电源4的输出电压大小，进而改变工质7和静电场加速电极9之间的电势差，从而改变两者之间静电场的大小，进而改变对等离子体加速的效果，最终达到调整推进性能的作用。

所述磁场线圈10包覆在电磁加速电极的外侧壁上，磁场线圈10的中心轴线、电磁加速阳极11和电磁加速阴极12之间的中心轴线以及激光系统的中心轴线重合，所述电磁加速电极的一端开口，供激光系统发射出的聚焦后的激光束射入以及供被加速的等离子体流出，所述电磁加速电极的另一端由绝缘层13包覆密封，所述绝缘层13上对应电磁加速阳极11和电磁加速阴极12之间的中心轴线的位置开设有供激光束和烧蚀后产生的激光等离子体穿过的圆孔17，所述绝缘层13的外侧设有静电场加速电极9，所述静电场加速电极9上开设有与绝缘层13上圆孔17等大、正对且贯通的圆孔17，静电场加速电极9上开设的圆孔17同样用于供激光束和烧蚀后产生的激光等离子体穿过；

所述激光系统发射出的聚焦后的激光束沿着中心轴线从电磁加速阳极11和电磁加速阴极12之间入射后经绝缘层13以及静电场加速电极9上的圆孔17穿出，烧蚀与静电场加速电极9平行相对的工质7。静电场加速电源4在工质7和静电场加速电极9之间建立电势差，从而在工质7和静电场加速电极9之间建立静电场以对激光束烧蚀产生的激光等离子体加速，激光烧蚀产生的激光等离子体被静电场加速后依次穿过静电场加速电极9上的圆孔17以及绝缘层13上的圆孔17运动到存在一定电势差的电磁加速阳极11和电磁加速阴极12之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出，从而产生推力。

如图1所示，工质供给装置8、工质7、静电场加速电极9、绝缘层13、电磁加速电极、磁场线圈10、羽流保护装置16、光束调节系统15、脉冲激光器14的中心轴线处于同一直线(图1中的中轴线)上，以保证推力器处于最佳工作状态。

图2是反射式同轴极板型激光-电磁场耦合推力器原理示意图。其与图1中的反射式平行极板型激光-电磁场耦合推力器一样，同样包括控制系统1、电源处理系统2、磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件以及激光系统。

图2给出的反射式同轴极板型激光-电磁场耦合推力器与图1给出的反射式平行极板型激光-电磁场耦合推力器的不同之处在于：图2中的电磁加速电极组件包括电磁加速电极、电容充电电源5以及电容单元6。电磁加速电极包括电磁加速阳极11和电磁加速阴极12。本实施例中，电磁加速阳极11由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成空心圆筒形结构，电磁加速阴极12为由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成实心圆柱形结构。电磁加速阴极12设置在电磁加速阳极11内且电磁加速阴极12和电磁加速阳极11同轴设置(即电磁加速阴极12和电磁加速阳极11的中心轴线重合)。磁场线圈10包覆在电磁加速阳极11的外侧壁上，磁场线圈10、电磁加速阴极12和电磁加速阳极11同轴设置。

空心圆筒形的电磁加速阳极11的一端供激光系统发射出的聚焦后的激光束射入以及供被加速的等离子体流出，所述空心圆筒形的电磁加速阳极11的另一端由圆形的绝缘层13完全包覆密封，所述绝缘层13的外侧设有圆形的静电场加速电极9。圆形的工质7与圆形静电场加速电极9平行相对且两者之间保有间距，工质7、静电场加速电极9与绝缘层13的横截面大小相同，工质、静电场加速电极9、绝缘层13、磁场线圈10、电磁加速阴极12和电磁加速阳极11的中心轴线重合。在绝缘层13上且以绝缘层13的圆心为圆心的圆周上均匀开设有多个圆孔17，如本实施例中为4个圆孔17。在静电场加速电极9上开设有与绝缘层13上多个圆孔17一一正对且贯通的多个圆孔17，静电场加速电极9和绝缘层13上相互正对且彼此贯通的两个圆孔17为一圆孔对。绝缘层13以及静电场加速电极9间的圆孔对用于供激光束和烧蚀后产生的激光等离子体穿过。在绝缘层13以及静电场加速电极9间开设多对这样的供激光束和烧蚀后产生的激光等离子体穿过的圆孔17，是因为放电时对电磁加速阳、阴极会有烧蚀的现象，如果激光束和烧蚀后产生的激光等离子体长期从固定的一对圆孔17穿过，那么这种电磁加速阳、阴极间的烧蚀现象会更为明显，会影响电磁加速阳、阴极的寿命。因此，为了延长电磁加速阳、阴极的工作时间，可以适时使用不同的圆孔对来供激光束和烧蚀后产生的激光等离子体穿过。

本实施例中，实心圆柱形的电磁加速阴极12的一端伸入空心圆筒形的电磁加速阳极11内部，电磁加速阴极12的另一端穿过绝缘层13、静电场加速电极9、工质7以及工质供给装置8其中心开设的供电磁加速阴极12通过的通孔，电磁加速阴极12与绝缘层13、静电场加速电极9、工质7以及工质供给装置8之间的接触面上包覆有绝缘材料，绝缘材料可以是任意良好的固体绝缘材料。

所述激光系统发射出的聚焦后的激光束从电磁加速阳极11和电磁加速阴极12之间穿过后经绝缘层13以及静电场加速电极9上的一圆孔对穿出，激光束的中心轴线与圆孔对的中心轴线重合，从静电场加速电极9上圆孔17射入的激光束烧蚀与静电场加速电极9平行相对的工质7。静电场加速电源4在工质7和静电场加速电极9之间建立电势差，从而在工质7和静电场加速电极9之间建立静电场以对激光束烧蚀产生的激光等离子体加速，激光烧蚀工质产生的激光等离子体被静电场加速后从同一圆孔对穿过后运动到存在一定电势差的电磁加速阳极11和电磁加速阴极12之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出，从而产生推力。

与图1提供的实施例相同，图2提供的实施例中，其控制系统1的作用是对电源处理系统2、磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件和激光系统进行控制，以按照空间任务的需求来对各个电源的输出电压、激光参数和聚焦后光斑大小、位置进行调节，从而改变推力器的相关推进性能。

电源处理系统2是连接微纳卫星以及磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件中的各个电源(静电场加速电源4、电容充电电源5、磁场线圈电源3)的中介，它的作用是按照控制系统1的指令给各个电源提供所需的电能。

图2中提供的具体实施例，其控制系统1、电源处理系统2、磁场线圈电源3、电容充电电源5、电容单元6、静电场加速电源4、激光系统的连接以及控制方式与图1中提供的具体实施例完全相同，在此不再赘述。

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 (10)

1.一种反射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：包括激光系统、电磁加速电极组件以及静电场组件，所述电磁加速电极组件包括电磁加速电极、电容充电电源以及电容单元，电磁加速电极包括电磁加速阴极和电磁加速阳极，电磁加速阳极和电磁加速阴极平行设置且两者之间保有间距，所述电容充电电源通过导线连接电容单元并给电容单元充电，电容单元的正负端分别通过导线与电磁加速阳极和电磁加速阴极连接，使电磁加速阳极和电磁加速阴极之间存在电势差；所述静电场组件包括静电场加速电极、工质以及静电场加速电源，所述静电场加速电源的正负端分别通过导线连接工质和静电场加速电极，工质与静电场加速电极平行相对设置且两者之间保有间距，静电场加速电源为工质和静电场加速电极通电，在工质和静电场加速电极之间建立电势差，从而在两者之间形成静电场；

所述电磁加速电极的一端由绝缘层包覆密封，所述绝缘层上开设有圆孔，所述绝缘层的外侧设有静电场加速电极，所述静电场加速电极上开设有与绝缘层上圆孔正对且贯通的圆孔；

所述激光系统发射的聚焦后的激光束从电磁加速电极的一端入射后经过位于电磁加速电极另一端的绝缘层以及静电场加速电极上的圆孔穿出，烧蚀与静电场加速电极平行相对的工质；激光束烧蚀工质产生的激光等离子体进入工质和静电场加速电极之间的静电场，被静电场加速后的激光等离子体依次穿过静电场加速电极上的圆孔以及绝缘层上的圆孔运动到电磁加速阳极和电磁加速阴极之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出，从而产生推力。

2.根据权利要求1所述的反射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：还包括磁场线圈组件，所述磁场线圈组件包括磁场线圈以及磁场线圈电源，磁场线圈电源通过导线连接磁场线圈并给磁场线圈充电；所述磁场线圈包覆在电磁加速电极的外侧壁上，在电磁加速电极的电磁加速阳极和电磁加速阴极之间产生外加磁场。

3.根据权利要求2所述的反射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：还包括控制系统以及电源处理系统，控制系统与电源处理系统连接，电源处理系统连接磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件中的各个电源，电源处理系统按照控制系统的指令为磁场线圈电源、电容充电电源以及静电场加速电源提供所需的电能。

4.根据权利要求1、2或3所述的反射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：通过控制系统对电源处理系统的控制能够控制电源处理系统提供给磁场线圈电源的供电电压大小，改变该磁场线圈电源输出的电压大小，从而改变磁场线圈的电流大小，进而改变外加磁场的大小；

通过控制系统对电源处理系统的控制能够控制电容充电电源输出的电压大小，从而改变电容单元充电大小，也即改变电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的电压大小，进而改变放电电流大小；

通过控制系统对电源处理系统的控制能够改变静电场加速电源的输出电压大小，进而改变工质和静电场加速电极之间的电势差，从而改变两者之间静电场的大小。

5.根据权利要求4所述的反射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：所述激光系统包括给推力器输出脉冲激光的脉冲激光器和光束调节系统，所述光束调节系统设置在脉冲激光器的正前方，用于对脉冲激光器发射出的脉冲激光进行聚焦，脉冲激光器、光束调节系统均与控制系统连接，控制系统控制脉冲激光器的工作，且控制系统通过控制光束调节系统进而能够调整脉冲激光束其聚焦后的光斑大小以及聚焦点位置。

6.根据权利要求5所述的反射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：所述激光系统还包括羽流保护装置，羽流保护装置位于光束调节系统和脉冲激光器的正前方，其作用是阻挡推力器产生的羽流，防止光束调节系统和脉冲激光器受到羽流中微粒、气体以及等离子体的污染。

7.根据权利要求6所述的反射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：所述电磁加速阳极和电磁加速阴极为两块平行相对设置的电磁加速阳极板和电磁加速阴极板，磁场线圈将电磁加速阳极和电磁加速阴极包覆在内；电磁加速阳极和电磁加速阴极由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成；电磁加速阳极和电磁加速阴极的形状尺寸相同且平行正对，其形状是矩形、梯形或三角形。

8.根据权利要求7所述的反射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：所述绝缘层上的圆孔开设在绝缘层的中心位置处，静电场加速电极上的圆孔开设在静电场加速电极的中心位置处，圆孔的面积是静电场加速电极面积的1/20以下；磁场线圈的中心轴线、电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的中心轴线、激光系统的中心轴线以及静电场加速电极的中心轴线在一条直线上。

9.根据权利要求6所述的反射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：所述电磁加速阳极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成的空心圆筒形结构，电磁加速阴极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成实心圆柱形结构；电磁加速阴极设置在电磁加速阳极内，磁场线圈包覆在电磁加速阳极的外侧壁上；电磁加速阳极的另一端由圆形的绝缘层完全包覆密封，在电磁加速阳极与电磁加速阴极之间的绝缘层上且以绝缘层的圆心为圆心的圆周上均匀开设有多个圆孔，所述绝缘层的外侧设有圆形的静电场加速电极，所述静电场加速电极上开设有与绝缘层上圆孔等大、等数量、一一正对且贯通的圆孔；静电场加速电极和绝缘层上相互正对且彼此贯通的两个圆孔为一圆孔对；磁场线圈的中心轴线、电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的中心轴线以及静电场加速电极的中心轴线在一条直线上；

所述激光系统发射的聚焦后的激光束从电磁加速阳极和电磁加速阴极之间穿过后经绝缘层以及静电场加速电极上的一圆孔对穿出，烧蚀与静电场加速电极平行相对的工质；激光束烧蚀工质产生的激光等离子体进入工质和静电场加速电极之间的静电场，被静电场加速后的激光等离子体从同一圆孔对穿过并运动到电磁加速阳极和电磁加速阴极之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出，从而产生推力。

10.根据权利要求9所述的反射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：实心圆柱形的电磁加速阴极的一端伸入空心圆筒形的电磁加速阳极内部，电磁加速阴极的另一端穿过绝缘层、静电场加速电极、工质以及工质供给装置其中心开设的供电磁加速阴极穿过并支撑的安装孔，电磁加速阴极与绝缘层、静电场加速电极、工质以及工质供给装置之间的接触面上包覆有固体绝缘材料。