CN108630065B - 脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，属于缓解航天器通信黑障领域。本发明的壳体外表面和等离子体源处在真空室内，壳体内部处在空气中，脉冲磁体和支撑结构位于壳体内部。壳体的端部为法兰且与真空室连接，壳体的腹部通过支撑脚固定到真空室上；磁体支撑结构由杆和支撑块组成，杆将磁体支撑结构装入壳体内部并控制支撑结构的转动，支撑块用于固定脉冲磁体，脉冲磁体随支撑块的转动而转动支撑；脉冲磁体的磁体引线从支撑块中引出连接到真空室外的可控电源上；等离子体源放置在真空室的端部。本发明用于模拟研究脉冲磁场缓解航天器通信黑障的效应，以解决现有缓解通信黑障系统大质量、高功耗、通信可靠性差的问题。

Description

脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置

技术领域

本发明涉及一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，属于缓解航天器通信黑障领域。

背景技术

当航天器(如卫星、宇宙飞船等)以高速返回大气层时，它与地面的通讯通常会在35到80公里的高空范围内严重失效甚至中断，这种通讯中断的现象被称为黑障。航天器再入时速度极高，与大气层发生剧烈的摩擦，产生大量的热。气体与航天器表面材料的分子在高温之中离解和电离，形成等离子体。等离子体不断积累，在航天器表面形成了一层鞘套，等离子体鞘套属于典型的强耗散等离子体，具有高密度(局部可达10¹⁴cm^-3以上)、强碰撞(碰撞频率与等离子体频率相当，～10¹²Hz)、强非均匀和弱电离的特点，它对电磁波具有强烈的反射和吸收作用，严重干扰甚至阻断航天器的正常通信，由此造成了黑障现象。

由于强耗散等离子体的复杂特性，目前的技术不能完全消除黑障，并且现有缓解黑障效应的方法与装置大多处于理论与实验阶段。在实际中，为了减弱黑障效应，一方面，人们通过设计理想的再入体的形状和喷射一些亲电子物质来消除或减弱等离子鞘套。另一方面，人们改善通信和测量的方法和设备，例如增加信号的频率和功率，在等离子体鞘最薄的位置安装天线等。但是这些方法只能缩短信号中断的时间，不能完全解决黑障的问题。此外，人们也提出了一些概念方法如稳态磁窗法、采用交叉电磁场的方法等，依然停留在模拟和实验阶段。

虽然亲电子物质法和稳态磁窗法相对而言较具可行性，但是到工程应用还面临较大的障碍。亲电子物质法需要的工件质量很大，而稳态磁窗法需要稳态磁场，电能需求大，导致航天器的有效载荷减小，这些技术瓶颈限制着它们的进一步应用。为了提高系统的电能利用效率，可使用脉冲磁场替代稳态磁场，利用脉冲磁场磁化电子，实现电磁波通信。为了使这一方法实用化，首先要从实验上模拟研究脉冲磁场对强耗散等离子体的作用以及电磁波在其中的传播规律，因此，本发明提出了一种脉冲磁场调控强耗散等离子体的实验装置，它对缓解航天器通信黑障的研究具有重要意义。尤其是，近年来世界许多国家和地区都在争先恐后地探索临近天空，缓解再入航天器的通信黑障显得更为迫切。此外，本发明涉及强耗散等离子体与电磁波的相互作用，在等离子体隐身、电磁波对等离子体的加热等方面也具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，用于模拟研究脉冲磁场缓解航天器通信黑障的效应，为使用脉冲磁场缓解航天器通信黑障提供技术依据，以解决现有缓解通信黑障系统大质量、高功耗、通信可靠性差的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，所述脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置包括可控电源、脉冲磁体、壳体、磁体引线、磁体支撑结构和等离子体源，壳体外表面和等离子体源处在真空室内，壳体内部处在空气中，脉冲磁体和支撑结构位于壳体内部，壳体的端部是法兰，法兰与真空室连接，壳体的腹部通过支撑脚固定到真空室上；磁体支撑结构由杆和支撑块组成，杆将磁体支撑结构装入壳体内部并控制支撑结构的转动，支撑块用于固定脉冲磁体，脉冲磁体随支撑块的转动而转动支撑；脉冲磁体的磁体引线从支撑块中引出连接到真空室外的可控电源上；等离子体源放置在真空室的端部。

本发明一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，所述壳体为模拟航天器，其结构为圆筒型的中空结构，且头部为锥形。

本发明一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，所述脉冲磁体为类似跑道型结构，由两段平行的导体和两个环状端部导体组成；脉冲磁体的横截面呈拱形，脉冲磁体的导体截面呈矩形，脉冲磁体采用多匝导体绕制。

本发明一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，所述可控电源由多个模块组成，且每个模块由主放电电路、延时触发电路、泄放电路、充电电源和充电电源保护电路组成。

本发明一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，所述可控电源为脉冲电源。

本发明一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，所述充电电源为一个直流电压源。

本发明一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，该装置有益效果是：1)可以使用该装置模拟研究脉冲磁场调控航天器强耗散等离子体鞘套的物理过程，研究电磁波在强耗散等离子体中的传播规律；2)该装置能够为脉冲磁场缓解通信黑障技术提供实验验证，以使该技术实用化，进而缓解航天器的黑障效应，解决现有缓解通信黑障系统大质量、高功耗、通信可靠性差的问题；3)该装置产生的脉冲磁场的位形、大小和平台期时间可以调节，能够用来研究不同磁场调控强耗散等离子体的效果，并且优化脉冲磁场的参数；4)该装置结构简单，并且由于磁场呈脉冲形态，电能利用效率高，该装置体积较小；5)该装置将用来研究强耗散等离子体鞘套与电磁波的相互作用，这将有助于电磁波加热、等离子体隐身等技术的发展。

附图说明

图1为脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置的总体结构示意图。

图2为脉冲平台期时间定义示意图。

图3为壳体(模拟航天器)的侧视图。

图4为壳体(模拟航天器)的主视图。

图5为脉冲磁体及其支撑的主视图。

图6为脉冲磁体的主视图。

图7为脉冲磁体的俯视图。

图8为可控电源模块化总体设计电路示意图。

图9为可控电源延时触发电路示意图。

图10为可控电源泄放电路示意图。

图11为可控电源充电电路示意图。

图中附图标记有：1为可控电源；2为脉冲磁体；3为壳体；4为磁体引线；5为磁体支撑结构；6为等离子体源；7为真空室；1-1为主放电电路；1-2为延时触发电路；1-3为泄放电路；1-4为充电电源；1-5为充电电源保护电路。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例一：如图1所示，本实施例所涉及的一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，包括可控电源、脉冲磁体、壳体、磁体引线、磁体支撑结构和等离子体源，壳体外表面和等离子体源处在真空室内，壳体内部处在空气中，脉冲磁体和支撑结构位于壳体内部，壳体的端部为是法兰，法兰与真空室连接，壳体的腹部通过支撑脚固定到真空室上；磁体支撑结构由杆和支撑块组成，杆将磁体支撑结构装入壳体内部并控制支撑结构的转动，支撑块用于固定脉冲磁体，脉冲磁体随支撑块的转动而转动支撑；脉冲磁体的磁体引线从支撑块中引出连接到真空室外的可控电源上；等离子体源放置在真空室的端部。

壳体的端部是法兰，法兰与真空室连接，使壳体的内部处于大气中，壳体的外表面处于真空环境中。壳体的腹部包含一个支撑脚，用于减轻壳体端部的剪切力，防止由此引起的真空室泄露。脉冲磁体镶嵌在可转动的支撑结构中。磁体支撑结构由杆、支撑块组成，杆用于将支撑结构装入壳体内部，杆也用于转动支撑结构，支撑块用于固定脉冲磁体，脉冲磁体随支撑块的转动而转动，用于调节脉冲磁场的空间分布。

实施例二：如图1、3和4所示，本实施例所涉及的一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，所述壳体为模拟航天器，其结构为圆筒型的中空结构，且头部为锥形。

实施例三：如图1、6和7所示，本实施例所涉及的一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，所述脉冲磁体为类似跑道型结构，由两段平行的导体和两个环状端部导体组成；脉冲磁体的横截面呈拱形，脉冲磁体的导体截面呈矩形，脉冲磁体采用多匝导体绕制。

脉冲磁体的结构类似跑道型结构，由两段平行的导体和两个环状端部导体组成，目的是在壳体表面一段距离上产生均匀的磁场，如图6所示，脉冲磁体的横截面为拱形，如图6和7所知，脉冲磁体的导体截面(即脉冲导体的左视图)为矩形。

实施例四：如图2、8、9和10所示，本实施例所涉及的一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，所述可控电源由多个模块组成，且每个模块由主放电电路、延时触发电路、泄放电路、充电电源和充电电源保护电路组成。

可控电源由多个模块组成，模块数取决于脉冲磁场平台期时间的长度，每个模块由主放电电路、延时触发电路、泄放电路、充电电源保护电路和充电电源组成，可控电源的负载为脉冲磁体，可控电源的输出端并联一个撬棒二极管DS1，可控电源通过磁体引线与负载相连。

主放电电路由电容器、晶闸管、二极管组成，电容器的负端接地，电容器的正端连接晶闸管的阳极，晶闸管的阴极与二极管的阳极相连，二极管的阴极与磁体引线一端连接，磁体引线的另一端与脉冲磁体的一端连接，脉冲磁体的另一端接地；电容器的正端与充电电源保护电路保护二极管二的阴极相连接；电容器的正端与泄放电路的接口连接。晶闸管的触发端连接到延时触发电路。

撬棒二极管DS1的阳极接地，阴极与脉冲磁体的一端连接。

延时触发电路由光隔离电路与驱动电路组成，隔离光隔离电路与驱动电路的信号与功率供电。

充电电源保护电路由保护二极管一D1、保护二极管二D2、限流电阻一R1、限流电阻二R2、充电控制开关K1组成，充电电源保护电路的充电控制开关的一端与充电电源的正极连接，充电开关的另一端与限流电阻一的一端连接，限流电阻一的另一端与保护二极管一的阴极连接，保护二极管一的阳极接地，限流电阻二的一端与保护二极管一的阴极连接，限流电阻二的另一端与保护二极管二的阳极相连。充电电源的负极接地。

泄放电路由泄放电阻一RS1、泄放电阻二RS2和泄放控制开关KA2组成，泄放电阻一的一端与主放电电路电容器的正极相连，泄放电阻一的另一端接地，泄放电阻二的一端与主放电电路电容器的正极相连，泄放电阻二的另一端与泄放控制开关的一端连接，泄放控制开关的另一端接地。

可控电源的输出并联，各模块的主放电电路的电容器并联充电，可控电源的各模块依模块1、模块2、模块3……的顺序触发为脉冲磁体提供电流，触发延时由可控电源的电路参数及脉冲平台期时间的长度决定。

实施例五：如图8和11所示，本实施例所涉及的一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，所述可控电源为脉冲电源。

假设可控电源产生的脉冲电流在脉冲磁体中产生磁场穿透壳体的时间为t，t由脉冲电流上升段的变化率和壳体的材料决定，采用脉冲叠加的方式在脉冲磁体中产生脉冲平台期持续时间>(10ms+t)的电流。

实施例六：如图8所示，本实施例所涉及的一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，所述充电电源为一个直流电压源。

实施例七：如图8、9和10所示，本实施例所涉及的一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，所述的可控电源给脉冲磁体提供电流的过程为：首先通过充电电源对各模块主放电电路的电容器进行充电，然后通过延时触发电路输出驱动各模块主放电电路晶闸管的脉冲串，使得各模块依模块1、模块2、模块3……的顺序延时输出，从而使得各模块的电流依次叠加，实现电源输出电流的平项补偿，在负载脉冲磁体中形成一个在峰值稳定一段时间的脉冲电流。

实施例八：如图1所示，本实施例所涉及的一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，所述的脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置的工作过程为：利用等离子体源喷射等离子体覆盖在壳体的表面，模拟航天器黑障区的强耗散等离子体鞘套，控制可控电源在脉冲磁体上产生具有平台期的脉冲电流。

实施例九：本实施例所涉及的一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，如图1所示为其总体结构图，该装置通过脉冲磁体、可控电源在距离壳体表面～10mm的地方产生一个峰值>2T、脉冲平台期持续时间>10ms的磁场。脉冲磁体的结构如图6和7所示，脉冲磁体工作在脉冲平台期阶段的安匝数为532kA，匝数等于20，电流等于26.6kA，脉冲磁体在距离壳体表面产生的磁场为2.6T>2T。脉冲磁体的等效电阻为 4.24mΩ，等效电感为39.6μH。可控电源为脉冲磁体提供电流，其在脉冲磁体中产生平台期持续时间>(10ms+t)的电流，其中t为可控电源产生的脉冲电流在脉冲磁体中产生的磁场穿透壳体的时间。由ANSYSY Maxwell电磁分析知，t～2ms。可控电源采用模块设计，通过脉冲叠加的方式产生具有平台期的脉冲电流，可控电源模块化总体设计电路图如图8所示。采用12个模块，模块1的电容器参数为电容9.6mF，充电电压2.4kV，模块 1～12的电容器参数相同，均为电容2.4mF，充电电压2.4kV。可控电源的各模块延时输出，各模块的触发延时分别为Td₁＝0，Td₂＝0.96ms，Td_n＝(0.96+1.9×(n-2))ms(n≥2)，其中n表示第n个可控电源模块。可控电源输出的脉冲电流的仿真波形如图9所示，脉冲电流的平台期时间12.1ms，脉冲电流的最小值和最大值分别为27kA和31.4kA。可控电源的泄放电路如图10所示，模块1的泄放电阻二RS2的参数为500kΩ，泄放电阻一RS1的参数为7.5kΩ，模块2～12的泄放电阻二的参数均为2MΩ，泄放电阻一的参数均为7.5kΩ。泄放电阻一可使主放电电路的电容器的电压在6小时之内泄放至安全电压，泄放电阻二可在5分钟内使主放电电路的电容器的电压泄放至安全电压。可控电源的充电电路如图 11所示，限流电阻一R1和限流电阻二R2分别为100Ω，1kΩ，充电电源使用3kV/1k直流电源，在3～4分钟内，可使各电源模块主放电电路电容并联充电至工作电压。

实施例十：如图2所示，本实施例所涉及的一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，本实施方式与具体实施方式九的区别在于通过改变脉冲磁体的线圈的结构、脉冲磁体线圈的安匝数、可控电源各模块主放电电路电容器的电容和充电电压以及可控电源的模块数来改变可控电源输出电流的波形、改变脉冲磁体产生磁场的分布和大小。

实施例十一：如图2所示，本实施例所涉及的一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，本发明基于脉冲磁场法缓解航天器通信黑障效应，该方法具体是在航天器电磁波通信中断的情况下，使用脉冲磁场瞬时磁化等离子体鞘套中的电子，在等离子体鞘套中产生一个电子密度减小的区域，使得电磁波顺利传播，获得一个可供通讯的时间间隔。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，其特征在于，所述脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置包括可控电源(1)、脉冲磁体(2)、壳体(3)、磁体引线(4)、磁体支撑结构(5)、等离子体源(6)和真空室(7)，壳体(3)外表面和等离子体源(6)处在真空室(7)内，壳体(3)内部处在空气中，脉冲磁体(2)和磁体支撑结构(5)位于壳体(3)内部，壳体(3)的端部是法兰，法兰与真空室(7)连接，壳体(3)的腹部通过支撑脚固定到真空室(7)上；磁体支撑结构(5)由杆和支撑块组成，杆将支撑块装入壳体(3)内部并控制支撑块的转动，支撑块用于固定脉冲磁体(2)，脉冲磁体(2)随支撑块的转动而转动支撑；脉冲磁体(2)的磁体引线(4)从支撑块中引出连接到真空室(7)外的可控电源(1)上；等离子体源(6)放置在真空室(7)的端部。

2.根据权利要求1所述的脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，其特征在于，所述壳体(3)为模拟航天器，其结构为圆筒型的中空结构，且头部为锥形。

3.根据权利要求1所述的脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，其特征在于，所述脉冲磁体(2)为跑道型结构，由两段平行的导体和两个环状端部导体组成；脉冲磁体(2)的横截面呈拱形，脉冲磁体(2)的导体截面呈矩形，脉冲磁体(2)采用多匝导体绕制。

4.根据权利要求1所述的脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，其特征在于，所述可控电源(1)由多个模块组成，且每个模块由主放电电路(1-1)、延时触发电路(1-2)、泄放电路(1-3)、充电电源(1-4)和充电电源保护电路(1-5)组成。

5.根据权利要求1或4所述的脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，其特征在于，所述可控电源(1)为脉冲电源。

6.根据权利要求4所述的脉冲磁场调控航天器黑障区强耗散等离子体的实验装置，其特征在于，所述充电电源(1-4)为一个直流电压源。

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