CN111120235B - 一种基于涡轮增压的吸气式电推进装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基于涡轮增压的吸气式电推进装置。该电推进装置包括形成初速腔的碳碳复合材料外壳、形成加速腔的陶瓷外壳、位于初速腔内的等离子体源、安装在碳碳复合材料外壳前端的涡轮、均匀缠绕在陶瓷外壳外围的若干个电磁线圈。本申请实现了中性气体的高速排出，避免了中性大气的电离能损失，极大提升了电推进装置的能量利用效率，同时克服了推进剂工质类型的制约，拓宽了推力器的适用范围；另一方面，也提升了电推进装置的可靠性和中性气体加速的有效性，排出的中性羽流不会对飞行器产生影响，提高航天器的安全性。

Description

一种基于涡轮增压的吸气式电推进装置
技术领域
本申请涉及航天空间电推进技术领域，具体而言，涉及一种基于涡轮增压的吸气式电推进装置。
背景技术
电推进是利用电能将工质电离产生等离子体，并通过静电场或电磁场加速等离子体高速排出，产生反推力。由于需要克服不同工质类型及电离能损失(气体电离是主要能量损失机制，例如产生一个氙离子损失的电离能为50eV～100ev)，导致电推进的效率偏低，制约推力器性能的大幅提升。同时，当前的电推进主要采用静电场加速的方式，存在电极(电极腐蚀)，导致无法采用多种类型的推进剂，限制了电推进的应用领域。开展地球超低空和深空探测原位资源利用等重大空间任务需要高效率和多类型推进剂电推进的动力支持，所以设计一种可行方案是亟待解决的问题。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种基于涡轮增压的吸气式电推进装置，以解决现有技术中电推进应用领域受限、效率低等问题。
实现上述目的，本申请实施例提供了一种基于涡轮增压的吸气式电推进装置，包括形成初速腔的碳碳复合材料外壳、形成加速腔的陶瓷外壳、位于初速腔内的等离子体源、安装在碳碳复合材料外壳前端的涡轮、均匀缠绕在陶瓷外壳外围的若干个电磁线圈，其中：
碳碳复合材料外壳末端固定衔接陶瓷外壳；
等离子体源通过设有通孔的隔离垫与碳碳复合材料外壳的末端固定连接，等离子体源与碳碳复合材料外壳之间形成流线型进气道；隔离垫上安装用于控制气体流量的流量控制阀。
可选的，还包括用于固定碳碳复合材料外壳和陶瓷外壳的支撑件。
可选的，等离子体源为磁闭合结构且其内外磁场方向相反，等离子体呈准中性并约束于等离子团内部，中心等离子体密度最高且磁场最小。
可选的，碳碳复合材料外壳前端收缩形成初速腔入口，涡轮安装在初速腔入口上。
可选的，陶瓷外壳后端收缩形成加速腔出口。
可选的，电磁线圈沿加速腔出口方向的环向半径逐渐减小，匝数也逐渐减少。
可选的，流量控制阀为MEMS控制阀。
可选的，隔离垫为陶瓷变形隔离垫。
可选的，支撑件包括第一支撑件和第二支撑件，第一支撑件与第二支撑件均中间成孔分别固定初速腔入口和加速腔出口。
可选的，支撑件由合金制成。
在本申请实施例提供的基于涡轮增压的吸气式电推进装置，大气通过与等离子体团碰撞这种非电离动量交换的方式获得初速，通过电磁线圈的作用获得加速，实现了中性气体的高速排出，避免了中性大气的电离能损失，极大提升了电推进装置的能量利用效率，同时克服了推进剂工质类型的制约，拓宽了推力器的适用范围；另一方面，也提升了电推进装置的可靠性和中性气体加速的有效性，排出的中性羽流不会对飞行器产生影响，提高航天器的安全性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的一种基于涡轮增压的吸气式电推进装置的结构示意图(一)；
图2是根据本申请实施的一种基于涡轮增压的吸气式电推进装置的结构示意图(二)。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“设置”、“连接”、“设有”、“连通”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
参见图1与图2，本发明实施例的一种基于涡轮增压的吸气式电推进装置，包括形成初速腔的碳碳复合材料外壳1、形成加速腔的陶瓷外壳2、位于初速腔内的等离子体源3、安装在碳碳复合材料外壳1前端的涡轮4、均匀缠绕在陶瓷外壳2外围的若干个电磁线圈5，其中：碳碳复合材料外壳1末端固定衔接陶瓷外壳2；等离子体源3通过设有通孔的隔离垫6与碳碳复合材料外壳1的末端固定连接，等离子体源3与碳碳复合材料外壳1之间形成流线型进气道；隔离垫6上安装用于控制气体流量的流量控制阀。本实施例中的碳碳复合材料外壳1和陶瓷外壳2之间紧密衔接，构成一个整体，等离子体源3通过隔离垫6与碳碳复合材料外壳1也构成一个整体。
可选的，等离子体源为磁闭合结构且其内外磁场方向相反，等离子体呈准中性并约束于等离子体团内部，中心等离子体密度最高且磁场最小。本发明实施例采用独特的磁闭合等离子体团，使电推进装置不受推进剂的制约，满足多类型推进剂电推进的技术需求。
可选的，本发明实施例的基于涡轮增压的吸气式电推进装置还包括用于固定碳碳复合材料外壳1和陶瓷外壳2的支撑件7。支撑件7用于支撑和固定整个电推进装置，其优选材质为高强度的合金材料。结合碳碳复合材料外壳1和陶瓷外壳2的外形，本实施例中的支撑件7包括第一支撑件701和第二支撑件702，第一支撑件701与第二支撑件702均中间成孔分别固定初速腔入口和加速腔出口。
可选的，碳碳复合材料外壳1前端收缩形成初速腔入口，涡轮4安装在初速腔入口上。涡轮4用于收集和压缩大气，使得大气通过流线型进气道进入陶瓷外壳2内。本实施例中初速腔入口的内径与涡轮4的外围尺寸相匹配，以达到更好的气体收集及压缩的目的。
可选的，陶瓷外壳2后端收缩形成加速腔出口。缠绕在陶瓷外壳2外围的若干电磁线圈5根据陶瓷外壳2后端收缩的形状，其环向半径应当逐渐减小，同时，本实施例中的电磁线圈5沿加速腔出口方向的匝数也逐渐减少。本实施例中的电磁线圈5均匀绕制在陶瓷外壳2的外围，产生径向和轴向的磁场，进一步约束和加速等离子体团。本实施例中的电磁线圈5可由高温励磁导线绕制而成，也可由本领域技术人员自行设计实现，此处不做赘述。
可选的，流量控制阀为MEMS控制阀。流量控制阀用于对大气流量的控制，MEMS全称为“Micro-Electro-Mechanical System”，中文名称为“微机电系统”，MEMS器件具备体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短等诸多优点，被广泛运用于航空航天技术中。
可选的，隔离垫为陶瓷变形隔离垫，陶瓷变形隔离垫用于防止等离子体源3和碳碳复合材料外壳1、陶瓷外壳2发生形变，从而造成电推进装置的结构出现损伤。
大气中的中性气体原子通过涡轮4吸入碳碳复合材料外壳1内的流线型进气道，与流量控制阀相互配合的作用下，在等离子体源3中产生等离子体团的瞬间将大气注入陶瓷外壳2形成的加速腔中，大气与等离子体团通过碰撞动量交换，中性大气获得高速初速。与此同时，电磁线圈5触发并在陶瓷外壳2内部形成沿径向Br和轴向Bz的磁场，等离子体团内的电流Jθ和电磁线圈5产生的径向Br磁场耦合相互作用产生轴向的电磁洛伦兹力Fz，Fz进一步加速等离子体团，同时等离子体团再次将动能传递给中性气体，两者在Fz的作用下高速喷出，产生反推力。其中Bz用于进一步保持等离子体团结构的稳定性。因此，总体上一个电离的离子可用于多个中性气体原子/分子的加速。然而理想情况下，为了兼顾高比中特性，一个电离/激发的离子用于加速一个中性气体原子为宜，减少了一般气体电离能的损失。
本发明实施例的基于涡轮增压的吸气式电推进装置，大气通过与等离子体团碰撞这种非电离动量交换的方式获得初速，通过电磁线圈的作用获得加速，实现了中性气体的高速排出，避免了中性大气的电离能损失，极大提升了电推进装置的能量利用效率，同时克服了推进剂工质类型的制约，拓宽了推力器的适用范围；另一方面，也提升了电推进装置的可靠性和中性气体加速的有效性，排出的中性羽流不会对飞行器产生影响，提高航天器的安全性。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于涡轮增压的吸气式电推进装置，其特征在于，包括形成初速腔的碳碳复合材料外壳(1)、形成加速腔的陶瓷外壳(2)、位于所述初速腔内的等离子体源(3)、安装在所述碳碳复合材料外壳(1)前端的涡轮(4)、均匀缠绕在所述陶瓷外壳(2)外围的若干个电磁线圈(5)，其中：
所述碳碳复合材料外壳(1)末端固定衔接所述陶瓷外壳(2)；
所述等离子体源(3)通过设有通孔的隔离垫(6)与所述碳碳复合材料外壳(1)的末端固定连接，所述等离子体源(3)与所述碳碳复合材料外壳(1)之间形成流线型进气道；所述隔离垫(6)上安装用于控制气体流量的流量控制阀。
2.根据权利要求1所述的基于涡轮增压的吸气式电推进装置，其特征在于，还包括用于固定所述碳碳复合材料外壳(1)和所述陶瓷外壳(2)的支撑件(7)。
3.根据权利要求1所述的基于涡轮增压的吸气式电推进装置，其特征在于，所述等离子体源(3)为磁闭合结构且其内外磁场方向相反，等离子体呈准中性并约束于等离子团内部，中心等离子体密度最高且磁场最小。
4.根据权利要求1所述的基于涡轮增压的吸气式电推进装置，其特征在于，所述碳碳复合材料外壳(1)前端收缩形成初速腔入口，所述涡轮(4)安装在所述初速腔入口上。
5.根据权利要求1所述的基于涡轮增压的吸气式电推进装置，其特征在于，所述陶瓷外壳(2)后端收缩形成加速腔出口。
6.根据权利要求5所述的基于涡轮增压的吸气式电推进装置，其特征在于，所述电磁线圈(5)沿所述加速腔出口方向的环向半径逐渐减小，匝数也逐渐减少。
7.根据权利要求1所述的基于涡轮增压的吸气式电推进装置，其特征在于，所述流量控制阀为MEMS控制阀。
8.根据权利要求1所述的基于涡轮增压的吸气式电推进装置，其特征在于，所述隔离垫(6)为陶瓷变形隔离垫。
9.根据权利要求2所述的基于涡轮增压的吸气式电推进装置，其特征在于，所述支撑件(7)包括第一支撑件(701)和第二支撑件(702)，所述第一支撑件(701)与所述第二支撑件(702)均中间成孔分别固定所述初速腔入口和所述加速腔出口。
10.根据权利要求2所述的基于涡轮增压的吸气式电推进装置，其特征在于，所述支撑件(7)由合金制成。
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