CN111520300B - 一种基于电磁场能不均匀分布的无质损电磁推力器腔体 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于电磁场能不均匀分布的无质损电磁推力器腔体，其包括谐振腔，谐振腔内设有介质材料，所述介质材料的介电常数或磁导率大于真空的介电常数或磁导率，谐振腔的电磁场部分进入介质材料，电磁场能在介质材料内呈现不均匀分布，介质材料受到电磁场的作用后微观结构上能够产生高频机械振荡；该推力器结构不需使用化学燃料和工质气体、无羽流影响、重量轻、使用方便，可以大幅度提高航天器的性能，并可能基于此技术产生新概念航天器。

Description

一种基于电磁场能不均匀分布的无质损电磁推力器腔体
技术领域
本发明属于推力器设计领域，涉及一种基于电磁场能不均匀分布的无质损电磁推力器腔体。
背景技术
电磁推力器是近年来出现的一种新概念推进技术。该技术利用微波在特定结构谐振腔内的不均匀分布产生推力，是一种革命性的新技术，可以大幅度提高航天器的性能，并可能基于此技术产生新概念航天器。中国专利CN201610151427.0涉及了一种基于周期结构的电磁推力器腔体，存在模式隔离度较差的问题，在相近频率范围存在多个谐振模式，易导致模式竞争，工作稳定性较差。谐振腔是电磁推力器的关键部件，在外加微波源激励的条件下，特定形状、特定内部结构的谐振腔内，可以产生空间分布不均匀的电磁场，产生推力，因此，谐振腔的腔型、结构设计，是电磁推力器的关键技术。
目前该领域使用的谐振腔体未填充介质材料，存在推力不稳定的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于电磁场能不均匀分布的电磁推力器腔体，第一次将基于电磁场能不均匀分布的谐振腔应用在电磁推力器领域，解决了目前该类推力器工作不稳定,推力大小波动,甚至方向性变化的问题。
本发明解决的技术方案为：提供了一种基于电磁场能不均匀分布的电磁推力器腔体，该电磁推力器腔体包括谐振腔，所述谐振腔内设有介质材料，所述介质材料的介电常数大于真空的介电常数，所述介质材料的磁导率大于真空的磁导率，谐振腔的部分电磁场进入介质材料，电磁场能在介质材料内呈现不均匀分布，介质材料受到电磁场的作用后微观结构上产生高频机械振荡。
所述介质材料为极性分子材料或者具有极性。
所述介质材料为压电材料或具有压电性能。
所述介质材料为具有电致伸缩性能或磁致伸缩性能。
所述介质材料为聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯或压电陶瓷。
所述谐振腔体内局部空间放置介质材料，且不对称、不均匀布置。
所述介质材料填充至谐振腔体内1/3～1/2空间。
所述谐振腔结构为矩形、梯形、圆柱形、角锥形、球形或椭球形。
所述谐振腔结构的部分壁面使用介质材料。
所述谐振腔结构的部分壁面使用介质材料镀层或者镀膜。
所述谐振腔结构部分壁面使用的介质材料为聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯或压电陶瓷。
所述介质材料镀层或者镀膜厚度为1～3微米。
本发明的有益效果是：
1、将基于电磁场能不均匀分布的谐振腔应用于电磁推力器领域，工作推力稳定，为该领域提供了一种谐振腔实现方式。
2、通过在谐振腔内设置介质材料,优选的，填充至谐振腔体内1/3～1/2空间，可以保障推力器腔体的谐振模式稳定，并获得更大的推力。
附图说明
图1为基于电磁场能不均匀分布的电磁推力器谐振结构示意图；
图2为梯形截面腔体的频率设计原理示意图；
图3为矩形谐振腔结构(未填充介质状态)
图4为矩形谐振腔介质填充实施结构(填充介质状态)
图5A、图5B、图5C为梯形谐振腔设计实施结构(未填充介质状态)
图6A、图6B、图6C为梯形谐振腔介质填充实施结构(填充介质状态)
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示谐振腔结构，其腔体截面结构为矩形，设定Y向为电磁波传输方向，公式(1)为矩形谐振腔的谐振频率，对于腔长为a，宽为b，高为l的矩形谐振腔，未填充介质状态，其TEmnp模式的谐振频率为：
Figure BDA0002433935350000031
其中，f0为未填充介质矩形谐振腔的谐振频率，m为电磁场沿腔长a方向的半周期数，n为电磁场沿腔长b方向的半周期数，p为电磁场沿腔长l方向的半周期数，C为光速。
如图1所示谐振腔结构，在其内部区域全部填充介质后，其谐振频率变化Δf为；
Δf＝(n2-n1)f0 (2)
Figure BDA0002433935350000032
其中，n1和n2为真空和介质的折射率，f0为未填充介质状态该模式的谐振频率，ε1和ε2为真空和介质的介电常数，μ1和μ2为真空和介质的磁导率；
如图1所示谐振腔结构，在其内部区域部分填充介质后，其谐振频率变化Δf为：
Figure BDA0002433935350000033
其中，ε2为介质的介电常数，Vs为填充介质体积，V0为谐振腔内部体积。
如图2所示，设计矩形谐振腔，计算其谐振模式和频率，使用3维有限元电磁场仿真软件(如HFSS)计算。计算过程：在高频电磁场仿真软件HFSS内建立矩形谐振腔的三维电磁场模型，材质边界选用铜等良导体，使用电磁仿真软件的本征模式求解器，将公式(1)以有限元数值计算的方式计算其数值解，可以直接计算得到未填充介质谐振腔的模式分布、品质因数Q、电场分布和磁场分布，根据电磁仿真软件HFSS计算其TE01模式的频率为1.805GHz。
如图3所示，有介质填充矩形谐振腔设计与计算过程为：根据图2所示设计结果基础上，在高频电磁场仿真软件HFSS内建立矩形介质谐振腔的三维电磁场模型，在腔体内安装聚四氟乙烯介质材料(不限于聚四氟乙烯，也可以为其它介质材料)，材质边界选用铜等良导体，将公式(1)、(2)、(3)以有限元数值计算的方式计算其数值解，得到模式分布、其品质因数Q、电场分布和磁场分布，根据电磁仿真软件计算梯形介质谐振腔TE01模式的谐振频率为1.56GHz。
如图4所示，当谐振腔结构截面为梯形时，梯形截面腔体的频率设计原理示意图所示，则梯形腔体的频率设计为：
梯形截面谐振腔在Y向大小为渐变，设计电磁场在Y1处截止，以该处的截止频率f01为谐振腔工作频率，计算公式为(4)和(5)：
Figure BDA0002433935350000041
Figure BDA0002433935350000042
其中，λ0为Y1处的截止波长，f01为Y1处的截止频率，umn为设计参数(该参数为微波谐振腔设计领域公认知识)，C为常数。根据公式(4)和(5)计算出梯形截面的谐振腔在Y1处的所需的截止频率f01后，以该频率为梯形截面谐振腔的设计工作频率。
如图5A、5B、5C和图6A、6B、6C所示，将矩形谐振腔本体和梯形腔体组合起来完成谐振腔设计，可以使用公式(1)(4)及其相关理论计算其谐振模式和频率，使用3维有限元电磁场仿真软件(如HFSS)计算。计算过程：在高频电磁场仿真软件HFSS内建立梯形谐振腔的三维电磁场模型，材质边界选用铜等良导体，使用电磁仿真软件的本征模式求解器，将公式(1)、(4)以有限元数值计算的方式计算其数值解，可以直接计算得到未填充介质谐振腔的模式分布、品质因数Q、电场分布和磁场分布，根据电磁仿真软件HFSS计算其TE01模式的频率为1.49GHz。
介质谐振腔设计：根据上述完成的梯形谐振腔设计，在梯形谐振腔内部分空间填充介质材料，介质材料为聚四氟乙烯(不限于聚四氟乙烯，也可以为高密度聚乙烯、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯、压电陶瓷等相关介质材料)，计算其谐振模式和频率：根据给定微波频率f，及腔体所需谐振模式，具体如下：根据图5的结构尺寸，理论上可以使用公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)及其相关理论计算其谐振模式和频率，一般使用3维有限元电磁场仿真软件(如HFSS)计算。
有介质填充梯形谐振腔计算过程：在高频电磁场仿真软件HFSS内建立梯形介质谐振腔的三维电磁场模型(模型如图6)，材质边界选用铜等良导体，介质材料参数选用聚四氟乙烯，将公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)以有限元数值计算的方式计算其数值解，可以直接得到模式分布、其品质因数Q、电场分布和磁场分布，根据电磁仿真软件计算梯形介质谐振腔TE01模式的频率为1.419GHz。
本发明设计模式可适用于其它形状(包括且不限于矩形、梯形、圆柱形、角锥形、球形、椭球形)及其它介质材料填充的谐振腔设计。
本发明说明书中未作详细描述内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于电磁场能不均匀分布的电磁推力器腔体，其特征在于，该电磁推力器腔体包括谐振腔，所述谐振腔内局部空间设有介质材料，且不对称、不均匀布置，所述介质材料具有极性、压电性能、电致伸缩性能或磁致伸缩性能，所述介质材料的介电常数大于真空的介电常数，所述介质材料的磁导率大于真空的磁导率，谐振腔的部分电磁场进入介质材料，电磁场能在介质材料内呈现不均匀分布，介质材料受到电磁场的作用后微观结构上产生高频机械振荡。
2.根据权利要求1所述的电磁推力器腔体，其特征在于，所述介质材料为聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯或压电陶瓷。
3.根据权利要求1所述的电磁推力器腔体，其特征在于，所述介质材料填充至谐振腔内1/3~1/2空间。
4.根据权利要求1所述的电磁推力器腔体，其特征在于：所述谐振腔结构为矩形、梯形、圆柱形、角锥形、球形或椭球形。
5.根据权利要求1所述的电磁推力器腔体，其特征在于，所述谐振腔结构的部分壁面使用介质材料。
6.根据权利要求1所述的电磁推力器腔体，其特征在于，所述谐振腔结构的部分壁面使用介质材料镀层或者镀膜。
7.根据权利要求5所述的电磁推力器腔体，其特征在于，所述谐振腔结构部分壁面使用的介质材料为聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯或压电陶瓷。
8.根据权利要求6所述的电磁推力器腔体，其特征在于，所述介质材料镀层或者镀膜厚度为1~3微米。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114215710A (zh) * 2021-12-03 2022-03-22 中国空间技术研究院 一种改进的无质损电磁推力器
CN114233593B (zh) * 2021-12-03 2024-05-14 中国空间技术研究院 一种改进设计的无质损电磁推进系统
CN114217138A (zh) * 2021-12-09 2022-03-22 安徽海泰科电子科技有限公司 一种低损耗材料介电参数测试装置、方法
CN114167146A (zh) * 2021-12-09 2022-03-11 安徽海泰科电子科技有限公司 一种低损耗材料介电参数测试方法、系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102800915A (zh) * 2011-06-30 2012-11-28 深圳光启高等理工研究院 一种模式可调的谐振腔
DE102012012169A1 (de) * 2012-06-19 2014-07-03 Alexander Rubinraut Induktionselektroraketenantrieb
CN105781921A (zh) * 2016-03-16 2016-07-20 中国空间技术研究院 一种基于周期结构的电磁推力器腔体
CN109488547A (zh) * 2018-10-26 2019-03-19 中国空间技术研究院 一种基于圆极化分布的电磁推力器及其腔体

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102800915A (zh) * 2011-06-30 2012-11-28 深圳光启高等理工研究院 一种模式可调的谐振腔
DE102012012169A1 (de) * 2012-06-19 2014-07-03 Alexander Rubinraut Induktionselektroraketenantrieb
CN105781921A (zh) * 2016-03-16 2016-07-20 中国空间技术研究院 一种基于周期结构的电磁推力器腔体
CN109488547A (zh) * 2018-10-26 2019-03-19 中国空间技术研究院 一种基于圆极化分布的电磁推力器及其腔体

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