CN111997853A - 一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器 - Google Patents

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杨鑫
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches

Abstract

本发明公开了一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，包括集气漏斗、流量调节阀、放电管、高压天线、低压天线、屏蔽系统、羽流喷嘴和电源系统；采用吸气式设计,在临近空间任务中，无需携带放电工质，集气漏斗置于推进器的前端，用于收集工作区域的气体作为工质；通过流量调节阀门控制进气流量，放电工质经过管道进入放电管内；工作气体进入放电管内被高压天线与低压天线内的射频场电离激发产生射流等离子体，‑‑在该装置外设计了屏蔽系统，用于防止推进器内部的射频信号泄露，同时防止外部干扰影响推进器的正常运行，且能用于安装固定推进器。

Description

一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器
技术领域
本发明属于等离子体推进(或电推进)技术领域，特别是设计了一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，可在介于传统的航天领域和航空领域之间的临近空间环境工作。
背景技术
距离地面20～100公里的临近空间作为科技与军事应用的新空间，将成为未来飞行器的长期驻留地，一直是各国关注和竞相发展的热点领域。电推进器作为未来飞行器推进系统的发展方向，是世界各国都在大力发展的核心关键技术。电推进相比传统的化学推进具有高比冲、高效率等优势。目前主流的电推进技术包括霍尔电推进器、离子推进器、磁等离子体推进器等。已有电推进方式的工作气压极低，仅适于太空环境，并不能满足大气层内飞行器推进的需要。目前使用的电推进技术采用自带储气并通过等离子体电离喷出，推进器的服役寿命一定程度受限于工质的储存数量。为摆脱电推进器对工质的依赖，目前国外开展吸气式推进器，如ISAS提出了吸气式离子推力器，与传统的氙离子推进器相比，该推进器可飞行于150km的轨道，每年节省约200kg推进剂。国外研究表明，离子推进器和霍尔推进器具有用于临近空间轨道的可能性，但是其推功比很小。另外，霍尔推力器和离子推力器等电推进技术只能在高真空环境下工作，很难用于阻力很大的临近空间环境。
发明内容
鉴于电推进技术在临近空间的应用需求，本发明提出了一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器。本发明的推进器具有以下优点：1.工作气压范围宽，可用于临近空间不同高度的推进任务；2.等离子体参数较高，密度可达1018m-3量级，具有较高的比冲；3.可适用不同气体放电，对放电气体无限制；4.自吸式结构设计，无需携带储存工质，降低工作成本；5.结构简单，具有良好的经济性；6.无加速栅极，等离子体与电极不接触，无电极刻蚀问题，前后贯通，无气流阻挡机构；7.长时间稳定放电，没有明显的热问题，不需冷却装置；8.无磁体设计，质量较轻，可有效降低发射成本。
为实现上述目的，本发明提出一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，包括集气漏斗、流量调节阀、放电管、高压天线、低压天线、屏蔽系统、羽流喷嘴和电源系统；
该推进器采用吸气式设计,在临近空间任务中，无需携带放电工质，集气漏斗置于推进器的前端，用于收集工作区域的气体作为工质；通过流量调节阀门控制进气流量，放电工质经过管道进入放电管内；高压天线与低压天线固定在放电管上并分别接入电源的高压端和低压端；工作气体进入放电管内被高压天线与低压天线内的射频场电离激发产生射流等离子体，等离子体在天线电场作用下加速喷出；在该装置外设置有屏蔽系统，用于防止推进器内部的射频信号泄露，同时防止外部干扰影响推进器的正常运行，且能用于安装固定推进器。
进一步的，该推进器的工作气压范围为0.01～6500Pa，能对空气中的多种气体稳定放电，所述多种气体包括氧、氮、氢。
进一步的，系统采用吸气式送气系统，无需单独携带放电工质；在等离子体放电过程中，为防止外界信号对推进系统射频输入的干扰，同时为避免天线馈入的射频波泄露，在该装置外设计了屏蔽系统；并在屏蔽系统的外壳上设有安装定位部件，利于推进器装置在使用过程中与其他部件的安装配合。
进一步的，稀薄空气通过集气漏斗进入放电管内，在高压天线和低压天线之间综合利用感应耦合效应、容性耦合效应和磁镜效应电离空气产生高密度等离子体,并利用两段天线之间的轴向电压差加速等离子体形成稳定射流，进而产生反向推力。
进一步的，该推进器采用双天线结构设计，即高压天线、低压天线，天线的匝数和尺寸根据工况进行调整；所述高压天线、低压天线为两段螺旋管天线，将高压天线、低压天线高压轴向分开预定距离5～15cm连续可调；高压天线接射频电源的高压端、低压天线接接射频电源的低压端，高压端接入1千～10千伏特电压；低压端与装置主机外壳相连，电位大小由装置悬浮电位决定，为0～100伏特范围，综合利用感应耦合效应、容性耦合效应和磁镜效应电离空气产生高密度等离子体，并利用两段天线之间的轴向电压差加速等离子体形成稳定高速射流，进而产生反向推力；所述高密度等离子体密度达到1018m-3量级。
进一步的，高密度射流等离子体能维持长期持续稳定放电，没有明显的热问题，无电极烧蚀问题，不需要冷却装置。
进一步的，无加速栅极，等离子体与电极不接触，前后贯通，无气流阻挡机构。
进一步的，放电产生的等离子体经过羽流喷嘴喷射出去形成反向推力，羽流喷嘴为陶瓷或金属材质。
进一步的，电源为射频电源。
进一步的，无需磁场约束，等离子体产生和加速均不依赖磁场。
本发明的优点主要在于：
1、等离子体放电气压范围宽，对放电气体无限制，可应用于临近空间不同高度的推进任务。
2、采用感性与容性耦合放电，产生的射流等离子体密度较高。等离子体在天线电场下电离，具有较高的电离率，产生的等离子体在天线之间的电场作用下加速可获得较高比冲。
3、自吸式结构设计，无工质存储系统，降低发射成本。
4、采用射频天线结构，无阴极烧蚀问题。
5、无磁体设计，结构简单，操作方便。
6、无加速栅极，等离子体与电极不接触，前后贯通，无气流阻挡机构。
7、长时间稳态放电，没有明显的热问题，不需冷却装置。利用太阳能供电，理论上可实现无限工作。
附图说明
图1是本发明一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器结构示意图。
附图标记说明：1.集气漏斗、2.流量调节阀、3.高压天线、4.低压天线、5.屏蔽系统、6.放电管、7.羽流喷嘴、8.电源系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，包括1.集气漏斗、2.流量调节阀、3.高压天线、4.低压天线、5.屏蔽系统、6.放电管、7.羽流喷嘴、8.电源系统。
采用吸气式设计,在临近空间任务中，无需携带放电工质，集气漏斗置于推进器的前端，用于收集工作区域的气体作为工质；通过流量调节阀门控制进气流量，放电工质经过管道进入放电管内；工作气体进入放电管内被高压天线与低压天线内的射频场电离激发产生射流等离子体，等离子体在天线之间的电场作用下加速喷出；在该装置外设计了屏蔽系统，用于防止推进器内部的射频信号泄露，同时防止外部干扰影响推进器的正常运行，且能用于安装固定推进器。
在本实施例中：
1、集气漏斗用于收集空气中的氮气和氧气等气体，通过法兰与放电管连接，金属或非金属材质均可。如具有一定强度的航空金属如镁铝合金等可作为集气漏斗的主材质。
2、流量调节阀用于调节进气流量0～10标准升每分钟，控制气体流速。调节范围根据飞行任务调整。
3、放电管为石英材质，直径为50mm,长度为600mm。可根据工况对放电管尺寸进行调整。
4、高压天线和低压天线材质为高导电性能材质，如无氧铜，线圈匝数可调。高压天线与低压天线轴线分开一定距离，且天线之间距离可调。
5、屏蔽系统采用低密度金属材质如金属铝。为防止外界信号对推进系统射频输入的干扰，同时为避免天线馈入的射频波泄露，在该装置外设计了屏蔽系统。在屏蔽外壳上设有安装定位部件，可利于推进器装置在使用过程中与其他部件的安装配合。
6、羽流喷嘴为陶瓷或金属材质，具有一定的抗刻蚀作用，用于等离子体的加速喷出。
7、射频电源系统为推进器提供电能，常用13.56MHz射频输入供电，但不限于该频率。
本实施案例的放电原理为：该类型射频等离子体采用双天线激发等离子体，综合利用感应耦合效应、容性耦合效应和磁镜效应电离空气产生高密度等离子体，并利用两段天线之间的轴向电压差加速等离子体形成稳定高速射流，进而产生反向推力。该装置获得等离子体密度可达到1018m-3量级，放电气压为0.01～6500Pa，且气压越低获得等离子体参数越高，等离子体在天线电场作用下加速产生射流，可获得较高比冲。该类型的推进器无阴极烧蚀问题，在临近空间下可实现稳态工作。
在临近空间任务中，无需携带气体。稀薄空气通过集气漏斗进入装置，通过流量调节阀门控制进气流量；该推进器采用双天线结构设计，即高压天线、低压天线，天线的匝数和尺寸根据工况进行调整；所述高压天线、低压天线为两段螺旋管天线，将高压天线、低压天线高压轴向分开预定距离5～15cm连续可调；高压天线接射频电源的高压端、低压天线接接射频电源的低压端，高压端接入1千～10千伏特电压；低压端与装置主机外壳相连，电位大小由装置悬浮电位决定，为0～100伏特范围，综合利用感应耦合效应、容性耦合效应和磁镜效应电离空气产生高密度等离子体，并利用两段天线之间的轴向电压差加速等离子体形成稳定高速射流，进而产生反向推力。在等离子体放电过程中，为防止外界信号对推进系统射频输入的干扰，同时为避免天线馈入的射频波泄露，在该装置外设计了屏蔽系统。在屏蔽外壳上设有安装定位部件，可利于推进器装置在使用过程中与其他部件的安装配合。该类型的等离子体具有对放电对工质无要求、放电气压范围宽、无电极烧蚀等优势，可在临近空间下长时间稳态工作。
本发明的优点主要在于：
1、等离子体放电气压范围宽，对放电气体无限制，可应用于临近空间不同高度的推进任务。
2、采用感性与容性耦合放电，产生的射流等离子体密度较高。等离子体在天线电场下电离，具有较高的电离率，产生的等离子体在天线之间的电场作用下加速可获得较高比冲。
3、自吸式结构设计，无工质存储系统，降低发射成本。
4、采用射频天线结构，无阴极烧蚀问题。
5、无磁体设计，结构简单，操作方便。
6、无加速栅极，等离子体与电极不接触，前后贯通，无气流阻挡机构。
长时间稳态放电，没有明显的热问题，不需冷却装置。利用太阳能供电，理论上可实现无限工作。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，其特征在于：包括集气漏斗、流量调节阀、放电管、高压天线、低压天线、屏蔽系统、羽流喷嘴和电源系统；
该推进器采用吸气式设计，在临近空间任务中，无需携带放电工质，集气漏斗置于推进器的前端，用于收集工作区域的气体作为工质；通过流量调节阀门控制进气流量，放电工质经过管道进入放电管内；高压天线与低压天线固定在放电管上并分别接入电源的高压端和低压端；工作气体进入放电管内被高压天线与低压天线内的射频场电离激发产生射流等离子体，在该装置外设置有屏蔽系统，用于防止推进器内部的射频信号泄露，同时防止外部干扰影响推进器的正常运行，且能用于安装固定推进器。
2.根据权利要求1所述的一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，其特征在于：该推进器的工作气压范围为0.01～6500Pa，能对空气中的多种气体稳定放电，所述多种气体包括氧、氮、氢。
3.根据权利要求1所述的一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，其特征在于：该推进器系统采用吸气式送气系统，无需单独携带放电工质；在等离子体放电过程中，为防止外界信号对推进系统射频输入的干扰，同时为避免天线馈入的射频波泄露，在该装置外设计了屏蔽系统；并在屏蔽系统的外壳上设有安装定位部件，利于推进器装置在使用过程中与其他部件的安装配合。
4.根据权利要求1所述的一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，其特征在于：该推进器稀薄空气通过集气漏斗进入放电管内，在高压天线和低压天线之间综合利用感应耦合效应、容性耦合效应和磁镜效应电离空气产生高密度等离子体，并利用两段天线之间的轴向电压差加速等离子体形成稳定射流，进而产生反向推力。
5.根据权利要求1所述的一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，其特征在于：该推进器采用双天线结构设计，即高压天线、低压天线，天线的匝数和尺寸根据工况进行调整；所述高压天线、低压天线为两段螺旋管天线，将高压天线、低压天线高压轴向分开预定距离，5～15cm连续可调；高压天线接射频电源的高压端、低压天线接接射频电源的低压端；高压端接入1千～10千伏特电压；低压端与装置主机外壳相连，电位大小由装置悬浮电位决定，为0～100伏特范围，综合利用感应耦合效应、容性耦合效应和磁镜效应电离空气产生高密度等离子体，并利用两段天线之间的轴向电压差加速等离子体形成稳定高速射流，进而产生反向推力；所述高密度等离子体密度达到1018m-3量级。
6.根据权利要求1所述的一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，其特征在于：该推进器高密度射流等离子体能维持长期持续稳定放电，没有明显的热问题，无电极烧蚀问题，不需要冷却装置。
7.根据权利要求1所述的一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，其特征在于：该推进器中等离子体在天线之间的电场作用下加速，无需加速栅极，等离子体与电极不接触，前后贯通，无气流阻挡机构。
8.根据权利要求1所述的一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，其特征在于：该推进器放电产生的等离子体经过羽流喷嘴喷射出去形成反向推力，羽流喷嘴为陶瓷或金属材质。
9.根据权利要求1所述的一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，其特征在于：该推进器等离子体的产生依靠射频电场激发，系统电源输入为射频电源。
10.根据权利要求1所述的一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，其特征在于：该推进器无需磁场约束，等离子体产生和加速均不依赖磁场。
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