CN115142983A - 一种基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于化‑电深度融合的航天器混合动力推力器，包括推力器本体、化学推进系统和电推进系统；推力器本体包括燃烧室、喷注器和喷管；化学推进系统包括化学推进剂贮箱、化学推进剂喷嘴和推进剂催化网；电推进系统包括电推进剂贮箱、电推进工质喷嘴、空心阴极、磁环、屏栅极和加速栅极；空心阴极同轴插设在喷注器的中心；推进剂催化网内置在燃烧室中，且前后两侧分别设置屏栅极和加速栅极，从而形成催化栅极网；磁环套设在位于屏栅极和喷注器之间的燃烧室外壁面上。本发明有效结合化学推进和电推进的优点，使航天器能够兼顾高比冲、大推力、长寿命等要求。

Description

一种基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器

技术领域

本发明涉及航天器姿轨控推力器装置，特别是一种基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器。

背景技术

随着航天技术的迅速发展，空间任务变得愈加多样化，以航天器轨道转移、位置保持、深空探测、载人航天等为代表的空间任务对航天器推进系统有着高比冲、大推力、长寿命等各种要求，但是现有的推进方式主要是化学推进和电推进，两者面对多样性任务都有着不可忽视的缺点，具体表现为：化学推进虽然推力在牛级以上，但是比冲较低，导致航天器难以长期在轨运行；电推进的推力大都处于毫牛甚至微牛级，难以实现快速变轨等任务需求。

为此，需要发展一种新型航天器推进装置及其系统，以兼顾空间多种推进需求，服务未来航天任务。依据航天器化学推进和电推进的特点，若能将两者优点进行结合，形成一种化-电混合式推进装置，将为航天器姿轨控技术领域带来革命性变化。本发明正是针对这一考虑，设计了一种新概念航天器混合动力推力器，在需要大推力迅速机动时，该推力器可以运行在化学模式；在需要高比冲高精度推进以维持航天器在轨工作时，则可以运行在电推进模式。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器，该基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器结合化学推进和电推进的优点，使航天器能够兼顾高比冲、大推力、长寿命等要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器，包括推力器本体、化学推进系统和电推进系统。

推力器本体包括燃烧室、同轴密封盖合在燃烧室头部的喷注器、以及同轴设置在燃烧室尾部的喷管。

化学推进系统包括化学推进剂贮箱、化学推进剂喷嘴和推进剂催化网。

化学推进剂喷嘴沿周向均布在喷注器中，且每个化学推进剂喷嘴均与化学推进剂贮箱相连接；推进剂催化网同轴内置在燃烧室中。

电推进系统包括电推进剂贮箱、电推进工质喷嘴、空心阴极、磁环、屏栅极和加速栅极。

电推进工质喷嘴沿周向均布在喷注器中，且每个电推进工质喷嘴均与电推进剂贮箱相连接。

空心阴极同轴插设在喷注器的中心。

屏栅极设置在朝向喷注器一侧的推进剂催化网上；加速栅极设置在朝向喷管一侧的推进剂催化网上；屏栅极、推进剂催化网和加速栅极共同构成催化栅极网。

磁环同轴套设在位于屏栅极和喷注器之间的燃烧室外壁面上。

电推进系统还包括中和器，中和器的出口朝向喷管尾部。

在屏栅极和喷注器之间的燃烧室外壁面上同轴且等距布设有若干个环状凹槽，每个环状凹槽内嵌设一个所述磁环。

推进剂催化网包括从内至外依次同轴设置的催化网A和催化网B；其中，催化网A的孔隙率不小于催化网B的孔隙率；化学推进剂喷嘴对应催化网B，电推进工质喷嘴对应催化网A。

屏栅极和加速栅极分别设置在催化网A的上游侧和下游侧。

屏栅极的孔径大于加速栅极的孔径。

还包括电控系统，电控系统包括计算机和电池；计算机分别与推力器本体、化学推进系统、电推进系统和电池相连接，电池能对航天器混合动力推力器的用电组件进行供电。

推进剂催化网的材质为耐高温金属，推进剂催化网与屏栅极和加速栅极之间均设置有绝缘材料层。

电推进剂贮箱与电推进工质喷嘴之间的连接管路上依次布设有电推进单向阀和电推进电磁阀。

化学推进剂贮箱与化学推进剂喷嘴之间的连接管路上依次布设有化学推进单向阀和化学推进电磁阀。

推力器本体具有化学推进模式和电推进模式。

当推力器本体运行在化学推进模式时，化学推进剂贮箱中的化学推进剂通过化学推进剂喷嘴进入燃烧室内，在推进剂催化网的催化作用下，被分解释热，分解后产物经喷管喷出，从而对推力器本体产生推力。

当推力器本体运行在电推进模式时，电推进剂贮箱中的电推进工质通过电推进工质喷嘴进入燃烧室内；与此同时，空心阴极、屏栅极和加速栅极均通电，电子从空心阴极发出，射向屏栅极，在磁环的磁场作用下，电子呈螺旋状前进，在燃烧室中激发电推进工质产生带正电的等离子体；带正电等离子体在加速栅极作用下，从喷管加速喷出产生推力。

本发明具有如下有益效果：

1、化学推进与电推进的深度融合，给航天器的姿轨控系统的发展展现了一条新的道路，其不仅可以应用与深空探测的长期航行，在近地飞行器或空间站任务中将会扮演重要角色。

2、若在一个航天器上分别配装化学推进系统和电推进系统，其与本发明提出的混合推进系统相比，在外观体积上增加了约一个电推进系统整体体积，质量上增加了一个电推进系统推力室外壁质量。因此将电推进推力器与化学推进推进器结合起来，共用一个推力室，可大大减小航天器推力系统的质量和体积，在实现相同化学推进与电推进混合推进的同时，可以提高有效载荷质量和占有空间。

3、两种推力装置能按照实际工况灵活调整，根据不同的任务需求在化学/电推进模式间灵活切换，增加姿轨控系统调整的灵活性，减少化学推进剂的非必要使用，增加航天器寿命。

4、本发明能够促进电推进与化学推进的领域间交流，促使化-电结合推进系统的发展，为航天器推进系统的发展提供舞台。

附图说明

图1显示了本发明一种基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器的结构示意图。

图2显示了本发明中安装有喷注器和磁环后的燃烧室的结构示意图。

图3显示了本发明中的喷管的结构示意图。

图4显示了本发明中催化剂栅网的放大结构示意图。

其中有：

10.燃烧室；11.环状凹槽；

20.喷注器；

30.喷管；

41.电推进剂贮箱；41a.电推进电磁阀；41b.电推进单向阀；

42.电推进工质喷嘴；43.空心阴极；44.磁环；45.屏栅极；46.加速栅极；47.中和器；

51.化学推进剂贮箱；51a.化学推进电磁阀；51b.化学推进单向阀；

52.化学推进剂喷嘴；53.催化剂栅网；53a.催化网A；53b.催化网B。

61.电池；62.计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器，包括推力器本体、化学推进系统、电推进系统和电控系统。

推力器本体包括燃烧室10、喷注器20和喷管30。

燃烧室优选为如图2所示的圆柱体结构，在圆柱体外壁面上优选同轴且等距布设有若干个环状凹槽11；进一步，环状凹槽的数量优选为三个。

喷注器同轴密封盖合在燃烧室的头部，优选具有中心孔和均匀布设在中心孔外周的若干个喷嘴安装孔。

喷管同轴设置在燃烧室尾部，优选为如图3所示的拉瓦尔喷管。

化学推进系统包括化学推进剂贮箱51、化学推进剂喷嘴52和推进剂催化网53。

化学推进剂喷嘴沿周向均布在喷注器的喷嘴安装孔中，且每个化学推进剂喷嘴均与化学推进剂贮箱相连接，其连接管路上优选依次布设有化学推进电磁阀51a和化学推进单向阀51b。

推进剂催化网同轴内置在燃烧室中，作用是将推进剂催化分解为高温的气体工质，产生热能。推进剂催化网优选采用耐高温金属丝编织压缩而成，能够使催化剂床的体积减小，并且对推进剂释热反应产生的振动不敏感，具有较长寿命。

推进剂催化网的催化作用是将推进剂催化分解为高温的气体工质，产生热能。

对于单组元化学推进模式，根据催化床流阻的经验公式可知，对于给定的推力室模型，其催化网长、分解物气体比容、雷诺数已知，入口压力与床载荷可有推力室前端节流阀、气蚀管等元器件控制。由于本催化栅极网采用金属丝编织形成的空间网状结构，其比表面积随床孔隙率增大而减小，催化床流阻与孔隙率呈负相关。而床流阻对单组元推进剂催化分解有重要意义，若流阻太小，推力室工作会出现不稳定，室压粗糙度度增大；床流阻增加，则推力室抗干扰能力增大。但是，床流阻增加，会导致催化剂损耗增加，发动机的工作寿命将缩短。并且流阻增大，为使发动机达到额定推力，需要额外增加推力室入口压力，为推力系统设计增加难度，还有可能造成系统质量增加。

对于电推进模式，催化床对于带点离子的流阻主要体现在催化网对带电离子的碰撞吸收效应。带电离子进入催化栅极网后，一部分可以通过催化网孔隙流向加速栅极，另一部分会撞向催化金属网上。带电离子与金属网碰撞后，一部分反弹重新进入催化网孔隙，另一部分则被吸收。为方便处理，假定催化栅极网内带电离子分布均匀，且忽略带电离子二次碰撞金属网，则电推进模式工作效率可表示为：

Q_out＝Q_in·ε+Q_in·(1-ε)·α

η_E＝Q_out/Q_in＝α+(1-α)·ε

其中Q_out——催化金属网出口质量流量；

Q_in——催化金属网入口质量流量；

ε——催化金属网孔隙率；

α——金属网反弹率；

由上公式可知，在对于特定材质的金属催化网，其反弹率为定值，因此催化网孔隙率越大，越有利于减小催化金属网对电推进模式推力的影响。

根据相关文献，在单组元化学推进模式中，为保证推进剂催化分解效果良好，催化床孔隙率一般取30％-50％。但在此孔隙率下，对于电推进模式工作效率影响较大。

为解决上述问题，本发明中，如图4所示，推进剂催化网包括从内至外依次同轴设置的催化网A和催化网B；其中，催化网A的孔隙率不小于催化网B的孔隙率；进一步，催化网A的孔隙率优选为50～70％，催化网B的孔隙率优选为30～50％。

化学推进剂喷嘴对应催化网B(孔隙率30～50％)，此时，有利于单组元推进剂的稳定分解，降低推力室室压粗糙度，使此推力室在工作中更加稳定。

电推进工质喷嘴对应催化网A(孔隙率50～70％)，有利于电推进系统提高效率。

屏栅极和加速栅极分别设置在催化网A的上游侧和下游侧。

进一步，屏栅极的孔径大于加速栅极的孔径。对于离子推力器模式下，本发明中屏栅极孔径大于加速栅极孔径，有利于化学推进剂通过屏栅极进入到催化网中。加速栅极孔隙能够有利于化学推进剂催化释热后喷出，并且能够抑制止下游中和器发射的中和电子向放电室反流。随着孔径的增大，加速栅极孔电流和腐蚀速率都是先下降后上升，因此加速栅极孔径不能过大。

本发明中的加速栅极孔隙既能通过高温燃气也能通过带电等离子体，加速栅极板厚度优选1mm-1.5mm，加速栅极孔开孔面积一般在加速栅极板面积的60％-70％之间。

催化栅极网轴向尺寸的影响因素有：推力室整体尺寸、推进剂种类、金属催化网催化效率及加速栅极与屏栅极间距等。采用金属丝编织形成的催化网具有良好的压缩性，可根据任务需要及推力室尺寸来确定催化栅极网的轴向长度。

电推进系统包括电推进剂贮箱41、电推进工质喷嘴42、空心阴极43、磁环44、屏栅极45、加速栅极46和中和器47。

电推进工质喷嘴沿周向均布在喷注器的喷嘴安装孔中。优选，电推进工质喷嘴与化学推进剂喷嘴均匀交错布设。

每个电推进工质喷嘴均与电推进剂贮箱相连接，其连接管路上优选依次布设有电推进电磁阀41a和电推进单向阀41b。

空心阴极同轴插设在喷注器的中心孔内，用于产生源初电子。

屏栅极设置在朝向喷注器一侧的推进剂催化网上，两者之间优选设置有绝缘材料层。

加速栅极设置在朝向喷管一侧的推进剂催化网上，两者之间优选设置有绝缘材料层。

屏栅极、推进剂催化网和加速栅极共同构成圆柱状的催化栅极网，屏栅极与加速栅极设置于推进剂催化网的前后两侧，用于将带电等离子加速喷出。由于推进剂催化网常使用耐高温金属材料，为使航天器上电池负荷不至于太大，需要使栅极系统的加速电压稳定且集中。陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、高硬度、低密度的优点，鉴于此采用绝缘陶瓷作为连接推进剂催化网与栅极系统的材料。

陶瓷和金属具有较大的物化性质差异，因此无法通过较为常用的熔化焊接方式实现二者的连接。金属与陶瓷常用连接方式有机械连接或粘接、间接钎焊、活性钎焊、高温活性钎焊、超声辅助的陶瓷连接、过度液相连接、部分过渡液相连接等方式，鉴于连接处的耐高温、高强度、高精度、低应力残留等的需求，优选超声辅助陶瓷连接。超声辅助陶瓷连接，可以有效降低钎焊温度，并且高强度超声波在液态钎料中传播时产生空化效应，可以破坏金属表面的氧化膜，并促进熔融填充金属在基材上的润湿性，从而大大提高接头强度。超声振动也可以减少晶粒尺寸和微观偏析，提高均匀性，并修饰连接体表面。

上述所有环状凹槽均优选位于屏栅极和喷注器之间的燃烧室外壁面上，每个环状凹槽内嵌设一个上述磁环。

上述磁环优选采用永磁体制成，进一步，选用耐高温、不易退磁、延展性较好的永磁体。

磁环的设置，能在燃烧室内部形成磁场，延长电子运动路径，使其电离激发更多工质，产生等离子体。

中和器的出口朝向喷管尾部。

电控系统包括电池61和计算机62。

上述计算机优选为星务计算机，分别与推力器本体、化学推进系统、电推进系统和电池相连接。

上述电池能对航天器混合动力推力器的用电组件进行供电。本实施例中，电池分别与空心阴极43、屏栅极45、加速栅极46、中和器47、电推进电磁阀41a、电推进单向阀41b、化学推进电磁阀51a和化学推进单向阀51b相连接。

本发明中的推力器本体具有化学推进模式和电推进模式，能针对航天器的长期在轨工作需求以及轨道机动等对大推力需求，两类推进模式共用一个推力发生装置。两套推进系统在不同工况与需求下相互切换，达到延长航天器在轨寿命、适时快速机动、推进系统多层级切换等功能。

当推力器本体运行在化学推进模式时，能为航天器提供大推力。具体工作原理为：化学推进剂贮箱中的化学推进剂通过化学推进剂喷嘴进入燃烧室内，在推进剂催化网的催化作用下，进一步被分解释热，分解后产物经喷管喷出，从而对推力器本体产生推力。

在化学推进模式下，由于现在常用的单组元推进剂为肼类推进剂，呈电中性，因此磁场与电场对其在燃烧室中的分布与流动无影响。

当推力器本体运行在电推进模式时，电推进剂贮箱中的电推进工质通过电推进工质喷嘴进入燃烧室内；与此同时，空心阴极、屏栅极、加速栅极和中和器均通电，电子从空心阴极发出，射向屏栅极，在磁环的磁场作用下，电子呈螺旋状前进，在燃烧室中激发电推进工质产生带正电的等离子体；带正电等离子体在加速栅极作用下，从喷管加速喷出产生推力。另外，从喷管加速喷出的带正电等离子体，将与中和器发射出的电子进行中和，以防推进系统长时间工作导致航天器电中性失衡。

在此电推进模式下，能为航天器提供高比冲性能以及高精度推力。另外，航天器在轨期间，需要多次变轨或姿态调整，其中有时效性要求高的也有缓变过程。在日常的轨道维持中，航天器载荷若没有工作需求，则可以使用电推进系统，使航天器在持续小推力作用下进行轨道维持，以此抵消大气阻力等不利影响。

综上所述，本发明具有如下独特的技术优势：

(1)将电推进与化学推进进行深度融合，使得仅使用单个推力器装置就能在整个航天器执行在轨运行、轨道维持、机动变轨等任务时有多种备选方案，可以在其中选择最有利于航天器寿命与任务完成度的方案。化学推进与电推进的深度融合思想的提出也会给航天器的姿轨控系统的发展带来了一条全新的发展道路。

(2)将单工质化学推进系统中的催化网和电推进系统中的加速栅极进行结合。当使用化学推进时，催化栅极网起到催化作用，使化学推进剂分解为气体，经推力室加速后喷出产生推力；当使用电推进时，催化栅极网起到加速栅极的作用，将电离的离子加速后喷出，产生电推力。

(3)电推进与化学推进共用一个喷管。将电推进与化学推进的喷管有机结合起来，当使用化学推进系统时，喷管作为拉瓦尔喷管能够将化学工质催化分解后的产物加速喷出，为航天器提供动力。将此二者结合起来，能够大大减少了航天器整个推进系统的重量和体积，能够提高航天器质荷比。

(4)利用永磁体在燃烧室组合体中提供磁场。相比于化学推进的短工作时间，采用永磁体作为磁场产生装置，能够在长时间的电推进工作时间中减少对航天器电池的负荷。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器，其特征在于：包括推力器本体、化学推进系统和电推进系统；

推力器本体包括燃烧室、同轴密封盖合在燃烧室头部的喷注器、以及同轴设置在燃烧室尾部的喷管；

化学推进系统包括化学推进剂贮箱、化学推进剂喷嘴和推进剂催化网；

化学推进剂喷嘴沿周向均布在喷注器中，且每个化学推进剂喷嘴均与化学推进剂贮箱相连接；推进剂催化网同轴内置在燃烧室中；

电推进系统包括电推进剂贮箱、电推进工质喷嘴、空心阴极、磁环、屏栅极和加速栅极；

电推进工质喷嘴沿周向均布在喷注器中，且每个电推进工质喷嘴均与电推进剂贮箱相连接；

空心阴极同轴插设在喷注器的中心；

屏栅极设置在朝向喷注器一侧的推进剂催化网上；加速栅极设置在朝向喷管一侧的推进剂催化网上；屏栅极、推进剂催化网和加速栅极共同构成催化栅极网；

磁环同轴套设在位于屏栅极和喷注器之间的燃烧室外壁面上。

2.根据权利要求1所述的基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器，其特征在于：电推进系统还包括中和器，中和器的出口朝向喷管尾部。

3.根据权利要求1所述的基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器，其特征在于：在屏栅极和喷注器之间的燃烧室外壁面上同轴且等距布设有若干个环状凹槽，每个环状凹槽内嵌设一个所述磁环。

4.根据权利要求1所述的基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器，其特征在于：推进剂催化网包括从内至外依次同轴设置的催化网A和催化网B；其中，催化网A的孔隙率不小于催化网B的孔隙率；化学推进剂喷嘴对应催化网B，电推进工质喷嘴对应催化网A；

屏栅极和加速栅极分别设置在催化网A的上游侧和下游侧。

5.根据权利要求4所述的基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器，其特征在于：屏栅极的孔径大于加速栅极的孔径。

6.根据权利要求1所述的基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器，其特征在于：还包括电控系统，电控系统包括计算机和电池；计算机分别与推力器本体、化学推进系统、电推进系统和电池相连接，电池能对航天器混合动力推力器的用电组件进行供电。

7.根据权利要求1所述的基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器，其特征在于：推进剂催化网的材质为耐高温金属，推进剂催化网与屏栅极和加速栅极之间均设置有绝缘材料层。

8.根据权利要求1所述的基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器，其特征在于：电推进剂贮箱与电推进工质喷嘴之间的连接管路上依次布设有电推进单向阀和电推进电磁阀。

9.根据权利要求1所述的基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器，其特征在于：化学推进剂贮箱与化学推进剂喷嘴之间的连接管路上依次布设有化学推进单向阀和化学推进电磁阀。

10.根据权利要求1所述的基于化-电深度融合的航天器混合动力推力器，其特征在于：推力器本体具有化学推进模式和电推进模式；

当推力器本体运行在化学推进模式时，化学推进剂贮箱中的化学推进剂通过化学推进剂喷嘴进入燃烧室内，在推进剂催化网的催化作用下，被分解释热，分解后产物经喷管喷出，从而对推力器本体产生推力；

当推力器本体运行在电推进模式时，电推进剂贮箱中的电推进工质通过电推进工质喷嘴进入燃烧室内；与此同时，空心阴极、屏栅极和加速栅极均通电，电子从空心阴极发出，射向屏栅极，在磁环的磁场作用下，电子呈螺旋状前进，在燃烧室中激发电推进工质产生带正电的等离子体；带正电等离子体在加速栅极作用下，从喷管加速喷出产生推力。

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