CN115450875B - 一种高速中性气流发生装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及航天器推进技术领域，具体而言，涉及一种高速中性气流发生装置，设置在真空舱内，包括离子源、栅极、中性化系统、磁路系统以及准直系统，其中：离子源产生的离子依次通过栅极、中性化系统、磁路系统以及准直系统，形成高速中性粒子束流；中性化系统由同心金属圆锥组成；准直系统由同心金属圆柱组成。本申请能够将中性气流速度提高到7.8km/s量级，产生的中性气流密度与空间环境气体密度接近，产生的中性气流具有很高的准直度，保证了吸气式电推进系统地面工作时，气体收集增压装置入口气流条件与空间环境条件具有较高的一致性，为吸气式电推进系统优化提供有重要参考价值的测试数据。

Description

一种高速中性气流发生装置

技术领域

本申请涉及航天器推进技术领域，具体而言，涉及一种高速中性气流发生装置。

背景技术

吸气式电推进系统以太阳电池提供能源，利用超低地球轨道环境中稀薄氮气、氧气和氧原子作为工质来源，将其电离、加速喷出等过程产生推力，作为超低地球轨道航天器轨道维持的动力，使航天器较少或无需携带工质既可在超低地球轨道上逗留及机动，可解决现有技术不能使飞行器长期逗留、机动于超低轨的难题。通过该技术，对于充分控制和利用超低轨道资源具有重大意义，吸气式电推进系统可广泛应用于高分对地观测卫星、地球重力场测量卫星和超高速通信卫星等航天器平台。

吸气式电推进系统在空间工作时，气体收集增压装置收集的气流具有约7.8km/s的相对运动速度，因此，在地面需要营造7.8km/s左右的高速中性粒子束流，对吸气式电推进系统性能在地面进行考察，有助于对吸气式电推进系统进行优化。

现有产生高速中性粒子束流的方法包括激波风洞、电弧风洞和基于层流等离子体的高速中性束流发生方案，激波风洞和电弧风洞虽然能模拟高速、高温的气体，但所模拟的气流与高超飞行器的飞行气体环境还是存在较大差异，导致模拟结果可能在某些方面有较大偏差。除了模拟偏差外，高焓激波风洞在进行地面模拟实验过程中还存在一些原理性差异，使用高焓值模拟设备时，不可能同时保持高温气体离解反应和复合反应速率相近，从而导致复合反应速率快于离解反应速率；而要保持离解反应与复合反应速率相近，就需要全尺寸的地面模拟实验。为了获得高量级的来流密度，需要激波风洞低水平膨胀，这就使得实验时的马赫数比飞行时低。高超飞行器存在高马赫数效应，导致实验结果严重依赖缩比飞行器的外形。除这些原理性偏差外，还有影响模拟效果的技术因素，例如：高温、高压驻室气体可能造成来流的污染，特别是电弧风洞的电弧短暂加热气体和高功率电磁脉冲，会在导体试验件表面产生涡流加热，因此实验的热流特性结果并不能真实反映防热材料应对气动加热性能；在高超声速飞行状态，气体强激波层对壁面的光波电磁热辐射传热与气体对流传热的量级相同或者更高。而采用层流等离子体束流源产生高密度束流，其定向速度一般在3～5km/s，温度为6000K，电离度约为20％；等离子体束流通过中性化室，采用电荷交换模式产生低温、高速中性束流，而电荷交换过程中生成的低速等离子体因受到磁场的偏转而被捕获在中性化室内。采用多束并行组合运行的方式实现来流对全尺寸高超飞行器截面的覆盖，每个中性束流的截面积可以达到0.031 4m2；另外中性束流的密度、温度、速度都可以根据所要模拟的飞行区域进行调整，进而完全模拟高超飞行器在轨飞行的中性、低温、高定向流速的大气环境条件。这种方法产生的束流直径很小，需要很多束流组合形成大直径束流，从而造成系统的复杂性。等离子体离子采用电荷交换模式中性化后束流的准直性下降。

发明内容

本申请提供的高速中性气流发生装置可以营造出高速中性气流，气流速度、气体密度和气流准直度均接近吸气式电推进系统空间运行时气体收集增压装置入口端点的气流条件。

为了实现上述目的，本申请提供了一种高速中性气流发生装置，设置在真空舱内，包括离子源、栅极、中性化系统、磁路系统以及准直系统，其中：离子源产生的离子依次通过栅极、中性化系统、磁路系统以及准直系统，形成高速中性粒子束流；中性化系统由同心金属圆锥组成；准直系统由同心金属圆柱组成。

进一步的，栅极包括第一栅极和第二栅极。

进一步的，还包括接地系统，中性化系统与接地系统连接。

进一步的，准直系统上设置有真空规。

进一步的，准直系统的后方设置有悬片推力测量装置。

本发明提供的一种高速中性气流发生装置，具有以下有益效果：

本申请能够将中性气流速度提高到7.8km/s量级，产生的中性气流密度与空间环境气体密度接近，系统复杂度相对较低，产生的中性气流具有很高的准直度，保证了吸气式电推进系统地面工作时，气体收集增压装置入口气流条件与空间环境条件具有较高的一致性，为吸气式电推进系统优化提供有重要参考价值的测试数据。

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提供的高速中性气流发生装置的示意图；

图中：1-离子源、2-第一栅极、3-第二栅极、4-中性化系统、5-接地系统、6-磁路系统、7-准直系统、8-真空规、9-悬片推力测量装置。

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”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

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。

如图1所示，本申请提供了一种高速中性气流发生装置，设置在真空舱内，包括离子源1、栅极、中性化系统4、磁路系统6以及准直系统7，其中：离子源1产生的离子依次通过栅极、中性化系统4、磁路系统6以及准直系统7，形成高速中性粒子束流；中性化系统4由同心金属圆锥组成；准直系统7由同心金属圆柱组成。

具体的，本申请实施例提供的高速中性气流发生装置可以营造出高速中性气流，气流速度、气体密度和气流准直度均接近吸气式电推进系统空间运行时气体收集增压装置入口端点的气流条件，可以测量得到中性粒子的密度参数，结合密度参数，可以计算得到中性粒子的速度参数，主要应用在超低轨道航天器平台用吸气式电推进系统的地面实验验证，也可作为低轨和超低轨航天器实验风洞，利用该实验装置开展地面验证实验。装置整体设置在真空舱内，离子源1产生的离子通过栅极加速，能够产生高速离子束流，高速离子束流经过中性化系统4后一部分中性化变成中性粒子，由离子和中性粒子组成的粒子束流经过磁路系统6后，离子被大角度偏转离开束流，剩下完全由中性粒子组成的束流，剩余的中性粒子束流经过准直系统7后准直度提高，形成高速准直中性气流。

更具体的，在本申请实施例中，中性化系统4由同心金属圆锥组成，经过栅极加速的高速离子与金属圆锥碰撞后以一定的几率变成中性粒子，同时会损耗一部分能量，粒子的速度会降低，根据实际情况，可以对同心金属圆锥的材料、母线与轴线的夹角以及轴线长度进行调节，从而实现对中性化后的粒子速度进行调节；磁路系统6设置上下两个磁极，会使包含离子和中性粒子束流的离子进行偏转，使离子离开束流，剩余的束流为完全中性粒子束流；准直系统7对存在一定发散角的中性粒子束流准直度提高，准直系统7优选为同心金属圆柱，也可以选择蜂窝状金属圆柱阵列，通过对金属圆柱壁厚度的调节，可以实现对中性粒子通过率的调节，从而达到调节中性粒子束流密度的目的，使其与空间粒子流密度接近。

进一步的，栅极包括第一栅极2和第二栅极3。栅极主要用于对离子进行静电加速，离子源1发射出来的离子经过第一栅极2和第二栅极3的加速后，离子速度能够达到十几km/s的速度，甚至更高，远大于设定的速度参数7.8km/s，加速后的离子与中性化系统4的金属圆锥碰撞时，即使损失了一部分能量，中性粒子的速度仍然会很大。

进一步的，还包括接地系统5，中性化系统4与接地系统5连接。中性化系统4的金属圆锥通过接地系统5保持电中性，可以为离子中性化提供电子，有利于系统稳定工作。

进一步的，准直系统7上设置有真空规8。利用真空规8可以对产生的中性束流的压强进行测量，结合温度参数进而获得束流的密度参数，将得到的密度参数与轨道上气体的平均密度进行比较，通过调节离子源1参数、中性化系统4参数、准直系统7通过率参数等将中性粒子束流的密度调节至与空间气体平均密度接近的值。

进一步的，准直系统7的后方设置有悬片推力测量装置9。利用悬片推力测量装置9，通过测量悬丝偏转角度结合悬片重量对作用于悬片上的力进行测量，结合束流密度参数和粒子分子量可得到粒子的速度参数，将该参数与7.8km/s进行比较，通过调节第一栅极2和第二栅极3的电压、中性化系统4参数得到接近7.8km/s的中性粒子速度。

以上所述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 (2)

1.一种高速中性气流发生装置，设置在真空舱内，其特征在于，包括离子源、栅极、中性化系统、磁路系统以及准直系统，其中：

所述离子源产生的离子依次通过栅极、中性化系统、磁路系统以及准直系统，形成高速中性粒子束流；

所述中性化系统由同心金属圆锥组成；

所述准直系统由同心金属圆柱组成；

还包括接地系统，所述中性化系统与所述接地系统连接；

所述准直系统上设置有真空规；

所述准直系统的后方设置有悬片推力测量装置。

2.如权利要求1所述的高速中性气流发生装置，其特征在于，所述栅极包括第一栅极和第二栅极。