CN201169388Y - 航天器高能带电粒子主动防护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种航天器高能带电粒子主动防护装置，包括航天器(1)、一组超导线圈环(2)和上、下两块圆形的由铝蜂窝夹层板制作的固定板(3)。航天器(1)固定在两块固定板(3)之间，并基本位于固定板(3)的中心位置，固定板(3)靠近外缘处均匀布置有两圈数目相等的开孔，两块固定板(3)成上下对称布置，超导线圈环(2)垂直穿过上下固定板(3)相对应的开孔，形成以航天器(1)为中心的发散式布置的超导线圈环组。每个超导线圈环通以相同方向的电流，在线圈中间形成一个环绕着航天器的强磁鞘，使空间辐射粒子偏转，对航天器起到防护作用。本实用新型重量轻、结构简单，可以有效防护高能带电粒子对航天器造成的伤害。

Description

航天器高能带电粒子主动防护装置

技术领域

本实用新型涉及一种高能带电粒子主动防护装置，特别涉及一种专用于航天器的防护高能带电粒子的主动防护装置。

背景技术

外空间带电粒子对航天器有很大的危害，目前，航天器对于高能带电粒子的防护主要是被动防护，即提高元器件抗辐射的能力以及在元器件表面覆盖抗辐射盖板。但是抗辐射盖板的厚度需要随着带电粒子能量的增加而增加，这大大增加了航天器的重量，同时带电粒子同抗辐射盖板作用产生的二次发射效应也大大影响了抗辐射效果。

国内外航天器的辐射防护都是采用覆盖抗辐射盖板的被动防护方式。近年来，很多国家开始设计针对带电粒子的主动防护方法，主要包括电场防护、磁场防护及等混合防护等。电场防护由于耗电功率大等无法解决的问题，目前还存在很大的困难。根据计算，如果采用电场防护，要维持200兆伏特电压，至少需要10兆千瓦的功率。同理，等离子体防护也暂时无法实现。随着近些年来高温超导产业的不断发展，利用超导线材产生磁场来防护高能带电粒子成为最简单可行的一种方式，这里我们把用来主动防护的磁场称为“磁鞘”。

利用磁鞘对高能带电粒子的防护是最简单可行的一种方式。所谓磁鞘就是在航天器表面形成一层强度足够的磁场，使得带电粒子在到达航天器表面之前偏转，或者束缚在磁场中，从而不能对航天器造成伤害。

1993年，美国Duke大学Franklin Cock为NASA撰写了针对太阳辐射粒子的航天器磁防护最终报告。他的磁鞘实现的方式是在航天器外围环绕超导电流环，半径为2000m，重量达到2000Kg，电流1200A，这种设计能够使200MeV的质子在到达航天器表面之前偏转。而超导电流环对宇航员及飞行器的影响小于地磁场的影响。这种方式要求附加的设备的尺寸和重量都是超出目前航天器发射能力的，短期内不可能实现。

2000年，意大利的P.Spillantini等人提出了一个磁鞘形成的方式。他们主要考虑的是载人航天器内宇航员的防护，需要考虑的粒子是三十MeV-几百MeV的质子。他们提出，高能太阳宇宙射线(Solar cosmic rays)是有方向性的。因此，可以通过监测太阳的活动或者通过在航天器上安装磁探测器的办法来确定粒子的角度，然后在某一个方向上采用磁防护。这种方式的缺点在于需要根据太阳活动来调整姿态，对航天器本身的姿控带来较大的影响。

2007年，第45届空间科学大会上美国弗罗里达科学院的ErwanA.kervendalh和Daniel R.kirk提出一种较新的极轻质量超导磁鞘设计方案。他们提出用自伸展结构作为磁鞘的支撑结构，这样可以大大减小质量。因而可以设计出多层防护磁鞘，并分别给出了单双层防护鞘以及含嵌入环式双层防护鞘的防护效果。这种方式质量小，不会给航天器带来较大负担，但结构复杂，在空间展开的时候存在较大的不确定性，容易出现失误。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种专用于防护高能带电粒子的航天器高能带电粒子主动防护装置，利用其产生的磁鞘实现对带电粒子的主动防护。

本实用新型的可由以下技术方案完成：

一种航天器高能带电粒子主动防护装置，包括航天器1、一组超导线圈环2和上、下两块圆形铝蜂窝夹层板制作的固定板3。其中，航天器1固定在两块固定板3之间，并基本位于固定板3的中心位置。固定板3靠近外缘处均匀布置有两圈数目相等的开孔，两块固定板3成上下对称布置，超导线圈环2垂直穿过上下固定板3相对应的开孔，形成以航天器1为中心的发散式布置的超导线圈环组。

其中，超导线圈环2的数量在8个到20个之间，优选为12个。

其中，超导线圈环2具有采用铝材料制作的外壳。

其中，超导线圈环2的横截面为两端外接半圆形的长方形形状。

本实用新型的有益效果在于：

a.辐射防护装置产生的磁场大。高温超导线材输运电流大，可以达到几百安培，产生很大的磁场。银包套的Bi系多芯带材的超导临界转变温度为105K～110K，临界工程电流密度可以达到8000～12000A/cm²。

b.辐射防护装置重量轻。高温超导线材与常规电缆相比，具有明显的优势：一是损耗低。高温超导电缆的导体损耗不足常规电缆的1/10，加上制冷的能量损耗，其运行总损耗也仅为常规电缆的50％～60％。二是容量大。同样截面的高温超导电缆的电流输送能力是常规电缆的3～5倍。三是节约材料。具有同样传输能力的高温超导电缆与常规电缆相比，使用较少的金属和绝缘材料，大大节约了重量。

c.辐射防护装置产生的磁鞘不影响航天器本身的正常工作。超导线圈环中间会形成一个较大的磁场，这样就在航天器外侧形成一个强磁鞘，使空间带电高能粒子偏转，对航天器起到防护作用；而在超导线圈外部的磁场很小，对航天器本身的工作不产生影响。

附图说明

图1为航天器高能带电粒子主动防护装置示意图。

图2为航天器高能带电粒子主动防护装置产生的磁场示意图。

其中，1为航天器，2为超导线圈环，3为固定板，4为电流，5为磁场矢量。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作详细说明。图1所示的是本实用新型的航天器高能带电粒子主动防护装置，所述辐射防护装置由航天器1、一组超导线圈环2和上、下两块圆形铝蜂窝夹层板制作的固定板3组成。航天器1固定在两块固定板3之间，并基本位于固定板3的中心位置。固定板3靠近外缘处均匀布置有两圈数目相等的开孔，两块固定板3成上下对称布置，超导线圈环2垂直穿过上下固定板3相对应的开孔，形成以航天器1为中心的发散式布置的超导线圈环组。这样，通过固定板3实现超导线圈环2与航天器1之间高强度可靠连接。

图2为航天器高能带电粒子主动防护装置产生的磁场示意图。每个超导线圈环通以相同方向的电流4，在线圈中间会形成一个较大的磁场，磁场矢量5如图2所示。而在线圈的外部磁场很小。这样就在航天器外侧形成一个环绕着航天器的强磁鞘。当高能带电粒子射入的时候，在磁鞘中会受到一个洛仑兹力，使之方向发生偏转，不能直接入射到航天器的表面。这样就实现了磁鞘对航天器起到防护作用。

每个超导线圈环的外壳采用硬质材料，例如铝材料，包裹以保持其形状，线圈环的数量在8个到20个之间，优选为12个。超导线圈环2优选为银包套的Bi系多芯带材。超导线圈环2的横截面为两端外接半圆形的长方形形状。

可以根据航天器的大小、形状以及所需磁鞘的强度，可以对固定板上开孔的布置、固定板的材质、形状以及超导线圈环的材质、数量、截面积形状和外壳材质进行相应的调整。

尽管上文对本实用新型的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本实用新型的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种航天器高能带电粒子主动防护装置，包括航天器(1)、一组超导线圈环(2)和上、下两块圆形的铝蜂窝夹层板制作的固定板(3)，其特征在于，航天器(1)固定在两块固定板(3)之间，并基本位于固定板(3)的中心位置，固定板(3)靠近外缘处均匀布置有两圈数目相等的开孔，两块固定板(3)成上下对称布置，超导线圈环(2)垂直穿过上下固定板(3)相对应的开孔，形成以航天器(1)为中心的发散式布置的超导线圈环组。

2、如权利要求1所述的航天器高能带电粒子主动防护装置，其特征在于超导线圈环(2)的数量在8个到20个之间。

3、如权利要求2所述的航天器高能带电粒子主动防护装置，其特征在于超导线圈环(2)的数量为12个。

4、如权利要求1所述的航天器高能带电粒子主动防护装置，其特征在于超导线圈环(2)的横截面为两端外接半圆形的长方形形状。

5、如权利要求1～4中任意一项所述的航天器高能带电粒子主动防护装置，其特征在于，超导线圈环(2)具有用铝材料制作的外壳。

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