CN201953594U - 一种电子束烧蚀推进系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电子束烧蚀推进系统，该系统包括：电子束产生装置及靶材，该电子束产生装置用于产生电子束，并使该电子束经过该电子束产生装置出口射向该靶材，以产生烧蚀反冲推力推动该靶材；该靶材用于接收该电子束，并在该电子束的烧蚀作用下向外产生气体或者微小颗粒。本实用新型的能量转换效率非常高，解决了激光烧蚀推进技术中因为冲量耦合系数低而不能使用比冲性能高的单元素金属的问题；作用时间极短，能够实现微小冲量的单次注入；与靶材相互作用的响应时间快；烧蚀束斑小，作用区域精准，便于推进的精确定位；通过调节束源的脉宽、频率、峰值功率密度等，可以完成对推进性能的控制；不受靶材物质反射性能的影响；每个脉冲的烧蚀质量很小，所以推进器的总冲很大，使用寿命长。

Description

一种电子束烧蚀推进系统

技术领域

本实用新型是关于等离子体推进技术，特别是关于一种电子束烧蚀推进系统。

背景技术

在航天领域，卫星微型化已成为一种发展趋势。近年来，随着机械微电子技术的发展，微卫星、纳卫星和皮卫星技术得到了迅猛发展。为了构建微卫星星座，需要对微小卫星进行精确的变轨和调姿控制，这不但要求推进器自身重量尽可能小，还要求推进器提供范围应尽可能大的推进力，即产生μN量级至mN量级的推进力。

现有的MEMS推进技术包括化学推进与电推进，需要将普通推进器通过芯片绑定和SOC(System on a Chip)技术加工在厘米尺度的芯片中，化学微推进还需要将寻址驱动电路、点火器、工质储箱、燃烧室、微型阀和微喷嘴集成在一片芯片中，通过数控点火装置引燃燃料，燃料迅速气化并喷射出来，产生推力。这种MEMS推进阵列的储箱和燃烧室合为一体，推进剂需要一次性加注，因此所携带能量有限，推进器总冲较小，工作寿命有限。并且目前的MEMS加工大多数是以硅作材料，而硅与各种推进剂存在兼容性的问题，硅本身的烧蚀推进性能也不好。此外，它的制作过程会受到“小尺度效应”的影响。再者，这种推进器还存在泄漏和污染等问题。

现有的推进器包括以激光器作为能量源的推进器，从激光器中发出来的光，经光学元件聚焦到被烧蚀物质的靶面，通过激光与靶材的相互作用，喷出高温高压的气体或微小固体颗粒，这种气体或固体颗粒的反冲使飞行器产生推力。由于这种推进技术以激光作为能量源及激光本身的特性，使得激光推进技术具有如下缺点：1、激光的能量转换效率较低，常用的CO2激光器能量转换效率不足20％，最新的光纤激光器转换效率也不超过30％，从而导致推进器的能量利用率低；2、对于比冲性能高的单元素材料，激光烧蚀的冲量耦合系数较低，产生的推力小；3、激光与材料的作用深度比较浅；4、激光很难烧蚀高反射率的材料，使得推进器的靶材选择受到限制；5、毫秒级激光由于作用时间较长，靶材只能选择热导率低的聚合物，纳秒级激光作用时间短，但是受到现有激光技术的限制，很难经过小型化设计后应用到微卫星上。

实用新型内容

本实用新型提供一种电子束烧蚀推进系统，以使电子束烧蚀靶材实现微推进。

为了实现上述目的，在一实施例中，本实用新型提供了一种电子束烧蚀推进系统，该系统包括：电子束产生装置及靶材。其中所述电子束产生装置用于产生电子束，并使所述电子束经过所述电子束产生装置出口射向所述靶材，以产生烧蚀反冲推力推动所述靶材；所述靶材用于接收所述电子束，并在所述电子束的烧蚀作用下向外产生气体或者微小颗粒。

本实用新型实施例的有益效果在于，能量转换效率非常高，同样的条件下，靶材与短脉冲强流电子束相互作用的冲量耦合系数更高，因而可以用比冲性能高的单元素金属作为靶材，解决激光烧蚀推进技术中因为冲量耦合系数低而不能使用比冲性能高的单元素金属的问题；脉宽为几十纳秒，作用时间极短，能够实现微小冲量的单次注入；与靶材相互作用的响应时间快；烧蚀束斑小，作用区域精准，便于推进的精确定位；可控性能好，通过调节束源的脉宽、频率、峰值功率密度等，可以完成对推进性能的控制；不受靶材物质反射性能的影响，可以用来烧蚀如金、银、铜、铝等难于与被激光烧蚀的材料；每个脉冲的烧蚀质量很小，所以推进器的总冲很大，使用寿命长。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1A为本实用新型实施例电子束烧蚀推进系统的结构示意图；

图1B为本实用新型另一实施例电子束烧蚀推进系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例赝火花放电装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例赝火花放电室的结构示意图；

图4为本实用新型实施例的电子束烧蚀推进方法流程图；

图5为本实用新型另一实施例电子束烧蚀推进系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

如图1A所示，本实施例的电子束烧蚀推进系统包括：电子束产生装置101及靶材102。

电子束产生装置101产生电子束，并使电子束经过电子束产生装置101出口射向所述靶材102，以产生沿电子束传输方向的烧蚀反冲推力。靶材102接收电子束产生装置101产生的电子束，并在电子束的烧蚀作用下向外(与电子束传输方向相反)产生气体或者微小颗粒。靶材102的材料可以为金、银、铜、铝等，本实用新型不限于此。

本实施例的电子束烧蚀推进系统也可以如图1B所示，图1B与图1A不同的地方在于，靶材没有放置于真空室中。

电子束入射到靶材表面，与靶材物质发生相互作用，其能量充分耦合进靶材，使其发生一系列的热力学作用，产生熔化、气化，向外喷射出气体或者微小物质颗粒，形成反冲，产生推力。调节束源的脉宽、频率、峰值功率密度等，可以实现对于微推进性能的调节。

采用电子束产生装置101作为束源的优点在于，电子束与靶材相互作用的响应时间快；烧蚀束斑小，作用区域精准，便于推进的精确定位；电子束的可控性能好，通过调节电子束产生装置101的脉宽、频率、峰值功率密度等，可以完成对推进性能的控制；不受靶材物质反射性能的影响，可以用来烧蚀如金、银、铜、铝等难于与被激光烧蚀的材料。

电子束产生装置101可以为短脉冲强流电子束产生装置，包括：Marx发生器-脉冲形成线-多级放电室，触发器-单级放电室，赝火花放电装置等，本实用新型仅以赝火花放电装置为例进行详细说明。

如图2所示，赝火花放电装置包括：高压电源(包括：调压器201、升压变压器202、倍压线路203)、放电电容204及赝火花放电室205，高压电源、放电电容204及赝火花放电室205依次顺序电连接，所述的放电电容204与赝火花放电室205并联连接。

赝火花放电装置还包括：充电电阻R、进气阀206，真空泵连接口207，靶材208及真空室209。充电电阻R连接在放点电容204与倍压线路203之间。真空泵连接口207与真空泵连接，用于对真空室209抽真空。

赝火花放电室205用来产生脉冲电子束，如图3所示，赝火花放电室205包括金属电极环301及绝缘片圆环302，多个金属电极环301与绝缘片圆环302交替间隔粘合而成。赝火花放电室205中间形成一个中心通孔303，作为脉冲电子束的传输通道。放电室保持高度的轴对称性和密闭性以便产生准直的电子束和保证放电室的低气压。

较佳地，本实施例中金属电极环301及绝缘片圆环302的个数可以分别为10及11，靶材与赝火花放电室出束口的距离可以设定为1cm，本实用新型不以此为限。

较佳地，金属电极环301可以选用45号碳钢，绝缘片圆环302可以选用有机玻璃或陶瓷。金属电极环301的几何尺寸分别为：金属电极圆环的外径为22mm，内径为1mm，厚度为1mm；绝缘片圆环302的几何尺寸分别为：绝缘片圆环的外径为37mm，内径为11mm，厚度为2mm，本实用新型不以此为限。

在图2所示的赝火花放电装置中，放电电容204的大小决定了放电频率的大小，放电电容204可以取2245pF，此时放电频率约为1Hz，本实用新型不限于此。

赝火花放电发生在巴申曲线的左半支，击穿电压随着气压和放电间隙乘积的增大而迅速减小，最显著的特点是随着气压的下降，击穿电压迅速上升，它的工作环境为低真空(1～100Pa)。当赝火花放电产生的强流脉冲电子束辐照到固体靶材时，会在微秒甚至纳秒量级的时间内将能量呈指数律下降地沉积在靶材物质的前表层内，瞬间产生高温高压，使材料产生很大的温度梯度和压力梯度。如果电子束的辐照强度足够高，可使受辐照部分靶材物质的前表层出现物质喷射现象，从而给靶物质施加一个反冲的喷射冲量，形成微推进。下面详细说明电子束烧蚀推进系统的工作流程：

首先，利用机械泵将赝火花放电室205抽低真空至真空度为2～3Pa。然后把市电加到调压器201上，调节调压器201的旋钮调整初始输入电压的大小，进而改变加到赝火花放电室205上的输出电压。通过升压变压器202，将市电电压提升到几十千伏高压，此时输出的交流高压经过倍压电路203调整为直流高压，经过充电电阻R将直流负高压加到赝火花放电室205上端。

然后通过进气阀206进气，缓慢提升赝火花放电室205的气压，当气压达到7～10Pa时，赝火花放电室205开始稳定放电。产生的强流脉冲电子束与靶材208相互作用，使得靶材208的表面物质向外喷射，进而产生反冲推力，推动靶材208向前运动，达到推进的目的。反冲推力的大小通过调节调压器201及赝火花放电室205的真空度进行调节。

本实施例中，赝火花放电室205的出束口正对靶材102，靶材可以通过细丝吊挂在真空室105中，在电子束烧蚀靶材102产生的反冲推力的作用下，靶材102将被推动，做单摆运动。

由上述可知，赝火花放电装置结构简单，便于小型化设计，且束流密度大，可以产生冲量在10^-8×10^-9N·s量级的微推力，符合微型卫星相对位置控制的精度要求；烧蚀束斑小，可实现微推力器的精确定位；以脉冲的方式进行工作，可实现微小冲量的单次注入；调节放电室真空度和所加的高压，便可完成推进参数的调节；不存在羽流污染、泄漏和散热等问题。

本实用新型的有益技术效果在于：

1、能量转换效率非常高(80％～90％)，同样的条件下，靶材与短脉冲强流电子束相互作用的冲量耦合系数更高，因而可以用比冲性能高的单元素金属作为靶材，解决激光烧蚀推进技术中因为冲量耦合系数低而不能使用比冲性能高的单元素金属的问题；2、脉宽为几十纳秒，作用时间极短，能够实现微小冲量的单次注入；3、与靶材相互作用的响应时间快；4、烧蚀束斑小，作用区域精准，便于推进的精确定位；5、可控性能好，通过调节束源的脉宽、频率、峰值功率密度等，可以完成对推进性能的控制；6、不受靶材物质反射性能的影响，可以用来烧蚀如金、银、铜、铝等难于与被激光烧蚀的材料；7、脉冲的烧蚀质量很小，小于10-6克，所以推进器的总冲很大，使用寿命长。

图4为本实用新型实施例的电子束烧蚀推进方法流程图，如图4所示，该电子束烧蚀推进方法包括：

采用电子束产生装置产生电子束，并使所述电子束经过所述电子束产生装置的出口射向靶材S401；

所述电子束烧蚀所述靶材产生反冲推力推动所述靶材，即：所述电子束烧蚀所述靶材，使所述靶材向外喷射出气体或者微小颗粒，同时产生反冲推力；所述反冲推力推动所述靶材S402。

电子束产生装置101可以为短脉冲强流电子束产生装置，包括：Marx发生器-脉冲形成线-多级放电室，触发器-单级放电室，赝火花放电装置等，本实用新型仅以赝火花放电装置为例详细说明电子束烧蚀推进方法。

如图2所示，赝火花放电装置包括：高压电源(包括：调压器201、升压变压器202、倍压线路203)、放电电容204及赝火花放电室205，高压电源、放电电容204及赝火花放电室205依次顺序电连接，所述的放电电容204与赝火花放电室205并联连接。

赝火花放电装置还包括：充电电阻R、进气阀206，真空泵连接口207，靶材208及真空室209。充电电阻R连接在放点电容204与倍压线路203之间。较佳地，充电电阻R的大小为150MΩ，本实用新型不限于此。真空泵连接口207与真空泵连接，用于对真空室209抽真空。

赝火花放电室205用来产生脉冲电子束，如图3所示，赝火花放电室205包括金属电极环301及绝缘片圆环302，多个金属电极环301与绝缘片圆环302交替间隔粘合而成。赝火花放电室205中间形成一个中心通孔303，作为脉冲电子束的传输通道。放电室保持高度的轴对称性和密闭性以便产生准直的电子束和保证放电室的低气压。

较佳地，本实施例中金属电极环301及绝缘片圆环302的个数可以分别为10及11，本实用新型不以此为限。

较佳地，金属电极环301可以选用45号碳钢，绝缘片圆环302可以选用有机玻璃或陶瓷。金属电极环301的几何尺寸分别为：金属电极圆环的外径为22mm，内径为1mm，厚度为1mm；绝缘片圆环302的几何尺寸分别为：绝缘片圆环的外径为37mm，内径为11mm，厚度为2mm，本实用新型不以此为限。

在图2所示的赝火花放电装置中，放电电容204的大小决定了放电频率的大小，放电电容204可以取2245pF，此时放电频率约为1Hz，本实用新型不限于此。

下面详细说明本实施例的电子束烧蚀推进方法：

首先，利用机械泵将赝火花放电室205抽低真空至真空度为2～3Pa。然后把市电加到调压器201上，调节调压器201的旋钮调整初始输入电压的大小，进而改变加到赝火花放电室205上的输出电压。通过升压变压器202，将市电电压提升到几十千伏高压，此时输出的交流高压经过倍压电路203调整为直流高压，经过充电电阻R将直流负高压加到赝火花放电室205上端。

然后，通过进气阀206进气，缓慢提升赝火花放电室205的气压，当气压达到7～10Pa时，赝火花放电室205开始稳定放电。产生的强流脉冲电子束与靶材208相互作用，使得靶材208的表面物质向外喷射，进而产生反冲推力，推动靶材208向前运动，达到推进的目的。反冲推力的大小通过调节调压器201及赝火花放电室205的真空度进行调节。

本实施例中，赝火花放电室205的出束口正对靶材102，靶材可以通过细丝吊挂在真空室105中，在电子束烧蚀靶材102产生的反冲推力的作用下，靶材102将被推动，做单摆运动。

较佳地，为了更好的验证靶材在电子束烧蚀产生的反冲推力的作用下运动，靶材可以设计成如图5的放置方式。如图5所示，垂直悬丝501固定在刚性横梁502的两端，横梁一端粘贴烧蚀靶材，另一端粘贴反射镜503，并且保证二者质量相等。探测激光束照射反射镜503，光线反射到标尺504上。当电子束垂直入射与靶材相互作用时，粘贴在横梁的靶材入射点处材料烧蚀。烧蚀物反喷，产生冲量作用于横梁，使横梁转动。之后横梁进行有阻尼扭转振动直至停止。当横梁发生微小转动时入射到反射镜503上出射光线发生角度偏转，打到标尺504上的光点发生左右周期摆动。由光点移动位移可计算出最大旋转角度θmax，之后可由θmax经过相关计算求得脉冲电子束烧蚀反冲作用所产生冲量大小。

相对于现有技术，本实用新型的有益技术效果在于：

1、能量转换效率非常高(80％～90％)，同样的条件下，靶材与短脉冲强流电子束相互作用的冲量耦合系数更高，因而可以用比冲性能高的单元素金属作为靶材，解决激光烧蚀推进技术中因为冲量耦合系数低而不能使用比冲性能高的单元素金属的问题；2、脉宽为几十纳秒，作用时间极短，能够实现微小冲量的单次注入；3、与靶材相互作用的响应时间快；4、烧蚀束斑小，作用区域精准，便于推进的精确定位；5、可控性能好，通过调节束源的脉宽、频率、峰值功率密度等，可以完成对推进性能的控制；6、不受靶材物质反射性能的影响，可以用来烧蚀如金、银、铜、铝等难于与被激光烧蚀的材料；7、脉冲的烧蚀质量很小，小于10-6克，所以推进器的总冲很大，使用寿命长。

本实用新型的电子束烧蚀推进系统由于体积小，反冲推力大小调节方便，靶材与短脉冲强流电子束相互作用的冲量耦合系数高，不受靶材物质反射性能的影响等优点，有望代替传统的卫星推进器。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电子束烧蚀推进系统，其特征在于，所述的系统包括：电子束产生装置及靶材，其中

所述电子束产生装置用于产生电子束，并使所述电子束经过所述电子束产生装置出口射向所述靶材，以产生烧蚀反冲推力推动所述靶材；

所述靶材用于接收所述电子束，并在所述电子束的烧蚀作用下向外产生气体或者微小颗粒。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的电子束产生装置为短脉冲强流电子束产生装置。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的短脉冲强流电子束产生装置为赝火花放电装置，所述的赝火花放电装置包括：高压电源、放电电容及赝火花放电室，所述的高压电源及依次顺序电连接，所述的放电电容与赝火花放电室并联连接。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述反冲推力的大小通过调节所述高压电源的电压及赝火花放电室的真空度进行调节。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述靶材与赝火花放电室出束口的距离为1cm。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的赝火花放电室由金属电极圆环及绝缘片圆环交替间隔粘合而成。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述金属电极圆环及绝缘片圆环的中心共轴。

8.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的高压电源包括：

调压器，用于调节初始输入交流电压；

升压变压器，用于提升初始输入交流电压；

倍压线路，用于将经过所述升压变压器的交流电压调整为直流高压。

9.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述赝火花放电装置还包括：

真空室，所述真空室通过小孔与所述赝火花放电室的出束口密封连通，所述的靶材置于所述真空室中。

10.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述放电电容的大小为2245pF。

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