利用空間等離子體和磁場作用的航天器助推系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用空間等離子體和磁場作用的航天器助推系統(tǒng)，該助推系統(tǒng)的導(dǎo)電長桿伸出在航天器的外部，利用控制系統(tǒng)連接到航天器上，用來收集電子的空間等離子體收集裝置和用于將長桿中的等離子體發(fā)射到空間中的電子發(fā)射裝置分別設(shè)置在導(dǎo)電長桿的兩端，電源系統(tǒng)提供空間等離子體收集裝置和電子發(fā)射裝置兩端的電位差及工作電壓，收集裝置從空間收集等離子體到導(dǎo)電長桿中，在電位差的作用下，等離子體流向?qū)щ婇L桿的另一端，發(fā)射裝置將桿中的電子發(fā)射到空間中，實現(xiàn)電流的持續(xù)產(chǎn)生和作用力。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明無需攜帶工質(zhì)，大大降低了發(fā)射成本，并實現(xiàn)航天器在軌全壽命周期工作，具有巨大優(yōu)勢。
【專利說明】利用空間等離子體和磁場作用的航天器助推系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天器推進及空間環(huán)境利用的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用空間等離子體的無燃料推進在軌航天器運動的系統(tǒng)及利用該系統(tǒng)推進在軌航天器運動的推進方法。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子區(qū)是太空中存在的低密度電子層，導(dǎo)體的一端安裝電子收集器從等離子區(qū)收集電子，另一端安裝電子發(fā)射器將電子釋放到等離子區(qū)，由于其在等離子體中的電流收集效應(yīng)而產(chǎn)生的電流在地球磁場的作用下會受到安培力的作用從而產(chǎn)生推力。
[0003]空間推進技術(shù)一般可分為化學推進、電推進、以及其他一些推進技術(shù)(如太陽帆、繩系推進等)。目前，絕大部分飛行器的主推進器采用的是化學推進。而電推進作為先進的推進技術(shù)也正在得到越來越多的關(guān)注。
[0004]化學推進是利用化學能將航天器送入預(yù)定軌道和實現(xiàn)軌道機動的推進技術(shù)?；瘜W推進最突出的特點是可以提供大推力，一直以來是航天器利用使用最多的推進技術(shù)。其中，化學發(fā)動機是目前長壽命三軸姿態(tài)控制穩(wěn)定衛(wèi)星、自旋衛(wèi)星一般都必須采用的一種控制執(zhí)行部件。通常，化學發(fā)動機的工作方式有兩種:脈沖工作和穩(wěn)態(tài)工作。脈沖工作主要用于衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整或者位置保持；穩(wěn)態(tài)工作主要用于衛(wèi)星的軌道機動。
[0005]一般來說，推進系統(tǒng)利用太陽電池帆板或者反應(yīng)堆發(fā)電產(chǎn)生的電能給推進劑提供能量，使推進劑可以產(chǎn)生遠高于普通化學推力器產(chǎn)生的噴氣速度。電推進的高比沖可以降低系統(tǒng)質(zhì)量、節(jié)約推進劑提高壽命、增加有效載荷，除了應(yīng)用在長壽命通訊衛(wèi)星上以提高衛(wèi)星平臺性能外，電推進更可以完成常規(guī)推進系統(tǒng)無法完成的任務(wù)。
[0006]然而，化學推進和電推進都需要攜帶一定量的工質(zhì)，不僅占用了航天器的平臺質(zhì)量，大大增加了發(fā)射成本，同時航天器在軌運行壽命也主要取決于所攜帶燃料的量，依靠攜帶燃料的推進模式極大地制約了航天器平臺功能擴展以及服役壽命的延長。
[0007]中國專利申請2009102499028公開了一種航天器磁推進器，該推進器主要包括電源系統(tǒng)、驅(qū)動部件、可伸縮的金屬桿、桿兩端分別設(shè)置有金屬球，其特征在于，電源系統(tǒng)與驅(qū)動部件上設(shè)置的導(dǎo)電環(huán)電連接，通過動連接的電刷電連接到金屬桿和金屬球上。此專利采用在等離子體中使用具有電位差的兩個電極來收集等離子體中的電荷形成電流。但是，根據(jù)研究，實際工程中等離子體中的懸浮體在收集電荷后的電位變化會抑制電流的繼續(xù)收集，從而并不能形成持久的助推力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有攜帶燃料的航天器推進方法發(fā)生成本高，航天器在軌壽命依賴于燃料的攜帶數(shù)量，從而導(dǎo)致航天器在軌壽命受到限制的問題。本發(fā)明利用收集系統(tǒng)收集空間等離子體產(chǎn)生的電流回路在地磁場的作用下對航天器產(chǎn)生持續(xù)助推力，而不受空間環(huán)境中微小阻力的影響。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:[0010]一種利用空間等離子體和磁場作用的航天器助推系統(tǒng)，包括導(dǎo)電長桿裝置、空間等離子體收集裝置、電子發(fā)射裝置、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)(電源裝置)，可控長度的導(dǎo)電長桿伸出在航天器的外部，利用控制系統(tǒng)連接到航天器上，用來收集電子的空間等離子體收集裝置和用于將長桿中的等離子體發(fā)射到空間中的電子發(fā)射裝置分別設(shè)置在導(dǎo)電長桿的兩端，航天器內(nèi)的電源系統(tǒng)提供空間等離子體收集裝置和電子發(fā)射裝置兩端的電位差及工作電壓，空間等離子體收集裝置從空間收集等離子體到導(dǎo)電長桿中，在電源系統(tǒng)給導(dǎo)電長桿提供的電位差的作用下，等離子體流向?qū)щ婇L桿的另一端，另一端的發(fā)射裝置將長桿中的電子發(fā)射到空間中，以實現(xiàn)電流的回路和電流的持續(xù)產(chǎn)生，并產(chǎn)生持續(xù)的作用力。
[0011]進一步地，上述可控導(dǎo)電長桿用來將收集系統(tǒng)收集的電子傳導(dǎo)到發(fā)射端，桿的外表面絕緣，桿的長度可根據(jù)需要進行調(diào)整以獲得相應(yīng)推力，桿與航天器連接采用多維度剛性連接，通過調(diào)整桿的姿態(tài)改變獲得推力的方向。
[0012]進一步地，上述空間等離子體收集裝置為插入空間等離子體中的導(dǎo)電電極，電極與導(dǎo)電長桿連接處用絕緣且耐高溫的材料封裝。
[0013]進一步地，上述電子發(fā)射裝置為場致電子發(fā)射裝置，優(yōu)選地采用碳納米管/聚氨酯泡沫(CNT/PUF )作為陰極材料。
[0014]一種上述推進系統(tǒng)的用途，其中，將該推進系統(tǒng)設(shè)置在航天器的外側(cè)，利用收集和發(fā)射裝置使空間中的等離子體在導(dǎo)電長桿中持續(xù)流動產(chǎn)生電流，在地磁場和空間等離子體的作用下產(chǎn)生助推力來幫助推動航天器的在軌運動。
[0015]與傳統(tǒng)的電推進技術(shù)相比，本發(fā)明在推進系統(tǒng)無需攜帶工質(zhì)，大大降低了發(fā)射成本，并可實現(xiàn)航天器在軌全壽命周期工作，具有巨大優(yōu)勢。與之前的發(fā)明相比能夠增大收集電流，產(chǎn)生持續(xù)電流，實現(xiàn)穩(wěn)定的推力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的空間等離子體和磁場作用的航天器推進系統(tǒng)示意圖。
[0017]圖中:1-空間粒子；2_空間電子；3_等離子體收集裝置；4_電源系統(tǒng)；5_支撐系統(tǒng)；6_控制系統(tǒng)；7_電子發(fā)射裝置；8_電極；9_導(dǎo)電長桿；10-導(dǎo)電長桿絕緣層。
【具體實施方式】
[0018]以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的【具體實施方式】，下面通過【具體實施方式】對本發(fā)明的所述內(nèi)容作進一步的闡明。當然，描述下列【具體實施方式】只為示例本發(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。
[0019]參照圖1，本發(fā)明的空間等離子體和磁場作用的航天器推進系統(tǒng)，包括安裝在導(dǎo)電長桿9 一端的等離子體收集裝置3、安裝在導(dǎo)電長桿9另一端的電子發(fā)射裝置7、導(dǎo)電長桿
9、電源系統(tǒng)4、控制導(dǎo)電長桿9伸縮轉(zhuǎn)向的控制系統(tǒng)6、連接導(dǎo)電長桿9與控制系統(tǒng)6的支撐系統(tǒng)5，本系統(tǒng)安裝在衛(wèi)星的外部，設(shè)置在導(dǎo)電長桿9 一端的等離子體收集裝5在初始電壓下吸收空間電子2，等離子體收集裝置5與導(dǎo)電長桿9的一端進行密封連接，因此收集的空間電子2將進入導(dǎo)電長桿9中，由于導(dǎo)電長桿9兩端存在電位差因此空間電子2向?qū)щ婇L桿9的另一端運動，導(dǎo)電長桿的另一端與電子發(fā)射裝置7密封連接，運動到另一端的空間電子2經(jīng)電子發(fā)射裝置7發(fā)射到空間中形成一個持續(xù)的電流回路。由于空間中存在著地磁場，裝置在航天器外部有電流存在的導(dǎo)電長桿將受到力的作用。控制系統(tǒng)6根據(jù)需要調(diào)節(jié)導(dǎo)電長桿9的方向完成提供航天器推力功能。
[0020]由安培定律ClF=IdlxB可知載流導(dǎo)線在外磁場中將受到磁力的作用。由定律可知影系統(tǒng)推力的因素有導(dǎo)電長桿中的電流強度、導(dǎo)電長桿的長度、地磁場大小。導(dǎo)電長桿的長度跟衛(wèi)星搭載能力相關(guān)，地磁場大小由當?shù)卮怒h(huán)境相關(guān)，電流大小跟本發(fā)明收集系統(tǒng)的收集能力相關(guān)。
[0021]收集系統(tǒng)由等離子體收集裝置，導(dǎo)電長桿、電子發(fā)射裝置組成。收集器可視為一個體積較大的朗繆探針，最大的電子電流為
[0022]I = Je-Ap=^ (-jI^yeAp [0023]Je為最大電子電流密度，Ap為探針的有效收集面積，e為1.6e_19庫倫，ne為等離子體密度，Pe為電子溫度，有效收集面積跟探針的形狀表面積相關(guān)。
[0024]本發(fā)明中的電子發(fā)射裝置可采用場致發(fā)射來發(fā)射電子，若發(fā)射電流可達到10A，按軌道上等離子體密度典型值選取2.44e+12 (I/m3)，電子溫度為0.24ev,外加50V電壓，球形收集器半徑0.lm，通過計算可知最大收集電流能夠達到幾十安培。但是由于發(fā)射端發(fā)射效率限制因此收集系統(tǒng)最終的收集效率由發(fā)射端的發(fā)射效率決定。
[0025]如果導(dǎo)電長桿長度為5米，收集電流大小10A，地磁場大小為50000nT，根據(jù)安培定律計算導(dǎo)電長桿的作用力為25e-4N。受力方向根據(jù)左手定則確定。表1給出了現(xiàn)有技術(shù)中的金屬球航天器推進系統(tǒng)與本發(fā)明的航天器推動系統(tǒng)在助推航天器在軌運動中的效果比較。
[0026]表1現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明的對比
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種利用空間等離子體和磁場作用的航天器助推系統(tǒng)，包括導(dǎo)電長桿裝置、空間等離子體收集裝置、電子發(fā)射裝置、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)(電源裝置)，可控長度的導(dǎo)電長桿伸出在航天器的外部，利用控制系統(tǒng)連接到航天器上，用來收集電子的空間等離子體收集裝置和用于將長桿中的等離子體發(fā)射到空間中的電子發(fā)射裝置分別設(shè)置在導(dǎo)電長桿的兩端，航天器內(nèi)的電源系統(tǒng)提供空間等離子體收集裝置和電子發(fā)射裝置兩端的電位差及工作電壓，空間等離子體收集裝置從空間收集等離子體到導(dǎo)電長桿中，在電源系統(tǒng)給導(dǎo)電長桿提供的電位差的作用下，等離子體流向?qū)щ婇L桿的另一端，另一端的發(fā)射裝置將長桿中的電子發(fā)射到空間中，以實現(xiàn)電流的回路和電流的持續(xù)產(chǎn)生，并產(chǎn)生持續(xù)的作用力。
2.如權(quán)利要求1所述的航天器助推系統(tǒng)，其中，所述可控導(dǎo)電長桿用來將收集系統(tǒng)收集的電子傳導(dǎo)到發(fā)射端，桿的外表面絕緣，桿的長度可根據(jù)需要進行調(diào)整以獲得相應(yīng)推力，桿與航天器連接采用多維度剛性連接，通過調(diào)整桿的姿態(tài)改變獲得推力的方向。
3.如權(quán)利要求1所述的航天器助推系統(tǒng)，其中，所述空間等離子體收集裝置為插入空間等離子體中的導(dǎo)電電極，電極與導(dǎo)電長桿連接處用絕緣且耐高溫的材料封裝。
4.如權(quán)利要求1所述的航天器助推系統(tǒng)，其中，所述電子發(fā)射裝置為場致電子發(fā)射裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的航天器助推系統(tǒng)，其中，采用碳納米管/聚氨酯泡沫(CNT/PUF)作為陰極材料。
6.一種權(quán)利要求1-5任一項所述推進系統(tǒng)的用途，其中，將所述推進系統(tǒng)設(shè)置在航天器的外側(cè)，利用收集和發(fā)射裝置使空間中的等離子體在導(dǎo)電長桿中持續(xù)流動產(chǎn)生電流，在地磁場和空間等離子體的作用下產(chǎn)生助推力來幫助推動航天器的在軌運動。
【文檔編號】B64G1/22GK103600854SQ201310601802
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】鄧佳欣, 易忠, 孟立飛, 劉業(yè)楠, 唐小金, 張超, 陳金剛, 王志浩, 王斌, 于文澤 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所