激光等離子體組合推進(jìn)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及航天航空領(lǐng)域，特別是設(shè)及激光等離子體組合推進(jìn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于深空探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)空間目標(biāo)任務(wù)的要求不斷提高，空間飛行任務(wù) 的難度也在加大，比如行星際間探測(cè)等，運(yùn)些空間任務(wù)的完成，要求探測(cè)器系統(tǒng)要具有智能 化、效率高、更節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)、全天候的巡天、對(duì)探測(cè)目標(biāo)探測(cè)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，深空探測(cè)技術(shù) 正朝更深的空間拓展，而深空探測(cè)任務(wù)的完成，要求火箭推進(jìn)系統(tǒng)要具有效率高、更節(jié)能、 使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
[0003]目前的電火箭推進(jìn)系統(tǒng)采用化學(xué)燃料來(lái)驅(qū)動(dòng)火箭升空的技術(shù)存在發(fā)射費(fèi)用昂貴、 載荷比較低、發(fā)射操作運(yùn)轉(zhuǎn)模式負(fù)責(zé)等問(wèn)題，且電火箭推進(jìn)系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用，已顯示出 化學(xué)能火箭推進(jìn)系統(tǒng)難W達(dá)到的高比沖、高效率和長(zhǎng)壽命等要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于上述狀況，有必要提供一種高比沖、高效率和長(zhǎng)壽命的激光等離子體組合推 進(jìn)系統(tǒng)。
[0005] -種激光等離子體組合推進(jìn)系統(tǒng)，包括中性推進(jìn)劑儲(chǔ)存裝置、等離子發(fā)生裝置、高 能脈沖激光發(fā)射裝置、等離子加速裝置、電流控制器、電源裝置；所述中性推進(jìn)劑儲(chǔ)存裝置 中儲(chǔ)存的推進(jìn)劑經(jīng)過(guò)所述等離子發(fā)生裝置時(shí)，在高壓電的作用下與電子碰撞形成等離子 流；所述高能脈沖激光發(fā)射裝置發(fā)射脈沖強(qiáng)激光對(duì)所述等離子流再電離，令所述等離子流 的電離度增大，形成高能高速粒子流；所述等離子體加速裝置通過(guò)磁場(chǎng)作用進(jìn)一步加速所 述高能高速粒子流；所述高能高速粒子流W高速噴出，產(chǎn)生反作用推力。
[0006]本發(fā)明提出的激光等離子體組合推進(jìn)系統(tǒng)是對(duì)激光和等離子體兩種推進(jìn)系統(tǒng)的 有效結(jié)合，能夠?yàn)楹教焯綔y(cè)儀提供高比沖、高效率、長(zhǎng)壽命的推進(jìn)動(dòng)力。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1為激光等離子體組合推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008] 圖2為激光等離子體組合推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理圖。
[0009] 圖3為等離子發(fā)生裝置的主視圖。
[0010] 圖4為等離子發(fā)生裝置的剖視圖。
[0011] 圖5為等離子加速裝置的工作原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中 給出了本發(fā)明的首選實(shí)施例。但是，本發(fā)明可WW許多不同的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所 描述的實(shí)施例。相反地，提供運(yùn)些實(shí)施例的目的是使對(duì)本發(fā)明的公開內(nèi)容更加透徹全面。
[0013] 需要說(shuō)明的是，當(dāng)元件被稱為"固設(shè)于"另一個(gè)元件，它可W直接在另一個(gè)元件上 或者也可W存在居中的元件。當(dāng)一個(gè)元件被認(rèn)為是"連接"另一個(gè)元件，它可W是直接連接 到另一個(gè)元件或者可能同時(shí)存在居中元件。本文所使用的術(shù)語(yǔ)"垂直的"、"水平的"、"左"、 "右"W及類似的表述只是為了說(shuō)明的目的。
[0014] 除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的 技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說(shuō)明書中所使用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述具 體的實(shí)施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語(yǔ)"及/或"包括一個(gè)或多個(gè) 相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。
[001引請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施方式的激光等離子體組合推進(jìn)系統(tǒng)，包括：中性推進(jìn)劑儲(chǔ) 存裝置10,等離子發(fā)生裝置11，高能脈沖激光發(fā)射裝置12,等離子加速裝置13,電流控制器 14,電源裝置15。
[0016]請(qǐng)參閱圖2,本發(fā)明提出的激光等離子體組合推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理，在高壓電的作 用下將電子從陰極向陽(yáng)極發(fā)射并進(jìn)入等離子發(fā)生裝置，中性推進(jìn)劑-氣氣同時(shí)被注入等離 子發(fā)生裝置。氣原子和電子發(fā)生碰撞，碰撞后氣原子核周圍的部分電子將被擊開，使得氣原 子被電離，經(jīng)過(guò)脈沖強(qiáng)激光的再電離增加了電離度，然后經(jīng)過(guò)等離子加速裝置，使電離后的 離子運(yùn)動(dòng)更快，形成高密度等離子流從離子發(fā)生器噴口噴出。最后經(jīng)過(guò)中和器收集多余的 電子并把它們注入噴出的等離子流中，防止發(fā)動(dòng)機(jī)帶上太多的正電荷，等離子流從發(fā)動(dòng)機(jī) 噴口高速噴出，產(chǎn)生反作用推力，推動(dòng)深空探測(cè)器飛行。
[0017]請(qǐng)繼續(xù)參閱圖1，中性推進(jìn)劑儲(chǔ)存裝置10設(shè)有儲(chǔ)氣罐101和流量控制累102,該儲(chǔ) 氣罐101儲(chǔ)存中性推進(jìn)劑氣氣，該流量控制累102與儲(chǔ)氣罐101連接，負(fù)責(zé)將中性推進(jìn)劑輸 出至等離子發(fā)生裝置11，并控制中性推進(jìn)劑的流量，W保證中性推進(jìn)劑W定量可控的方式 進(jìn)入等離子發(fā)生裝置11。
[001引等離子發(fā)生裝置11與中性推進(jìn)劑儲(chǔ)存裝置10相連，接收中性推進(jìn)劑儲(chǔ)存裝置10 提供的中性推進(jìn)劑，使中性推進(jìn)劑在高壓電的作用下形成等離子流。
[0019] 圖3為等離子發(fā)生裝置11的主視圖，圖4為等離子發(fā)生裝置11的剖視圖，等離子 發(fā)生裝置11設(shè)有正負(fù)電極111、電磁體112和絕緣體113,電極與電絕緣側(cè)壁形成等離子 體通道。該通道一方面與帶有電場(chǎng)強(qiáng)度E的電場(chǎng)垂直，另一方面還貫穿由電磁場(chǎng)產(chǎn)生磁感 B的磁流。該等離子發(fā)生裝置11的水平入射口為激光導(dǎo)入口，用于輔助等離子體源。接口 通道0160mm，:安放激光器的一端在等離子體發(fā)生區(qū)垂直安裝有攝機(jī)，有=個(gè)備用通道連 接離子發(fā)生器，其中激光通道和等離子體通道夾角為45°。=個(gè)離子發(fā)生器接口放置相隔 12°。形成的等離子流具有動(dòng)能，全部的粒子可用速度分布函數(shù)/打y表示，即在給定速度 范圍內(nèi)的粒子數(shù)：
[0020] dn=巧v)d(v)
[00引]式中長(zhǎng)為速度，挪V'文為速度空間單元。
[0022] 全部粒子數(shù)為： 泌'
[0023]巧二./(v)aV * -CO
[0024]在沒(méi)有外力作用時(shí)，等離子體趨向于熱平衡，速度按麥克斯韋分布的方程式為：
[0026] 式中：m為粒子質(zhì)量；
[0027]k為玻爾茲曼常數(shù)，1. 38*1023JA;
[002引 T為等離子流溫度，單位電子伏特；
[0029] 在等離子流內(nèi)，所有離子處于熱平衡，離子溫度為Ti,所有電子也處于熱平衡，電 子溫度為Te,中性離子的熱平衡溫度較Ti或Te小得多。廠(句(/;表示單位體積內(nèi)粒子的 平均數(shù)：
[0030] 二4;rvV'O)二4萬(wàn)八?(巧? / 2/了477。e
[0031] 能量分布函數(shù)f巧）按麥克斯韋分布：
[0032] f似=F(V) dv/祀=n (4/ JT) 1/2化T)3々Ei/2eEZkT
[0033] 粒子的平均能量為：
[0035] 在各向同性的等離子體中，每一個(gè)方向的平均運(yùn)動(dòng)速度為：
[0037] 粒子的平均速度為：
[003引 Vmean= (8kiy Jlm) 1/2
[0039] 粒子速度的均方根值為：
[0040] Vrms= (3kT/m) 1/2
[0041] 在溫度為IeV的氨等離子體內(nèi)，正離子的平均速度為1. 56*104m/s，電子的平均速 度為 6. 7*104m/s。
[0042] 進(jìn)一步地，高能脈沖激光發(fā)射裝置12發(fā)射高能脈沖激光增加該等離子流的電離 度。該高能脈沖激光發(fā)射裝置12同等離子發(fā)生裝置11 一起與中性推進(jìn)劑儲(chǔ)存裝置10連 接。高能脈沖激光發(fā)射裝置12設(shè)有激光器121、擴(kuò)束鏡122和聚焦鏡123,激光器121發(fā)射 高能脈沖激光，擴(kuò)束鏡122設(shè)于激光器121和聚焦鏡123之間，擴(kuò)展該高能脈沖激光的直 徑，減少所述高能脈沖激光的發(fā)射角，聚焦鏡123聚焦該脈沖激光能量，將該高能脈沖激光 照射到所述等離子流，將將其再電離。
[0043] 本實(shí)施例中高能脈沖激光發(fā)射裝置12中的激光器121為飛秒固體激光器。該飛 秒固體激光器的參數(shù)為：
[0044] 脈沖強(qiáng)激光的波長(zhǎng)：1. 06um
[0045] 脈沖強(qiáng)激光的脈寬：>IOOfs
[0046] 脈沖強(qiáng)激光的重復(fù)頻率：>10化
[0047] 脈沖強(qiáng)激光的強(qiáng)度：>l