專利名稱：脈沖激光等離子體電混合微推進裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體推進領(lǐng)域，特別涉及一種脈沖激光等離子體電混合微推進裝置及方法。
背景技術(shù)：
微小衛(wèi)星的迅速發(fā)展使得研究高效、輕型、低功耗、小推力、微沖量的微推進技術(shù)成為必須。目前，主要研究的微推進技術(shù)脈沖等離子體推進(PPT)、Hall推進(SPT)等推進方式各有優(yōu)缺點。目前，PPT推進方式電離程度低，大部分粒子無法直接受到電磁場加速，推進效率很低，均小于10%，推功比不高。而Hall推進(SPT)采用的推進劑通常為氙氣，具有較高的比沖和高的推功比；缺點是存儲氣體的鋼瓶占了系統(tǒng)干重的一大半，導(dǎo)致質(zhì)量和體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有效載荷率低，同時也受陰極發(fā)射器壽命限制，難以在微小衛(wèi)星上使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種可提供高比沖、高推功比的微推力的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置及方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種脈沖激光等離子體電混合微推進裝置，包括脈沖激光燒蝕裝置、推進劑供給裝置及等離子體加速裝置；所述脈沖激光燒蝕裝置燒蝕所述推進劑供給裝置提供的推進劑，產(chǎn)生高速等離子體；所述等離子體加速裝置將所述高速等離子體進行加速。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種脈沖激光等離子體電混合微推進方法，包括通過高頻脈沖激光燒蝕推進劑，產(chǎn)生高溫、高速等離子體；及通過電場或磁場將所述高溫、高速等離子體進行加速。根據(jù)本發(fā)明提供的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置及方法，可為微小衛(wèi)星提供高比沖和高推功比的微小推力。


圖1是本發(fā)明實施例提供的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明另一實施例提供的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明另一實施例提供的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明另一實施例提供的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖4中等離子體團中的電子被束縛在加速通道中作環(huán)向的閉環(huán)漂移運動的示意6是本發(fā)明實施例提供的脈沖激光等離子體電混合微推進方法的流程示意圖。
本發(fā)明目的、功能及優(yōu)點將結(jié)合實施例，參照附圖做進一步說明。
具體實施例方式本發(fā)明實施例提供一種脈沖激光等離子體電混合微推進裝置，包括脈沖激光燒蝕裝置、推進劑供給裝置及等離子體加速裝置；脈沖激光燒蝕裝置燒蝕推進劑供給裝置提供的推進劑，產(chǎn)生高速等離子體；等離子體加速裝置將高速等離子體進行加速。下面結(jié)合圖 1至圖4所示的實施例對本脈沖激光等離子體電混合微推進裝置進行詳細展開說明。如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置包括控制邏輯電路、脈沖激光燒蝕裝置、置于陽極4和陰極5之間的推進劑1、儲能電容器6及用于將低壓直流供電轉(zhuǎn)換為高壓直流電的電源轉(zhuǎn)換裝置7。其中，脈沖激光燒蝕裝置包括脈沖光纖激光器2和聚焦鏡10，脈沖光纖激光器通過光纖與聚焦鏡10連接。控制邏輯電路產(chǎn)生用于控制脈沖光纖激光器2產(chǎn)生脈沖信號的控制信號。脈沖光纖激光器2接收控制信號，按照控制信號產(chǎn)生相應(yīng)的高頻脈沖激光。陽極4和陰極5構(gòu)成放電通道。高頻脈沖激光依次通過聚焦鏡10、陽極4開有的噴口照射在推進劑1上。高頻脈沖激光在推進劑1表面聚焦使其燒蝕并充分等離子體化，從而在陽極4和陰極5之間產(chǎn)生等離子體區(qū)。電源轉(zhuǎn)換裝置 7與儲能電容器6連接，接收電源轉(zhuǎn)換裝置7產(chǎn)生的高壓直流電。儲能電容器6與陽極4、 陰極5及等離子體區(qū)構(gòu)成閉合回路，并產(chǎn)生感應(yīng)磁場。激光燒蝕照射出的高溫等離子體具有很高的速度，在感應(yīng)磁場中受到洛倫茲力再次加速并向外噴出，產(chǎn)生一個推力脈沖。推進劑可為固體推進劑(例如，聚合物，雙基藥等)，其外可設(shè)置一個恒力彈簧，產(chǎn)生一個恒力作用在固體推進劑上，保證推進劑能夠在所需的速率下被送到位于噴口下的激光聚焦點處。如圖2所示，本發(fā)明實施例提供的另一種脈沖激光等離子體電混合微推進裝置。 與圖1所示實施例不同的是，該實施例采用液體、氣體或膏體作為推進劑。液體、氣體或膏體(液體如胼，氣體如氙氣，膏體如多烯多胺等)存儲在儲瓶13中。儲瓶13通過一管道 12(管道上設(shè)置有閥門11)將液體、氣體或膏體輸送至由陽極4和陰極5組成的放電通道中。工作時，閥門11開啟一段時間，液體、氣體或膏體按設(shè)定的流量噴出。當液體、氣體或膏體到達管道12 口部時，脈沖光纖激光器2按照控制信號(由控制邏輯電路產(chǎn)生)產(chǎn)生相應(yīng)的激光脈沖。激光脈沖通過聚焦鏡10對管道12 口部的推進劑表面聚焦，使推進劑燒蝕并充分等離子體化。陽極4和陰極5之間成為等離子體區(qū)。儲能電容器6、陽極4、陰極5 和等離子體區(qū)構(gòu)成閉合回路，并產(chǎn)生感應(yīng)磁場。激光燒蝕噴射出的高溫等離子體本身就具有很高的速度，在感應(yīng)磁場中受到洛倫茲力再次加速并向外噴出，產(chǎn)生一個推力脈沖。如圖3所示，本發(fā)明實施例提供的另一種脈沖激光等離子體電混合微推進裝置。與圖2所示實施例不同的是，用于存儲氣體、膏體或液體推進劑的儲瓶13通過一管道 12(管道上設(shè)置有閥門11)將存儲的推進劑推送到透明基底層14(透明基底層設(shè)置在陽極 4和陰極5構(gòu)成的放電通道之間)上。工作時，閥門11開啟一段時間，氣體、膏體或液體推進劑按設(shè)定的流量流出，氣體/液體到達管道口部附近的透明基底層上形成一層液體或氣體薄膜。此時脈沖光纖激光器2按照控制信號(由控制邏輯電路產(chǎn)生)產(chǎn)生相應(yīng)的激光脈沖，激光透過透明基底層14并在管道12 口部附近氣體、膏體或液體薄膜上聚焦，使氣體、膏體或液體推進劑燒蝕并充分等離子體化。陽極4和陰極5間成為等離子體區(qū)。儲能電容器 6、陽極4、陰極5和等離子體區(qū)構(gòu)成閉合回路，并產(chǎn)生感應(yīng)磁場。激光燒蝕噴射出的高溫等
5離子體本身就具有很高的速度，在感應(yīng)磁場中受到洛倫茲力再次加速并向外噴出，產(chǎn)生一個推力脈沖。如圖4所示，本發(fā)明實施例提供的另一種脈沖激光等離子體電混合微推進裝置包括電源系統(tǒng)、控制邏輯電路、脈沖激光燒蝕裝置、置于N極17和S極16之間的固體推進劑1 (可外加彈簧給以推力)、磁場線圈15、N極17和S極16之間的電磁場加速通道及陽極4。其中，脈沖激光燒蝕裝置包括脈沖光纖激光器2和聚焦鏡10。脈沖光纖激光器2通過光纖3與聚焦鏡10連接。控制邏輯電路產(chǎn)生用于控制脈沖光纖激光器22產(chǎn)生脈沖信號的控制信號。脈沖光纖激光器22接收控制信號，按照控制信號產(chǎn)生相應(yīng)的高頻脈沖激光。 以上器件的工作過程如下激光從S極16狹縫內(nèi)入射，在推進劑表面附近聚焦，對推進劑進行燒蝕，從而產(chǎn)生高溫、高速的等離子體。高溫、高速的等離子體噴射進入電磁場加速通道。在加速通道內(nèi)，由于徑向磁場對電子的束縛作用，等離子體團中的電子的軸向運動受到磁場的抑制，被束縛在加速通道中作環(huán)向的閉環(huán)漂移運動(如圖5所示)；環(huán)向漂移的電子的和陽極4之間形成電場。另一方面，由于離子的質(zhì)量遠遠大于電子的質(zhì)量，所以加速通道內(nèi)的磁場有效束縛電子軸向運動的同時對軸向離子的運動幾乎沒有影響，電離產(chǎn)生的離子在加速通道內(nèi)電場的作用下再次得到加速并向外噴出，產(chǎn)生推力。當然本實施例中的推進劑1也可以采用氣體、液體或膏體。當推進劑1為氣體、液體或膏體時，可采用存儲氣體或液體推進劑的儲瓶，將儲瓶通過一管道將存儲的推進劑推送到狹縫下或推送到透明基底層上。如圖6所示，本發(fā)明實施例還提供一種脈沖激光等離子體電混合微推進方法，包括步驟Si、通過高頻脈沖激光燒蝕推進劑，產(chǎn)生高溫、高速等離子體；及步驟S2、通過電場或磁場將所述高溫、高速等離子體進行再次加速。該方法可通過圖1至圖4所示的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置進行實施， 此處不再贅述。下面結(jié)合比沖和推功比來說明本發(fā)明實施例提供的脈沖激光等離子體電混合微推進器的效能。比沖的定義為Isp = v/g(l)，其中，ν為燒蝕產(chǎn)生的等離子體的噴射速度， 由上式(1)可見，噴射速度越高，比沖就越高。比沖越高，產(chǎn)生相同沖量所消耗的推進劑的質(zhì)量就越低，衛(wèi)星在攜帶相同質(zhì)量的推進劑在軌運行的時間也就越長。一般來說，比沖高低與被燒蝕的等離子體氣團的溫度有關(guān)，一般化學(xué)火箭的氣體噴射溫度在幾千K，激光在幾萬 K，而一般的PPT或者是Hall推進時采用高壓放電的等離子體的溫度也只有上萬K，遠遠低于激光燒蝕，所以直接采用激光作為等離子體產(chǎn)生源，就能獲得500-1000S的比沖。所以本發(fā)明采用高頻脈沖激光燒蝕推進劑，產(chǎn)生高速等離子體。由于產(chǎn)生的等離子體的噴射速度很高，那么比沖也很高，從而產(chǎn)生相同沖量所消耗的推進劑的質(zhì)量就很低，衛(wèi)星在攜帶相同質(zhì)量的推進劑在軌運行的時間也就很長。另外，高速等離子體的速度在電磁場加速還能得到進一步的提高，從而使比沖進一步得到提高，使產(chǎn)生相同沖量所消耗的推進劑的質(zhì)量進一步降低，衛(wèi)星在攜帶相同質(zhì)量的推進劑在軌運行的時間進一步得到延長。推功比的定義如下所示，即Cm = F/P ；其中，F(xiàn)為產(chǎn)生的推力，P為輸入電功率，可見，相同電功率下，Cm值越大，推力F就越大。對于重量只有IOOkg左右的微小衛(wèi)星，只能產(chǎn)生IOOw的電力，如果推功比越低，產(chǎn)生的推力就越小，不能完成衛(wèi)星軌道保持和快速調(diào)姿
6等對速度要求較高的任務(wù)。表1給出了本發(fā)明和傳統(tǒng)推進器的參數(shù)比較。表1各種推進器參數(shù)比較
權(quán)利要求
1.一種脈沖激光等離子體電混合微推進裝置，其特征在于，包括脈沖激光燒蝕裝置、推進劑供給裝置及等離子體加速裝置；所述脈沖激光燒蝕裝置燒蝕所述推進劑供給裝置提供的推進劑，產(chǎn)生高速等離子體； 所述等離子體加速裝置將所述高速等離子體再次進行加速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置，其特征在于，所述等離子體加速裝置包括由陽極和陰極組成的放電通道，儲能電容器、用于將低壓直流供電轉(zhuǎn)換為高壓直流的電源轉(zhuǎn)換裝置；所述推進劑置于所述放電通道中；所述脈沖激光燒蝕裝置產(chǎn)生的高頻脈沖激光通過所述陽極開有的噴口照射在所述推進劑上或通過設(shè)置在陽極和陰極之間的透明基底層照射在所述推進劑上，從而在所述陽極和所述陰極之間產(chǎn)生等離子體區(qū)；所述電源轉(zhuǎn)換裝置與所述儲能電容器連接，接收所述電源轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生的高壓直流電；所述儲能電容器與所述放電通道及所述等離子體區(qū)構(gòu)成閉合回路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置，其特征在于，所述推進劑供給裝置包括固體推進劑及彈簧，所述彈簧與所述固體推進劑連接，用于將所述固體推進劑推送到位于所述噴口下的激光聚焦點處。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置，其特征在于，所述推進劑供給裝置包括用于存儲氣體、膏體或液體推進劑的儲瓶，所述儲瓶通過一管道將存儲的氣體、膏體或液體推進劑推送到所述噴口下或推送到所述透明基底層上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置，其特征在于，所述等離子體加速裝置包括磁極、磁場線圈、磁極之間的電磁場加速通道以及陽極；所述推進劑置于所述電磁場加速通道中；所述脈沖激光燒蝕裝置產(chǎn)生的高頻脈沖激光通過磁極開有的狹縫照射在所述推進劑上，從而在所述磁極之間產(chǎn)生高速等離子體；所述高速等離子體中的電子與所述陽極構(gòu)成電場。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置，其特征在于，所述推進劑供給裝置包括固體推進劑及彈簧，所述彈簧與所述固體推進劑連接，用于將所述固體推進劑推送到位于所述狹縫下的激光聚焦點處。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置，其特征在于，所述推進劑供給裝置包括用于存儲氣體、膏體或液體推進劑的儲瓶，所述儲瓶通過一管道將存儲的推進劑直接推送到位于所述狹縫下的激光聚焦點處或推送到所述透明基底層表面的激光聚焦點處。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項所述的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置，其特征在于，所述脈沖激光燒蝕裝置包括脈沖光纖激光器和聚焦鏡，所述脈沖光纖激光器產(chǎn)生的激光通過所述聚焦鏡照射到所述推進劑上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項所述的脈沖激光等離子體電混合微推進裝置，其特征在于還包括控制邏輯電路，產(chǎn)生用于控制所述脈沖激光燒蝕裝置產(chǎn)生脈沖信號的工作信號。
10.一種脈沖激光等離子體電混合微推進方法，其特征在于，包括 通過高頻脈沖激光燒蝕推進劑，產(chǎn)生高溫、高速等離子體；及通過電場或磁場將所述高溫、高速等離子體進行再次加速。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于 所述推進劑包括固體、氣體、液體或膏體。
全文摘要
本發(fā)明公開了脈沖激光等離子體電混合微推進裝置，包括脈沖激光燒蝕裝置、推進劑供給裝置及等離子體加速裝置；所述脈沖激光燒蝕裝置照射所述推進劑供給裝置提供的推進劑，產(chǎn)生高速等離子體；所述等離子體加速裝置將所述高速等離子體再次進行加速。本發(fā)明還提供脈沖激光等離子體電混合微推進方法，包括通過高頻脈沖激光燒蝕推進劑，產(chǎn)生高溫、高速等離子體；及通過電場或磁場將高溫、高速等離子體進行加速。通過本發(fā)明可為微小衛(wèi)星提供高比沖和高推功比的推力。
文檔編號H05H1/24GK102374146SQ20101024917
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者張興華, 蔡建 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所