[發(fā)明專利]一種可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110340955.8
• 申請日: 2011-11-02
• 公開（公告）號: CN102434414A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發(fā)明（設計）人: 劉猛;武志文;劉向陽
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: F03H1/00
• 分類號: F03H1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管設計技術，用于將等離子體的周向速度轉化為軸向速度，屬于磁流體技術領域。

背景技術

可變比沖磁等離子體火箭與其它推進方式相比，具有推力可變、比沖可調且無電極的優(yōu)點，可作為未來載人火星計劃首選推進方式之一。目前，將可控核聚變作為未來高功率的可變比沖磁等離子體火箭的電源供給方式，但較小功率的可變比沖磁等離子體火箭的電源仍可由太陽能裝置供給。較小功率的可變比沖磁等離子體火箭可以用作衛(wèi)星或空間站的軌道保持及轉移用推力器。由于可變比沖磁等離子體火箭適合長時間工作的特點，也可將其用來清理太空垃圾，以及用來摧毀即將撞擊地球的小行星、隕石等。

可變比沖磁等離子體火箭由螺旋波等離子體源、離子回旋共振加熱系統(tǒng)以及磁噴管三部分組成，選用氬氣或氫氣作為推進劑。氬氣或氫氣經過螺旋波等離子體源產生高密度的等離子體，然后等離子體流過離子回旋共振加熱系統(tǒng)，等離子體溫度升高、周向旋轉速度變大，即通過離子回旋共振加熱系統(tǒng)將等離子體的能量升高。最后經過磁噴管的磁場作用，將等離子體的周向速度在洛倫茲力的作用下轉換為軸向速度，完成加速。

當?shù)入x子體完成噴射而離開航天器的時候，等離子體的速度在周向上還有一部分分量。磁噴管作為可變比沖磁等離子體火箭非常重要的一部分，可以將熱等離子體的周向旋轉速度轉換為軸向速度，而軸向速度正是所需要的速度(軸向速度可以提供給航天器所需的推力)。因此，為了高效地提高變比沖磁等離子體火箭的性能，迫切需要對磁噴管的尺寸、噴管面積膨脹比、線圈位置、噴管內磁場位形及磁場強度進行設計。

發(fā)明內容

本發(fā)明目的是為了解決電推進系統(tǒng)中等離子體加速過程中的速度浪費問題，提出一種新的可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管。

磁噴管作為可變比沖磁等離子體火箭的最后一級，安裝在火箭發(fā)動機尾端，由噴管和超導線圈組成。其中，噴管安裝在火箭發(fā)動機殼體的尾端。噴管的形狀采用擴張型，膨脹比(即出口面積與噴管喉部的面積比)為40∶1；噴管材料選用3000k-5000k的耐高溫、抗燒蝕的合金材料，例如鎢銅合金，以減小燒蝕和推力偏心。

磁噴管的磁場由超導線圈產生。超導線圈位于噴管的入口處，并環(huán)繞于噴管的前段。從噴管入口到出口方向上超導線圈內的電流方向為順時針方向，在噴管內部產生發(fā)散型強磁場。超導線圈利用航天器上的電源供電。超導線圈采用合金材料，例如鈮鈦合金，從而使線圈具有良好的導電性能以及長期的工作時間。

在火箭工作過程中，進入磁噴管的等離子體要求是完全電離的等離子體。此時，等離子體以高速的周向旋轉，同時產生推力所需的軸向速度很小。由于磁噴管沿軸向發(fā)散磁場的存在，在洛倫茲力的作用下使周向速度變換為軸向速度，同時軸向速度顯著增大，等離子體沿著軸向噴射出去以后，從而產生航天器所需的推力。

由于發(fā)散型磁場的存在，等離子體與噴管的內壁面沒有直接接觸，避免了高溫等離子體流對噴管材料的腐蝕。

有益效果

(1)磁噴管的磁場由通電線圈產生，可以根據(jù)任務需求變換不同的工作電流，進而改變磁噴管的磁場強度，使得本發(fā)明具有工作范圍廣的優(yōu)點；

(2)噴管選用耐高溫、抗燒蝕的合金材料，可以有效地減小等離子體對磁噴管的腐蝕，發(fā)散形磁場可以更進一步的減少等離子體對磁噴管的影響；

(3)超導線圈采用鈮鈦合金，保證了線圈通電后發(fā)熱問題的解決，使線圈具有良好的導電性及連續(xù)工作時間。

本發(fā)明能明顯提高可變比沖磁等離子體火箭的比沖、推力及效率，并為以后設計更大功率的載人火星用等離子體火箭的磁噴管提供設計思路。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的可變比沖磁等離子體火箭磁噴管的結構示意圖；

其中，1-噴管、2-超導線圈。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作進一步詳細說明。

實施例

一種可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管，作為可變比沖磁等離子體火箭的最后一級，安裝在火箭發(fā)動機的尾端，用來加速ICRH級流出高速旋轉等離子體。

磁噴管由噴管和超導線圈組成，如圖1所示。其中，噴管安裝在火箭發(fā)動機殼體的尾端，噴管的形狀采用擴張型噴管，其噴管膨脹比(即出口面積與噴管喉部的面積比)為40∶1；噴管材料選用鎢銅合金，以減小燒蝕，減小推力偏心。

噴管的入口端外徑為40cm，出口端外徑為80cm，入口端至出口端的距離為100cm。噴管壁的厚度為5cm。