[發明專利]低軌航天器磁推進裝置

有效

• 申請號: 201210352070.4
• 申請日: 2012-09-20
• 公開（公告）號: CN102862687A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 張珩;劉開磊;李文皓
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: B64G1/42
• 分類號: B64G1/42
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

技術領域

本發明涉及空間航天器的推進裝置領域，尤其涉及低軌中無需燃料消耗的推進技術領域，一種通過在航天器上產生靜強磁體、并與地球空間磁場相互作用產生推力的磁推進裝置。

背景技術

常規推進方式(如冷氣推進、單/雙組元推進和電推進)由于存在燃料的消耗，成為實現航天器長期軌道維持、多次變軌機動和延長工作壽命的主要瓶頸和制約。從而使大量學者開始積極探索以無燃料消耗為目標的新型推進方法和裝置。

近地空間中(這里主要指軌道高度低于1000km的近地球空間)，代表性無工質消耗推進方法研究主要集中在靜電推進和電動繩系，這兩種推進方式均以地球空間磁場為作用媒介。

靜電推進，通過自身充電、或利用離子收集器吸收近地電離層中的帶電粒子，使得機體本身的總電荷呈正或負電性，使得航天器在繞地球飛行的過程中與地球磁場相互作用而受到洛倫茲力，作為推進動力，并通過控制自身的電性和凈電荷量來控制洛倫茲推力的大小和方向。

電動繩系，主要包括數千米的導電長繩、離子收集器、電子發射器三大部分，通過離子收集器收集近地空間電離層中的帶電離子、并將電荷通過數千米的導電長繩傳導至另一端的電子發射器、由電子發射器將電子發射出去，使得數千米的通電長繩在地球磁場中受到安培力，作為推進動力，并通過控制收集離子和傳導電流控制安培力推進力的大小。

靜電推進，利用洛倫茲力作為推進動力。洛倫茲力大小f＝qvB，航天器需要達到較高的電荷量q才能產生大小可行的洛倫茲推力，而按照目前的技術難以達到所需的電荷密度；由“左手定則”，洛倫茲力方向為垂直于航天器飛行速度v和地磁場磁感應強度B的直線上，固定軌道上的航天器飛行速度v、地磁場磁感應強度B為已知量，則僅能通過改變自身凈電荷q的電量大小和電荷極性來控制洛倫茲推進力的大小和方向，無法實現任意方向的推力控制，缺乏有效的推進控制手段。

電動繩系，利用安培力作為推進動力。安培力大小f＝BILsin(I，B)，由于空間中的電離層密度和地磁場磁感應強度均很弱，若期望產生有效的安培推進力，則往往需要增加導線長度L至數千米或數十千米；這種數千米的導電長繩增加了其與空間碎片的高額碰撞風險，并且這種極長的柔性長繩使得姿態和推力方向極其難控；同時推力大小受電離分布層的約束，使得其運用區域受到極大限制。

發明內容

為解決以上技術問題，本發明提出一種低軌航天器磁推進裝置，能夠實現低軌航天器的推進。

本發明的一種低軌航天器磁推進裝置包括：

三個超導環，套設在一起，所述三個超導環分別所在的平面兩兩之間相互垂直；

電流控制器，向所述三個超導環提供預定方向和大小的電流；

電源，向所述電流控制器輸出電能。

優選地，所述三個超導環分別包裹有熱控層，用于隔離空間熱輻射和保持超導線的低溫條件。

優選地，所述熱控層依次為導熱層、隔熱層和熱控涂層。

優選地，所述導熱層的材料為鋁箔，所述隔熱層的材料為玻璃纖維布，所述熱控涂層的材料為石英玻璃渡銀第二表面鏡。

優選地，還包括主動熱控裝置，用于抵消空間熱輻射經所述熱控層傳導至所述超導環部分的余熱，使所述超導環保持超導所需的低溫環境。

優選地，所述主動熱控裝置為斯特林制冷機。

本發明基于磁體與磁場間的作用力原理，通過三個超導環產生靜強磁體，并與地球空間磁場相互作用產生磁力，通過控制磁體產生磁場的大小和方向，實現對推進力矢量的控制，從而實現低軌航天器的推進。

附圖說明

圖1為本發明結構示意圖；

圖2為超導環的截面結構示意圖；

圖3為本發明在低軌運行的示意圖。

具體實施方式

本發明的磁推進設計基本原理如下：

磁推進的基本原理為磁體與磁場間的作用力公式，如下

其中，F為磁力矢量，m為航天器磁矩矢量，m_x、m_y、m_z為航天器磁矩矢量分量，B為地球磁場磁感應強度矢量，B_x、B_y、B_z為B的分量，為地球磁場磁感應強度梯度矩陣，為的分量。

通過分析，易得地球空間磁場中矩陣為可逆矩陣，對以上公式反解，可得

即，對于任何期望的推力矢量F，總能通過控制航天器上的磁體生成設備，使得產生的磁體磁矩矢量以獲得推力F。