[發(fā)明專利]用于低軌航天器的吸氣式電火箭

無效

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• 申請日: 2013-09-05
• 公開（公告）號: CN103453805A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳學(xué)康;李艷武;王蘭喜;吳敢;汪忠;尚凱文
• 申請（專利權(quán)）人: 蘭州空間技術(shù)物理研究所
• 主分類號: F42B15/00
• 分類號: F42B15/00
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;付雷杰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于低軌航天器的吸氣式電火箭，屬于航天技術(shù)和真空技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的電推進(jìn)技術(shù)利用電能把推進(jìn)劑電離后加速噴出產(chǎn)生推力，其比沖高達(dá)3000秒以上，高出化學(xué)火箭一個(gè)量級以上，是當(dāng)前的空間先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)，可用于航天器的軌道維持、姿態(tài)控制、機(jī)動(dòng)變軌和深空探測等任務(wù)。然而電推力器仍需從地面攜帶工質(zhì)，壽命受限于工質(zhì)攜帶量。近年來，利用捕集航天器軌道環(huán)境稀薄氣體作為電推進(jìn)工質(zhì)的新概念受到極大的重視。其基本思路是，以速度v飛行的航天器，若迎風(fēng)面積為A，則航天器每秒掃過的體積為vA，質(zhì)量為ρvA,其中ρ為質(zhì)量密度。若能把這部分航天器碰撞到的氣體收集并用作電推進(jìn)的工質(zhì)，將可使航天器在低軌甚至超低軌道上長期在軌飛行，也可用于遙遠(yuǎn)天體的探測，具有革命性意義。這種探索中的技術(shù)，被稱為吸氣式電火箭，一般只能用于空間氣體密度相對較高的低軌道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于低軌航天器的吸氣式電火箭，所述電火箭能夠捕集航天器軌道環(huán)境的稀薄氣體作為工質(zhì)，可徹底擺脫燃料耗盡對航天器壽命的剛性限制，提升航天器攜帶有效載荷的數(shù)量和完成更復(fù)雜使命的能力。

本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種用于低軌航天器的吸氣式電火箭，所述電火箭包括：多孔陣列板、渦輪分子泵、壓縮氣體輸送管道、電推力器和航天器主體；

其中，渦輪分子泵安裝在航天器主體前端，電推力器安裝在航天器主體后端；壓縮氣體輸送管道一端連接渦輪分子泵，另一端連接電推力器；多孔陣列板固連在渦輪分子泵前端；

渦輪分子泵包括第一電動(dòng)機(jī)、第二電動(dòng)機(jī)和四級葉列，所述四級葉列由前到后分別為第一轉(zhuǎn)子葉列、第二轉(zhuǎn)子葉列、定子葉列和第三轉(zhuǎn)子葉列，第一電動(dòng)機(jī)位于多孔陣列板外部并通過軸與第一轉(zhuǎn)子葉列連接，用于驅(qū)動(dòng)第一轉(zhuǎn)子葉列轉(zhuǎn)動(dòng)，第二電動(dòng)機(jī)通過軸與第二轉(zhuǎn)子葉列、第三轉(zhuǎn)子葉列連接，用于驅(qū)動(dòng)第二轉(zhuǎn)子葉列、第三轉(zhuǎn)子葉列轉(zhuǎn)動(dòng)，且第一電動(dòng)機(jī)與第二電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，渦輪分子泵的總角動(dòng)量為零；

多孔陣列板、第一電動(dòng)機(jī)、第一轉(zhuǎn)子葉列、第二轉(zhuǎn)子葉列、定子葉列、第三轉(zhuǎn)子葉列和第二電動(dòng)機(jī)均同軸；

所述多孔陣列板設(shè)有均勻并緊密排布的通孔，通孔的截面形狀優(yōu)選為正三角形、正四邊形或正六邊形；

所述多孔陣列板和四級葉列的材質(zhì)均優(yōu)選鋁合金；

所述第一轉(zhuǎn)子葉列優(yōu)選α=20°，s/b=1.5，其中α為葉列傾角，s為葉列節(jié)距，b為葉列弦長；

所述第二轉(zhuǎn)子葉列優(yōu)選α=10°，s/b=0.5；

所述第三轉(zhuǎn)子葉列優(yōu)選α=10°，s/b=1；

所述定子葉列優(yōu)選α=10°，s/b=1；

四級葉列的外徑R₁均優(yōu)選為25cm，內(nèi)徑R₂均優(yōu)選為16.7cm；

第一電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)選為60000轉(zhuǎn)/分，第二電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)選為20000轉(zhuǎn)/分；

所述電推力器優(yōu)選為射頻激勵(lì)離子推力器。

工作原理

利用航天器很高的飛行速度（～7800米/秒），使航天器迎風(fēng)面的稀薄氣體分子在定向流的狀態(tài)下穿過多孔陣列板進(jìn)入渦輪分子泵，由渦輪分子泵增壓后經(jīng)壓縮氣體輸送管道輸送至電推力器中，作為電推進(jìn)工質(zhì)，為航天器提供推力。

有益效果

本發(fā)明所述電火箭能夠捕集航天器軌道環(huán)境的稀薄氣體作為電推力器的工質(zhì)，可徹底擺脫燃料耗盡對航天器壽命的剛性限制，提升航天器攜帶有效載荷的數(shù)量和完成更復(fù)雜使命的能力。吸氣式電火箭原理上仍然類似于航空沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)，可用于目前尚不能維持航天器持久飛行的低軌道，擴(kuò)展了空間飛行器的空間領(lǐng)域。經(jīng)過理論與實(shí)驗(yàn)研究，多孔陣列板能夠獲得的稀薄氣體的增壓值約為250倍。由于宇宙空間的氣體過于稀薄，即使增壓250倍仍然達(dá)不到電火箭所需要的氣體工作壓力。在多孔陣列板之后，采用高速旋轉(zhuǎn)的渦輪使氣體分子返向擴(kuò)散的幾率近一步減低并由此實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步增壓。所述的多孔板陣列與渦輪增壓裝置的組合體的增壓倍數(shù)可達(dá)到10⁵，完全滿足電火箭的工作條件。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述電火箭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為渦輪分子泵中葉列的結(jié)構(gòu)示意圖：

其中，1—第一電動(dòng)機(jī)、2—多孔陣列板；3—第一轉(zhuǎn)子葉列、4—第二轉(zhuǎn)子葉列、5—定子葉列、6—第三轉(zhuǎn)子葉列、7—第二電動(dòng)機(jī)、8—壓縮氣體輸送管道、9—電推力器、10—航天器主體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來詳述本發(fā)明，但不限于此。

實(shí)施例1