[發明專利]類球形結構高精度矢量合成核能微推進系統

有效

• 申請號: 201810434762.0
• 申請日: 2018-05-08
• 公開（公告）號: CN108648848B
• 公開（公告）日: 2019-10-08
• 發明（設計）人: 夏彥;徐飛;何世熠;王鵬;肖文磊;姜利祥;歐學東;歐陽曉平
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所
• 主分類號: G21H1/10
• 分類號: G21H1/10;B64G1/40
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種類球形高精度矢量合成核能微推進器，包含類球形矢量合成支架、核能動力面元、面元控制開關、面元傳熱單元、熱電轉換中心五個子結構。本發明使用核自發衰變形成的粒子動能形成反沖動力，利用類球形結構排布不同推力指向的推力單元，通過疊層式對旋結構對每個推力單元進行獨立、連續控制，以形成總推力的大小和方向高精度可調的微推進器，并將衰變伴生的熱能進一步轉化為電源和熱源使用且本發明特別適應高精高穩平臺的精確控制應用。

技術領域

本發明屬于空間核能推進、微推進和矢量推進技術領域，具體而言，本發明涉及一種類球形結構高精度矢量合成核能微推進器，具體為是面向航天器應用的、核能推力面元通過類足球結構進行合成、通過面元開關進行大小、開閉狀態控制的高精度矢量推力合成推進系統。

背景技術

近年來，隨著空間科技的不斷發展以及空間探索的持續深入，空間飛行器的動力源種類逐漸豐富，從微牛量級至千牛以上的動力系統，姿態調整系統層出不窮，與之配套的推進裝置在不斷的實踐中也逐漸產生了許多改變和革新。

目前，國際上先進推進的種類很多，已有的先進電推進有近十種方案，涉研單位廣泛，成熟度不一，非電推進也有很多方案，如：微波/激光(合稱能量束)推進、聚變、電帆、金屬氫、高氮化合物、反物質、裂變碎片推進等。這些先進推進很多處于TRL<3階段，先進推進領域研究還很不充分。

核能推進是航天器先進推進技術的前沿之一。在各種先進推進中，核能具有能量密度高、壽命長、比沖大的特點，是先進推進研發的前沿之一，NASA在“未來空間技術發展路線”和“三十項關鍵技術”都提到要大力發展先進核能推進。目前，核能推進的關注點幾乎圍繞在核熱推進，其核心是一個裂變堆，而裂變以外其他核能推進都屬于尚無足夠技術支撐的超前概念，如核聚變，反物理和裂變碎片等。基于裂變的核熱推進也處于起步階段，國際上核裂變應用于空間推進還處于理論與實驗研究階段(主要是美、俄)，國內尚無相關的空間實驗。核裂變堆最大的困難在于小型化，其受到裂變臨界體積的限制，目前不能達到立方米以下的體積、噸以內的質量，并不適應小型化應用。

推進系統的另一個熱點方向是微推進，微推進器一般指微牛到牛頓量級推力的推進器。Astro Recon會議上總結近期最成熟、有望成為主推進的微推進有三種：碘霍爾電推進器(Iodine Hall)，微型電噴射推進器(MEP，Micro Electrospray Propulsion)和太陽帆(Solar Sails)，分別處在TRL5，TRL5，TRL6-7技術階段。前兩者壽命有限，需要kW以上的電能消耗，后者矢量控制難度大，ADCS系統復雜。目前對微推力要求最高的是引力波、重力場測量以及近代基礎物理實驗的航天器。國際上如LISA(Laser Interferometer SpaceAntenna)，GG(Galileo Galilei)，GOCE(Gravity Field and Steady-State OceanCirculation Explorer)，TEPO(Test of the Equivalence Principle with Opticalreadout in space)，要求微推力精度控制達到0.1微牛，目前僅有少數國家少數推進器類型達到該要求，我國尚無相關能力。

航天器，特別是長壽命航天器和深空探測航天器，需要攜帶大量的推進工質以維持長期消耗，部分計劃要求初始超過50％的重量用來攜帶推進工質，這對航天運載和結構、可靠性、壽命、飛行中任務規劃等都帶來了巨大挑戰。尋找無/少工質的推進方式是航天推進永不失活的命題，但目前缺少實現途徑。

矢量推進是能夠改變推力方向與大小的推進方式。氣體反沖式、化學反沖式、離子反沖式、核動力式、太陽能式等傳統以及新型空間動力源，主要依靠推進器姿態調整、擾流板、二次噴流、撓性噴口、噴口葉片等方式。姿態控制方式的工作模式是調整推進器姿勢，進而調整推力方向，但姿態控制式的推力矢量控制方式，復雜、緩慢，還因為推進器轉動引起星本體角動量變化，從而使得對星本體也要進行消旋和消振操作，使得控制過程更加復雜和緩慢。