[實用新型]基于虛擬磁噴管的激光-靜電場耦合推力器

有效

• 申請號: 201820272053.2
• 申請日: 2018-02-27
• 公開（公告）號: CN207943184U
• 公開（公告）日: 2018-10-09
• 發明（設計）人: 吳建軍;譚勝;程玉強;黃強;張宇;李健;朱曉彬;歐陽;熊靖宇;杜忻洳
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24;B64G1/26
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 朱桂花

基于虛擬磁噴管的激光?靜電場耦合推力器，包括激光系統、靜電場組件、磁場組件；所述靜電場組件包括靜電場加速電源、靜電場加速正極以及靜電場加速負極，工質設置在磁場組件的磁場內部且與靜電場加速負極平行相對，磁場組件能夠產生垂直于工質的磁場；磁場組件上開設有供激光束穿過的圓孔，激光系統發射的聚焦后的激光束穿過磁場組件上的圓孔垂直入射到磁場組件內的工質上，燒蝕與靜電場加速負極平行相對的工質而產生激光等離子體；磁場組件產生的垂直于工質的磁場形成限制激光等離子體膨脹的虛擬噴管，靜電場對激光等離子體進行加速噴出進而形成推力。其具有結構簡單、比沖高、可靠性高、推力可調整性高等優點。

技術領域

本實用新型涉及一種為現代小衛星的軌道提升、位置保持、姿態控制和組網飛行等提供精準推力的新型推力器，尤其涉及一種利用激光燒蝕固體工質產生激光燒蝕等離子體，然后利用磁場形成限制等離子體膨脹的虛擬噴管，同時利用靜電場對等離子體進行加速的微推力器。

背景技術

現代小衛星具有重量輕、體積小、研制周期短、功能密度大、發射靈活、成本低、組網較快、生存能力強等優勢，在民用方面已經在空間通信和導航、高分辨率對地遙感、科學研究與技術驗證、深空探測、高校培訓等領域發揮了重要作用，在軍用方面對處理突發事件、空間控制與力量運用和信息化戰爭的聯合作戰等產生了重要影響。而且隨著現代小衛星技術的進一步發展，它將在軍民用方面發揮越來越重要的作用。因此，世界各國對現代小衛星技術非常重視。

隨著現代小衛星技術快速發展，特別是小衛星編隊或組網飛行和小衛星軌道機動的要求，迫切需要發展用于現代小衛星的自主控制技術?，F代小衛星的自主控制技術包括主動力控制和被動力控制，雖然被動力控制能在不消耗衛星能源的情況下對現代小衛星的軌道保持和姿態控制等提供控制，但是其控制精度低，且無法滿足不同任務需求對現代小衛星機動性的需要。因此，研究人員對現代小衛星自主控制技術中的主動力控制進行了大量的研究。主動力控制一般包括微型化學燃料推力器、微型電推力器、反作用輪、控制力矩陀螺等，其中微型電推力器具有比沖高、最小元沖量小、推力可調等優點，非常適用于現代小衛星。

激光等離子體微推力器(簡稱μLPT)作為微型電推力器中的一種，它是利用聚焦后的激光燒蝕推進劑表面產生包含等離子體、氣體、中性粒子等微小噴射物來產生推力的微推力器。它與其它推力器相比具有以下特點：

(1)質量小、體積小、功耗小。隨著激光器的發展，質量輕、體積小、功率小的激光器經過聚焦系統聚焦后能產生足夠高的激光強度來使燒蝕工質產生等離子體。同時，激光器待機時無功率消耗。

(2)最小元沖量較小，沖量易調節且范圍廣。μLPT可以通過改變激光強度和脈寬的大小來改變單脈沖沖量，且實驗測得的單脈沖沖量可跨越5個數量級，最小元沖量為1nN·s。

(3)比沖高。目前使用聚合物做工質時實驗測得的典型比沖高于500s，最大比沖可達1000～2000s，這遠高于傳統化學微推力器。

(4)推力小、跨越范圍廣并且可控。μLPT可以通過改變激光強度、脈寬和脈沖工作頻率對推力的大小進行控制，推力最小可達到亞微牛量級，使用特殊工質推力最大可達百毫牛量級或更高。

(5)可靠性高。一方面，激光器作為μLPT中的關鍵部件，其穩定工作時間超過100萬小時；另一方面，μLPT工作過程中不會產生濺射或腐蝕等現象，這也保證了該推力器的可靠性。

(6)結構簡單。與其它推力器相比，μLPT不需要中和器、加熱器、高電壓設備、儲箱和閥門等，因此其結構簡單并且緊湊。

但是，μLPT也存在一些問題。首先，μLPT工作時存在羽流擴散面積大的現象，這容易造成羽流被推力器其它組件所阻擋；其次，μLPT工作存在羽流不與工質燒蝕面垂直的現象，這會造成部分推力的浪費。這兩個問題雖然可以通過加入物理噴管來對羽流進行限制，但是這會增加推力器的重量并可能會增加推力器設計的難度。最后，μLPT的比沖還有待進一步提高。

實用新型內容