[發明專利]一種半導體預冷的稀薄氣體捕集裝置及實現方法

在審

• 申請號: 202110480091.3
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113048033A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 肖雅彬;李騰;楊超;劉洪偉;黃河激;岳連捷
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: F03H1/00
• 分類號: F03H1/00;F25B21/02
• 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

本發明公開了一種半導體預冷的稀薄氣體捕集裝置及實現方法，包括捕集進氣道和制冷機構，捕集進氣道為飛行器的吸氣式電推進系統提供收集空氣顆粒的入口；制冷機構通過降低目標區域反射的反彈粒子的速度來提高氣體捕集效率，設置于捕集進氣道壁面上的目標區域，用于在捕集進氣道進行氣體補集過程中對捕集進氣道的壁面目標區域進行降溫以將目標區域的壁面溫度降溫至目標溫度；所述制冷機構包括但不限于半導體制冷裝置，所述半導體制冷裝置利用至少一組半導體制冷片組件與所述目標區域的外側表面周向均勻連接；本發明降低壁面反射的反彈粒子的速度，降低反彈粒子反向逃逸的概率，達到提高氣體捕獲率的目的，實現節能和提高空氣捕集效率的雙功能。

技術領域

本發明涉及空氣推進飛行器技術領域，具體涉及一種半導體預冷的稀薄氣體捕集裝置及實現方法。

背景技術

吸氣式電推進系統是指在飛行器掠過大氣層頂部時收集足夠的空氣顆粒，為“吸氣式”電動推進器提供燃料，從而不需要在發射時攜帶過多的推進劑，同時幫助飛行器克服大氣阻力，使其在超低近地軌道上持續運行，用于低軌的吸氣式電推進系統通常由捕集進氣道、增壓貯存器和電推力器三大部分組成，在吸氣式電推進系統中，一個關鍵技術為捕集飛行環境內的稀薄氣體，以作為推力器的工質。為確保捕獲足夠的氣體，氣體捕集效率是一個關鍵的因素。然而，太空中環境氣體極度稀薄、捕集效率有限。因此，如何有效提高氣體捕集效率，成為需要本領域技術人員解決的技術問題。

氣體捕集器作為吸氣式電推力器的關鍵部件，提高氣體捕集器的捕集效率對于吸氣式電推力器的性能具有直接的影響，捕集效率是評價氣體捕集器的核心指標，良好的捕集器設計應該盡量增加正向運動粒子通過的概率，降低反向運動的粒子通過的概率。現存的氣體捕集器都基于這個目的展開設計，從捕集形式上可分為被動式和主動式。

其中，被動式捕集器由準直器、收縮通道、10倍增壓裝置組成，準直器和收縮通道構成進氣道。上述結構中，每一部件都是為了增加粒子正向通過概率，降低粒子的反向透射概率而設置。準直器是長徑比為10級別的狹窄的流道，其形式可以是同心圓柱之間的間隙，也可以是多根細管的結構。在100至300km高度，氣體的熱運動速度相對于約8km/s的宏觀速度來說非常小，因此來流可以被認為是被充分校準的平行于軌道的均勻自由分子流，準直器被設計為與來流平行，因此來流與準直器的相撞概率較小，絕大部分來流中性粒子會通過準直器而進入放電室。下游放電室反射回來的粒子具有放電室壁面相近的溫度，因此其速度的方向是隨機的，這部分粒子難以通過此狹窄管道，準直器由此阻止了其向上游流動乃至逃逸。收縮通道位于準直器下游，其內表面與來流粒子碰撞，一部分粒子經過鏡面反射后速度降低，另一部分粒子經過隨機反射后速度更低，這增加了氣體分子之間碰撞的概率，由于稀薄氣體的壓力取決于分子之間的碰撞，準直器后接等截面通道再后接收縮通道的結構可以起到增加捕獲率和提高壓力的作用。

主動式捕集器是在被動式基礎上，在收縮通道中增加了分子泵。分子泵是轉速達萬轉的旋轉葉片，葉片與粒子碰撞，使其正向運動的概率增加，反向運動的概率降低，因此，顯著增加了捕獲率。分子泵的增加雖然可以在一定程度上提高氣體的捕集效率，但是分子泵的加入也有其負面效果:高速旋轉的機構使衛星存在某一方向的大角動量，呈現陀螺效應，為了使其捕獲面積最大，需實時調整衛星的姿態，大角動量使其姿態調整存在困難。分子泵的質量較大，同樣的發射成本下，占用有效載荷的份額。旋轉機械使系統的可靠性降低，一旦出現故障，就成為進氣流道的阻礙，使衛星失去動力而墜毀。

上述兩種捕集器提高氣體捕集效率的方式均采用的是優化進氣道的結構降低反彈后的粒子反向運動的概率，防止反彈后的粒子由進氣道流出。但是造成氣體捕集效率低的原因還包括自由分子流效應，分子撞擊壁面后反射，逆向彈出捕集器，正是由于自由分子流效應的存在，使得即使進氣道的結構得到了優化依然不能比較徹底的消除由于反彈后的粒子由進氣道流出造成的捕集效率低的問題。

發明內容