一种电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，本发明专利技术将传统推进器中工质的电离和加速过程合二为一，使其与空间碎片粉末颗粒的工质条件相匹配。本发明专利技术的粉碎机与球磨机相连，粉末充电系统固定在球磨机内部；一、二、三号内磁极固定在主轴上，一、二号内线圈绕在主轴上；内、外套管固定在二号底座上，外磁轭固定在一号底座上；一、二号外磁极固定在外套管上，三号外磁极固定在外磁轭上，一、二号外线圈绕在外套管上；阳极固定在二号底座上，阳极的推进剂注入管道穿过一号底座延伸到推进器外部，阴极位于推进器出口外磁轭附近，阳极、阴极均与电源相连；对空间碎片粉末颗粒的电离更加充分和均匀，推进器更加稳定和紧凑。适用于作为航天器的推进器。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，属于推进器
技术介绍
空间碎片是指分布在地球轨道(通常为距地面100km～40000km高度的空间)上的非功能性物体，包括自然成因的宇宙尘与人造物体的碎片及部件。随着航天活动的进行，空间碎片的质量已经达到了3000多吨，其中仅大碎片(尺寸>10cm)的数量就在1.9万左右，小碎片(尺寸<1mm)则多得难以计数。这些巨量的空间碎片会对航天器造成严重的损伤甚至毁坏，因此，预防空间碎片的危害显得尤为重要，目前主要的发展趋势是从观测、规避空间碎片到清理和在轨利用。其中，观测、规避都不能从根本上解决空间碎片的危害，而大多数空间碎片的清理技术又仅仅处在概念设计阶段，且需要的清理成本高、周期长，不能实现工程应用，但是若将空间碎片在轨利用，将其作为推进器的工质来源，则既可以从根本上解决空间碎片的危害，又能够提高航天器的在轨服役时间，减小携带工质的质量，增加它的有效载荷率，也可以为深空探测及行星际探测的飞行器提供能量来源，同时，由于推进器在航天器上的成熟应用以及空间碎片捕获技术的发展，这在工程上比较容易实现。虽然将空间碎片作为推进器的工质加以利用具有很大的优势，但是由于空间碎片颗粒自身的特点，它对推进器的性能有更加严格的要求。由于空间碎片的粉末颗粒较常规的推进剂(如氩气)粒子大得多，因此，若采用LeiLan等人的论文“DebrisEngine:APotentialThrusterforSpaceDebrisRemoval”中提出的静电式推进器加速空间碎片粉末颗粒，则栅网电极的堵塞、碰撞损伤较为严重，致使系统效率较低、可靠性较差，这一缺陷可由电磁式等离子体推进器来补偿。但是，由于空间碎片粉末颗粒的成分复杂、电离能差异较大，如果单纯采用传统的电磁式等离子体推进器，则需要较长的电离区域才能兼顾到大部分颗粒的电离，且电离后的粉末颗粒的荷质比差异较大，从推进器喷出的等离子体流不连续，这不利于推进器加速过程的控制，会导致系统的控制精度、稳定性和效率下降。产生前述问题的根本原因是传统的电磁式等离子体推进器中工质的电离及加速过程是分开的，在空间形成了两个分离的功能区域，因而，只有完全电离的工质才能从电场中获得能量，以比中性气流高出数十倍的速度喷出产生推力，这对于推进剂工质的均一性提出了较高的要求，但是如前所述，空间碎片粉末颗粒工质的成分复杂，传统的电磁式等离子体推进器与此工质条件不匹配。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种电离加速一体化空间碎片等离子体推进器。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，包括：粉碎机、球磨机、粉末颗粒充电系统和推进器；所述粉碎机的出口与球磨机的入口相连通，粉末颗粒充电系统固定在球磨机出口处的内部，粉碎机用于将空间碎片初步粉碎，球磨机用于将初步粉碎的空间碎片粉碎为亚微米量级的粉末颗粒，粉末颗粒充电系统用于使亚微米量级的粉末颗粒带上正电荷；所述推进器包括一号底座、阳极、二号底座、外磁轭、一号外磁极、一号外线圈、二号外磁极、三号外磁极、二号外线圈、外套管、内套管、一号内磁极、一号内线圈、二号内磁极、二号内线圈、主轴、三号内磁极、阴极和电源；所述主轴的尾部固定在一号底座上，二号底座穿过主轴固定在一号底座上，一号内磁极、二号内磁极和三号内磁极依次固定在主轴上，一号内线圈缠绕在一号内磁极与二号内磁极之间的主轴上，二号内线圈缠绕在二号内磁极与三号内磁极之间的主轴上，且二号内线圈与二号内磁极之间留有距离；内套管和外套管的尾部均固定在二号底座上；外磁轭沿圆周方向均匀分布有四个，外磁轭固定在一号底座上，一号外磁极和二号外磁极固定在外套管上，三号外磁极固定在外磁轭上，一号外线圈缠绕在一号外磁极与二号外磁极之间的外套管上，二号内线圈缠绕在二号外磁极与三号外磁极之间的外套管上，且二号外线圈与二号外磁极之间留有距离；阳极固定在二号底座上，阳极上的推进剂注入管道穿过二号底座和一号底座与球磨机的出口相连通，阴极设置于推进器出口外磁轭附近，电源的负极与阴极相连接，电源的正极与阳极相连接。本专利技术电离加速一体化空间碎片等离子体推进器的工作原理：推进器供电后，阴极受热发射高能电子，高能电子在电场的作用下通过放电通道向阳极运动，由于放电通道的径向存在磁场，运动的高能电子被径向磁场约束，因此，高能电子在径向磁场和轴向电场的作用下，沿着放电通道的环向进行漂移，形成环向漂移电流。带正电的亚微米量级空间碎片粉末颗粒通过阳极推进剂注入管道注入到放电通道后会向阴极加速运动，放电通道内的高能电子会与带正电的亚微米量级空间碎片粉末颗粒发生碰撞，由于放电通道内壁处“会切形”磁场位形的存在，高能电子及带正电空间碎片粉末颗粒被磁场压强约束在放电通道内的狭窄区域，高能电子及空间碎片粉末颗粒与放电通道内壁的碰撞几率减小，则高能电子与空间碎片粉末颗粒的碰撞更加充分和均匀，碰撞使得带正电亚微米量级的粉末颗粒电离，形成空间碎片粉末颗粒等离子体放电区域，电离空间碎片粉末颗粒产生的正粒子沿电场方向加速，形成空间碎片等离子体加速区域，加速后的粉末颗粒沿着放电通道的阴极所在的方向喷出，给推进装置提供推力。喷出推进装置后，带正电粉末颗粒与阴极发射的高能电子中和，使整个推进装置处于电中性。本专利技术的有益效果是，由于放电通道内壁处“会切形”磁场位形的存在，使得传统电磁式等离子体推进器的电离和加速过程合二为一，空间碎片粉末颗粒的电离更加充分和均匀，减小了粉末颗粒电离后荷质比分布的弥散度，提高了系统的控制精度和稳定性，使得推进器与空间碎片粉末颗粒这一工质条件相匹配。此外，由于电离区和加速区合二为一，可以减小放电通道的长度，使得推进器的结构更加紧凑、重量更轻。附图说明图1为电离加速一体化空间碎片等离子体推进器的结构示意图。图2为传统的电磁式等离子体推进器与电离加速一体化空间碎片等离子体推进器放电通道内磁场位形模拟结果的对比图，其中，图2a为电离加速一体化空间碎片等离子体推进器放电通道内的磁场位形；图2b为传统的电磁式等离子体推进器放电通道内磁场位形；图2c为电离加速一体化空间碎片等离子体推进器放电通道内磁场分布云图；图2d为传统的电磁式等离子体推进器放电通道内磁场分布云图。图3为传统的电磁式等离子体推进器与电离加速一体化空间碎片等离子体推进器放电通道内径向磁场的正梯度分布对比图。图4为具体实施方式本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，包括：粉碎机(1)、球磨机(2)、粉末颗粒充电系统(3)和推进器(4)；其特征在于，所述粉碎机(1)的出口与球磨机(2)的入口相连通，粉末颗粒充电系统(3)固定在球磨机(2)出口处的内部，粉碎机(1)用于将空间碎片初步粉碎，球磨机(2)用于将初步粉碎的空间碎片粉碎为亚微米量级的粉末颗粒，粉末颗粒充电系统(3)用于使亚微米量级的粉末颗粒带上正电荷；所述推进器(4)包括一号底座(5)、阳极(6)、二号底座(7)、外磁轭(8)、一号外磁极(9)、一号外线圈(10)、二号外磁极(11)、三号外磁极(12)、二号外线圈(13)、外套管(14)、内套管(15)、一号内磁极(16)、一号内线圈(17)、二号内磁极(18)、二号内线圈(19)、主轴(20)、三号内磁极(21)、阴极(22)和电源(23)；所述主轴(20)的尾部固定在一号底座(5)上，二号底座(7)穿过主轴(20)固定在一号底座(5)上，一号内磁极(16)、二号内磁极(18)和三号内磁极(21)依次固定在主轴(20)上，一号内线圈(17)缠绕在一号内磁极(16)与二号内磁极(18)之间的主轴(20)上，二号内线圈(19)缠绕在二号内磁极(18)与三号内磁极(21)之间的主轴(20)上，且二号内线圈(19)与二号内磁极(18)之间留有距离；内套管(15)和外套管(14)的尾部均固定在二号底座(7)上；外磁轭(8)沿圆周方向均匀分布有四个，外磁轭(8)固定在一号底座(5)上，一号外磁极(9)和二号外磁极(11)固定在外套管(14)上，三号外磁极(12)固定在外磁轭(8)上，一号外线圈(10)缠绕在一号外磁极(9)与二号外磁极(11)之间的外套管(14)上，二号内线圈(19)缠绕在二号外磁极(11)与三号外磁极(12)之间的外套管(14)上，且二号外线圈(13)与二号外磁极(11)之间留有距离；阳极(6)固定在二号底座(7)上，阳极(6)上的推进剂注入管道穿过二号底座(7)和一号底座(5)与球磨机(2)的出口相连通，阴极(22)设置于推进器出口外磁轭(8)附近，电源(23)的负极与阴极(22)相连接，电源(23)的正极与阳极(6)相连接。...
【技术特征摘要】
1.一种电离加速一体化空间碎片等离子体推进器，包括：粉碎机(1)、球磨机
(2)、粉末颗粒充电系统(3)和推进器(4)；其特征在于，
所述粉碎机(1)的出口与球磨机(2)的入口相连通，粉末颗粒充电系统(3)固
定在球磨机(2)出口处的内部，粉碎机(1)用于将空间碎片初步粉碎，球磨机(2)
用于将初步粉碎的空间碎片粉碎为亚微米量级的粉末颗粒，粉末颗粒充电系统(3)用
于使亚微米量级的粉末颗粒带上正电荷；
所述推进器(4)包括一号底座(5)、阳极(6)、二号底座(7)、外磁轭
(8)、一号外磁极(9)、一号外线圈(10)、二号外磁极(11)、三号外磁极
(12)、二号外线圈(13)、外套管(14)、内套管(15)、一号内磁极(16)、一号
内线圈(17)、二号内磁极(18)、二号内线圈(19)、主轴(20)、三号内磁极
(21)、阴极(22)和电源(23)；
所述主轴(20)的尾部固定在一号底座(5)上，二号底座(7)穿过主轴(20)固
定在一号底座(5)上，一号内磁极(16)、二号内磁极(18)和三号内磁极(21)依
次固定在主轴(20)上，一号内线圈(17)缠绕在一号内磁极(16)与二号内磁极
(18)之间的主轴(20)上，二号内线圈(19)缠绕在二号内磁极(18)与三号内磁极
(21)之间的主轴(20)上，且二号内线圈(19)与二号内磁极(18)之间留有距离；
内套管(15)和外套管(14)的尾部均固定在二号底座(7)上；外磁轭(8)沿圆周方
向均匀分布有四个，外磁轭(8)固定在一号底座(5)上，一号外磁极(9)和二号外
磁极(11)固定在外套管(14)上，三号外磁极(12)固定在外磁轭(8)上，一号外
线圈(10)缠绕在一号外磁极(9)与二号外磁极(11)之间的外套管(14)上，二号
内线圈(19)缠绕在二号外磁极(11)与三号外磁极(12)之间的外套管(14)上，且
二号外线圈(13)与二号外磁极(11)之间留有距离...
【专利技术属性】
技术研发人员：鄂鹏，凌文斌，毛傲华，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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