【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，特别是一种电阻-电弧混合式空间水推进系统。
技术介绍
1、随着航天事业的发展，以卫星、飞船、空间站、探测器等为代表的各类航天器密集发射航天器动力领域入轨，在通信、导航、遥感、科学研究等领域应用广泛，极大地方便了百姓的生活。航天器推进系统则是支撑航天器实施轨道与姿态控制的核心，对航天器有效、安全、稳定在轨运行至关重要，被喻为航天器的“心脏”。
2、然而目前国际上绝大多数航天器采用的是传统剧毒化学推进方式，受限于推进剂化学能，其存在比冲较低、推进剂剧毒(主要是肼及其衍生物)等缺点，导致航天器在轨寿命十分有限，有效载荷占比低，每公斤发射成本很高，地面推进剂加注维护等准备工作十分复杂危险，对环境也存在严重污染。
3、随着星载电源供应能力提升，空间电推进技术得到飞速发展，其具有比冲高、推力精度高等特点，在提高航天器寿命、精确姿态控制等方面具有显著优势，不过由于氙气等惰性稀有气体在电离性、稳定性等方面更优，当前电推进基本都采用了氙等作为推进剂工质，使得推进系统价格极其昂贵，面对未来大规模航天应用显然不可持续。
4、因此，设计一种基于绿色无毒且容易获得的工质的高比冲空间推进系统具有非常好的市场潜力。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种电阻-电弧混合式空间水推进系统，该电阻-电弧混合式空间水推进系统能够利用水作为推进剂工质，且还优化设计了高效率旋流进气通道，使得其具有低成本、绿色环保、高比冲特点，从而
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种电阻-电弧混合式空间水推进系统，包括水推力器、冷却水循环支路和水蒸气供应支路。
4、水推力器包括外壳、阳极、阴极、绝缘体和冷却腔。
5、阳极同轴密封安装在外壳下端，阳极为拉瓦尔喷管，与外置电源相连接；阳极包括沿轴向依次布设的收缩段、喉部和扩张段；其中，收缩段部分或全部位于外壳内部。
6、冷却腔布设在扩张段和喉部外周的阳极中。
7、阴极接地，阴极具有放电尖端；阴极同轴插设在外壳内，且放电尖端指向阳极的喉部。
8、绝缘体布设在阴极和外壳之间。
9、冷却水循环支路用于向冷却腔内循环供应设定温度和设定流量的冷却水。
10、水蒸气供应支路用于向阳极的收缩段内腔中旋流供应气相的水蒸气。
11、还包括分流器；分流器布设在冷却腔的冷却出水口，从而将冷却腔的出水分流为两路，分别为冷却流路和加热流路；其中，冷却流路形成为冷却水循环支路的待冷却进水；加热流路形成为水蒸气供应支路的待加热进水。
12、水蒸气供应支路包括沿水流方向依次布设的加热组件、温度传感器和压力表。
13、加热组件为铝镁加热板。
14、设从加热组件加热结束至进入收缩段内腔的过程中，水蒸气的最大散热量为q，水蒸气的温度降低值为δt，则q和δt的计算公式分别为：
15、
16、且δt≤tw1-tw2
17、式中，d为水蒸气供应支路中工质水管的外径。
18、l为从加热组件加热结束至水推力器入口之间的水蒸气供应支路中工质水管的长度。
19、t为水蒸气流过长度为l的工质水管所需时间；
20、m1为长度为l的工质水管内水蒸气的质量；(可以通过密度和体积计算)
21、m2为长度为l的工质水管的质量；
22、h为外界空气与工质水管之间的表面传热系数。
23、tw1为加热组件加热后的水蒸气温度，单位为k。
24、tf为外界空气温度，单位为k。
25、σ为斯忒藩-玻尔兹曼常量。
26、ε为水蒸气供应支路中工质水管的发射率，已知值。
27、c1为水的比热容。
28、c2为水蒸气供应支路中工质水管的比热容。
29、tw2为压力表监测所得压力为p时水的沸点温度，单位为k。
30、冷却水循环支路包括沿水流方向依次布设的冷水机、贮水箱、冷水泵、开关阀和流量控制器。
31、阳极的收缩段外壁面布设有与收缩段内腔相连通的旋流通道；旋流通道包括沿收缩段周向均匀布设的若干根弧形弯管。
32、弧形弯管的数量为4～6根。
33、设每个弧形弯管的曲率半径为r，每根弧形弯管的内径为d；在弧形弯管数量和d值不变时，利用fluent软件对弧形弯管内水蒸气的流动进行数值模拟，从而确定弧形弯管内水蒸气的总流动损失最小时所对应的r/d，进而计算得到对应的弧形弯管的曲率半径r。
34、还包括阴极夹座、上盖和下盖。
35、阴极的尾端安装在阴极夹座上，阴极夹座接地。
36、绝缘体包括上绝缘体、中绝缘体和下绝缘体。
37、阳极通过下盖与外壳相连接。
38、阴极夹座通过上盖与外壳相连接，阴极夹座与上盖之间通过上绝缘体进行绝缘隔离。
39、阴极夹座的下端部通过中绝缘体实现与外壳的绝缘隔离。
40、未安装有阴极夹座的阴极杆部通过下绝缘体实现与外壳的绝缘隔离。
41、阴极的中部外周设置有伸入绝缘体内的轴向限位凸起。
42、本专利技术具有如下有益效果：
43、1、本空间推进系统以气态水为推进工质，具有工质成本极低、对环境无污染、提高资源利用率等优点。另外，工质供应系统和冷却系统共用一个贮水箱，实现工质的高度复用。本专利技术与以肼或氩气为工质的电弧加热推力器相比，以水为工质可以达到更高的比冲和效率。如图1，水工质从贮水箱中流出，经过流量控制器后进入阳极冷却夹套，对阳极进行冷却后被加热为热水，而后热水经过分流器后分为两条支路，一条为工质供应支路，另一条为循环支路。在工质供应支路中，采用电阻加热将热水加热为温度为tw1的水蒸气，而后在推力器入口处设有温度传感器和压力表，根据饱和温度和饱和压力的关系判断管内水的相态，以确保水以气态进入推力器。水蒸气进入推力器进气管道变为旋流水蒸气，阴阳极间产生的电弧将旋流水蒸气电离为等离子体，并被阳极膨胀加速喷出，而旋流的水蒸气又推动电弧点移动，防止阳极局部被烧蚀。循环支路中热水经过冷水机冷却后回到贮水箱中，形成循环。
44、2、本专利技术采用改进的弧形旋流进气通道，使气流尽可能切向流入管道分叉处，进入下一管道时保留气流切向流速，与现有的直形旋流进气通道相比，经cfd仿真并计算证明，其总压恢复系数更高，气体可做功的能量损失更小，气体旋流速度更大。
45、3、采用电阻加热和电弧加热相结合的方式对工质进行加热，首先采用电阻加热将冷水加热为气态，随后进入推力器放电室后被阴极尖端和阳极喉部产生的电弧再次加热。两次加热可以使水蒸气获得更高的总温，从而可转化为动能的能量越多。由于初始推力器温度较低，水蒸气接触到推力器喉部内壁会液化，从而导致推力器阴阳极本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：包括水推力器、冷却水循环支路和水蒸气供应支路；
2.根据权利要求1所述的电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：还包括分流器；分流器布设在冷却腔的冷却出水口，从而将冷却腔的出水分流为两路，分别为冷却流路和加热流路；其中，冷却流路形成为冷却水循环支路的待冷却进水；加热流路形成为水蒸气供应支路的待加热进水。
3.根据权利要求1或2所述的电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：水蒸气供应支路包括沿水流方向依次布设的加热组件、温度传感器和压力表。
4.根据权利要求3所述的电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：加热组件为铝镁加热板。
5.根据权利要求3所述的电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：设从加热组件加热结束至进入收缩段内腔的过程中，水蒸气的最大散热量为Q，水蒸气的温度降低值为ΔT，则Q和ΔT的计算公式分别为：
6.根据权利要求1或2所述的电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：冷却水循环支路包括沿水流方向依次布设的冷水机、贮水箱、冷水泵、开关阀和流
7.根据权利要求1所述的电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：阳极的收缩段外壁面布设有与收缩段内腔相连通的旋流通道；旋流通道包括沿收缩段周向均匀布设的若干根弧形弯管。
8.根据权利要求7所述的电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：弧形弯管的数量为4～6根。
9.根据权利要求7所述的电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：设每个弧形弯管的曲率半径为R，每根弧形弯管的内径为d；在弧形弯管数量和d值不变时，利用Fluent软件对弧形弯管内水蒸气的流动进行数值模拟，从而确定弧形弯管内水蒸气的总流动损失最小时所对应的R/d，进而计算得到对应的弧形弯管的曲率半径R。
10.根据权利要求1所述的电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：还包括阴极夹座、上盖和下盖；
...【技术特征摘要】
1.一种电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：包括水推力器、冷却水循环支路和水蒸气供应支路；
2.根据权利要求1所述的电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：还包括分流器；分流器布设在冷却腔的冷却出水口，从而将冷却腔的出水分流为两路，分别为冷却流路和加热流路；其中，冷却流路形成为冷却水循环支路的待冷却进水；加热流路形成为水蒸气供应支路的待加热进水。
3.根据权利要求1或2所述的电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：水蒸气供应支路包括沿水流方向依次布设的加热组件、温度传感器和压力表。
4.根据权利要求3所述的电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：加热组件为铝镁加热板。
5.根据权利要求3所述的电阻-电弧混合式空间水推进系统，其特征在于：设从加热组件加热结束至进入收缩段内腔的过程中，水蒸气的最大散热量为q，水蒸气的温度降低值为δt，则q和δt的计算公式分别为：
6.根据权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：周思引，李丹阳，聂万胜，王鹏，刘翔，杨云帆，林欣慧，袁姝蕙，韩锦辉，马梁川，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：
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