一种吸气电推技术用电子束预电离增强吸气装置及方法

摘要

本发明公开了一种吸气电推技术用电子束预电离增强吸气装置，包括进气道，以及安装在所述进气道上的磁场发生机构和电子束发生机构；其实现方法为，所述磁场发生机构用于在飞行环境中向所述进气道的进气端设定的目标区域发射电子束，将所述目标区域内的气体电离形成带电粒子；所述磁场发生机构用于在所述目标区域内形成将所述带电粒子捕集入所述进气道内的磁场。本发明提供的吸气电推技术用电子束预电离增强吸气装置，采用电子束可以将目标区域内的气体电离成带电粒子，再通过磁场与带电粒子的相互作用，使带电粒子进入到进气道内，从而提高气体捕集效率。

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种吸气电推技术用电子束预电离增强吸气装置及方法。

背景技术

超低近地空间是一个具有战略意义的领域，主要用于地球观测，也可以用于民用和军事通信。在较低的海拔高度，地球观测平台可以通过提高有效载荷性能(提高图像分辨率和信噪比)，同时减小尺寸和功率要求来提高竞争力。

飞行器在太空停留或移动需要推力。一般而言，飞行器使用类似火箭的化学推进装置，但电推进器因效率更高而日益流行。然而，传统的电力推进系统仍要使用推进剂(如氙气)，因此，飞行器的待机时间受限于携带的推进剂数量，而飞行器能携带的推进剂有限。而且为了抵消大气阻力，在距离地球表面几百公里范围内运行的飞行器消耗的推进剂更多。

因此，吸气式电推进系统便应运而生了。在飞行器掠过大气层顶部时收集足够的空气颗粒，为“吸气式”电动推进器提供燃料，从而不需要在发射时携带过多的推进剂，同时帮助飞行器克服大气阻力，使其在超低近地轨道上持续运行。

为确保捕获足够的气体，气体捕集效率是一个关键的因素。然而，太空中环境气体极度稀薄、捕集效率有限。因此，如何有效提高气体捕集效率，成为需要本领域技术人员解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种吸气电推技术用电子束预电离增强吸气装置及方法，以解决现有技术中在太空中环境气体极度稀薄、捕集效率有限的前提下如何有效提高气体捕集效率的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种吸气电推技术用电子束预电离增强吸气装置，包括进气道，以及安装在所述进气道上的磁场发生机构和电子束发生机构；

其中，所述磁场发生机构用于在飞行环境中向所述进气道的进气端设定的目标区域发射电子束，将所述目标区域内的气体电离形成带电粒子；

所述磁场发生机构用于在所述目标区域内形成将所述带电粒子捕集入所述进气道内的磁场。

作为本发明的一种优选方案，所述电子束发生机构包括设置在所述进气道周向的至少一台电子束发生器，所述电子束发生器均用于按照设定的发散角进行扩束后的电子束。

作为本发明的一种优选方案，所述电子束发生器包括空心阴极以及电子引出电极，所述发散角通过改变电子引出电极的形状进行调节。

作为本发明的一种优选方案，每台所述电子束发生器发射的电子束的发散角为θ；

其中，T

作为本发明的一种优选方案，每台所述电子束发生器发射的每道电子束的方向均朝向相对于所述进气道的来流方向，且每道电子束的所述方向向外偏离与所述进气道的轴向形成θ/2的夹角。

作为本发明的一种优选方案，所述磁场发生机构包括配置于所述进气道周向的均匀布置的多块永磁体或环绕所述进气道周向的电磁线圈。

作为本发明的一种优选方案，所述磁场发生机构位于所述进气道周向靠近所述进气道的进气口位置处，以便在所述进气道的进气口处形成的磁喷管构型的磁力线。

作为本发明的一种优选方案，还包括：

调节机构，用于在所述飞行环境发生变化且其中的气体成分发生变化时，对所述电子束发生机构所发射的电子束的能量进行调节，以用于将新的飞行环境中目标区域内的气体电离形成带电粒子。

作为本发明的一种优选方案，还包括：

飞行环境检测机构，用于通过对飞行环境的物理参数进行检测，确定所述飞行环境是否发生变化；

气体成分检测机构，用于在确定所述飞行环境发生变化后，通过对新的飞行环境中的气体成分进行检测，并与原飞行环境中的气体成分进行比对，以确定所述气体成分是否发生变化。

作为本发明的一种优选方案，还包括：

气体密度检测机构，用于对所述飞行环境中的气体密度进行检测；

开关机构，用于在所述气体密度低于设定的目标阈值时，开关机构开启所述电子束发生机构以及磁场发生机构，否则关闭所述电子束发生机构以及磁场发生机构。

本发明提供了一种根据所述的吸气电推技术用电子束预电离增强吸气装置的实现方法，包括：

通过向飞行环境中目标区域内发射电子束，将所述目标区域内的气体电离形成带电粒子；

其中，所述电子束的能量不低于所述气体电离所需的第一电离能；

通过形成于进气道周围的磁场为所述带电粒子提供作用力，将所述带电粒子捕集入所述进气道内。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

本发明提供的吸气电推技术用电子束预电离增强吸气装置，采用电子束可以将目标区域内的气体电离成带电粒子，再通过磁场与带电粒子的相互作用，使带电粒子进入到进气道内，从而提高气体捕集效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1是本发明实施例发射的一种吸气电推技术用电子束预电离增强吸气装置的结构示意图；

图2是本发明实施例发射的一种吸气电推技术用电子束预电离增强吸气装置的磁力线分布示意图；

图3是本发明实施例发射的一种吸气电推技术用电子束预电离增强吸气装置的电子束增强捕获区域示意图；

图4是本发明实施例发射的一种吸气电推技术用电子束预电离增强吸气方法的流程图；

图5是吸气式电推进系统总体组成示意图。

图中的标号分别表示如下：

1-进气道；2-电子束发生机构；3-磁场发生机构；4-电子束；5-磁力线；6-电子束包络线；7-电子束电离区域包络；8-捕集器；9-增压储存器；10-电推力器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

常规电推进技术的寿命受限于推进工质的携带量，显然不能满足需求，而吸气式电推进作为一种先进的概念已受到关注。吸气式电推进是实现超低轨航天器长期轨道保持的一种极具潜力的推进技术。

该技术无需从地面携带推进工质，而是通过捕获空间稀薄大气中的气体分子，经减速、增压后作为推进工质提供给电推力器。为确保捕获足够的气体，气体捕集效率是一个关键的因素，如图5所示，用于低轨的吸气式电推进系统通常由捕集进气道、增压贮存器和电推力器三大部分组成，在吸气式电推进系统中，一个关键技术为捕集飞行环境内的稀薄气体，以作为推力器的工质。

但是由于进气道口径有限，只能捕获进气道基础可捕集区域内的稀薄气体分子、原子，由于基础可捕集区域大小为根据进气道截面尺寸所确定，因此要通过增加捕集面的方式提高捕集效率，只能采用增大进气道自身截面尺寸的方式，但是由于进气道尺寸的增大势必会增加飞行器的重量，使得飞行器无论在发射还是飞行过程中都会增加能量消耗。

为此，本发明提供的方案目的在于：通过电子束将进气道基础可捕集区域及其外围区域包含的气体分子、原子预电离形成带电粒子，电离形成的带电粒子会沿着形成于进气道周围的磁场进入进气道内。

由于不但可以将进气道基础可捕集区域内的气体电离还可以将其外围区域内包含的气体电离，因此相对于传统的只能捕集进气道基础捕集区域内的气体而言，在不改变进气道尺寸的前提下增加了捕集截面，达到提高气体捕集效率的目的。

如图1至图3所示，本发明提供了一种吸气电推技术用电子束预电离增强吸气装置，该装置可以包括：

电子束发生机构2，用于通过向飞行环境中目标区域内发射电子束4，将所述目标区域内的气体电离形成带电粒子；所述电子束的能量不低于所述气体电离所需的第一电离能；

磁场发生机构3，用于通过形成于进气道1周围的磁场为所述带电粒子提供作用力，将所述带电粒子捕集入所述进气道1内。

其中，第一电离能是基态的气态原子失去最外层的一个电子所需能量。当电子束发射的能量达到气体电离所需的第一电离能后，气态原子形成+1价气态阳离子，即能满足形成带动粒子的要求同时又可以达到节约能量的目的。

具体的，所述目标区域可以是进气道对应的基础可捕集区域(通常是进气道迎风面积对应的区域)。

或者，在另一种实现方式下，该目标区域还可以包括所述进气道的基础可捕集区域及其外围区域，以增加气体捕集截面。

该目标区域范围可以根据实际需要进行确定，保证其位于飞行器气体捕集系统的正前方且大于进气道自身的截面区域即可。

为了达到上述增加气体捕集截面的目的，可以有多种实现方式。例如，在其中一种实现方式下，所述电子束发生机构2可以包括配置于所述进气道周向的至少一台电子束发生器，通过将多台电子束发生器进行斜向的电子束发射，即可达到增加气体捕集截面的目的。

或者，在另一种实现方式下，为了获得更加的捕集效果，所述电子束发生器包括沿所述进气道周向均匀布置的多台，每台所述电子束发生器可以按照目标发散角进行发射，这样可以通过对发射电子束的扩散处理，也可以更有效地达到增加气体捕集截面的目的。

其中，在一种优选的实施方式下，每台所述电子束发生器发散角均可以设为θ：

其中，T

为了进一步增大电子束发射后形成的电离截面，每台所述电子束发生器发射的每道电子束的方向均朝向相对于所述进气道的来流方向，且每道电子束的所述方向向外偏离与所述进气道的轴向形成θ/2的夹角。

另外，在具体实现时，所述电子束发生器还可以包括空心阴极以及电子引出电极，所述发散角可通过电子引出电极的形状进行调节。这样，使得具体的发散角可以根据实际需求进行调节，可以满足多种不同状态下的需求。

需要说明的是，本申请提供的方案中为了达到最佳的增强捕集效率，将电子束发生机构包含的电子束发生器设置在进气道的外围，在实际应用中，该电子束发生器还可以安装在飞行器的其他部位上，只要保证产生的电子束可以照射到进气道正前方的来流气体即可。

磁力发生机构3可以通过磁体等装置产生磁场，使得进气道的进气口处形成磁力线，以使所述带电粒子沿所述磁力线进入所述进气道内。进一步的，为了提高磁场与带电粒子之间的作用力，将带电粒子引导至进气道内，所述磁场发生机构可以包括配置于所述进气道周向的均匀布置的多块永磁体或环绕所述进气道周向的电磁线圈。另外，具体的磁场包括在所述进气道的进气口处形成的磁喷管构型的磁力线，以使所述带电粒子更有效地沿所述磁力线进入所述进气道内。为了达到该目的，所述磁场发生机构可以位于所述进气道周向靠近所述进气道的进气口位置处，以便在所述进气道的进气口处形成的磁喷管构型的磁力线5。该磁喷管构型的磁力线由进气道内侧向进气道基础可捕集区域及其外围区域逐步扩散，保证进气道基础可捕集区域及其外围区域内电离形成的带电粒子均可与磁力线相互作用，最终沿着磁力线运动、收缩、汇聚到进气道内。

总之，本申请实施例是首先通过电子束发生机构将目标区域内的气体进行电离，以将气体电离成带电粒子，之后，通过形成于进气道周围的磁场为所述带电粒子提供作用力，将所述带电粒子捕集入所述进气道内，以此达到提升气体捕集效率的目的。其中，通过为发射的电子束设置发散角，使得发射出的电子束可以作用于包括进气道基础可捕集区域及其外围区域在内的更大范围，从而通过扩大气体的捕集范围，达到进一步提升捕集效率的目的。

需要说明的是，由于不同气体所需的第一电离能通常是不同的，而不同飞行环境中的气体组成又可能是不同的，因此，可以根据具体飞行环境中的气体组成，确定具体电子束发生机构发射的电子束的能量值。例如，在飞行器在地球周围飞行时，所述飞行环境为地球低轨飞行环境，所述气体为地球低轨环境气体；所述电子束发生机构具体用于：向飞行环境中目标区域内发射能量不低于14.5eV的电子束以及能量不低于13.6eV的电子束。使所述目标区域内的气体电离形成带电粒子。当飞行器在火星周围飞行时，所述飞行环境为绕火星飞行环境，所述气体为火星大气环境气体；所述电子束发生机构具体用于：向飞行环境中目标区域内发射能量不低于20eV的电子束。为了提高飞行器对火星大气的电离效率，向飞行环境中目标区域内的气体发射能量为100eV的电子束使所述目标区域内的气体电离形成带电粒子。

另外，由于飞行器在运行过程中，飞行环境可能会发生变化，因此，本申请实施例还可以提供调节机构，用于在所述飞行环境发生变化且其中的气体成分发生变化时，对所述电子束发生机构所发射的电子束的能量进行调节，以用于将新的飞行环境中目标区域内的气体电离形成带电粒子。通过这种调节机构，使得本申请提供的装置不仅可以在同一飞行环境中提升气体捕集效率，还可以用于飞行器在不同星球之间往返，或者前往不同星球执行低轨道飞行任务的过程中，都可以根据不同星球附近气体的成分发射具有不同能量的电子束，以达到将不同星球附近的气体进行电离且达到所需电离效果的目的。

具体的，该调节机构在对发生的电子束的能量进行调节时，可以根据预先设定的固定调节方式进行调节。例如，飞行器用于往复于地球与火星之间，可以预先设定其在地球附近飞行时向目标区域内发射能量不低于14.5eV的电子束以及能量不低于13.6eV的电子束。当飞行器确定飞行至火星环境后向目标区域内发射能量不低于20eV的电子束。还可以通过地球控制中心向飞行器发送电子束能量调节指令的方式，实现对发射的电子束能量进行调节。例如，当地面控制中心确定飞行器即将进入火星气体环境轨道时，可以由地面发送控制指令，控制电子束发生器发射的电子束由适用于电离地球附近气体所需能量的电子束切换至适用于电离火星附近气体所需能量的电子束。由于地球向火星附近发射的信号会有时间延迟，因此该控制信号可以采用提前发射的方式，保证飞行器进入火星轨道后及时切换发射的电子束的能量。

飞行器还可以通过自身携带的环境监测机构对当前所处的飞行环境包含的气体进行检测，确定当前环境中的气体电离所需的第一电离能，最终形成动态调节方式进行调节。具体的，还可以包括飞行环境检测机构，用于通过对飞行环境的物理参数进行检测，确定所述飞行环境是否发生变化；气体成分检测机构，用于在确定所述飞行环境发生变化后，通过对新的飞行环境中的气体成分进行检测，并与原飞行环境中的气体成分进行比对，以确定所述气体成分是否发生变化。例如，当飞行器飞行至某一星球附近后，飞行环境检测机构可以首先对当前飞行的轨道参数、引力参数、气体密度等参数进行检测，确定该星球附近的气体是否需要被电离来增加捕集效率，如果确定该星球附近的气体的密度较低，需要对其进行电离来增加捕集效率，则启动气体成分检测机构对该星球附件的气体的成分进行检查，当确定该星球的气体成分与原飞行环境中的气体成分不同时，确定该星球附近气体电离所需的第一电离能，同时切换电子束发生器发射的电子束的能量满足该星球附近气体电离需求。该星球附近气体的第一电离能可以通过预先储存在飞行器控制器内的多种气体的所需第一电离能的数据库中调取。该数据库可以在飞行器由地球发射之前预先进行保存。

通过以上所述可见，传统飞行器的气体捕集装置由于进气道口径有限，只能捕获进气道迎风面积大小的区域内的稀薄气体分子、原子。而本申请提供的方案采用电子束扩散等处理，可以将更大区域范围内的气体电离成带电粒子，再通过磁场与带电粒子的相互作用，使更大范围内的带电粒子进入到进气道内，从而提高气体捕集效率。

另外，由于电子束没有激光束共振能量子化的限制，且不同类型的原子、分子都可被电子束电离，因此只需电子束的能量高于待电离气体的第一电离能即可实现电离。可见在飞行器上设置一套该电子束发生机构，即可以保证对多个星球附件的气体在最佳电离效率下进行电离。一般而言，气体的第一电离能不会超过30eV；而现有技术条件下，电子束的能量可在小体积的电源模块驱动下达到1keV的量级，因此通用于各类气体的电离。使得在飞行器上设置一套电子束发生机构即可实现对不同星球附件环境气体进行电离的目的。

以往返地球和火星的吸气电推力器为例，地球附近的气体主要是氮原子(N)和氧原子(O)，其电离能分别为14.5eV和13.6eV，因此在飞行环境为地球低轨飞行环境，气体为地球低轨环境气体；

电子束发生机构向飞行环境中目标区域内发射能量不低于14.5eV的电子束以及能量不低于13.6eV的电子束；

火星大气主要成分是二氧化碳(CO

在飞行环境为绕火星飞行环境，气体为火星大气环境气体；

电子束发生机构向飞行环境中目标区域内发射能量不低于20eV的电子束。

电子束发生器可以由空心阴极放电与电子引出电极组成，可以产生100eV的电子束；电子束顺着磁力线向飞行前方发射并电离环境气体。

电离过程如下：

地球附近：

N+e(电子束)→N

O+e(电子束)→O

火星附近：

CO

在地球附近使用时电离产生的N

在进气道的进气口布置永磁铁或电磁线圈，产生磁喷管构型的磁力线，带电粒子在磁力线的约束下，沿着磁力线运动、收缩、汇聚到进气道内。

如图3所示，相邻电子束发生机构形成的电子束包络线6彼此一部分重叠，各个电子束围绕进气道的四周形成捕集截面远大于进气道自身进气截面的电子束电离区域包络7。

具体实现时，电子束可以由一台或多台电子束发生器产生，并发射至电离飞行器正前方的环境气体，从而使气体产生电离。

电子束为电子经过汇集成束具有高能量密度。具体利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压(25-300kV)加速电场作用下被加速至很高的速度(0.3-0.7倍光速)，经透镜会聚作用后，形成密集的高速电子流。

为了获得更好的气体捕集效果，电子束的发散角可以通过电子引出电极的形状进行调节，可以将N台电子束发生器沿着气体进气道的周向均匀布置，因此产生周向均匀分布的N道电子束。每道电子束的发散角均为θ。

在优选的实施方式下，每道电子束的方向可以偏离进气道的轴向θ/2，使得电子束主要用于电离捕集器可捕集区域(进气道截面正对区域)的外围气体。

与现有的吸气式电推进系统的气体捕集技术相比，该装置可以提高气体捕获的面积10-100倍(视环境气体的稀薄程度及电子束发生器的台数而定)。

关于发散角Q的设计：

电子束触发的电离主要发生1个光子自由程λ之后。在飞行器飞行λ距离后，带电粒子应仍在电子束区域，否则会复合损失掉。飞行器的速度为U，则飞行λ距离的时间为：

根据等离子体双极扩散定律，可获得扩散速度为：

v

其中，双极扩散系数为：

其中，n

为了保证其仍在电子束范围内，则应有λtanθ＞＞ΔL

由于原子每吸收一个光子便产生一个电子，因此，电子密度正比与电子束强度。电子束强度在吸收介质中的变化为：

因此，lnn

由于z>λ，所以，

本申请提供的吸气电推技术用电子束预电离增强吸气装置，采用电子束可以对目标区域内的气体电离成带电粒子，再通过磁场与带电粒子的相互作用，使更大范围内的带电粒子进入到进气道内，从而提高气体捕集效率。

提升气体捕集截面的优势在于，适应性好，在稀薄程度较高的轨道，由于气体捕集截面的增加，使得飞行器可在稀薄程度较高的轨道上捕获足够的推进工质，避免传统的吸气式推力器由于捕获不到足够的工质而难以持续运行的问题。

另外，在可选的实施方式中，还可以包括：气体密度检测机构，用于对所述飞行环境中的气体密度进行检测；以及，开关机构，用于在所述气体密度低于目标阈值时，开启所述电子束发生机构以及磁场发生机构，否则关闭所述电子束发生机构以及磁场发生机构。

这样，可以使得本申请实施例提供的方案还具有较好的灵活性，例如，可以在空气较稀薄的环境中开启磁场和电子束发生器，而在轨道环境气体密度较高，或者气体收集量充足而不需再收集时，可关闭磁场和电子束发生器以降低增大捕集截面带来的阻力。

如图4所示，本申请实施例还可以提供一种吸气电推技术用电子束预电离增强吸气方法，包括：

S101:通过向飞行环境中目标区域内发射电子束，将所述目标区域内的气体电离形成带电粒子；所述电子束的能量不低于所述气体电离所需的第一电离能；

具体的，所述目标区域包括所述进气道可捕集区域及其外围区域。通过对进气道外围区域的气体进行电离，可以使得外围区域包含的气体还可以进入进气道内，从而达到增加气体捕集截面的目的。

在实际使用中，可以根据飞行器飞行环境中其他成分的不同，根据气体种类来调节向目标区域发射的电子束的能量，以便达到最优的电离效果。

具体的，

所述向飞行环境中目标区域内发射电子束，包括：

向飞行环境中目标区域内发射能量不低于14.5eV的电子束以及能量不低于13.6eV的电子束。

所述飞行环境为绕火星飞行环境，所述气体为火星大气环境气体；

所述向飞行环境中目标区域内发射电子束，包括：

向飞行环境中目标区域内发射能量不低于20eV的电子束。

具体的调节方法可以包括：

在所述飞行环境发生变化且其中的气体成分发生变化时，对所发射的电子束的能量进行调节，以用于将新的飞行环境中目标区域内的气体电离形成带电粒子。

通过对飞行环境的物理参数进行检测，确定所述飞行环境是否发生变化；

在确定所述飞行环境发生变化后，通过对新的飞行环境中的气体成分进行检测，并与原飞行环境中的气体成分进行比对，以确定所述气体成分是否发生变化。当确定气体成分发生变化后，向变化后的气体发射具有相应能量的电子束，保证获得最佳的电离效率。

S102:通过形成于进气道周围的磁场为所述带电粒子提供作用力，将所述带电粒子捕集入所述进气道内。

其中，为了提高磁场与带电粒子之间的作用力，将带电粒子引导至捕集进气道内，所述磁场包括在所述进气道的进气口处形成的具有磁喷管构型的磁力线，以使所述带电粒子沿所述磁力线进入所述进气道内。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。