同轴圆柱型反射式激光与电磁场耦合作用推力器

摘要

本发明涉及一种同轴圆柱型反射式激光与电磁场耦合作用推力器，其中脉冲等离子体推力器包括同轴法兰外电极、同轴法兰内电极、空心柱形工质和绝缘法兰，同轴法兰外电极前端开口、后端与绝缘法兰密封固连，同轴法兰内电极设于同轴法兰外电极轴心处，空心柱形工质设于同轴法兰外电极和同轴法兰内电极之间，激光预电离系统包括实心柱形工质、柱形绝缘体和脉冲激光器，柱形绝缘体设于同轴法兰内电极后端且前侧设有轻质弹簧与实心柱形工质相连，脉冲激光器对准实心柱形工质并与一个触发装置相连，脉冲供电系统与同轴法兰外电极和同轴法兰内电极均相连并通过所述触发装置触发供电。本发明具备比冲高、推力动态范围广、无积炭和羽流污染等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种为微纳卫星提供动力的推进装置，具体地说是一种同轴圆柱型反射式激光与电磁场耦合作用推力器。

背景技术

进入21世纪以来，世界航天活动呈现出蓬勃发展的新态势。随着小卫星、微小卫星以及使用其进行深空探测和星际航行等空间任务的兴起，对航天器的机动能力、有效载荷能力及任务覆盖能力提出了更高的指标要求。航天发展，动力先行，面对新形势下的发展需求，首先对航天推进系统提出了更高的要求。比冲高、结构紧凑、消耗工质少、成本低廉的推进系统已成为航天技术发展的迫切需要。

脉冲等离子体推力器(Pulsed Plasma Thruster,PPT)是通过烧蚀固体产生微牛量级推力的动力装置，也是近年来为了满足微小卫星体积小、重量轻的特点而逐步发展成型的推力器。该推力器具有结构简单、功率低、比冲高等优点，可以满足微小卫星执行任务过程中姿态调整、轨道变化等多种技术性较高的操作，也可以满足微小卫星对动力大小、角度和方向控制的苛刻要求，因此，该型推力器在航天领域得到了广泛的关注。

PPT的主要工作原理是首先通过电容进行储能，随后通过点火塞点火并在电极与推进剂表面之间产生一微放电，该微放电产生的电子在电极间的电场力作用下向阳极加速并获得能量。这些具有相当能量的电子与推进剂表面不断碰撞，生成更多的电子，新生的电子又被加速并与工质碰撞……,如此下去，呈现“电子雪崩”过程，从而使储能电容器在两电极之间形成沿工质表面的大电流(10

不过，尽管当前的PPT呈现出了如此多的优点，但是也存在这一些固有的问题，一是系统效率比较低，往往存在滞后烧蚀，从而导致能量损失比较严重；其次，PPT也存在因点火积碳导致的点火失效以及工质电离不完全和羽流污染等问题。鉴于上述问题，亟需从工质烧蚀充分性与能量利用率等关键因素着手，寻求解决现有问题的解决方法。

近年来，随着激光器的小型化技术取得重要进展，利用小型激光器作为空间微推进系统能量源成为可能。激光等离子体微推力器通过激光束辐照固体工质的烧蚀效应，提供了另外一种操控微小质量、产生微推力的机制，其本身也具有结构简单、比冲高、推力动态范围广、无积炭和羽流污染且控制更精细的优点。因此，使用激光等离子体微推进技术作为微小卫星姿轨控的应用技术倍受业内人士关注。但是，当前激光等离子体微推力器的工质利用率和系统效率还比较低，仍需要采用一些新的方法将其进一步提高以满足对微小卫星实用化的真正需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同轴圆柱型反射式激光与电磁场耦合作用推力器，具备比冲高、推力动态范围广、无积炭和羽流污染等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种同轴圆柱型反射式激光与电磁场耦合作用推力器，其特征在于：包括脉冲等离子体推力器、脉冲供电系统和激光预电离系统，其中所述脉冲等离子体推力器包括同轴法兰外电极、同轴法兰内电极、空心柱形工质和绝缘法兰，所述同轴法兰外电极前端开口、后端与所述绝缘法兰密封固连，所述同轴法兰内电极沿着所述同轴法兰外电极轴心设置且前端开口、后端设于所述绝缘法兰中部，所述空心柱形工质设于所述同轴法兰外电极和同轴法兰内电极之间，所述激光预电离系统包括实心柱形工质、柱形绝缘体和脉冲激光器，其中所述柱形绝缘体设于所述同轴法兰内电极后端且前侧设有轻质弹簧与设于所述同轴法兰内电极中的实心柱形工质相连，所述脉冲激光器激光输出端对准所述实心柱形工质，且所述脉冲激光器与一个触发装置相连，所述脉冲供电系统与所述同轴法兰外电极和同轴法兰内电极均相连并通过所述触发装置触发供电。

所述脉冲供电系统包括直流电源、控制器、电容、充电开关和火花开关，其中控制器、直流电源和充电开关依次串联，电容与所述控制器、直流电源、充电开关串联，且所述电容一侧通过第一导线与所述同轴法兰外电极相连，另一侧通过第二导线与所述同轴法兰内电极相连，在所述第一导线上设有火花开关，且所述火花开关与所述触发装置相连，在所述第二导线上设有地线。

所述绝缘法兰通过多个第一螺栓与所述同轴法兰外电极固连，且所述第一导线与任一第一螺栓连接，所述绝缘法兰远离所述同轴法兰外电极一侧中部设有一个连接板，且所述同轴法兰内电极后端与所述连接板接触，所述第二导线与所述连接板相连。

所述连接板中部设有中间螺栓穿过所述绝缘法兰后与所述柱形绝缘体固连，且所述第二导线与所述中间螺栓连接。

所述绝缘法兰外缘通过沿着圆周方向均布的多个第一螺栓与所述同轴法兰外电极固连。

所述连接板外缘通过沿着圆周方向均布的多个第二螺栓与所述绝缘法兰固连。

所述直流电源为电压可调的恒流源，所述电容为电容量在mF-μ F量级的电容器。

本发明的优点与积极效果为：

本发明在激光等离子体的诱导下使电容瞬间释放电量并在空心柱形工质表面产生大电流的电弧放电，该放电形成的高温电弧会烧蚀掉空心柱形工质很薄的一层表面并使其分解、离化成高密度等离子体，在热膨胀力和电磁感应产生的电磁力下，同轴法兰外电极和同轴法兰内电极之间的等离子体加速喷出，产生一个脉冲的推力，具备比冲高、推力动态范围广、结构简单、无积炭和羽流污染、推进效率高等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1-直流电源；2-充电开关；3-控制器；4-电容；5-第一导线；6-火花开关；7-地线；8-触发装置；9-同轴法兰外电极；10-同轴法兰内电极；11-中间螺栓；12-绝缘法兰；13-空心柱形工质；14- 实心柱形工质；15-轻质弹簧；16-柱形绝缘体；17-脉冲激光器；18- 激光光束；19-第一螺栓；20-连接板；21-第二螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括脉冲等离子体推力器、脉冲供电系统和激光预电离系统，其中脉冲等离子体推力器为同轴圆柱型结构，其包括同轴法兰外电极9、同轴法兰内电极10、空心柱形工质13和绝缘法兰12，所述同轴法兰外电极9前端开口、后端与绝缘法兰12密封固连，所述同轴法兰内电极10沿着所述同轴法兰外电极9轴心设置，且所述同轴法兰内电极10前端开口、后端设于所述绝缘法兰12 中部，所述空心柱形工质13设于所述同轴法兰外电极9和同轴法兰内电极10之间，激光预电离系统包括实心柱形工质14、柱形绝缘体 16和脉冲激光器17，其中实心柱形工质14和柱形绝缘体16均设于所述同轴法兰内电极10中，且所述柱形绝缘体16设于所述同轴法兰内电极10后端并且前侧设有轻质弹簧15与所述柱形绝缘体16相连，所述脉冲激光器17设于脉冲等离子体推力器前侧且激光输出端对准所述实心柱形工质14，所述脉冲激光器17通过线路与一个触发装置 8相连，且所述脉冲供电系统通过所述触发装置8触发为所述脉冲等离子体推力器供电。

如图1所示，所述脉冲供电系统包括直流电源1、控制器3、电容4、充电开关2和火花开关6，其中控制器3、直流电源1和充电开关2依次串联，电容4与所述控制器3、直流电源1、充电开关2 串联，且所述电容4一侧通过第一导线5与脉冲等离子体推力器相连，另一侧通过第二导线与脉冲等离子体推力器相连，所述第一导线5上设有火花开关6与所述触发装置8连接，所述第二导线上设有地线7。

本实施例中，所述直流电源1为电压可调的恒流源，所述电容4 为电容量在mF-μF量级的电容器，所述直流电源1通过充电开关2 及控制器3与电容4连接并为其充电，所述充电开关2为普通按压式开关，通过该开关的通断可使电容4充电回路导通和断开，所述控制器3为调压控制模式，通过该控制器3外部电压调节可控制电容4的充电电量，所述第一导线5上的火花开关6为外部触发式开关，可通过所述触发装置8控制火花开关6闭合并将已充电的电容4电量供给到所述脉冲等离子体推力器上。所述控制器3、充电开关2、火花开关6、触发装置8、电容4均为本领域公知技术且为市购产品。

如图1所示，所述绝缘法兰12外缘通过沿着圆周方向均布的多个第一螺栓19与所述同轴法兰外电极9固连，且所述第一导线5与任一第一螺栓19连接，进而实现与所述同轴法兰外电极9通电，在所述绝缘法兰12远离所述同轴法兰外电极9一侧中部设有一个金属材质的连接板20，且所述连接板20外缘通过沿着圆周方向均布的多个第二螺栓21与所述绝缘法兰12固连，并且所述同轴法兰内电极 10后端与所述连接板20接触，所述第二导线与所述连接板20相连。

如图1所示，所述连接板20中部设有中间螺栓11，且所述中间螺栓11穿过所述绝缘法兰12后与设于所述同轴法兰内电极10后端的柱形绝缘体16固连，从而实现所述柱形绝缘体16的固定，同时所述第二导线与所述中间螺栓11连接，从而经由所述中间螺栓11和连接板20实现与所述同轴法兰内电极10通电。

本实施例中，所述同轴法兰外电极9和同轴法兰内电极10均为空心金属圆筒，所述绝缘法兰12为聚四氟乙烯或尼龙等固体绝缘材料制成，所述空心柱形工质13为聚四氟乙烯或特氟龙等绝缘固体材料制成，并嵌入到所述同轴法兰外电极9和同轴法兰内电极10之间。

本实施例中，所述实心柱形工质14为聚四氟乙烯、特氟龙等绝缘固体材料制成，其整体嵌入到所述同轴法兰内电极10中，实心柱形工质14的一端与弹性系数高的轻质弹簧15连接，轻质弹簧15的另一端固定在柱形绝缘体16上，所述柱形绝缘体16中心、轻质弹簧 15、实心柱形工质14中心均处于同一直线上，并且所述直线与所述同轴法兰内电极10中心轴线重合。

本实施例中，所述脉冲激光器17可以产生脉宽及能量可调的激光光束18，所述激光光束18可以直接与同轴法兰内电极10中的实心柱形工质14相互作用。所述脉冲激光器17与所述脉冲供电系统可通过触发装置8实现同步及时间的延时调节。所述脉冲激光器17为本领域公知技术且为市购产品。

本发明的工作原理为：

所述脉冲供电系统中的充电开关2闭合时，直流电源1为电容4 充电，而电容4一侧的第一导线5与同轴法兰外电极9连接，另一侧的第二导线经所述连接板20与同轴法兰内电极10连接，当火花开关 6闭合时，已充电的电容4会在一定条件下使两电极间瞬时释放电量。

本发明工作时，所述激光预电离系统首先通过脉冲激光器17产生的激光光束18与实心柱形工质14相作用产生微量等离子体，触发装置8在脉冲激光器17外触发信号控制下使脉冲供电系统中的火花开关6闭合，电容4供电给脉冲等离子体推力器，在激光等离子体的诱导下使所述电容4瞬间释放电量在空心柱形工质13表面产生大电流的电弧放电，该放电形成的高温电弧会烧蚀掉空心柱形工质13很薄的一层表面并使其分解、离化成高密度等离子体，在热膨胀力和电磁感应产生的电磁力下，同轴法兰外电极9和同轴法兰内电极10之间的等离子体加速喷出，产生一个脉冲的推力。