[发明专利]激光支持的磁等离子体推力器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于航天器轨道提升、深空探测、载人登陆火星等空间任 务的电推进系统。尤其是一种利用激光气化并部分电离固体工质，主要用电磁 力加速的，以准稳态或稳态工作的磁等离子体推力器。

背景技术

磁等离子体推力器(Magnetoplasmadynamicthruster,MPDT)是一种电磁 加速式的电推进系统，具有比冲高(1000～10000s)，效率高(高于30％)，推力大 (可大于10N)，推力密度大和系统质量小等优势，成为最适合与高功率的空间 太阳能和核能系统对接的推力器，在大型航天器轨道提升、行星际航行和深空 探测等方面具有显著优势。

磁等离子体推力器一般包括电源、工质供给系统，电磁加速装置(即推力 器本体)，以及附加磁场(用于附加磁场MPDT，AF-MPDT，Applied-FieldMPDT) 等部分。推力器本体包括中心阴极、圆筒状阳极和工质供应管道、阀门等部件， 阳极与阴极同轴并包围阴极，推力器工作时，气体工质从推力器头部注入，在 阴阳极之间形成大电流电弧，电弧电离并加速工质。工质一般为氢气、氩气或 者锂蒸气。依据推力器工作模式不同，可分为准稳态MPDT和稳态MPDT；依据磁 场产生原理不同，可分为自感磁场MPDT(Self-FieldMPDT,SF-MPDT)和附加 磁场MPDT(AF-MPDT)。

MPDT在行星际航行和深空探测等方面具有不可替代的优势，但人们对MPDT 工作机理的认识和掌握还远远不够。国内外研究者虽然对MPDT进行了多年的探 索与研究，但是MPDT推力构成以及电磁耦合加速机理仍没有完全弄清，也不能 完整精确地描述MPDT的详细工作过程。目前尚没有进行空间飞行试验的MPTD， 主要原因在于MPDT存在以下问题：

(1)供气系统复杂，动态响应慢。MPDT需要复杂的工质存储装置和复杂的 供气系统为推力器提供气态工质，受供气系统管路和阀门的限制，MPDT工作响 应慢，且当推力器以准稳态工作时，供气和放电很难同步，造成工质的浪费。

(2)阴极烧蚀严重。由于MPDT功率高，工作过程中放电电流大，阴极温 度高，易造成阴极的严重烧蚀，从而降低推力器的工作寿命。尽管目前已采用 空心阴极的推力器构型，降低了推力器工作过程中阴极的温度，但仍存在阴极 烧蚀的问题。

(3)大电流振荡现象(“onset”现象)。在大电流(＞5000A)工作状态下， 推力器放电电流和电压出现不稳定振荡，推力器能量转化效率下降，严重影响 推力器的性能和寿命。

发明内容

针对磁等离子体推力器供气系统复杂、动态响应慢、阴极烧蚀严重和大电 流振荡导致性能降低等问题，本发明的目的是为航天器提供一种动态响应快、 工质利用率高、能量转化效率高、结构简单、可靠性高、使用寿命长的激光支 持的磁等离子体推力器。

本发明的技术方案是：

一种激光支持的磁等离子体推力器，包括给推力器中各用电设备供电的推 力器电源，推力器电源将卫星平台电能经转换后提供给推力器，该推力器还包 括工质供给装置、阴极、阳极、激光发生机构，阴极和阳极之间形成了放电通 道，用于固定和输送工质的工质供给装置设置在放电通道外，所述工质为固体 工质，工质伸入放电通道内，激光器发生机构向放电通道内发射激光束烧蚀工 质，激光束不断烧蚀工质产生部分电离气体以及颗粒物质进入放电通道之中。

进一步地，本发明的推力器还包括控制器，所述控制器与推力器电源以及 激光发生机构连接，控制器监测推力器电源输出的电流和电压，控制激光发生 机构输出的激光功率，调节其输出光束质量、光斑大小和聚焦位置，从而快速 调节工质的烧蚀速率和等离子体参数以达到控制电极间的电压和电流的效果。

进一步地，本发明所述激光发生机构包括光束控制系统以及激光器，所述 光束控制系统以及激光器均与控制器连接，激光器输出的激光功率由控制器控 制，激光器输出的激光束由光束控制系统调节输出光束质量、光斑大小和聚焦 位置。

进一步地，本发明所述激光发生机构还包括羽流防护装置，所述羽流防护 装位于位于光束控制系统与放电通道之间的激光光路上，用于防止羽流污染光 束控制系统的光学镜面。