[实用新型]基于虚拟磁喷管的激光-静电场耦合推力器

说明书

基于虚拟磁喷管的激光‑静电场耦合推力器，包括激光系统、静电场组件、磁场组件；所述静电场组件包括静电场加速电源、静电场加速正极以及静电场加速负极，工质设置在磁场组件的磁场内部且与静电场加速负极平行相对，磁场组件能够产生垂直于工质的磁场；磁场组件上开设有供激光束穿过的圆孔，激光系统发射的聚焦后的激光束穿过磁场组件上的圆孔垂直入射到磁场组件内的工质上，烧蚀与静电场加速负极平行相对的工质而产生激光等离子体；磁场组件产生的垂直于工质的磁场形成限制激光等离子体膨胀的虚拟喷管，静电场对激光等离子体进行加速喷出进而形成推力。其具有结构简单、比冲高、可靠性高、推力可调整性高等优点。

技术领域

本实用新型涉及一种为现代小卫星的轨道提升、位置保持、姿态控制和组网飞行等提供精准推力的新型推力器，尤其涉及一种利用激光烧蚀固体工质产生激光烧蚀等离子体，然后利用磁场形成限制等离子体膨胀的虚拟喷管，同时利用静电场对等离子体进行加速的微推力器。

背景技术

现代小卫星具有重量轻、体积小、研制周期短、功能密度大、发射灵活、成本低、组网较快、生存能力强等优势，在民用方面已经在空间通信和导航、高分辨率对地遥感、科学研究与技术验证、深空探测、高校培训等领域发挥了重要作用，在军用方面对处理突发事件、空间控制与力量运用和信息化战争的联合作战等产生了重要影响。而且随着现代小卫星技术的进一步发展，它将在军民用方面发挥越来越重要的作用。因此，世界各国对现代小卫星技术非常重视。

随着现代小卫星技术快速发展，特别是小卫星编队或组网飞行和小卫星轨道机动的要求，迫切需要发展用于现代小卫星的自主控制技术。现代小卫星的自主控制技术包括主动力控制和被动力控制，虽然被动力控制能在不消耗卫星能源的情况下对现代小卫星的轨道保持和姿态控制等提供控制，但是其控制精度低，且无法满足不同任务需求对现代小卫星机动性的需要。因此，研究人员对现代小卫星自主控制技术中的主动力控制进行了大量的研究。主动力控制一般包括微型化学燃料推力器、微型电推力器、反作用轮、控制力矩陀螺等，其中微型电推力器具有比冲高、最小元冲量小、推力可调等优点，非常适用于现代小卫星。

激光等离子体微推力器(简称μLPT)作为微型电推力器中的一种，它是利用聚焦后的激光烧蚀推进剂表面产生包含等离子体、气体、中性粒子等微小喷射物来产生推力的微推力器。它与其它推力器相比具有以下特点：

(1)质量小、体积小、功耗小。随着激光器的发展，质量轻、体积小、功率小的激光器经过聚焦系统聚焦后能产生足够高的激光强度来使烧蚀工质产生等离子体。同时，激光器待机时无功率消耗。

(2)最小元冲量较小，冲量易调节且范围广。μLPT可以通过改变激光强度和脉宽的大小来改变单脉冲冲量，且实验测得的单脉冲冲量可跨越5个数量级，最小元冲量为1nN·s。

(3)比冲高。目前使用聚合物做工质时实验测得的典型比冲高于500s，最大比冲可达1000～2000s，这远高于传统化学微推力器。

(4)推力小、跨越范围广并且可控。μLPT可以通过改变激光强度、脉宽和脉冲工作频率对推力的大小进行控制，推力最小可达到亚微牛量级，使用特殊工质推力最大可达百毫牛量级或更高。

(5)可靠性高。一方面，激光器作为μLPT中的关键部件，其稳定工作时间超过100万小时；另一方面，μLPT工作过程中不会产生溅射或腐蚀等现象，这也保证了该推力器的可靠性。

(6)结构简单。与其它推力器相比，μLPT不需要中和器、加热器、高电压设备、储箱和阀门等，因此其结构简单并且紧凑。

但是，μLPT也存在一些问题。首先，μLPT工作时存在羽流扩散面积大的现象，这容易造成羽流被推力器其它组件所阻挡；其次，μLPT工作存在羽流不与工质烧蚀面垂直的现象，这会造成部分推力的浪费。这两个问题虽然可以通过加入物理喷管来对羽流进行限制，但是这会增加推力器的重量并可能会增加推力器设计的难度。最后，μLPT的比冲还有待进一步提高。

实用新型内容