[发明专利]一种电磁感应式等离子体加速装置有效

专利信息
申请号: 201910911391.5 申请日: 2019-09-25
公开(公告)号: CN110486244B 公开(公告)日: 2020-06-30
发明(设计)人: 李小康;吴建军;程谋森;车碧轩;王墨戈;郭大伟;杨雄 申请(专利权)人: 中国人民解放军国防科技大学
主分类号: F03H1/00 分类号: F03H1/00
代理公司: 长沙国科天河知识产权代理有限公司 43225 代理人: 邱轶
地址: 410073 湖*** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 一种 电磁感应 等离子体 加速 装置
【说明书】:

发明公开一种电磁感应式等离子体加速装置,包括脉冲激光组件、脉冲放电组件、激励线圈组件、固态工质与控制组件;激励线圈组件与脉冲放电组件电联以使得脉冲放电组件放电过程中在激励线圈组件内产生脉冲强电流,进一步在激励线圈组件周围激发感应脉冲电磁场;固态工质位于脉冲激光组件所射出的脉冲激光的光路上以使得固态工质在脉冲激光的烧蚀作用下产生脉冲气体,感应脉冲电磁场位于脉冲气体的流通气路上以使得脉冲气体能够进入感应脉冲电磁场;脉冲激光组件、脉冲放电组件均与控制组件电联。通过对工质供给方式的创新,解决其使用中的寿命瓶颈问题,达到高效利用工质、充分发挥该类推进装置优点、推动各类装置实用化的目的。

技术领域

本发明涉及电推进技术领域,具体是一种电磁感应式等离子体加速装置。

背景技术

多种工程应用场合需要在实现等离子体的生成并对其进行加速。典型应用包括等离子体喷涂、表面加工领域,或者是航天领域的推进系统。

在航天领域中,推进装置作为提供动力的部分,对航天器极为重要,是航天器能够完成任务的基础。相较于传统的化学推进,电推进通过电能加速推进剂以获得推力,其推进能量来自于推进剂之外,可获得更高的喷射速度,因而可有效减少推进剂消耗,增加航天器的有效载荷。目前,电推进技术在航天器上已经得到了广泛应用,高轨通信卫星上已有半数以上装备了电推进系统,并成为了卫星平台是否具有先进性的标志之一。

电推进中,有一类推进装置采用电磁力加速等离子体,是电推进中的一种重要类别,也是近年来国际研究的热点。其工作原理是依靠电能电离工质获得等离子体、并进一步依靠电磁力对等离子体进行加速,使其达到极快速度向外喷射,与此同时,根据作用力与反作用力原理,喷射的等离子体将对装置自身产生一个反推动力或者冲量。

传统的等离子体加速装置,如脉冲等离子体推力器(PPT,Pulsed PlasmaThruster),产生等离子体的方式本质上属于电极间放电,故一个必须的部件是放电电极。PPT工作时,通过火花塞进行微量放电引发两个平行板电极之间的主放电,主放电产生较大放电电流建立自身感应磁场,同时烧蚀剥离一层固体工质,进一步形成等离子体。等离子体电流与磁场相互作用产生洛伦兹力使其加速喷射从而产生一个脉冲的推力。由于存在电极,该类推进装置不可避免地会因电极烧蚀而引发寿命缩短、等离子体成分污染、工质兼容性差等问题,使得推进装置的实际应用受到一定制约。

基于上述原因,研究者们提出了一种使用气态工质的无电极的脉冲感应等离子体推力器(亦称感应式脉冲等离子体推力器)。该种装置利用脉冲感应放电原理与感应涡流斥力原理实现工质的电离与加速,采用的工质为气体,通过一个脉冲式的气体阀控制。该装置工作时,分为两个阶段:第一阶段,喷注器上游的脉冲气体供给阀快速开启,工质气体通过塔式喷注器向激励线圈组表面喷注,达到指定的气体团质量后脉冲气体阀迅速关闭;工质气体沿激励线圈组表面运动并铺展开来,直至达到预想的气体分布;第二阶段,储能电容触发放电,在激励线圈组中产生脉冲强电流;脉冲电流通过激励线圈组激发感应的脉冲电磁场,其周向电场分量击穿气体并建立环形等离子体电流;其径向磁场分量与等离子体电流相互作用产生轴向洛伦兹力加速等离子体,从而产生推力,完成一个工作脉冲。多个工作脉冲以一定重复频率进行工作时,装置就可以获得持续的推动作用。

由上述表述可知,现有的气态工质脉冲感应等离子体推力器采用高速开启和关闭的脉冲气体阀实现脉冲供气,如果阀门开启和关闭过于缓慢,则部分气体到达激励线圈时脉冲放电尚未开始或者放电已经结束,那么大量的工质将因散逸而浪费,这对工质十分宝贵的航天应用场合是不可接受的。因此推力器对脉冲气体供给子系统提出了极高要求,其阀门的延迟时间、开启时间、关闭时间要求都极为苛刻,启闭时间需要短至百微秒甚至数十微秒量级。除此之外,目前已有的基于高速脉冲气体阀的脉冲感应等离子体推力器,还存在如下问题:

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