[发明专利]一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器

说明书

本发明公开了一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，包括集气漏斗、流量调节阀、放电管、高压天线、低压天线、屏蔽系统、羽流喷嘴和电源系统；采用吸气式设计,在临近空间任务中，无需携带放电工质，集气漏斗置于推进器的前端，用于收集工作区域的气体作为工质；通过流量调节阀门控制进气流量，放电工质经过管道进入放电管内；工作气体进入放电管内被高压天线与低压天线内的射频场电离激发产生射流等离子体，‑‑在该装置外设计了屏蔽系统，用于防止推进器内部的射频信号泄露，同时防止外部干扰影响推进器的正常运行，且能用于安装固定推进器。

技术领域

本发明属于等离子体推进(或电推进)技术领域，特别是设计了一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，可在介于传统的航天领域和航空领域之间的临近空间环境工作。

背景技术

距离地面20～100公里的临近空间作为科技与军事应用的新空间，将成为未来飞行器的长期驻留地，一直是各国关注和竞相发展的热点领域。电推进器作为未来飞行器推进系统的发展方向，是世界各国都在大力发展的核心关键技术。电推进相比传统的化学推进具有高比冲、高效率等优势。目前主流的电推进技术包括霍尔电推进器、离子推进器、磁等离子体推进器等。已有电推进方式的工作气压极低，仅适于太空环境，并不能满足大气层内飞行器推进的需要。目前使用的电推进技术采用自带储气并通过等离子体电离喷出，推进器的服役寿命一定程度受限于工质的储存数量。为摆脱电推进器对工质的依赖，目前国外开展吸气式推进器，如ISAS提出了吸气式离子推力器，与传统的氙离子推进器相比，该推进器可飞行于150km的轨道，每年节省约200kg推进剂。国外研究表明，离子推进器和霍尔推进器具有用于临近空间轨道的可能性，但是其推功比很小。另外，霍尔推力器和离子推力器等电推进技术只能在高真空环境下工作，很难用于阻力很大的临近空间环境。

发明内容

鉴于电推进技术在临近空间的应用需求，本发明提出了一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器。本发明的推进器具有以下优点：1.工作气压范围宽，可用于临近空间不同高度的推进任务；2.等离子体参数较高，密度可达10¹⁸m^-3量级，具有较高的比冲；3.可适用不同气体放电，对放电气体无限制；4.自吸式结构设计，无需携带储存工质，降低工作成本；5.结构简单，具有良好的经济性；6.无加速栅极，等离子体与电极不接触，无电极刻蚀问题，前后贯通，无气流阻挡机构；7.长时间稳定放电，没有明显的热问题，不需冷却装置；8.无磁体设计，质量较轻，可有效降低发射成本。

为实现上述目的，本发明提出一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器，包括集气漏斗、流量调节阀、放电管、高压天线、低压天线、屏蔽系统、羽流喷嘴和电源系统；

该推进器采用吸气式设计,在临近空间任务中，无需携带放电工质，集气漏斗置于推进器的前端，用于收集工作区域的气体作为工质；通过流量调节阀门控制进气流量，放电工质经过管道进入放电管内；高压天线与低压天线固定在放电管上并分别接入电源的高压端和低压端；工作气体进入放电管内被高压天线与低压天线内的射频场电离激发产生射流等离子体，等离子体在天线电场作用下加速喷出；在该装置外设置有屏蔽系统，用于防止推进器内部的射频信号泄露，同时防止外部干扰影响推进器的正常运行，且能用于安装固定推进器。

进一步的，该推进器的工作气压范围为0.01～6500Pa，能对空气中的多种气体稳定放电，所述多种气体包括氧、氮、氢。

进一步的，系统采用吸气式送气系统，无需单独携带放电工质；在等离子体放电过程中，为防止外界信号对推进系统射频输入的干扰，同时为避免天线馈入的射频波泄露，在该装置外设计了屏蔽系统；并在屏蔽系统的外壳上设有安装定位部件，利于推进器装置在使用过程中与其他部件的安装配合。

进一步的，稀薄空气通过集气漏斗进入放电管内，在高压天线和低压天线之间综合利用感应耦合效应、容性耦合效应和磁镜效应电离空气产生高密度等离子体,并利用两段天线之间的轴向电压差加速等离子体形成稳定射流，进而产生反向推力。