[发明专利]一种磁场力/力矩作用投送系统及其地面测试装置

说明书

本发明涉及一种磁场力/力矩作用投送系统，包含等离子体收集装置和脉冲等离子体环发射装置，所述脉冲等离子体环发射装置用于产生和发射脉冲等离子体环，包括内轴、外轴、内轴电磁铁、外轴电磁铁、高能电容器、等离子注入口，所述内轴与所述外轴为同轴两套筒，所述内轴电磁铁安装于内轴内壁、外轴电磁铁安装于外轴外壁。该系统可较好解决电磁力/力矩作用距离受限问题，实现对空间目标超远距快速投送电磁姿轨操控。

技术领域

本发明属于航天器电磁操控技术领域，涉及一种磁场力/力矩作用投送系统及其地面测试装置。

背景技术

航天器电磁操控(涵盖电磁对接、编队飞行、涡流消旋等应用)技术具有不消耗推进剂、无羽流污染、连续可逆控制能力等优势，应用潜力巨大；目前，国内外相关科研机构已开展了系统的地面试验研究，拟开展在轨技术验证。然而，电磁力/力矩作用存在内在不足，即力/力矩数值与相对距离的3～4次方成反比，操控空间受限。为此，近十几年来，研究者已探索研究了多种辅助手段，如超导体应用、系绳-电磁协同等，但操控空间仅能扩展至几十米量级，远不能满足空间目标姿轨操控需求。

针对空间目标姿轨操控的磁场力/力矩作用超远距快速投送系统与方法尚未见到公开发表文献。在核聚变领域，托卡马克送料系统(如同轴枪、紧凑环等)中涉及一些共性技术，如等离子体片生成与加速发射；然而，由于系统与方法的输入端约束与输出端需求差异性较大，具体的电磁场设计与操控方法存在较大区别：

第一，现有装置输入端电容器的充电电压、体积、质量巨大，不适合在轨操控应用。

由于核聚变反应堆巨大的能量与送料速度/精度需求，电容器的充电电压、体积、质量巨大；单一航天器或空间站都不能满足现有装置设计所需的能量等需求。

第二，现有装置不关注等离子体环发射后的输运性能。

现有装置主要为核聚变反应堆送料所需，发射出等离子体片后交由反应堆控制接力，发射装置不关注后续等离子体片的输运性能。

第三，现有装置未考虑等离子体环方向与大小的按需控制。

现有装置目的为核反应堆送料，对等离子体环中带电粒子的运行方向、冻结磁场的大小等未加考虑；基于空间目标的姿轨操控需求，本发明需考虑冻结磁场方向与大小的可控性。

第四，现有装置未具有等离子体原位收集能力。

发明内容

基于此，针对上述技术问题，本发明提供出一种服务于空间目标姿轨操控、可超远距快速(km、亚秒量级)投送磁场力/力矩的系统及其地面测试装置。

一种磁场力/力矩作用的投送系统，包含等离子体收集装置和脉冲等离子体环发射装置，所述脉冲等离子体环发射装置用于产生和发射脉冲等离子体环，包括内轴、外轴、内轴电磁铁、外轴电磁铁、高能电容器、等离子注入口，所述内轴与所述外轴为同轴两套筒，所述内轴电磁铁安装于内轴内壁，外轴电磁铁安装于外轴外壁。

所述脉冲等离子体环发射装置生成脉冲等离子体环的步骤为：

将所述内轴和外轴电磁铁通电，得到一个由内轴指向外轴的径向磁场，外环磁场强于内环磁场；

在内轴与外轴之间形成的环形内腔中充入一定质量的等离子体，形成等离子体团，等离子体团冻结于径向磁场；

内轴与外轴通过等离子体团连接，电流经过内轴向上，流经等离子体团后由外轴流出；通过内轴的电流产生一环向磁场，流经等离子体团的电流与环向磁场相互作用，驱使等离子团向上流动，并切割径向磁场；

冻结在等离子体团中的径向磁力线连接成闭合的磁力线，经过微秒量级时间扩散，等离子体团达到能量最小的稳定环状态，得到稳定状态的脉冲等离子体环。

所述脉冲等离子体环发射装置加速发射等离子体环的步骤为：