[发明专利]基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置及方法

说明书

本发明涉及一种等离子体加速推进装置，具体涉及一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置及方法。解决了单段喷管的等离子体生成装置不利于优化磁场位形，使等离子体射流的轨迹难以控制，导致比冲和推力不理想的技术问题。本发明装置包括工质供应分配单元和等离子体生成加速单元，工质供应分配单元包括由内到外同轴设置的工质分配器、第二绝缘体、过渡电极和第三绝缘体；等离子体生成加速单元包括n段喷管、n‑1段第一绝缘体、与喷管对应的加速器电场电源、与喷管对应的电磁线圈以及与电磁线圈对应的电磁场电源；n段喷管和n‑1段第一绝缘体形成喷管组件。本发明还提供了一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成方法。

技术领域

本发明涉及一种等离子体加速推进技术，具体涉及一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置及方法。

背景技术

等离子体加速技术可应用于空间推进装置或大功率等离子体炬等特定需要等离子体射流的产品研发中。其作为推力装置具有比冲高、寿命长、结构紧凑、体积小和污染轻等优点，是目前空间推进装置的重要发展方向，其基本原理是利用电能对工质进行加热、离解，并加速工质形成高速射流而产生的推进技术，目前世界各航天大国针对不同类型的等离子体推进产品开展了大量的研究和探索，一些产品成功获得了在轨应用。将这些产品用作等离子体炬产品可以提升射流速度和等离子体密度，可拓展其在固废处理或表面处理等行业的应用。

在常规的化学火箭发动机中，一般通过气体动力学喷管(即拉瓦尔喷管)将燃气中的热能转化为动能进行加速从而产生推力，而在电推进及等离子体生成装置中，除了自感应磁场外，可使用外加磁场将等离子体受到洛伦兹力，通过周向动能转化为轴向动能产生推力，即利用磁喷管效应进行加速。

现有等离子体生成装置主要是单级磁场单段喷管，其比冲和推力难以达到磁等离子体推力器及相关等离子体生成装置的要求，同时，不利于优化磁场位形，使等离子体射流的轨迹难以控制，进而难以提升等离子体的加速效果。

发明内容

本发明的目的是解决现有单级磁场单段喷管的等离子体生成装置不利于优化磁场位形，使等离子体射流的轨迹难以控制，进而难以提升电磁的加速效果，导致比冲和推力不理想的技术问题，而提供一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置及方法。本发明中设置多级分段磁场更有利于磁场位型优化，通过调节线圈电流强度可以使在沿喷管轴线方向上磁力线方向获得优化，也就是说设计多段磁场之后，磁场位型是可调的，通过设置每段磁场线圈电流的大小来生成最优的位型，适应喷管几何形面提供加速性能。

本发明的技术方案为:

一种基于多级磁场及多段喷管的等离子体生成装置，包括工质供应分配单元和等离子体生成加速单元，其特殊之处在于：

所述工质供应分配单元包括由内到外同轴设置的工质分配器、第二绝缘体、过渡电极和第三绝缘体；所述工质分配器中通入的工质为惰性气体、氮气或空气；

所述等离子体生成加速单元包括n段喷管、n-1段第一绝缘体、与每段喷管对应的加速器电场电源、设置在每段喷管外的电磁线圈以及与电磁线圈对应的电磁场电源；其中，n≥2；

所述n段喷管和n-1段第一绝缘体沿轴向间隔设置形成喷管组件；所述第一绝缘体的内型面与喷管的内型面保持光滑过渡，所述喷管组件的直径尺寸沿喷管组件的出口方向逐渐变大；

所述喷管组件的小端套设在第三绝缘体上；

所有加速器电场电源的负极均与工质分配器连接，其正极分别与相应的喷管连接；所述加速器电场电源用于在工质分配器与相应喷管之间产生电弧；

所述电磁场电源用于给相应的电磁线圈供电并在相应喷管内产生磁场，且越远离喷管组件小端的电磁线圈所产生的磁场强度越小；所述磁场的磁力线方向朝向喷管组件的大端。

进一步地，所述喷管组件按拉瓦尔喷管原理进行设计，且满足超音速介质的气动加速条件。