[发明专利]空间碎片等离子体推进器

摘要

空间碎片等离子体推进器。属于航天技术领域。在利用空间碎片时，静电式等离子体推进器栅网型电极的损伤较为严重，进而导致空间碎片作为推进剂的利用率低问题。本发明的粉碎机与球磨机相连，粉末充电系统固定在球磨机内部；外套管位于外磁轭内部，内套管位于外套管内部，内磁轭位于内套管内部；主轴的穿过内磁轭固定在支撑结构上，内磁轭、内套管、外套管和外磁轭均固定在支撑结构上；外线圈缠绕在外磁轭的外壁上，内线圈缠绕在内磁轭的外壁上；阳极与球磨机和放电通道相连；阴极位于放电通道出口处靠近外磁轭的位置；电源的正极与阳极相连，电源的负极与阴极相连。有效解决了栅网型电极的损伤问题，提高了对空间碎片的利用率。适用于作为航天器的推进器。

主权项

1.空间碎片等离子体推进器，它包括粉碎机(1)、球磨机(2)和粉末充电系统(3)；粉碎机(1)的出口与球磨机(2)的入口固定连通，粉末充电系统(3)固定在球磨机(2)内部的出口处；其特征在于，它还包括推进装置(4)；所述推进装置(4)包括阳极(5)、外线圈(6)、外磁轭(7)、外套管(8)、支撑结构(9)、内线圈(10)、内套管(11)、内磁轭(12)、电源(13)、阴极(14)、内磁极(20)、外磁极(19)和主轴(15)；所述主轴(15)为圆柱体；内磁轭(12)、内套管(11)、外套管(8)和外磁轭(7)均为圆筒状，内磁极(20)、外磁极(19)均为圆环状；其中，外套管(8)位于外磁轭(7)内部，内套管(11)位于外套管(8)内部，内磁轭(12)位于内套管(11)内部；主轴(15)的一端穿过内磁轭(12)固定在支撑结构(9)上，内磁轭(12)、内套管(11)、外套管(8)和外磁轭(7)的一端均固定在支撑结构(9)上；内磁极(20)固定在内磁轭(12)的另一端端面上，外磁极(19)固定在外磁轭(7)的另一端端面上，外线圈(6)、外磁轭(7)、外套管(8)、内线圈(10)、内套管(11)、内磁轭(12)和主轴(15)的轴线平行；所述内套管(11)与外套管(8)之间的区域为放电通道；外线圈(6)缠绕在外磁轭(7)的外壁上，内线圈(10)缠绕在内磁轭(12)的外壁上；所述阳极(5)为管状结构，阳极(5)的一端与球磨机(2)的出口相连通；阳极(5)的另一端穿过支撑结构(9)延伸到放电通道的内部；阴极(14)位于放电通道出口处靠近外磁轭(7)的位置；电源(13)的正极通过导线与阳极(5)相连，电源(13)的负极通过导线与阴极(14)相连；该空间碎片等离子体推进器的运行参数为：空间碎片粉末的特征尺寸在μm量级，所带的基本电荷在10⁵个左右，空间碎片的密度用硅近似估计；阳极(5)与阴极(14)之间的放电电压为U_d，放电通道内的径向磁感应强度为B，B在0.01T～0.1T之间，推进装置(4)的推力为T，T在1N左右；推进装置(4)几何结构的特征参数为放电通道的轴向长度L、放电通道的宽度h以及放电通道的平均直径d，推进器空间碎片粉末的阳极质量流速为所述的空间碎片等离子体推进器运行的约束条件有以下几点：为保证空间碎片粉末的充分电离，放电通道的轴向长度L需满足Melikov–Morozov判据，Melikov–Morozov判据为一种相似准则，其中电离过程的平均自由程λi为：其中，vn(Tn)为空间碎片粉末的热速度，单位为K；nn为空间碎片粉末的密度，单位为kg·m‑3；σi(Te)为电离碰撞的截面积，单位为m2；ve(Te)为电子的热速度，单位为K；为保证进入放电通道的电子被磁化而空间碎片粉末电离后产生的带正电的粒子从推进器出口处加速喷出，需要满足rce<其中，e为电子的电荷量，单位为C；qi为空间碎片粉末离子的电荷量，单位为C；vi(Ti)为带正电粒子的热速度，单位为K；me为电子的质量，单位为kg；mi为带正电粒子的质量，单位为kg；为保证电子被磁场完全约束，减小电子横越磁力线的扩散损耗，电子的回旋运动频率必须远远大于电子与空间碎片粉末的碰撞频率，即满足：其中，ωce为电子的回旋运动频率，单位为Hz；νen为电子与空间碎片粉末的碰撞频率，单位为Hz；σen为电子和空间碎片粉末的动量交换截面积，单位为m2；所述的空间碎片等离子体推进器特征参数的确定方法为：给定放电通道内的磁场值B以及放电电压U_d，然后根据推进器的运行条件及性能参数与推进装置(4)特征参数之间的定标关系，同时利用现有推进装置(4)数据库所导出的经验法则，来确定合理的L、h、d以及碎片粉末的阳极质量流速所述的空间碎片等离子体推进器的特征参数的确定过程为：由推进器的推力与阳极(5) 质量流速及放电电压的关系式得到阳极质量流速由推进器的推力与放电通道的平均直径及放电电压的关系确定推进器放电通道的平均直径d；由放电通道宽度与粒子回旋半径之间的大小关系r_ce<<h<<r_ci确定放电通道的宽度h，并根据经验规则L～5h大致得到放电通道的轴向长度L，且要使L满足空间碎片粉末充分电离的要求λ_i<<L；根据电子的回旋频率与电子和空间碎片粉末之间的碰撞频率来验证放电通道内磁场的强度是否能够完全磁化电子，对磁场B进行修正；反复选取磁场及放电电压，重复同样的计算过程，使推进器的性能指标达到最佳。