CN111140447A

CN111140447A - 一种用于电推进的包括旁置电磁线圈的矢量磁喷管

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Publication number: CN111140447A
Application number: CN201911334628.4A
Authority: CN
Inventors: 汤海滨; 陈志远; 王一白; 任军学; 吴鹏; 曹晋滨
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2020-05-12

Abstract

本发明提供了一种用于电推进的包括旁置电磁线圈的矢量磁喷管。所述矢量磁喷管包括：生等离子体流束的电推力器；具有内孔的主线圈；和多个旁置电磁线圈，其被均匀地设置成在所述主线圈的内孔中，该旁置电磁线圈的尺寸小于所述主线圈的内孔尺寸，其中各所述旁置电磁线圈的轴线均与所述电推力器的轴线平行，所述旁置电磁线圈分别通以不同大小和方向的励磁电流，叠加在所述主线圈产生的磁场上，产生非对称的矢量磁喷管，进而引导从所述电推力器排出的等离子体流束沿所需方向膨胀加速，产生所需推力矢量。

Description

一种用于电推进的包括旁置电磁线圈的矢量磁喷管

技术领域

本发明涉及空间飞行器的电推进的矢量磁喷管，具体地，涉及包括旁置电磁线圈的矢量磁喷管。

背景技术

航天器的在轨推进技术多种多样，目前应用最为广泛的是化学推进和电推进。化学推进最为成熟，也是目前我国空间飞行器应用最多的推进技术。与化学推进相比，电推进具有减少所需加注的推进剂，延长工作时间等优点。随着电推进技术的发展，越来越多的空间飞行器，如卫星等，也开始装备电推进系统。

电推进系统包括磁喷管。不存在实际边界的磁力线产生约束和加速带电粒子的喷管效应，称之为磁喷管。关于推力器轴线对称的磁场分布可以实现对等离子体的加速作用，等离子体加速完成后在一定条件下从磁场中分离，产生推力。正确使用磁喷管可以提高电推力器的性能，其在许多电推力器广泛应用，例如附加磁场磁等离子体推力器(AF-MPDT)、可变比冲等离子体火箭(VASIMR)、螺旋波等离子体推力器 (HPT)等。

空间飞行器在工作时经常需要进行推力矢量的控制来满足姿态控制和轨道修正的需求，为此推力矢量的方向控制非常重要。推力矢量的控制通常采用的方式是按照相应的需求方向在航天器上多安装推力器，或是利用机械装置对推力器的喷管或推力器本身进行转向来实现。这样的传统推力矢量控制方式不仅增加了系统的重量而且增加了系统的复杂性，对航天器的运行是不利的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于设计一种磁喷管结构，无需移动部件，只需调节电流产生非对称的磁场就可实现对电推力器推力矢量的控制和推力的提高。

为了实现上述目的，根据本发明的用于电推进的包括旁置电磁线圈的矢量磁喷管的一个实施方式包括：产生等离子体流束的电推力器；具有内孔的主线圈；和多个旁置电磁线圈，其被均匀地设置成在所述主线圈的内孔中，该旁置电磁线圈的尺寸小于所述主线圈的内孔尺寸，其中各所述旁置电磁线圈轴线均与所述电推力器的轴线平行，所述旁置电磁线圈分别通以不同大小和方向的励磁电流，叠加在所述主线圈产生的磁场上，产生非对称的矢量磁喷管，进而引导从所述电推力器排出的等离子体流束沿所需方向膨胀加速，产生所需推力矢量。

在一个可选的实施方式中，所述矢量磁喷管包括四个旁置电磁线圈，且该四个旁置电磁线圈成中心对称，其对称中心与所述电推力器的出口平面中心重合。

在另一个可选的实施方式中，所述矢量磁喷管所包括的所述旁置电磁线圈的尺寸彼此相同。

在另一个可选的实施方式中，所述旁置电磁线圈与主线圈之间的通过焊接固定。

在仍另一个可选的实施方式中，所述旁置电磁线圈为超导线圈。

在另一可选的实施方式中，用一个较大的主线圈产生磁喷管的主要构型，该线圈构成的磁喷管关于推力器轴线呈轴对称分布。在主线圈内孔的相互垂直的四个方位安装四个小的旁置线圈，旁置线圈与主线圈的中心轴线平行，通过调节四个旁置线圈中励磁电流的方向和大小，可以得到关于推力器轴线非对称的磁喷管结构，将该组合线圈安装在电推力器的束流出口处，可以引导等离子体沿着磁喷管轴线的方向膨胀、偏转，实现推力矢量的控制。并且在产生的扩张形磁场中，由于双极电场加速、逆磁镜效应、角向电流加速等作用使推力器束流中的离子速度得到大幅提高，提高了推力器的性能。

本发明的优点在于：

1.没有移动部件，只需要调节线圈中的励磁电流就可以控制推力矢量，提高了系统的整体性和可靠性；

2.免去了使用多个推力器造成的重量负担，降低航天器的发射成本，增加有效载荷比；

3.利用磁喷管效应将推力器等离子体束流的垂直于推力矢量方向的动能，转化为平行于推力矢量方向的动能，提高了所需方向上的推进性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为根据本发明的一个实施方式的用于电推进的包括旁置线圈的矢量磁喷管的示意图。

图中附图标记表示的部件如下，

1.电推力器

2.主线圈

3.第一旁置电磁线圈

4.第二旁置电磁线圈

5.第三旁置电磁线圈

6.第四旁置电磁线圈。

具体实施方式

下面通过具体实例结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这里所使用的某些术语仅仅是为了方便并不被认为是对本发明的限制。例如，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“垂直”、“向上”和“向下”等术语仅仅描述附图中所示的构造。实际上，部件可以被定向在任何方向上，且因此除非以其它方式指出了，术语应当被理解为包括所有这种变化。在本说明中，词“包括”应理解为其“开放”意义，即“具有”的意思，因此不应被限制为“封闭”意义，即“仅包括”的意思。相应的意思也适用于相应的词“包括”，“包括有”等。尽管可能使用例如“第1”、“第2”、“第一”和“第二”的表述来描述本发明的各个元件，但它们并未意于限定相对应的元件。例如，上述表述并未旨在限定相对应元件的顺序或重要性。上述表述仅用于将一个部件和另一个部件区分开。

图1为根据本发明的一个实施方式的用于电推进的包括旁置线圈的矢量磁喷管的示意图。请参照图1，根据本发明的一个实施方式的用于电推进的包括旁置线圈的矢量磁喷管，包括：产生等离子体流束的电推力器1，具有内孔的主线圈2，以及在主线圈2的内孔内围绕电推力器1设置的至少一个旁置电磁线圈。该旁置电磁线圈的尺寸小于主线圈2的内孔尺寸，以便于将该旁置电磁线圈设置在内孔中。在图中所示的实施方式中，提供了围绕主线圈2对称设置且均匀分布的四个旁置电磁线圈，分别为第一旁置电磁线圈3，第二旁置电磁线圈4，第三旁置电磁线圈5，第四旁置电磁线圈6。尽管未示出，应理解旁置电磁线圈的数量可以根据需要来增减，不限于图中所示的四个旁置电磁线圈。

所述第一旁置电磁线圈3、第二旁置电磁线圈4、第三旁置电磁线圈5、第四旁置电磁线圈6分别是形状为环形的普通电磁线圈或超导线圈，普通线圈可以通过加入内部强制水冷进行热防护。该第一旁置电磁线圈3、第二旁置电磁线圈4、第三旁置电磁线圈5、第四旁置电磁线圈6可设置为具有基本相同的尺寸。所述第一旁置电磁线圈3、第二旁置电磁线圈4、第三旁置电磁线圈5、第四旁置电磁线圈6与主线圈2之间可通过焊接等方式固定，且该四个旁置电磁线圈被设置为成中心对称关系，其对称中心与电推力器1出口平面中心基本重合。换言之，所述多个旁置电磁线圈3-6相对于电推力器1的出口平面中心成中心对称关系。这样的布置使得能够更好地对推力矢量的进行控制和调节。

所述主线圈2、第一旁置电磁线圈3、第二旁置电磁线圈4、第三旁置电磁线圈5、和第四旁置电磁线圈6由航天器电推进系统的电源处理单元(PPU)统一供电，并按照事先编制后的控制程序将所需的矢量偏角转化为旁置线圈中励磁电流大小和方向的组合，产生非对称的扩张形磁场。所述电推力器1产生等离子体束流，并从出口平面喷入磁喷管中，由于电子的热运动速度远大于离子，由双极扩散产生了加速离子的双极电场。由于电子磁化程度较强，电场方向沿着所需推力矢量的方向。并且电子由于径向热膨胀引发逆磁性的漂移运动，产生的霍尔电流进一步加速电子向下游运动，加剧了电荷分离趋势，进而增强了双极电场。由此将电子垂直于推力矢量方向的能量转化为平行于推力矢量方向的能量，再通过电场转移给离子，增强了电推力器的推进性能。等离子体束流的下游，由于部分电子发生磁冻结或由于离子的强大惯性，导致等离子体从磁喷管中分离，由此产生了所需偏转方向上的推力，并且磁喷管效应大为增强。

此外，前述仅说明了一些实施方式，可进行改变、修改、增加和/或变化而不偏离所公开的实施方式的范围和实质，该实施方式是示意性的而不是限制性的。此外，所说明的实施方式涉及当前考虑为最实用和最优选的实施方式，其应理解为实施方式不应限于所公开的实施方式，相反地，旨在覆盖包括在该实施方式的实质和范围内的不同的修改和等同设置。此外，上述说明的多种实施方式可与其它实施方式共同应用，如，一个实施方式的方面可与另一个实施方式的方面结合而实现再另一个实施方式。另外，任何给定组件的各独立特征或构件可构成另外的实施方式。

为了示意和说明的目的提供实施方式的前述说明，其不意图穷举或限制本公开。具体实施方式的各元件或特征通常不限于该具体实施方式，但是在可应用的情况下，即使没有具体地示出或说明，各元件或特征也是可互换且可用于选择的实施方式，还可以多种方式改变。该改变不看作从本公开偏离，且所有该改变都包括在本公开的范围内。

因此，应理解这里通过示例的方式提供了附图和说明书，以有助于对本发明的理解，且不应构成对其范围的限制。

Claims

1.一种用于电推进的包括旁置电磁线圈的矢量磁喷管，其特征在于，所述矢量磁喷管包括：

产生等离子体流束的电推力器；

具有内孔的主线圈；

和多个旁置电磁线圈，其被均匀地设置成在所述主线圈的内孔中，该旁置电磁线圈的尺寸小于所述主线圈的内孔尺寸，

其中各所述旁置电磁线圈的轴线均与所述电推力器的轴线平行，所述旁置电磁线圈分别通以不同大小和方向的励磁电流，叠加在所述主线圈产生的磁场上，产生非对称的矢量磁喷管，进而引导从所述电推力器排出的等离子体流束沿所需方向膨胀加速，产生所需推力矢量。

2.根据权利要求1所述的用于电推进的包括旁置电磁线圈的矢量磁喷管，其特征在于，所述矢量磁喷管包括四个旁置电磁线圈，且该四个旁置电磁线圈成中心对称，其对称中心与所述电推力器的出口平面中心重合。

3.根据权利要求1或2所述的用于电推进的包括旁置电磁线圈的矢量磁喷管，其特征在于，所述矢量磁喷管所包括的所述旁置电磁线圈的尺寸彼此相同。

4.根据权利要求1或2所述的用于电推进的包括旁置电磁线圈的矢量磁喷管，其特征在于，所述旁置电磁线圈与主线圈之间的通过焊接固定。

5.根据权利要求1或2所述的用于电推进的包括旁置电磁线圈的矢量磁喷管，其特征在于，所述旁置电磁线圈为超导线圈。