磁場調(diào)控型液相工質(zhì)大面積微腔放電等離子體微推進(jìn)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于磁場調(diào)制的液相工質(zhì)大面積微腔放電等離子體空間微推進(jìn)器，特別適用于空間微小航天器對高集成度、低功耗、精確沖量、高比沖微推進(jìn)系統(tǒng)的工作需求。
【背景技術(shù)】
[0002]對空間小型化平臺微推進(jìn)技術(shù)的迫切需求源于本世紀(jì)微納衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)后，微納衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展、日益成熟，這使得微納衛(wèi)星在能完成傳統(tǒng)大衛(wèi)星功能的同時，更具有周期短、風(fēng)險低、發(fā)射方式靈活、可拓展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。由于微納衛(wèi)星體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動慣量小，用于衛(wèi)星軌道與姿態(tài)控制所需推力小，重復(fù)性好，要求精度高，一般為毫牛量級，甚至到微牛量級；優(yōu)異的微推進(jìn)器還應(yīng)兼具較寬的推力范圍，以適應(yīng)不同的任務(wù)應(yīng)用需求。同時，微納衛(wèi)星編隊(duì)飛行的目標(biāo)是維持衛(wèi)星間的相對位置，而不是保持各衛(wèi)星的絕對位置，因此需要的最小沖量脈沖非常小，以滿足控制系統(tǒng)高精度要求。因此研宄適合于微納衛(wèi)星軌道保持、軌道機(jī)動與姿態(tài)控制用的高集成度、低功耗、精確沖量、高比沖的微小推進(jìn)系統(tǒng)是微納衛(wèi)星發(fā)展的必然要求和關(guān)乎成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
[0003]相比化學(xué)微推進(jìn)，電推進(jìn)具有低成本、高比沖、推力小、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，能大大減少推進(jìn)劑的攜帶量而增加衛(wèi)星有效載荷，或不減少推進(jìn)劑而大大延長衛(wèi)星的工作壽命，因而成為最具發(fā)展?jié)摿Φ奈⑼七M(jìn)方式之一。微電推進(jìn)器分為電熱式、靜電式和電磁式。電熱式微推進(jìn)器無污染，原則上可以使用任何推進(jìn)劑，成本低，但它的比沖很低，存在泄漏問題。靜電式微推進(jìn)器有場效應(yīng)靜電推進(jìn)器、膠體微推進(jìn)器、離子微推進(jìn)器、霍爾微推進(jìn)器。但靜電式微推進(jìn)器普遍需要高的工作電壓(kv量級)或者較大的電源功率(百瓦量級)，超過了微納衛(wèi)星的供給能力，也就限制了其在超小型微納衛(wèi)星方面的應(yīng)用。電磁式微推進(jìn)器如脈沖等離子推進(jìn)器固有質(zhì)量較大，也存在羽流污染問題，并且推功比不高。
[0004]目前為止，質(zhì)量和功率對推進(jìn)系統(tǒng)的約束使得微納衛(wèi)星的電推進(jìn)方式主要以電熱式為主。傳統(tǒng)的電阻加熱式微推進(jìn)系統(tǒng)面臨比沖小、加熱效率低等突出問題，射頻放電電熱式微推進(jìn)又具有能量利用效率低、器壁表面燒蝕大的不足，微電弧發(fā)動機(jī)的尺寸也無法滿足厘米以下的加工需求。這些不利因素限制了上述推進(jìn)系統(tǒng)在微納衛(wèi)星上的應(yīng)用。相比之下，微腔放電等離子體推進(jìn)是一種利用微放電技術(shù)發(fā)展而來的新型電熱式微推進(jìn)技術(shù)。微腔放電，是一種新穎的非平衡高氣壓輝光放電，只需要非常低的電壓(幾百伏特)或者輸入功率(百毫瓦數(shù)量級)，通過等離子體與中性氣體的碰撞以及電場對離子的加速所用，加熱工質(zhì)氣體，再通過一定的噴管結(jié)構(gòu)噴出，產(chǎn)生推力，從而為提高推進(jìn)系統(tǒng)的性能開辟了新的途徑。美國伊利諾伊州立大學(xué)的電推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和德克薩斯州立大學(xué)的計(jì)算等離子體實(shí)驗(yàn)室最早提出了微腔放電微納衛(wèi)星推進(jìn)器的設(shè)計(jì)(如圖1所示)并在美國空軍中心科學(xué)研宄基金資助下開展了相應(yīng)的研宄工作〈R.L.Burton et al.Development of the MCDthruster for nanosat propuls1n, Proceedings of the 57th Joint Army Navy NASAAir Force Propuls1n Meeting, Colorado Springs, Colorado, 2010 ；M.de Chadenedeset al.Advances in microcavity discharge thruster technology, Proceedings of the46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propuls1n Conference, Nashville, TN, 2010〉。目前在研的微腔放電等離子體推進(jìn)器，存在諸多突出問題，制約了推力、比沖以及能量效率的進(jìn)一步完善提高:(1)由于微放電腔體大的表面積體積比，大量的電能損失發(fā)生在固體器壁和等離子體交接面上的鞘層區(qū)域，嚴(yán)重降低推進(jìn)劑工質(zhì)加熱和推進(jìn)的能量利用效率。(2)由于等離子體和冷推進(jìn)劑氣流強(qiáng)烈的耦合作用，帶電離子主要分布在放電空腔或者噴口內(nèi)部，真正由帶電粒子貢獻(xiàn)的推力十分有限。(3)單對電極結(jié)構(gòu)放電面積較小，放電穩(wěn)定性不高，當(dāng)推進(jìn)劑流量較大時電離效率有限，大量氣相工質(zhì)無法有效放電電離加熱，導(dǎo)致推進(jìn)器的工質(zhì)利用效率較低。(4)氣體推進(jìn)劑對質(zhì)量流量控制精度的要求較高，同時需要高壓儲存，會占用微小航天器的體積和質(zhì)量?；谏鲜鰡栴}，目前微腔放電等離子體微推進(jìn)器的比沖僅為100-200S、能量效率不足60 %，推進(jìn)控制精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服傳統(tǒng)微腔放電等離子體微推進(jìn)器比沖下，能量效率低，推進(jìn)控制精度低的瓶頸，提出一種基于磁場調(diào)制的液相工質(zhì)大面積微腔放電等離子體微推進(jìn)器，通過多種外部控制條件的綜合調(diào)控和多種新型部組件的優(yōu)化配置實(shí)現(xiàn)高比沖、長壽命和高控制精度的微納衛(wèi)星推進(jìn)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:磁場調(diào)控型液相工質(zhì)大面積微腔放電等離子體微推進(jìn)器，包括推進(jìn)器本體、永磁體和外部電源模塊；推進(jìn)器本體結(jié)構(gòu)包括液體推進(jìn)劑儲箱，推進(jìn)劑工質(zhì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，金屬片，電介質(zhì)以及拉法爾噴管；
[0007]推進(jìn)劑工質(zhì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)控制工質(zhì)流量并將液體推進(jìn)劑儲箱內(nèi)的液體推進(jìn)劑形成噴霧擴(kuò)散進(jìn)放電微腔中，所述的放電微腔由一個直徑不等的孔貫穿金屬片和絕緣電介質(zhì)構(gòu)成，絕緣電介質(zhì)夾在相鄰兩個金屬片之間，相鄰兩個金屬片組成一個電極對；放電微腔末端的金屬片和絕緣電介質(zhì)組成拉法爾噴口，其中，絕緣電介質(zhì)構(gòu)成拉法爾噴口的收縮段和擴(kuò)張段，陽極金屬片組成拉法爾噴口的喉部，其與位于拉法爾噴口擴(kuò)張段出口處的陰極金屬片組成一個電極對；拉法爾噴口的水平段上至少設(shè)置一個電極對，外部電源模塊提供周期性交流或者直流高壓脈沖電壓，并利用導(dǎo)線接至每個電極對上，環(huán)形的永磁體套裝在上述放電微腔的管壁外側(cè)。
[0008]將上述外部電源模塊和推進(jìn)器本體結(jié)構(gòu)作為一個推進(jìn)單元，多個相同的推進(jìn)單元排成點(diǎn)陣，外部套裝環(huán)形的永磁體組成多腔推進(jìn)器，永磁體與每個推進(jìn)單元之間填充絕緣材料。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為:
[0010](I)采用復(fù)式多電極結(jié)構(gòu)表面放電在較低的電源輸入功率面密度下獲得大面積的放電等離子體，并能夠降低放電的高頻振蕩，提高放電的穩(wěn)定性，克服推進(jìn)劑流量較大時大量氣相工質(zhì)無法有效放電電離加熱，推進(jìn)器工質(zhì)利用效率低的瓶頸；
[0011](I)采用圓環(huán)形永磁體產(chǎn)生的外部軸向磁場調(diào)制優(yōu)化顯著降低放電電壓并強(qiáng)化電離過程，調(diào)控微腔放電等離子體放電輸運(yùn)特性，提高帶電粒子對推進(jìn)性能提高的貢獻(xiàn)；
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