[发明专利]反射式激光‑电磁场耦合推力器

说明书

一种反射式激光‑电磁场耦合推力器，包括激光系统、电磁加速电极组件和静电场组件，电磁加速电极组件包括电磁加速阴极、电磁加速阳极和电磁加速电极电源；静电场组件包括静电场加速电极、工质和静电场加速电源，静电场加速电源为工质和静电场加速电极通电，在工质和静电场加速电极之间建立电势差形成静电场；激光束烧蚀工质产生的激光等离子体进入静电场，被静电场加速后的激光等离子体运动到电磁加速阴、阳极之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出，从而产生推力。其具备推力可调、推进效率高、推力密度大等优点。

技术领域

本发明涉及一种为微纳卫星轨道提升、位置保持、姿态控制和组网飞行等提供精准推力的新型推力器，尤其涉及一种利用激光烧蚀固体工质产生激光烧蚀等离子体，然后利用静电场和电磁场加速的推力器。

背景技术

现代战争和自然灾害等具有突发性和局域性的特点，即使庞大的空间系统也难以实现对事件突发区域的完全覆盖，且耗资巨大；同时，随着反卫星技术的不断发展，空间系统越来越脆弱，极端战争情况下，面临被摧毁的严重威胁。因此，作为空间系统应急增强和被毁后快速重建的必备手段，有必要实现卫星的快速研制、快速发射和快速应用。为此，微纳卫星应运而生。

微纳卫星作为微电子、微机械、新材料、计算机等领域高新技术和空间探索任务发展的产物，以其功能密度高、研制周期短、成本低廉、应用灵活、技术带动性强等优点，成功应用于对地遥感、特种通信、空间环境探测以及空间科学实验等诸多领域，已成为一类维护国家安全和保障经济社会发展的重要航天系统。

微纳卫星既能以单颗卫星实现一种或多种特定功能，也能通过组网、编队或集群飞行等构成分布式卫星系统，实现大卫星的功能或者完成单颗大卫星难以实现的空间任务。对于微纳卫星，特别是多颗微纳卫星组成的分布式卫星系统，极易受到多种摄动因素的影响，使得轨道编队不稳定，从而使得不能充分发挥其作用或者发挥作用时间很短。因此，需要为微纳卫星配备特定的推进系统，为它的轨道提升、位置保持、姿态控制和组网飞行等提供精准的推力。针对这一需求，各种极具潜力的推进系统(包括离子推力器、场发射推力器、脉冲等离子体推力器(简称PPT)、电喷射推力器、电阻加热式推力器、微波电弧推力器、脉冲电弧推力器、激光等离子体微推力器(简称μLPT)等)被提出来并处于快速发展之中。

PPT具有结构简单、易于小型化和重量轻等优势，使其成为微纳卫星推进系统的优先选择对象，因此，各航天大国对其进行了长期深入的研究。其工作过程为：火花塞点火使暴露在两电极之间的推进剂表面诱导出持续几毫秒的短脉冲放电，使推进剂蒸发和电离，形成等离子体；然后等离子体在洛伦兹力和气动力的共同作用下加速喷出，从而产生推力。虽然PPT具有诸多优点，但是由于其存在滞后烧蚀等问题，所以系统效率不高(不大于10％)，因此如何提高它的系统效率一直是研究的重点问题。为此国内外专家学者对该问题进行了系统的研究，尽管取得了一定的成果，但总的来说系统效率提高有限，无法充分发挥PPT的优势。此外，PPT还存在火花塞点火失效和积碳以及羽流污染等问题亟待解决。

随着激光系统向着体积小、重量轻、功率大的方向发展，星载μLPT正在蓬勃发展。μLPT是一种能应用于微纳卫星的质量小(目前研制的样机仅850g)、效率高、寿命长、结构简单、推力可调的微推力器。其工作过程为：从激光器发射出来的激光聚焦后照射到推进剂表面，使推进剂表面烧蚀，喷出包含等离子体、气体、中性微粒等物质，从而产生推力。但是，μLPT的一些推进性能(比如推力、比冲等)还有待进一步提高。

发明内容

针对PPT存在的推进效率低、火花塞点火易失效且易积碳和羽流污染等问题以及μLPT推力、比冲低等问题，本发明目的在于提供一种反射式激光-电磁场耦合推力器，其具备比冲高、推力可调整性高、推进效率高、结构简单、推力密度大等优点。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：