[发明专利]一种用于电推进的包括旁置电磁线圈的矢量磁喷管

说明书

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。

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；