本發(fā)明涉及一種新型深空探測器，具體地，涉及一種采用無質損磁光雙帆組合推進的深空探測器的設計。

背景技術：

推進技術是深空探測器設計的關鍵技術，太陽系內行星探測總速度增量需求達到10km/s左右，目前深空探測器主要采用化學推進和電推進技術，其最高比沖分別為350s和4000s，比沖較低，要求探測器攜帶燃料量較大，分別達到探測器總質量的94.6％和22.5％，從而減少了探測器攜帶有效載荷的能力，降低了科學產出的效能。

為克服傳統(tǒng)推進方式的不足，光帆和磁帆作為無工質推進，是一種新穎且有效的解決途徑。光帆利用太陽光輻射產生壓力，太陽光子連續(xù)撞擊光帆，使光帆獲得的動量逐漸遞增；磁帆是探測器自身攜帶磁場發(fā)生裝置與太陽風等離子體流相互作用產生推力，二者都不需要任何推進劑，但獲得的推力較小。光帆推力大小與光帆面積呈正相關；磁帆產生推力的大小取決于磁場發(fā)生裝置產生磁場的強弱。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的局限，本發(fā)明的目的是設計一種采用磁帆與光帆組合的無質損磁光雙帆推進探測器，可滿足火星等太陽系內行星的探測需求，是一種通過結合現(xiàn)有技術優(yōu)點，提高探測器推進性能的有效手段。

為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下：

一種采用無質損磁光雙帆組合推進的深空探測器，包括：探測器本體、供電裝置、驅動裝置、磁帆展開機構、磁場發(fā)生裝置、光帆、伸縮桿機構，所述探測器本體位于磁帆與光帆中間，并通過機械連接裝置進行連接；所述供電裝置對推進系統(tǒng)進行供電，所述磁帆展開機構將磁帆伸縮展開，所述磁場發(fā)生裝置作為磁帆的主要裝置，通電后電流產生磁場與太空中太陽風等離子體流相互作用產生推力，所述的伸縮桿機構將光帆展開，所述光帆在太陽光的照射下產生光壓驅動力。

所述供電裝置采用放射性同位素熱電機核電源進行供電。

所述磁場發(fā)生裝置為采用超導材料的圓形電流環(huán)。

所述圓形電流環(huán)的直徑大于20m。

所述圓形電流環(huán)產生的電流大于1KA，通過電磁感應產生磁場。

所述光帆直徑大于20m。

所述磁帆由兩個電流環(huán)對稱安裝形成，單個電流環(huán)產生的推進力為：

$F_{magsail}=C_D\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρu}}_{sw}}^{2}S$

其中，C_D為推力系數(shù)；為動壓，ρ為太陽風密度，u_sw為太陽風的速度；S為磁場特征面積。定義磁場的特征長度為L，則S＝πL²。

所述光帆采用石墨烯光壓材料，光帆產生的推力為：

$F_{sunsail}=2{\mathrm{\ηP}}_0\left(\frac{1AU}{r}\right)A{\cos }^{2}an$

其中，η為帆的效率參數(shù)，取值范圍為0～1之間；P為光帆單位面積的輻射壓力，A為光帆面積，a為太陽光入射角，n為光帆法向方向。

所述光帆為方形結構，采用新型光壓材料石墨烯，理論光壓為傳統(tǒng)光帆的1000倍以上。

磁光雙帆組合推進探測器產生的推力可達到1～6N，由于不消耗工質，故理論比沖為無窮大。

探測器通過控制探測器姿態(tài)以及電流大小對推力大小和方向進行控制，具體為：定義磁帆的攻角α為電流環(huán)法線方向與太陽風的夾角，與探測器姿態(tài)有關，轉向角β為推力方向與太陽風的夾角，通過調節(jié)磁帆的攻角來控制磁帆產生推力的大小和方向。

本發(fā)明能夠結合傳統(tǒng)光帆和磁帆無需攜帶推進劑的優(yōu)勢，并充分利用日益成熟的常溫超導材料，同時吸收了石墨烯材料在光壓驅動方面的最新突破性成果，進一步提高推進性能，降低航天器推進、能源分系統(tǒng)設計難度。本發(fā)明的應用可為太陽系行星探測提供持續(xù)可觀的速度增量，也可用于太陽系內行星(水星和金星)探測任務的減速制動，在滿足推進需求的同時也可豐富人類深空探測的形式。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所提供的深空探測器無需攜帶推進劑，可極大提高探測器有效載荷比重，降低推進系統(tǒng)的資源需求，有利于縮小探測器規(guī)模，降低探測成本，增加科學產能輸出。

本發(fā)明所提供的一種采用無質損磁光雙帆組合推進的深空探測器，巧妙地將磁帆與光帆相結合提供持續(xù)加速的推力，并利用超導材料與新型石墨烯光壓材料進一步提高推進性能，從而為新型動力深空探測提供了一種有效的技術途徑。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明中磁光雙帆推進深空探測器示意圖；

圖2為本發(fā)明中涉及的磁帆典型構型圖；

圖3是本發(fā)明中磁帆推進原理圖；

圖4是本發(fā)明中磁帆的攻角α和轉向角β的定義圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

請同時參閱圖1至圖4，本發(fā)明所提供的一種采用無質損磁光雙帆組合推進的深空探測器，包括：探測器本體1、放射性同位素電源(RTG)5、磁帆展開機構4、超導電流環(huán)2、光帆6、伸縮桿機構7，探測器本體1在磁帆3與光帆6中間，通過伸縮桿機構進行連接。

放射性同位素電源(RTG)5對探測器進行供電，如圖1所示，本發(fā)明中探測器本體1的一端連接磁帆3，另一端連接光帆6。磁帆展開機構4將磁帆3伸縮展開，伸縮桿機構7將光帆6展開。本實施例中，光帆6為正方形結構，以石墨烯作為光壓材料；磁帆電流環(huán)為圓形，采用超導材料以產生高電流。

如圖3所示，磁帆的原理是利用電流環(huán)通電在探測器周圍形成磁場，在磁層邊界處與太陽風粒子場中的帶電粒子(質子和電子等)相互作用產生推力F。如圖2所示，其為本發(fā)明的磁帆典型構型示意圖。為了獲得足夠的推力，產生磁場的線圈需要很大的電流，為此采用超導電流環(huán)代替普通磁場發(fā)生裝置，可產生數(shù)kA大小的電流。單個磁帆產生的推力大小為：

$F_{magsail}=C_D\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρu}}_{sw}}^{2}S$

其中，C_D為推力系數(shù)；1/2ρu_sw²為動壓，ρ為太陽風密度，u_sw為太陽風的速度；S為磁場特征面積。定義磁場的特征長度為L(環(huán)中心到磁層邊界的半徑長度)，則S＝πL²。

如圖4所示，對于本發(fā)明中電流環(huán)與太陽風方向存在夾角的情況，可以定義磁帆的攻角α(電流環(huán)法線方向與太陽風的夾角，與探測器姿態(tài)有關)和轉向角β(推力方向與太陽風的夾角)，可以通過調節(jié)磁帆的攻角來控制磁帆產生推力的大小和方向。

光帆的太陽輻射壓力的大小完全由太陽與帆的距離、入射角以及光壓材料決定。如圖4所示，如果太陽光以入射角a照射在面積為A的光帆上，在距離太陽1AU處，石墨烯獲得的太陽輻射壓力為P₀＝4.563mN/m²，在理想反射情況下，推力總是沿著光帆的法向n的方向。光帆上產生的光壓驅動力為：

$F_{sunsail}=2{\mathrm{\ηP}}_0\left(\frac{1AU}{r}\right)A{\cos }^{2}an$

將光帆和磁帆結合作為組合推進。

為了避免單個電流環(huán)產生力矩造成姿態(tài)失穩(wěn)，同時進一步提高推進性能，磁帆的兩個電流環(huán)如圖1呈對稱安裝，該布局不僅能有效消除力矩對探測器姿態(tài)的影響，更能獲得雙倍推力。與光帆結合后，就會產生三個向前的推進力，構成一個“三驅動”的推進形式。產生的推力大小為：

F_max＝F_sunsail+2×F_magsail

本發(fā)明所述深空探測器無需消耗推進劑，充分利用太空中廣泛存在的太陽風等離子體流、太陽光與自身的相互作用產生推力。具體地，產生的推力可達1～6N，理論比沖為無窮大。

本發(fā)明采用新型光壓材料石墨烯作為光帆光壓材料，實驗室已經實現(xiàn)的石墨烯產生的光壓為傳統(tǒng)光壓的1000倍以上；采用超導電流環(huán)代替普通線圈，通電形成的數(shù)千安培電流可產生更大的磁場與太陽風等離子體流發(fā)生作用。磁光雙帆結合，提高推進性能。

由此可見，本發(fā)明所提供的一種采用無質損磁光雙帆組合推進的深空探測器，可極大提高探測器有效載荷比重，降低推進系統(tǒng)的資源需求，有利于縮小探測器規(guī)模，降低探測成本，增加科學產能輸出。既可為太陽系行星探測提供持續(xù)可觀的速度增量，也可用于太陽系內行星(水星和金星)探測任務的減速制動。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實質內容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。