專利名稱：一種可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管設(shè)計技術(shù)，用于將等離子體的周向速度轉(zhuǎn)化為軸向速度，屬于磁流體技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可變比沖磁等離子體火箭與其它推進方式相比，具有推力可變、比沖可調(diào)且無電極的優(yōu)點，可作為未來載人火星計劃首選推進方式之一。目前，將可控核聚變作為未來高功率的可變比沖磁等離子體火箭的電源供給方式，但較小功率的可變比沖磁等離子體火箭的電源仍可由太陽能裝置供給。較小功率的可變比沖磁等離子體火箭可以用作衛(wèi)星或空間站的軌道保持及轉(zhuǎn)移用推力器。由于可變比沖磁等離子體火箭適合長時間工作的特點，也可將其用來清理太空垃圾，以及用來摧毀即將撞擊地球的小行星、隕石等?？勺儽葲_磁等離子體火箭由螺旋波等離子體源、離子回旋共振加熱系統(tǒng)以及磁噴管三部分組成，選用氬氣或氫氣作為推進劑。氬氣或氫氣經(jīng)過螺旋波等離子體源產(chǎn)生高密度的等離子體，然后等離子體流過離子回旋共振加熱系統(tǒng)，等離子體溫度升高、周向旋轉(zhuǎn)速度變大，即通過離子回旋共振加熱系統(tǒng)將等離子體的能量升高。最后經(jīng)過磁噴管的磁場作用，將等離子體的周向速度在洛倫茲力的作用下轉(zhuǎn)換為軸向速度，完成加速。當(dāng)?shù)入x子體完成噴射而離開航天器的時候，等離子體的速度在周向上還有一部分分量。磁噴管作為可變比沖磁等離子體火箭非常重要的一部分，可以將熱等離子體的周向旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)換為軸向速度，而軸向速度正是所需要的速度(軸向速度可以提供給航天器所需的推力)。因此，為了高效地提高變比沖磁等離子體火箭的性能，迫切需要對磁噴管的尺寸、噴管面積膨脹比、線圈位置、噴管內(nèi)磁場位形及磁場強度進行設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決電推進系統(tǒng)中等離子體加速過程中的速度浪費問題，提出一種新的可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管。磁噴管作為可變比沖磁等離子體火箭的最后一級，安裝在火箭發(fā)動機尾端，由噴管和超導(dǎo)線圈組成。其中，噴管安裝在火箭發(fā)動機殼體的尾端。噴管的形狀采用擴張型，膨脹比(即出口面積與噴管喉部的面積比)為40 1 ；噴管材料選用3000k-5000k的耐高溫、 抗燒蝕的合金材料，例如鎢銅合金，以減小燒蝕和推力偏心。磁噴管的磁場由超導(dǎo)線圈產(chǎn)生。超導(dǎo)線圈位于噴管的入口處，并環(huán)繞于噴管的前段。從噴管入口到出口方向上超導(dǎo)線圈內(nèi)的電流方向為順時針方向，在噴管內(nèi)部產(chǎn)生發(fā)散型強磁場。超導(dǎo)線圈利用航天器上的電源供電。超導(dǎo)線圈采用合金材料，例如鈮鈦合金，從而使線圈具有良好的導(dǎo)電性能以及長期的工作時間。在火箭工作過程中，進入磁噴管的等離子體要求是完全電離的等離子體。此時，等離子體以高速的周向旋轉(zhuǎn)，同時產(chǎn)生推力所需的軸向速度很小。由于磁噴管沿軸向發(fā)散磁場的存在，在洛倫茲力的作用下使周向速度變換為軸向速度，同時軸向速度顯著增大，等離子體沿著軸向噴射出去以后，從而產(chǎn)生航天器所需的推力。由于發(fā)散型磁場的存在，等離子體與噴管的內(nèi)壁面沒有直接接觸，避免了高溫等離子體流對噴管材料的腐蝕。有益效果(1)磁噴管的磁場由通電線圈產(chǎn)生，可以根據(jù)任務(wù)需求變換不同的工作電流，進而改變磁噴管的磁場強度，使得本發(fā)明具有工作范圍廣的優(yōu)點；(2)噴管選用耐高溫、抗燒蝕的合金材料，可以有效地減小等離子體對磁噴管的腐蝕，發(fā)散形磁場可以更進一步的減少等離子體對磁噴管的影響；(3)超導(dǎo)線圈采用鈮鈦合金，保證了線圈通電后發(fā)熱問題的解決，使線圈具有良好的導(dǎo)電性及連續(xù)工作時間。本發(fā)明能明顯提高可變比沖磁等離子體火箭的比沖、推力及效率，并為以后設(shè)計更大功率的載人火星用等離子體火箭的磁噴管提供設(shè)計思路。


圖1是本發(fā)明的可變比沖磁等離子體火箭磁噴管的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1-噴管、2-超導(dǎo)線圈。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作進一步詳細(xì)說明。實施例一種可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管，作為可變比沖磁等離子體火箭的最后一級，安裝在火箭發(fā)動機的尾端，用來加速ICRH級流出高速旋轉(zhuǎn)等離子體。磁噴管由噴管和超導(dǎo)線圈組成，如圖1所示。其中，噴管安裝在火箭發(fā)動機殼體的尾端，噴管的形狀采用擴張型噴管，其噴管膨脹比(即出口面積與噴管喉部的面積比)為 40 1 ；噴管材料選用鎢銅合金，以減小燒蝕，減小推力偏心。噴管的入口端外徑為40cm，出口端外徑為80cm，入口端至出口端的距離為100cm。 噴管壁的厚度為5cm。磁噴管的磁場由超導(dǎo)線圈產(chǎn)生。超導(dǎo)線圈外環(huán)繞于噴管的入口端，環(huán)繞的長度為 40cm，超導(dǎo)線圈本身的厚度為5cm。從噴管入口到出口方向上，超導(dǎo)線圈內(nèi)的電流方向為順時針方向，工作電流的大小為1000A。超導(dǎo)線圈利用航天器上的電源供電。超導(dǎo)線圈本身采用鈮鈦合金，使線圈具有良好的導(dǎo)電性能以及長期的工作時間。由于超導(dǎo)線圈的電流作用，在噴管內(nèi)部產(chǎn)生發(fā)散型強磁場。在本實施例中，超導(dǎo)線圈在噴管內(nèi)部產(chǎn)生的磁場，在入口處磁場強度是0. 7T，在出口處磁場強度是0. 05T。在火箭工作過程中，進入磁噴管的等離子體要求是完全電離的等離子體。此時，當(dāng)?shù)入x子體流過ICRH級的時候，等離子體受到回旋共振的作用得到高速的周向速度旋轉(zhuǎn)，同時產(chǎn)生推力所需的軸向速度很小。由于磁噴管沿軸向發(fā)散磁場的存在，在洛倫茲力的作用下周向速度變換為軸向速度，使軸向速度顯著增大，等離子體沿著軸向噴射出去以后，從而產(chǎn)生航天器所需的推力。
在仿真計算過程中，入口處等離子體以周向1000m/S，軸向10m/S的速度進入噴管，采用同一噴管，在加外部磁場時，軸向速度在出口處加速到5000m/s以上，而沒有外部磁場的情況下，軸向速度在出口處速度僅為100m/S。由此可見采用磁噴管可以有效充分的利用磁場加速等離子體，提高了火箭發(fā)動機的性能。
權(quán)利要求
1.一種可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管，其特征在于包括噴管和超導(dǎo)線圈；其中，噴管的形狀采用擴張型噴管，材料為合金材料；噴管安裝在火箭發(fā)動機殼體的尾端；超導(dǎo)線圈位于噴管的入口處，并環(huán)繞于噴管的前段；材料為合金材料； 磁噴管的磁場由超導(dǎo)線圈產(chǎn)生；從噴管入口到出口方向上超導(dǎo)線圈內(nèi)的電流方向為順時針方向，在噴管內(nèi)部產(chǎn)生發(fā)散型強磁場，并利用航天器上的電源為超導(dǎo)線圈供電。
2.如權(quán)利要求1所述的一種可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管，其特征在于噴管材料選用3000k-5000k的耐高溫、抗燒蝕的鎢銅合金。
3.如權(quán)利要求1所述的一種可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管，其特征在于超導(dǎo)線圈的材料為鈮鈦合金。
4.如權(quán)利要求1所述的一種可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管，其特征在于噴管膨脹比為40 1。
全文摘要
一種可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管是為了解決電推進系統(tǒng)中等離子體加速過程中的速度浪費問題。本發(fā)明涉及可變比沖磁等離子體火箭的磁噴管設(shè)計技術(shù)，用于將等離子體的周向速度轉(zhuǎn)化為軸向速度，屬于磁流體技術(shù)領(lǐng)域。磁噴管作為可變比沖磁等離子體火箭的最后一級，安裝在火箭發(fā)動機尾端，由噴管和超導(dǎo)線圈組成。其中，噴管安裝在火箭發(fā)動機殼體的尾端，噴管的形狀采用擴張型噴管，其噴管膨脹比(即出口面積與噴管喉部的面積比)為40∶1；噴管材料選用耐高溫、抗燒蝕的合金材料，以減小燒蝕，減小推力偏心。
文檔編號F03H1/00GK102434414SQ20111034095
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者劉向陽, 劉猛, 武志文 申請人:北京理工大學(xué)