本發(fā)明涉及航天器低地球軌道的推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，本發(fā)明涉及一種基于空間原子氧與物質(zhì)相互作用的推進(jìn)系統(tǒng)與方法，特別是原子氧作為推進(jìn)的燃料來(lái)源，利用其與堿性物質(zhì)容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)這一特點(diǎn)，通過(guò)控制與堿性物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的原子氧的數(shù)量，控制對(duì)低軌道航天器產(chǎn)生的推力大小，通過(guò)控制化學(xué)反應(yīng)物噴射的方向，來(lái)實(shí)現(xiàn)推力的方向控制。

背景技術(shù)：

在200km～700km高度的低地球軌道高度上，殘余大氣的主要成分為原子氧O和分子氮N₂，其中，原子氧含量約為80％，分子氮約為20％。200km軌道高度上的原子氧體密度為5×10⁹個(gè)/cm³。原子氧的在軌熱動(dòng)能一般為0.01eV～0.025eV，對(duì)應(yīng)溫度一般為1000～1500K。但軌道上航天器的典型速度為8km/s,其與原子氧粒子的碰撞動(dòng)能為5.3eV。因此，這種原子氧以罕見(jiàn)的高溫氧化、高速碰撞與航天器材料表面作用的結(jié)果是非常嚴(yán)重的。

空間推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有星、船、彈、箭、器等各種航天器，涵蓋了眾多推進(jìn)類(lèi)型，主要有冷氣推進(jìn)、化學(xué)推進(jìn)、電推進(jìn)、核推進(jìn)、電磁推進(jìn)、激光推進(jìn)、反物質(zhì)推進(jìn)、動(dòng)量轉(zhuǎn)換推進(jìn)和無(wú)工質(zhì)推進(jìn)等，在航天領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。其中，化學(xué)推進(jìn)是通過(guò)攜帶的化學(xué)燃料，在空間基于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生推力。其中，衛(wèi)星推進(jìn)劑 主要包括常規(guī)單組元推進(jìn)劑(無(wú)水肼、過(guò)氧化氫)、常規(guī)雙組元推進(jìn)劑(液氟/肼、液氟/液氫、液氧/液氫、四氧化二氮/甲基肼等)、先進(jìn)化學(xué)推進(jìn)劑(硝酸羥胺基單組元推進(jìn)劑、二硝酰胺基單組元推進(jìn)劑、膠體推進(jìn)劑)、電推進(jìn)的推進(jìn)劑等。其中，化學(xué)推進(jìn)劑中的燃料為醇類(lèi)、甘氨酸、硝酸三乙酸銨等。而電推進(jìn)主要分為電熱、電磁、靜電三大類(lèi)。電熱推進(jìn)劑可以是生物廢氣、氮、氬、氨、肼，其中，肼應(yīng)用最為廣泛；靜電推進(jìn)劑主要是氙氣，還有銫、銦等；電磁推進(jìn)劑主要是氙氣，還有氬氣、氪氣、聚四氟乙烯等。

目前，還沒(méi)有任何一種推進(jìn)技術(shù)，利用低地球軌道的原子氧作為氧化劑，利用堿性金屬或其氫化物作為燃料，利用兩者之間的化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于空間原子氧與物質(zhì)相互作用的推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可以部分用于對(duì)空間原子氧的防護(hù)，又可將收集到的原子氧作為化學(xué)推進(jìn)的燃料來(lái)源，實(shí)現(xiàn)低地球軌道的推進(jìn)。

本發(fā)明的另一目的是提供控制參與化學(xué)推進(jìn)反應(yīng)的原子氧數(shù)量的方法，以及控制推力方向的方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于空間原子氧與物質(zhì)相互作用的低軌道航天器的推進(jìn)系統(tǒng)，主要包括原子氧收集裝置、化學(xué)反應(yīng)室、原子氧反射控制裝置、 化學(xué)推進(jìn)劑、推力方向控制裝置，原子氧收集裝置呈喇叭口并設(shè)置在航天器底部的迎風(fēng)面以使原子氧從喇叭口進(jìn)入與原子氧收集裝置連接的化學(xué)反應(yīng)室，化學(xué)反應(yīng)室的任一側(cè)壁或成夾角的兩側(cè)壁上設(shè)置化學(xué)推進(jìn)劑的壓片或壓板，原子氧經(jīng)過(guò)原子氧收集裝置流入化學(xué)反應(yīng)室后，在原子氧入射方向上設(shè)置原子氧反射控制裝置，通過(guò)原子氧反射控制裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制入射到化學(xué)推進(jìn)劑壓片或壓板上的原子氧數(shù)量，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)熱量和氣體的生成速度，化學(xué)反應(yīng)室尾部設(shè)置推力方向控制裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)推力方向控制裝置噴出氣體的方向來(lái)改變反作用到航天器上的推力方向的變化。

其中，化學(xué)推進(jìn)劑為堿金屬或堿土金屬或它們的氫化物或它們與富氫材料的混合物。

進(jìn)一步地，堿金屬為鋰、鈉、鉀、銣、銫；堿土金屬為鈹、鎂、鈣、鍶、鋇；堿金屬與堿土金屬的氫化物為為氫化鋰、氫化鈉、氫化鉀、氫化銣、氫化銫、氫化鈹、氫化鎂、氫化鈣、氫化鍶、氫化鋇等；富氫材料為聚烯烴，例如聚乙烯或聚丙烯。

其中，原子氧收集裝置位于航天器前端，實(shí)現(xiàn)原子氧的收集的同時(shí)起到對(duì)航天器的原子氧遮擋作用。

其中，原子氧反射控制裝置為樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的單塊反射板，通過(guò)反射板轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)控制原子氧與化學(xué)推進(jìn)劑的反應(yīng)。

其中，原子氧反射控制裝置為樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的兩塊沿原子氧入射方向?qū)ΨQ設(shè)置的反射板，通過(guò)兩塊反射板的相對(duì)夾角來(lái)控制原子氧入射到兩塊化學(xué)推進(jìn)劑壓片或壓板的反應(yīng)。

一種利用上述裝置進(jìn)行航天器低地球軌道推進(jìn)的方法，在航天器在軌運(yùn)行過(guò)程中，使原子氧通過(guò)原子氧收集裝置進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)室，通過(guò)控制原子氧入射到化學(xué)推進(jìn)劑上的數(shù)量，來(lái)控制兩者的反應(yīng)時(shí)間，并相應(yīng)調(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)室尾部設(shè)置的推力方向控制裝置噴出氣體的方向，來(lái)改變反作用到航天器上的推力方向的變化，以微推進(jìn)航天器或改變其運(yùn)行方向。

其中，化學(xué)推進(jìn)劑為堿金屬或堿土金屬或它們的氫化物或它們與富氫材料的混合物。

進(jìn)一步地，堿金屬為鋰、鈉、鉀、銣、銫；堿土金屬為鈹、鎂、鈣、鍶、鋇；堿金屬與堿土金屬的氫化物為為氫化鋰、氫化鈉、氫化鉀、氫化銣、氫化銫、氫化鈹、氫化鎂、氫化鈣、氫化鍶、氫化鋇等；富氫材料為聚烯烴，例如聚乙烯或聚丙烯。

與傳統(tǒng)推進(jìn)方式相比，本發(fā)明變廢為寶，將對(duì)航天器有危害的原子氧變?yōu)橥七M(jìn)的燃料來(lái)源，在保護(hù)航天器受原子氧侵蝕風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，為航天器在低地球軌道的軌道機(jī)動(dòng)提供一種源源不斷的動(dòng)力。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式的原子氧與物質(zhì)相互作用的推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明另一實(shí)施方式的原子氧與物質(zhì)相互作用的推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明再一實(shí)施方式的原子氧與物質(zhì)相互作用的推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1-航天器，2-類(lèi)喇叭口型原子氧收集裝置，3-化學(xué)反應(yīng)室，4-原子氧流量控制系統(tǒng)，5-化學(xué)推進(jìn)劑，6-推力方向控制系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利的基于空間原子氧與物質(zhì)相互作用的推進(jìn)系統(tǒng)與方法作進(jìn)一步的說(shuō)明。

實(shí)施方式一

參見(jiàn)圖1，圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式的原子氧與物質(zhì)相互作用的推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。在該具體的實(shí)施方式中，本發(fā)明的推進(jìn)系統(tǒng)主要由主要包括類(lèi)喇叭口型原子氧收集裝置2、化學(xué)反應(yīng)室3、原子氧反射控制裝置4、化學(xué)推進(jìn)劑5、推力方向控制裝置6，原子氧收集裝置呈喇叭口并設(shè)置在航天器1的前端底部，其收口處與化學(xué)反應(yīng)室3的兩個(gè)相對(duì)傾斜的側(cè)壁連接，兩個(gè)側(cè)壁上分別設(shè)置化學(xué)推進(jìn)劑5，原子氧經(jīng)過(guò)原子氧收集裝置2流入化學(xué)反應(yīng)室后，在原子氧入射方向上設(shè)置原子氧反射控制裝置4，原子氧反射控制裝置4為樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的兩塊沿原子氧入射方向?qū)ΨQ設(shè)置的反射板，通過(guò)兩塊反射板的相對(duì)夾角來(lái)控制原子氧入射到兩塊化學(xué)推進(jìn)劑壓片或壓板的反應(yīng)。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制入射到化學(xué)推進(jìn)劑壓片或壓板上的原子氧數(shù)量，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)熱量和氣體的生成速度，化學(xué)反應(yīng)室尾部設(shè)置推力方向控制裝置6，通過(guò)調(diào)節(jié)推力方向控制裝置6噴出氣體的方向來(lái)改變反作用到航天器1上的推力方向的變化。

實(shí)施方式二

參見(jiàn)圖2，圖2為本發(fā)明另一實(shí)施方式的原子氧與物質(zhì)相互作用的推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該實(shí)施方式與實(shí)施方式一(見(jiàn)圖1)的主要區(qū)別在于原子氧反射控制裝置4。圖1中的原子氧反射裝置是通過(guò)兩篇反射片的夾角的變化來(lái)控制反射到反應(yīng)物上的原子氧的數(shù)量，圖2中的實(shí)施方式則是控制單一原子氧反射片的夾角來(lái)控制入射到反應(yīng)物上的原子氧的數(shù)量。其它與實(shí)施方式一相同。

實(shí)施方式三

參見(jiàn)圖3，圖3為本發(fā)明另一實(shí)施方式的原子氧與物質(zhì)相互作用的推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該實(shí)施方式與實(shí)施方式一(見(jiàn)圖1)的主要區(qū)別在于裝置4，圖1中的裝置4為原子氧反射裝置，圖3中的裝置4為原子氧進(jìn)入量控制裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)裝置4與原子氧入口的距離，來(lái)實(shí)現(xiàn)原子氧進(jìn)入數(shù)量的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)熱量和氣體的生成速度。其它與實(shí)施方式一相同。

具體而言，原子氧收集裝置是一類(lèi)喇叭口的形狀，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)迎風(fēng)面原子氧的收集；同時(shí)，該喇叭口的大小根據(jù)需要設(shè)計(jì)，放置在航天器迎風(fēng)面，也可以起到對(duì)航天器的原子氧遮擋作用。

以200km軌道為例，由于低地球軌道航天器在軌運(yùn)行為7.8km/s,則每秒鐘可搜集到的原子氧理論值為：7.8×10³×S×5×10⁹×10⁶＝S×3.9×10¹⁹個(gè)，這里，S是喇叭口的面積，單位為m²。因此，喇叭口的大小決定了可收集到的原子氧的大小。

在具體實(shí)施方式中，圖1-2中的角度α可調(diào)的原子氧反射裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)α的大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)反射到另一化學(xué)推進(jìn)劑上的原子氧的數(shù)量；當(dāng)α接近于0時(shí)，由于空間為真空系統(tǒng)，原子氧將直接穿過(guò)反應(yīng) 室而流出。在圖3中，通過(guò)調(diào)節(jié)原子氧流量控制裝置4與原子氧收集裝置上原子氧流入反應(yīng)室入口的位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)原子氧進(jìn)入反應(yīng)室的數(shù)量控制。

利用原子氧與化學(xué)推進(jìn)劑的自發(fā)化學(xué)反應(yīng)或者誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)新的反應(yīng)物的生成，放出熱量和新物質(zhì)，產(chǎn)生反作用力。通過(guò)控制推進(jìn)系統(tǒng)中推力方向控制系統(tǒng)的方向，實(shí)現(xiàn)新物質(zhì)噴出方向的控制，即可實(shí)現(xiàn)航天器推進(jìn)方向的控制。

盡管上文對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式給予了詳細(xì)描述和說(shuō)明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說(shuō)明書(shū)及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。