本發(fā)明涉及一種新型深空探測(cè)器，具體地，涉及一種采用無(wú)質(zhì)損磁光雙帆組合推進(jìn)的深空探測(cè)器的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

推進(jìn)技術(shù)是深空探測(cè)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，太陽(yáng)系內(nèi)行星探測(cè)總速度增量需求達(dá)到10km/s左右，目前深空探測(cè)器主要采用化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)技術(shù)，其最高比沖分別為350s和4000s，比沖較低，要求探測(cè)器攜帶燃料量較大，分別達(dá)到探測(cè)器總質(zhì)量的94.6％和22.5％，從而減少了探測(cè)器攜帶有效載荷的能力，降低了科學(xué)產(chǎn)出的效能。

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

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的局限，本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種采用磁帆與光帆組合的無(wú)質(zhì)損磁光雙帆推進(jìn)探測(cè)器，可滿足火星等太陽(yáng)系內(nèi)行星的探測(cè)需求，是一種通過(guò)結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，提高探測(cè)器推進(jìn)性能的有效手段。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種采用無(wú)質(zhì)損磁光雙帆組合推進(jìn)的深空探測(cè)器，包括：探測(cè)器本體、供電裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、磁帆展開機(jī)構(gòu)、磁場(chǎng)發(fā)生裝置、光帆、伸縮桿機(jī)構(gòu)，所述探測(cè)器本體位于磁帆與光帆中間，并通過(guò)機(jī)械連接裝置進(jìn)行連接；所述供電裝置對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行供電，所述磁帆展開機(jī)構(gòu)將磁帆伸縮展開，所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置作為磁帆的主要裝置，通電后電流產(chǎn)生磁場(chǎng)與太空中太陽(yáng)風(fēng)等離子體流相互作用產(chǎn)生推力，所述的伸縮桿機(jī)構(gòu)將光帆展開，所述光帆在太陽(yáng)光的照射下產(chǎn)生光壓驅(qū)動(dòng)力。

所述供電裝置采用放射性同位素?zé)犭姍C(jī)核電源進(jìn)行供電。

所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置為采用超導(dǎo)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(chǎn)生的電流大于1KA，通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。

所述光帆直徑大于20m。

所述磁帆由兩個(gè)電流環(huán)對(duì)稱安裝形成，單個(gè)電流環(huán)產(chǎn)生的推進(jìn)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(dòng)壓，ρ為太陽(yáng)風(fēng)密度，u_sw為太陽(yáng)風(fēng)的速度；S為磁場(chǎng)特征面積。定義磁場(chǎng)的特征長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則S＝πL²。

所述光帆采用石墨烯光壓材料，光帆產(chǎn)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(yáng)光入射角，n為光帆法向方向。

所述光帆為方形結(jié)構(gòu)，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(jìn)探測(cè)器產(chǎn)生的推力可達(dá)到1～6N，由于不消耗工質(zhì)，故理論比沖為無(wú)窮大。

探測(cè)器通過(guò)控制探測(cè)器姿態(tài)以及電流大小對(duì)推力大小和方向進(jìn)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(yáng)風(fēng)的夾角，與探測(cè)器姿態(tài)有關(guān)，轉(zhuǎn)向角β為推力方向與太陽(yáng)風(fēng)的夾角，通過(guò)調(diào)節(jié)磁帆的攻角來(lái)控制磁帆產(chǎn)生推力的大小和方向。

本發(fā)明能夠結(jié)合傳統(tǒng)光帆和磁帆無(wú)需攜帶推進(jìn)劑的優(yōu)勢(shì)，并充分利用日益成熟的常溫超導(dǎo)材料，同時(shí)吸收了石墨烯材料在光壓驅(qū)動(dòng)方面的最新突破性成果，進(jìn)一步提高推進(jìn)性能，降低航天器推進(jìn)、能源分系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。本發(fā)明的應(yīng)用可為太陽(yáng)系行星探測(cè)提供持續(xù)可觀的速度增量，也可用于太陽(yáng)系內(nèi)行星(水星和金星)探測(cè)任務(wù)的減速制動(dòng)，在滿足推進(jìn)需求的同時(shí)也可豐富人類深空探測(cè)的形式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的深空探測(cè)器無(wú)需攜帶推進(jìn)劑，可極大提高探測(cè)器有效載荷比重，降低推進(jìn)系統(tǒng)的資源需求，有利于縮小探測(cè)器規(guī)模，降低探測(cè)成本，增加科學(xué)產(chǎn)能輸出。

本發(fā)明所提供的一種采用無(wú)質(zhì)損磁光雙帆組合推進(jìn)的深空探測(cè)器，巧妙地將磁帆與光帆相結(jié)合提供持續(xù)加速的推力，并利用超導(dǎo)材料與新型石墨烯光壓材料進(jìn)一步提高推進(jìn)性能，從而為新型動(dòng)力深空探測(cè)提供了一種有效的技術(shù)途徑。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為本發(fā)明中磁光雙帆推進(jìn)深空探測(cè)器示意圖；

圖2為本發(fā)明中涉及的磁帆典型構(gòu)型圖；

圖3是本發(fā)明中磁帆推進(jìn)原理圖；

圖4是本發(fā)明中磁帆的攻角α和轉(zhuǎn)向角β的定義圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

請(qǐng)同時(shí)參閱圖1至圖4，本發(fā)明所提供的一種采用無(wú)質(zhì)損磁光雙帆組合推進(jìn)的深空探測(cè)器，包括：探測(cè)器本體1、放射性同位素電源(RTG)5、磁帆展開機(jī)構(gòu)4、超導(dǎo)電流環(huán)2、光帆6、伸縮桿機(jī)構(gòu)7，探測(cè)器本體1在磁帆3與光帆6中間，通過(guò)伸縮桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接。

放射性同位素電源(RTG)5對(duì)探測(cè)器進(jìn)行供電，如圖1所示，本發(fā)明中探測(cè)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(jī)構(gòu)4將磁帆3伸縮展開，伸縮桿機(jī)構(gòu)7將光帆6展開。本實(shí)施例中，光帆6為正方形結(jié)構(gòu)，以石墨烯作為光壓材料；磁帆電流環(huán)為圓形，采用超導(dǎo)材料以產(chǎn)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(cè)器周圍形成磁場(chǎng)，在磁層邊界處與太陽(yáng)風(fēng)粒子場(chǎng)中的帶電粒子(質(zhì)子和電子等)相互作用產(chǎn)生推力F。如圖2所示，其為本發(fā)明的磁帆典型構(gòu)型示意圖。為了獲得足夠的推力，產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈需要很大的電流，為此采用超導(dǎo)電流環(huán)代替普通磁場(chǎng)發(fā)生裝置，可產(chǎn)生數(shù)kA大小的電流。單個(gè)磁帆產(chǎn)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(dòng)壓，ρ為太陽(yáng)風(fēng)密度，u_sw為太陽(yáng)風(fēng)的速度；S為磁場(chǎng)特征面積。定義磁場(chǎng)的特征長(zhǎng)度為L(zhǎng)(環(huán)中心到磁層邊界的半徑長(zhǎng)度)，則S＝πL²。

如圖4所示，對(duì)于本發(fā)明中電流環(huán)與太陽(yáng)風(fēng)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(yáng)風(fēng)的夾角，與探測(cè)器姿態(tài)有關(guān))和轉(zhuǎn)向角β(推力方向與太陽(yáng)風(fēng)的夾角)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)磁帆的攻角來(lái)控制磁帆產(chǎn)生推力的大小和方向。

光帆的太陽(yáng)輻射壓力的大小完全由太陽(yáng)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(yáng)光以入射角a照射在面積為A的光帆上，在距離太陽(yáng)1AU處，石墨烯獲得的太陽(yáng)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(chǎn)生的光壓驅(qū)動(dòng)力為：

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

將光帆和磁帆結(jié)合作為組合推進(jìn)。

為了避免單個(gè)電流環(huán)產(chǎn)生力矩造成姿態(tài)失穩(wěn)，同時(shí)進(jìn)一步提高推進(jìn)性能，磁帆的兩個(gè)電流環(huán)如圖1呈對(duì)稱安裝，該布局不僅能有效消除力矩對(duì)探測(cè)器姿態(tài)的影響，更能獲得雙倍推力。與光帆結(jié)合后，就會(huì)產(chǎn)生三個(gè)向前的推進(jìn)力，構(gòu)成一個(gè)“三驅(qū)動(dòng)”的推進(jìn)形式。產(chǎn)生的推力大小為：

F_max＝F_sunsail+2×F_magsail

本發(fā)明所述深空探測(cè)器無(wú)需消耗推進(jìn)劑，充分利用太空中廣泛存在的太陽(yáng)風(fēng)等離子體流、太陽(yáng)光與自身的相互作用產(chǎn)生推力。具體地，產(chǎn)生的推力可達(dá)1～6N，理論比沖為無(wú)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(shí)驗(yàn)室已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的石墨烯產(chǎn)生的光壓為傳統(tǒng)光壓的1000倍以上；采用超導(dǎo)電流環(huán)代替普通線圈，通電形成的數(shù)千安培電流可產(chǎn)生更大的磁場(chǎng)與太陽(yáng)風(fēng)等離子體流發(fā)生作用。磁光雙帆結(jié)合，提高推進(jìn)性能。

由此可見，本發(fā)明所提供的一種采用無(wú)質(zhì)損磁光雙帆組合推進(jìn)的深空探測(cè)器，可極大提高探測(cè)器有效載荷比重，降低推進(jìn)系統(tǒng)的資源需求，有利于縮小探測(cè)器規(guī)模，降低探測(cè)成本，增加科學(xué)產(chǎn)能輸出。既可為太陽(yáng)系行星探測(cè)提供持續(xù)可觀的速度增量，也可用于太陽(yáng)系內(nèi)行星(水星和金星)探測(cè)任務(wù)的減速制動(dòng)。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。