專(zhuān)利名稱(chēng)：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(jì)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(jìn)方式相比，具有推力可變、比沖可調(diào)且無(wú)電極的優(yōu)點(diǎn)，可作為未來(lái)載人火星計(jì)劃首選推進(jìn)方式之一。目前，將可控核聚變作為未來(lái)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(yáng)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(zhǎng)時(shí)間工作的特點(diǎn)，也可將其用來(lái)清理太空垃圾，以及用來(lái)摧毀即將撞擊地球的小行星、隕石等。可變比沖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(jìn)劑。氬氣或氫氣經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)磁噴管的磁場(chǎng)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(kāi)航天器的時(shí)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(duì)磁噴管的尺寸、噴管面積膨脹比、線圈位置、噴管內(nèi)磁場(chǎng)位形及磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決電推進(jìn)系統(tǒng)中等離子體加速過(guò)程中的速度浪費(fèi)問(wèn)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(jí)，安裝在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)殼體的尾端。噴管的形狀采用擴(kuò)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(chǎng)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?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，在噴管?nèi)部產(chǎn)生發(fā)散型強(qiáng)磁場(chǎng)。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(zhǎng)期的工作時(shí)間。在火箭工作過(guò)程中，進(jìn)入磁噴管的等離子體要求是完全電離的等離子體。此時(shí)，等離子體以高速的周向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)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(chǎng)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(shí)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(chǎng)的存在，等離子體與噴管的內(nèi)壁面沒(méi)有直接接觸，避免了高溫等離子體流對(duì)噴管材料的腐蝕。有益效果(1)磁噴管的磁場(chǎng)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(jìn)而改變磁噴管的磁場(chǎng)強(qiáng)度，使得本發(fā)明具有工作范圍廣的優(yōu)點(diǎn)；(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(duì)磁噴管的腐蝕，發(fā)散形磁場(chǎng)可以更進(jìn)一步的減少等離子體對(duì)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(wèn)題的解決，使線圈具有良好的導(dǎo)電性及連續(xù)工作時(shí)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(jì)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(jì)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(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)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(jí)，安裝在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾端，用來(lái)加速I(mǎi)CRH級(jí)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(dòng)機(jī)殼體的尾端，噴管的形狀采用擴(kuò)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(chǎng)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(zhǎng)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?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，工作電流的大小?000A。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(zhǎng)期的工作時(shí)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(qiáng)磁場(chǎng)。在本實(shí)施例中，超導(dǎo)線圈在噴管內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)，在入口處磁場(chǎng)強(qiáng)度是0. 7T，在出口處磁場(chǎng)強(qiáng)度是0. 05T。在火箭工作過(guò)程中，進(jìn)入磁噴管的等離子體要求是完全電離的等離子體。此時(shí)，當(dāng)?shù)入x子體流過(guò)ICRH級(jí)的時(shí)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(shí)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(chǎng)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(jì)算過(guò)程中，入口處等離子體以周向1000m/S，軸向10m/S的速度進(jìn)入噴管，采用同一噴管，在加外部磁場(chǎng)時(shí)，軸向速度在出口處加速到5000m/s以上，而沒(méi)有外部磁場(chǎng)的情況下，軸向速度在出口處速度僅為100m/S。由此可見(jiàn)采用磁噴管可以有效充分的利用磁場(chǎng)加速等離子體，提高了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(kuò)張型噴管，材料為合金材料；噴管安裝在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǎng)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?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较颍趪姽軆?nèi)部產(chǎn)生發(fā)散型強(qiáng)磁場(chǎng)，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(jìn)系統(tǒng)中等離子體加速過(guò)程中的速度浪費(fèi)問(wèn)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(jì)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(jí)，安裝在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)殼體的尾端，噴管的形狀采用擴(kuò)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(hào)F03H1/00GK102434414SQ20111034095
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)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(yáng), 劉猛, 武志文 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)