一種電動流體動力推進器的制造方法
【專利摘要】一種電動流體動力推進器，包括收斂噴管；收斂噴管與同步多級加速器相連，同步多級加速器的進氣端固定有交變正負等離子體發(fā)生器，交變正負等離子體發(fā)生器的外緣設支撐板，連接板位于支撐板內側，相鄰兩層連接板及對應的空心連接板圍成空氣流道；圓環(huán)形電極通過電線通過高頻脈沖電源連接接地；安裝孔內設交變正負等離子體發(fā)射單元；高頻高壓尖端電極與高頻圓環(huán)電極形成電暈放電，交變正負等離子體發(fā)射單元管體的等離子體被噴出；等離子體與從空氣流道流入的空氣摻混后進入同步多級加速器，經同步多級加速器加速后的帶電粒子和空氣將進入收斂噴管，收斂噴管加速后噴出；克服高溫高壓瓶頸，實現(xiàn)空天飛行，具有更高的比沖及推進效率，減小推進劑質量。
【專利說明】—種電動流體動力推進器
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于航空航天【技術領域】，具體涉及一種電動流體動力推進器。
【背景技術】
[0002]在當前的推進器領域中，傳統(tǒng)的固體火箭發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機的推進效率偏低，所攜帶的推進劑質量大，有效載荷偏小；傳統(tǒng)的渦噴、渦扇等飛機發(fā)動機無法實現(xiàn)空天飛行，且存在高溫高壓等瓶頸問題；沖壓發(fā)動機和脈沖爆震發(fā)動機等新概念發(fā)動機也無法實現(xiàn)空天飛行；新提出的電流體推進器和磁流體推進器雖然比沖高，但也并不適合大氣內的飛行。因此開發(fā)一種具有高能量利用率的新推進技術來實現(xiàn)空天飛行，對促進航空航天的發(fā)展具有重要的工程應用前景和實際意義。
[0003]電流體推進技術方面，國外做過很多的研究和嘗試。其中EHD (電流體推進)空氣泵實現(xiàn)了大氣內對空氣的加速，但是加速性能偏低。目前公開的外文文獻中，空氣泵使空氣在標況下從靜止開始加速很難超過10M/S，其單級泵的效率都在10%以下，多級泵的效率隨著級數(shù)的增加呈遞減的趨勢。結構上造成EHD (電流體推進)空氣泵效率較低，推力偏小的原因在于電離和加速沒有進行功能的分離，即電離和加速在同一區(qū)域內進行。該結構使得電離所需的短電極間距，大電壓梯度與加速所需的長加速距離，小電壓梯度相互矛盾，從而造成了整個系統(tǒng)的效率較低，推力偏小。
[0004]在國內，發(fā)明專利【201010107194.7】公開了一種用作航天器輔助推進的高頻高壓單電極等離子體推進器 ，該推進器結構簡單、比沖高，但只適合于大氣層外航天器的輔助推進，且推力較小，不適合作為空天飛行的主要動力。
[0005]通過大量的研究發(fā)現(xiàn)電推進技術的兩個關鍵瓶頸是推力小，效率低。本實用新型專利通過設計獨特的交變正負等離子體發(fā)生器和同步多級加速器解決了以上兩項技術瓶頸，獲得了一種新型的基于電流體動力學的推進器。該推進器具有三種工作模式對應于低空、臨近空間和太空三種工作環(huán)境的需要，是一種真正意義上的具有廣泛適應能力的空天飛行器的推進器。

【發(fā)明內容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本實用新型的目的是提供一種電動流體動力推進器，克服了現(xiàn)有技術中存在的高溫高壓瓶頸，實現(xiàn)空天飛行，具有更高的比沖及推進效率，減小推進劑質量。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術方案是:一種電動流體動力推進器，包括交變正負離子發(fā)生器、同步多級加速器和收斂噴管三部分；收斂噴管與同步多級加速器相連，同步多級加速器的進氣端固定有交變正負等離子體發(fā)生器，交變正負等離子體發(fā)生器的外緣設有支撐板，連接板位于支撐板內側，從內至外共分為五層，連接板為空心環(huán)形板，層與層之間由均勻分布的四塊空心連接板連接，相鄰兩層連接板及對應的四塊空心連接板圍成的流道為空氣流道；[0008]所述同步多級加速器由螺釘裝配孔、同步多級加速器單元、加速器管壁、接地、電線和高頻脈沖電源組成；四個螺釘裝配孔與交變正負等離子體發(fā)生器的螺釘孔的位置相對應；加速器管壁分為內外兩層，內外層之間為空腔；同步多級加速器單元由圓環(huán)形電極和絕緣材料構成；圓環(huán)形電極通過電線與高頻脈沖電源接通；絕緣材料填充在整個加速器管壁的空腔內，將每一級圓環(huán)形電極隔離開；高頻脈沖電源設置在同步多級加速器的外部，并通過接地接地；
[0009]所述交變正負等離子體發(fā)生器由螺釘孔、支撐板、交變正負等離子體發(fā)射單元、空氣流道和連接板組成；交變正負等離子體發(fā)生器通過其外緣的環(huán)形支撐板與同步多級加速器的前端相連；四個螺釘孔貫穿支撐板并在支撐板上均勻分布；連接板內的安裝孔內設有交變正負等離子體發(fā)射單兀。
[0010]所述交變正負等離子體發(fā)射單元，由電線、高頻圓環(huán)電極、絕緣材料、等離子體發(fā)射單元管體和高頻高壓尖端電極組成；所述電線分為兩路，其中一路與高頻圓環(huán)電極相連，另一路與聞頻聞壓尖端電極相連，所述等尚子體發(fā)射單兀管體底部中心有一圓孔；聞頻聞壓尖端電極為一針狀金屬體，針狀金屬體的粗端圓柱段固定在絕緣材料的中心，細端尖錐段穿過等離子體發(fā)射單元管體的底部中心圓孔并使得尖錐的尖端伸入等離子體發(fā)射單元管體的內部；高頻圓環(huán)電極被嵌套在高頻高壓尖端電極的粗端圓柱段四周，高頻圓環(huán)電極與高頻高壓尖端電極之間有絕緣材料阻隔并包裹；
[0011]所述安裝孔共126個，從中間到外緣各層的安裝孔數(shù)量分別為6個、14個、26個、34個和46個，安裝孔與安裝孔之間緊密排布。
[0012]所述空心連接板和連接板的空心腔體用于安裝外接電路，電路與高頻脈沖電源連接并為交變正負等離子體發(fā)射單元供電。
[0013]所述的最外層的連接板與支撐板的內側壁面焊接連接；
[0014]所述等離子體發(fā)射單元管體為一平底圓筒形。
[0015]所述高頻圓環(huán)電極為一圓環(huán)形金屬體。
[0016]所述收斂噴管的流道截面為收縮形圓錐面，氣體進口截面為圓形，直徑相對較大，出口截面也為圓形，直徑相對較小。
[0017]所述收斂噴管的氣體進口端與同步多級加速器的氣體出口端通過焊接相連。
[0018]正負離子發(fā)生器利用交變的高電壓產生正負(電荷)交替的等離子體，并使得等離子體與空氣均勻摻混；同步多級加速器用于將摻混有等離子體的空氣進行逐級加速，力口速空氣產生的反作用力推動推進器向前運動；收斂噴管將加速后的等離子體及空氣進行摻混，使之成為電中性，并進一步整流和加速；最后中性空氣從收斂噴管末端噴出完成推進器的功能和目的。
[0019]本實用新型的一種電動推進器裝置，通過控制交變正負等離子體發(fā)射單元6的高頻高壓尖端電極13和高頻圓環(huán)電極10通電相的位交替變化，使得兩極板間形成局部電場扭曲并形成電暈放電，形成帶有正負電荷的等離子體的交替噴射；該等離子體與空氣均勻摻混后進入同步多級加速器2，同步多級加速器2的相鄰兩個高頻加速電極15之間形成與其間等離子體電荷相對應的加速電場，控制每一個高頻加速電極15的通電相位，形成等離子的持續(xù)加速，在整個加速過程中等離子體與其周圍的空氣中性分子進行持續(xù)的動量和能量交換，從而實現(xiàn)對摻混空氣的加速。[0020]有益效果:本實用新型利用電而非燃燒的方式作為推進器主要的能量來源，采用了交變式非中性等離子體發(fā)生技術，同步多級加速技術以及頻率匹配技術，與現(xiàn)有航空發(fā)動機技術相比，沒有轉動部件，突破了高溫高壓等瓶頸問題，大幅提高了推進效率和推重t匕，使得航空發(fā)動機的推重比從目前的10這一數(shù)量級，大幅上升到100這一數(shù)量級；另外該實用新型突破了現(xiàn)有電推進器存在的推力小，效率低，無法在大氣層內使用等技術難題，可適用于航空和航天領域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本實用新型的結構示意圖。
[0022]圖2是交變正負等離子體發(fā)生器的結構示意圖。
[0023]圖3是交變正負等離子體發(fā)射單元的結構示意圖。
[0024]圖4是同步多級加速器的結構示意圖。
[0025]圖5是高頻圓環(huán)電極10和高頻高壓尖端電極13的帶電相位圖。
[0026]圖中:
[0027]1.收斂噴管；2.同步多級加速器；3.交變正負等離子體發(fā)生器；4.螺釘裝配孔；
5.支撐板；6.交變正負等離子體發(fā)射單元；7.空氣流道；8.連接板；9.電線；10.高頻圓環(huán)電極；11.絕緣材料；12.交變正負等離子體發(fā)射單元管體；13.高頻高壓尖端電極；14.螺釘裝配孔；15.同步多級加速器單元；16.加速器管壁；17.接地18.電線；19.高頻脈沖電源。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本實用新型的結構原理和工作原理作進一步詳細說明。
[0029]參見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5，
[0030]本實施例為一種能用于空天飛行器的推進器，包括收斂噴管1、同步多級加速器
2、交變正負等離子體發(fā)生器3、螺釘孔4、支撐板5、交變正負等離子體發(fā)射單元6、空氣流道
7、連接板8、電線9、高頻圓環(huán)電極10、絕緣材料11、交變正負等離子體發(fā)射單元管體12、高頻高壓尖端電極13、螺釘裝配孔14、同步多級加速器單元15、加速器管壁16、接地17、電線18、高頻脈沖電源19。
[0031]參見圖1、2，所述交變正負等離子體發(fā)生器3由螺釘孔4、支撐板5、交變正負等離子體發(fā)射單元6、空氣流道7和連接板8組成。所述支撐板5為一環(huán)形板，位于交變正負等離子體發(fā)生器3的外緣，用于支撐整個交變正負等離子發(fā)生器3，并將其連接到同步多級加速器2的前端，起支撐和連接作用，支撐板5的外徑在40?3000mm之間，本實施例為100mm，支撐板5的內徑在30?2700mm之間，本實施例為80mm。所述螺釘孔4共四個，貫穿支撐板5并在支撐板5上均勻的分布，螺釘孔4用于將交變正負等離子體發(fā)生器3固定在同步多級加速器2的進氣端。所述連接板8位于支撐板5內側，從內至外共分為五層，每層都為空心環(huán)形板，層與層之間由均勻分布的四塊空心連接板連接，相鄰兩層空心環(huán)形板及對應的四塊空心連接板圍成的流道即為空氣流道7，最外層環(huán)形板與支撐板5的內側壁面焊接固定，連接板8上有安裝孔用于安裝交變正負等離子體發(fā)射單元6。所述安裝孔共126個，從中間到外緣各層的安裝孔數(shù)量分別為6個、14個、26個、34個和46個，安裝孔與安裝孔之間緊密排布。
[0032]所述空心連接板20和連接板8的空心腔體用于安裝外接電路，空心連接板和空心環(huán)形板還起到支撐作用。所述電路與高頻脈沖電源連接并為交變正負等離子體發(fā)射單元6供電。所述空氣流道7是空氣進入整個推進器的入口，同時也起到整流的作用。
[0033]參見，2、3，所述交變正負等離子體發(fā)射單元6，由電線9、高頻圓環(huán)電極10、絕緣材料11、等離子體發(fā)射單元管體12和高頻高壓尖端電極13組成，用于激發(fā)正負等離子體。所述電線9分為兩路，其中一路與高頻圓環(huán)電極10相連，另一路與高頻高壓尖端電極13相連，電線9為交變正負等離子體發(fā)射單元6工作的能量來源。所述等離子體發(fā)射單元管體12為一平底圓筒形，圓筒的高度在3?45mm之間，本實施例為12臟，內徑為2?45臟，本實施例為6mm,壁厚為0.2?2mm,本實施例為0.7mm,在平底圓筒的底部中心有一圓孔用于安裝高頻高壓尖端電極13。所述高頻高壓尖端電極13為一針狀金屬體，針狀金屬體的粗端圓柱段固定在絕緣材料11的中心，細端尖錐段穿過等離子體發(fā)射單元管體12的底部中心圓孔并使得尖錐的尖端伸入等離子體發(fā)射單元管體12的內部，粗端外徑為0.3?5mm，本實施例為1mm，整個高頻高壓尖端電極13長度為3?45mm，本實施例為10mm。所述高頻圓環(huán)電極10為一圓環(huán)形金屬體。所述圓環(huán)形金屬體被嵌套在高頻高壓尖端電極13的粗端圓柱段四周，圓環(huán)形金屬體的外徑為1.8?40mm,本實施例為6mm,內徑為0.8?12mm,本實施例為2mm。所述高頻高壓尖端電極13和高頻圓環(huán)電極10之間有絕緣材料11阻隔并包裹。
[0034]參見圖1、4，所述同步多級加速器2位于收斂噴管I和交變正負等離子體發(fā)生器3之間，由螺釘裝配孔14、同步多級加速器單元15、加速器管壁16、接地17、電線18和高頻脈沖電源19組成，用于加速等離子體并帶動空氣一起向后加速形成向前的推力。所述螺釘裝配孔14共四個，與交變正負等離子體發(fā)生器3的螺釘孔4的位置相對應，用于將交變正負等離子體發(fā)生器3固定在同步多級加速器2上。所述加速器管壁16分為內外兩層，內外層之間為空腔，外層壁面的直徑為40?3000mm，本實施例為100mm，內層壁面的直徑為30?2700_，本實施例為80_。所述內外層壁面之間為空腔，用于安裝同步多級加速器單元15及其電路。所述同步多級加速器單元15由圓環(huán)形電極和絕緣材料構成，圓環(huán)形電極通過電線18與高頻脈沖電源19接通。所述圓環(huán)形電極的直徑與加速器管壁16的內外兩層壁面相適應，即處于兩層壁面之間，同時滿足絕緣的需要。所述同步多級加速器單元15之間的距離，即級與級之間的距離為3?300mm，本實施例為40mm，級間的電勢差為5?30000V，本實施例為5?8000V，級間電勢差的大小變化用于調節(jié)推進器的推力。
[0035]所述電線18將同步多級加速器單元15與高頻脈沖電源19的對應同步電源接通。所述絕緣材料填充在整個加速器管壁16的空腔內，并將每一級圓環(huán)形電極隔離開。所述高頻脈沖電源19設置在同步多級加速器2的外部，并通過接地17接地。
[0036]所述收斂噴管I的流道截面為收縮形圓錐面，氣體進口截面為圓形，直徑相對較大，出口截面也為圓形，直徑相對較小，本實施例的進口直徑為80mm，出口直徑為65mm。所述收斂噴管I的氣體進口端與同步多級加速器2的氣體出口端通過焊接相連，收斂噴管I可將通過同步多級加速器2加速后的氣體進一步加速。
[0037]參見圖5，一種電動推進器裝置是這樣工作的:啟動高頻脈沖電源19，交變正負等離子體發(fā)生器3的所有交變正負等離子體發(fā)射單元6都將得到圖5所示的脈沖電壓，其中電壓U1加載在高頻高壓尖端電極13上，電壓為3000?60000V，本實施例為7000V，U2加載在高頻圓環(huán)電極10上，電壓為3000?60000V，本實施例為7000V。如圖5所示的O?&時刻，高頻高壓尖端電極13帶有7000V的正電壓，高頻圓環(huán)電極10帶有7000V的負電壓，高頻高壓尖端電極13與高頻圓環(huán)電極10將形成電暈放電，放電產生的帶正電的等離子體將在交變正負等離子體發(fā)射單元管體12的底部不斷積累并形成一定的濃度，絕緣材料11將保護聞頻圓環(huán)電極10和聞頻聞壓尖端電極13之間不發(fā)生擊穿；在h?t2時刻，聞頻聞壓尖端電極13上帶有的電壓為OV的，高頻圓環(huán)電極10帶有7000V的正電壓，在這一時間段內電暈放電結束，交變正負等離子體發(fā)射單元管體12的底部積累的帶正電的等離子體被噴出；在t2?t3時刻，高頻高壓尖端電極13帶有7000V的負電壓，高頻圓環(huán)電極10帶有7000V的正電壓，高頻高壓尖端電極13與高頻圓環(huán)電極10將形成電暈放電，放電產生的帶負電的等離子體將在交變正負等離子體發(fā)射單元管體12的底部不斷積累并形成一定的濃度；在t3?t4時刻，高頻高壓尖端電極13上帶有的電壓為OV的，高頻圓環(huán)電極10帶有7000V的負電壓，在這一時間段內電暈放電結束，交變正負等離子體發(fā)射單元管體12的底部積累的帶負電的等離子體被噴出，如此循環(huán)往復，交變正負等離子體發(fā)生器3就能按照所需的頻率和等離子體離子濃度不斷的噴射出帶同種電荷的等離子體，本實施例的頻率為10?2000HZ。所述交變正負等離子體發(fā)生器3噴出的等離子體與從空氣流道7流入的空氣摻混后進入同步多級加速器2。所述每一級同步多級加速器單元15都與高頻脈沖電源19連接，并加載有脈沖電壓，脈沖電壓以正電壓、零電壓、負電壓、零電壓作為一個周期不斷循環(huán)，相鄰兩級同步多級加速器單元15所加載的電壓相差1/4個周期。所述每一級同步多級加速器單元15在帶電時即形成一個等勢面。所述的等勢面之間則形成加速電場，加速電場使得等離子體加速并帶動空氣一起加速，加速等離子體產生的反作用力形成了推進器向前的推力。所述同步多級加速器單元15上加載的脈沖電壓頻率與交變正負等離子體發(fā)射單元6上加載的電壓頻率相匹配。所述同步多級加速器單元15上加載的脈沖電壓的頻率越高，脈沖正負電壓之間的壓差越大，推進器的推力就越大。經同步多級加速器2加速后的帶電粒子和空氣將進入收斂噴管1，在收斂噴管I內帶有不同電荷的等離子體將發(fā)生中和反應，形成中性的空氣分子并與其它空氣一起在收斂噴管I內加速，最后從收斂噴管I出口處噴出。
【權利要求】
1.一種電動流體動力推進器，包括交變正負離子發(fā)生器(3)、同步多級加速器(2)和收斂噴管(I)三部分，其特征在于，收斂噴管(I)與同步多級加速器(2)相連，同步多級加速器(2)的進氣端固定有交變正負等離子體發(fā)生器(3);交變正負等離子體發(fā)生器(3)的外緣設有支撐板(5)，連接板(8)位于支撐板(5)內側，連接板(8)為空心環(huán)形板，連接板層與層之間由均勻分布的空心連接板(20)連接；相鄰兩層連接板(8)及對應的空心連接板(20)圍成的流道為空氣流道(7)； 所述同步多級加速器(2)由螺釘裝配孔(14)、同步多級加速器單元(15)、加速器管壁(16)、接地(17)、電線(18)和高頻脈沖電源(19)組成，加速器管壁(16)分為內外兩層，內外層之間為空腔；同步多級加速器單元(15)由圓環(huán)形電極和絕緣材料構成，圓環(huán)形電極通過電線(18)與高頻脈沖電源(19)接通，絕緣材料填充在整個加速器管壁(16)的空腔內，將每一級圓環(huán)形電極隔離開；高頻脈沖電源(19)設置在同步多級加速器(2)的外部，并通過接地(17)接地； 所述交變正負等離子體發(fā)生器(3)由螺釘孔(4)、支撐板(5)、交變正負等離子體發(fā)射單元(6)、空氣流道(7)和連接板(8)組成，交變正負等離子體發(fā)生器(3)通過其外緣的環(huán)形支撐板(5)與同步多級加速器(2)的前端相連，四個螺釘孔(4)貫穿支撐板(5)并在支撐板(5)上均勻分布，連接板(8)內的安裝孔內設有交變正負等離子體發(fā)射單元(6)。
2.根據權利要求1所述的一種電動流體動力推進器，其特征在于，所述交變正負等離子體發(fā)射單元(6)，由電線(9)、高頻圓環(huán)電極(10)、絕緣材料(11)、等離子體發(fā)射單元管體(12)和高頻高壓尖端電極(13)組成；所述電線(9)分為兩路，其中一路與高頻圓環(huán)電極 (10)相連，另一路與高頻高壓尖端電極(13)相連，所述等離子體發(fā)射單元管體(12)底部中心有一圓孔；高頻高壓尖端電極(13)為一針狀金屬體，針狀金屬體的粗端圓柱段固定在絕緣材料(11)的中心，細端尖錐段穿過等離子體發(fā)射單元管體(12)的底部中心圓孔并使得尖錐的尖端伸入等離子體發(fā)射單元管體(12)的內部；高頻圓環(huán)電極(10)被嵌套在高頻高壓尖端電極(13)的粗端圓柱段四周，高頻圓環(huán)電極(10)與高頻高壓尖端電極(13)之間有絕緣材料(11)阻隔并包裹。
3.根據權利要求1或2所述的一種電動流體動力推進器，其特征在于，所述安裝孔共126個，從中間到外緣各層的安裝孔數(shù)量分別為6個、14個、26個、34個和46個，安裝孔與安裝孔之間緊密排布。
4.根據權利要求1所述的一種電動流體動力推進器，其特征在于，所述空心連接板(20)和連接板(8)的空心腔體用于安裝外接電路，電路與高頻脈沖電源連接并為交變正負等離子體發(fā)射單元(6)供電。
5.根據權利要求1所述的一種電動流體動力推進器，其特征在于，所述的最外層的連接板(8)與支撐板(5)的內側壁面焊接連接。
6.根據權利要求2所述的一種電動流體動力推進器，其特征在于，所述等離子體發(fā)射單元管體(12)為一平底圓筒形。
7.根據權利要求2所述的一種電動流體動力推進器，其特征在于，所述高頻圓環(huán)電極(10)為一圓環(huán)形金屬體。
8.根據權利要求1所述的一種電動流體動力推進器，其特征在于，所述收斂噴管(I)的流道截面為收縮形圓錐面，氣體進口截面為圓形，直徑相對較大，出口截面也為圓形，直徑相對較小。
9.根據權利要求1所述的一種電動流體動力推進器，其特征在于，所述收斂噴管(I)的氣體進口端與同步多級加速器(2)的氣體出口端通過焊接相連。
10.根據權利要求1所述的一種電動流體動力推進器，其特征在于，所述的連接板(8)從內至外共分為五層， 空心連接板(20)的數(shù)量為四塊。
【文檔編號】F03H1/00GK203809225SQ201420170158
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權日:2014年4月10日
【發(fā)明者】王文東, 李世武, 王澤元, 魏建生 申請人:王文東