感应式等离子体加速设备及方法的制作技术

本技术公开一种感应式等离子体加速装置及方法，包括脉冲激光组件、脉冲放电组件、激励线圈组件、固态工质与控制组件；激励线圈组件与脉冲放电组件电联以使得脉冲放电组件放电过程中在激励线圈组件内产生脉冲强电流，进一步在激励线圈组件周围激发感应脉冲电磁场；固态工质位于脉冲激光组件所射出的脉冲激光的光路上以使得固态工质在脉冲激光的烧蚀作用下产生脉冲气体，感应脉冲电磁场位于脉冲气体的流通气路上以使得脉冲气体能够进入感应脉冲电磁场；脉冲激光组件、脉冲放电组件均与控制组件电联。

通过对工质供给方式的创新，解决其使用中的寿命瓶颈问题，达到高效利用工质、充分发挥该类推进装置优点、推动各类装置实用化的目的。

权利要求书1.一种感应式等离子体加速装置，其特征在于，包括脉冲激光组件、脉冲放电组件、激励线圈组件、固态工质与控制组件；所述激励线圈组件与所述脉冲放电组件电联以使得所述脉冲放电组件放电过程中在所述激励线圈组件内产生脉冲强电流，进一步在所述激励线圈组件周围激发感应脉冲电磁场；所述固态工质位于所述脉冲激光组件所射出的脉冲激光的光路上以使得所述固态工质在脉冲激光的烧蚀作用下产生脉冲气体，所述感应脉冲电磁场位于所述脉冲气体的流通气路上以使得所述脉冲气体能够进入所述感应脉冲电磁场；所述脉冲激光组件、所述脉冲放电组件均与所述控制组件电联以用于控制脉冲激光组件所射出的脉冲激光的功率与频率。

2.根据权利要求1所述感应式等离子体加速装置，其特征在于，所述脉冲激光组件所射出的脉冲激光的光路上设有能够改变光路方向的反射组件以使得激光能够按照预定强度分布准确地照射在所述固态工质上。

3.根据权利要求2所述感应式等离子体加速装置，其特征在于，还包括支架，所述反射组件包括设在支架上的第一反射镜与第二反射镜，所述第一反射镜为轴对称锥状构型，所述第二反射镜为轴对称环形构型；所述第一反射镜位于所述第二反射镜的环形口内，所述第一反射镜的反射片位于所述锥状构型的锥面上，所述第二反射镜的反射面位于所述环形构型的内环面上；所述固态工质、所述激励线圈组件均设在所述支架上且位于所述第一反射镜的反射面与第二反射镜的反射面之间，所述激励线圈组件位于所述固态工质下方并在所述固态工质上方激发感应脉冲电磁场；所述脉冲激光组件所射出的脉冲激光经过所述第一反射镜的反射面、所述第二反射镜的反射面后照射在所述固态工质上。

4.根据权利要求3所述感应式等离子体加速装置，其特征在于，所述第一反射镜的母线与所述第二反射镜的母线为直线构型或曲线构型。

5.根据权利要求2所述感应式等离子体加速装置，其特征在于，还包括支架组件，所述支架组件包括支撑基架以及设在所述支撑基架上的塔筒，所述激励线圈组件设在所述支撑基架上且盘绕在所述塔筒周围；所述固态工质为柱状结构，所述固态工质的一端抵接在所述支撑基架上，另一端位于所述塔筒内，所述固态工质位于所述塔筒内的部分的外壁与所述塔筒的内壁接触相连；所述反射组件包括悬设在所述塔筒上方的反射基架以及设在所述反射基架上的第三反射镜与透镜，所述第三反射镜位于所述透镜的上方且所述第三反射镜的反射面朝向所述透镜，所述透镜的周围设有向下延伸的环形裙边，所述透镜位于所述塔筒的正上方且朝向所述固态工质的端部，所述环形裙边的内壁与所述塔筒的外壁之间围成朝向所述激励线圈组件的环形喷嘴；所述脉冲激光组件所射出的脉冲激光经过所述第三反射镜的反射面、所述透镜后照射在所述固态工质的端部上。

6.根据权利要求5所述感应式等离子体加速装置，其特征在于，所述支撑基架上设有环形结构的约束件，所述激励线圈组件位于所述约束件的内壁与所述塔筒的外壁之间。

7.根据权利要求5所述感应式等离子体加速装置，其特征在于，所述支撑基架上对应所述固态工质的位置设有支撑弹簧，所述固态工质的端部抵接在所述支撑弹簧上。

8.根据权利要求1至7任一项所述感应式等离子体加速装置，其特征在于，所述激励线圈组件由多支螺旋线形天线按轴对称方式交叠而成。

9.根据权利要求1至7任一项所述感应式等离子体加速装置，其特征在于，所述固态工质由高聚物材料或金属材料制成。

10.一种感应式等离子体加速方法，其特征在于，具体包括如下步骤：通过脉冲激光烧蚀固态工质产生脉冲气态烧蚀产物，即脉冲气流；通过感应脉冲电磁场的周向电场分量来击穿气态烧蚀产物并建立环形等离子体电流；通过感应脉冲电磁场的径向磁场分量与等离子体电流相互作用产生轴向洛伦兹力加速等离子体，从而产生推进作用；其中，通过控制脉冲激光的功率与频率来控制脉冲气态烧蚀产物的产量与脉冲频率。

技术说明书一种感应式等离子体加速装置及方法技术领域本技术涉及电推进技术领域，具体是一种感应式等离子体加速装置及方法。

背景技术多种工程应用场合需要在实现等离子体的生成并对其进行加速。

典型应用包括等离子体喷涂、表面加工领域，或者是航天领域的推进系统。

在航天领域中，推进装置作为提供动力的部分，对航天器极为重要，是航天器能够完成任务的基础。

相较于传统的化学推进，电推进通过电能加速推进剂以获得推力，其推进能量来自于推进剂之外，可获得更高的喷射速度，因而可有效减少推进剂消耗，增加航天器的有效载荷。

目前，电推进技术在航天器上已经得到了广泛应用，高轨通信卫星上已有半数以上装备了电推进系统，并成为了卫星平台是否具有先进性的标志之一。

电推进中，有一类推进装置采用电磁力加速等离子体，是电推进中的一种重要类别，也是近年来国际研究的热点。

其工作原理是依靠电能电离工质获得等离子体、并进一步依靠电磁力对等离子体进行加速，使其达到极快速度向外喷射，与此同时，根据作用力与反作用力原理，喷射的等离子体将对装置自身产生一个反推动力或者冲量。

传统的等离子体加速装置，如脉冲等离子体推力器(PPT，Pulsed PlasmaThruster)，产生等离子体的方式本质上属于电极间放电，故一个必须的部件是放电电极。

PPT工作时，通过火花塞进行微量放电引发两个平行板电极之间的主放电，主放电产生较大放电电流建立自身感应磁场，同时烧蚀剥离一层固体工质，进一步形成等离子体。

等离子体电流与磁场相互作用产生洛伦兹力使其加速喷射从而产生一个脉冲的推力。

由于存在电极，该类推进装置不可避免地会因电极烧蚀而引发寿命缩短、等离子体成分污染、工质兼容性差等问题，使得推进装置的实际应用受到一定制约。

基于上述原因，研究者们提出了一种使用气态工质的无电极的脉冲感应等离子体推力器(亦称感应式脉冲等离子体推力器)。

该种装置利用脉冲感应放电原理与感应涡流斥力原理实现工质的电离与加速，采用的工质为气体，通过一个脉冲式的气体阀控制。

该装置工作时，分为两个阶段：第一阶段，喷注器上游的脉冲气体供给阀快速开启，工质气体通过塔式喷注器向激励线圈组表面喷注，达到指定的气体团质量后脉冲气体阀迅速关闭；工质气体沿激励线圈组表面运动并铺展开来，直至达到预想的气体分布；第二阶段，储能电容触发放电，在激励线圈组中产生脉冲强电流；脉冲电流通过激励线圈组激发感应的脉冲电磁场，其周向电场分量击穿气体并建立环形等离子体电流；其径向磁场分量与等离子体电流相互作用产生轴向洛伦兹力加速等离子体，从而产生推力，完成一个工作脉冲。

多个工作脉冲以一定重复频率进行工作时，装置就可以获得持续的推动作用。

由上述表述可知，现有的气态工质脉冲感应等离子体推力器采用高速开启和关闭的脉冲气体阀实现脉冲供气，如果阀门开启和关闭过于缓慢，则部分气体到达激励线圈时脉冲放电尚未开始或者放电已经结束，那么大量的工质将因散逸而浪费，这对工质十分宝贵的航天应用场合是不可接受的。

因此推力器对脉冲气体供给子系统提出了极高要求，其阀门的延迟时间、开启时间、关闭时间要求都极为苛刻，启闭时间需要短至百微秒甚至数十微秒量级。

除此之外，目前已有的基于高速脉冲气体阀的脉冲感应等离子体推力器，还存在如下问题：1.寿命问题。

推力器以重复频率形式工作，每一个脉冲中阀门都需要以极高速度开启和关闭，运动部件必然需要承受极大的力，因此阀门寿命成为了整个装置的瓶颈问题。

以美国各核心部件的典型情况为例，其中放电电容寿命可达107次，放电开关可达105次，但典型的脉冲气体阀的寿命仅103次，极大地制约了该类装置的实际应用。

2.功耗问题。

阀门的阀芯高速地在静止-高速运动-静止状态之间切换，很大一部分能量将不得不损耗在阀芯的制动上，因此需要较大的额外功率方可驱动阀门工作。

这在造成降低系统效率的同时，还带来了散热、系统复杂等问题。

3.干扰问题。

阀门的驱动装置和激励线圈组的驱动电路存在电气上连接，可能导致二者之间相互干扰，甚至阀门误动作。

这在时序需要密切配合的实际工作中是不允许的。

技术内容针对现有技术中气态工质的感应式脉冲等离子体加速装置中工质供给方面的短板，本技术提供一种感应式等离子体加速装置及方法，通过对工质供给方式的创新，结合推进装置整体进行设计，解决其使用中的寿命瓶颈问题，达到高效利用工质、充分发挥该类推进装置优点、推动各类装置实用化的目的。

为实现上述目的，本技术提供一种感应式等离子体加速装置，包括脉冲激光组件、脉冲放电组件、激励线圈组件、固态工质与控制组件；所述激励线圈组件与所述脉冲放电组件电联以使得所述脉冲放电组件放电过程中在所述激励线圈组件内产生脉冲强电流，进一步在所述激励线圈组件周围激发感应脉冲电磁场；所述固态工质位于所述脉冲激光组件所射出的脉冲激光的光路上以使得所述固态工质在脉冲激光的烧蚀作用下产生脉冲气体，所述感应脉冲电磁场位于所述脉冲气体的流通气路上以使得所述脉冲气体能够进入所述感应脉冲电磁场；所述脉冲激光组件、所述脉冲放电组件均与所述控制组件电联以用于控制脉冲激光组件所射出的脉冲激光的功率与频率。

进一步优选的，所述脉冲激光组件所射出的脉冲激光的光路上设有能够改变光路方向的反射组件以使得激光能够按照预定强度分布准确地并照射在所述固态工质上。

进一步优选的，还包括支架，所述反射组件包括设在支架上的第一反射镜与第二反射镜，所述第一反射镜为轴对称锥状构型，所述第二反射镜为轴对称环形构型；所述第一反射镜位于所述第二反射镜的环形口内，所述第一反射镜的反射片位于所述锥状构型的锥面上，所述第二反射镜的反射面位于所述环形构型的内环面上；所述固态工质、所述激励线圈组件均设在所述支架上且位于所述第一反射镜的反射面与第二反射镜的反射面之间，所述激励线圈组件位于所述固态工质下方并在所述固态工质上方激发感应脉冲电磁场；所述脉冲激光组件所射出的脉冲激光经过所述第一反射镜的反射面、所述第二反射镜的反射面后照射在所述固态工质上。

进一步优选的，所述第一反射镜的母线与所述第二反射镜的母线为直线构型或曲线构型。

进一步优选的，还包括支架组件，所述支架组件包括支撑基架以及设在所述支撑基架上的塔筒，所述激励线圈组件设在所述支撑基架上且盘绕在所述塔筒周围；所述固态工质为柱状结构，所述固态工质的一端抵接在所述支撑基架上，另一端位于所述塔筒内，所述固态工质位于所述塔筒内的部分的外壁与所述塔筒的内壁接触相连；所述反射组件包括悬设在所述塔筒上方的反射基架以及设在所述反射基架上的第三反射镜与透镜，所述第三反射镜位于所述透镜的上方且所述第三反射镜的反射面朝向所述透镜，所述透镜的周围设有向下延伸的环形裙边，所述透镜位于所述塔筒的正上方且朝向所述固态工质的端部，所述环形裙边的内壁与所述塔筒的外壁之间围成朝向所述激励线圈组件的环形喷嘴；所述脉冲激光组件所射出的脉冲激光经过所述第三反射镜的反射面、所述透镜后照射在所述固态工质的端部上。