【摘要】：提出空間碎片發(fā)動機的新概念和一種空間碎片清理的新方式.空間碎片發(fā)動機立足于空間碎片清理工作,將捕獲到的空間碎片通過機械方式分解后,使用球磨等物理方式將碎片粉碎到一定細度,并通過電子束充電使粉末帶電.帶電粉末在靜電粉末加速器中加速后高速噴出,為空間碎片清理航天器進一步變軌提供動力.這些帶電粉末將在太陽風(fēng)及地球磁場的作用下飄離地球周圍.一方面,該碎片發(fā)動機清理了地球周圍的空間碎片,為人類可持續(xù)利用空間環(huán)境提供保障,另一方面,為航天器獲得動力提供足夠工質(zhì),延長了清理器在軌壽命和飛行距離,提高了單次發(fā)射的工作效能.此外,由于航天器不需要攜帶大量燃料,可持續(xù)的推進劑供應(yīng),也將為小行星探測和行星際航行提供更好的思路.
【圖文】：

2017年3月第62卷第9期876圖2(網(wǎng)絡(luò)版彩色)空間碎片發(fā)動機示意圖Figure2(Coloronline)Theworkingschemeofdebrisengine合金圓球,密度2.8g/cc,靜電加速后的數(shù)值仿真結(jié)果如圖3.碎片發(fā)動機的比沖大小取決于加速電嘗充電電場的大孝以及帶電粉末的荷質(zhì)比.因此,提升碎片發(fā)動機比沖的關(guān)鍵在于:一是要提高充電電場的電壓,提高充電電子束的密度,提高充電效率;二是要提高靜電粉末加速電場的總電壓;三是要提高空間碎片粉末的細度,這需要合理安排研磨機的球罐配比、旋轉(zhuǎn)速率及研磨流程,提高研磨的質(zhì)量和效率,從而提高帶電粉末的荷質(zhì)比.發(fā)動機的推力如下:,232()rFmvppA(3)其中F為發(fā)動機獲得的推力,m為發(fā)動機工作過程中瞬時的噴口處射流的質(zhì)量流量.p2為噴口出口處射流圖3(網(wǎng)絡(luò)版彩色)不同加速電嘗荷質(zhì)比情況下,對比空間碎片發(fā)動機與其他發(fā)動機的比沖Figure3(Coloronline)Comparisonofthespecificimpulseofdebrisengineandexistingengineincludingsolidrocket,liquidrocketandionthruster的當?shù)貕毫?p3為外界環(huán)境壓力.假設(shè)發(fā)動機在真空狀態(tài)下工作,且發(fā)動機內(nèi)外壓力平衡.可得,發(fā)動機推力:,rFmv(4)發(fā)動機的推力主要取決于噴口處的射流質(zhì)量流量大小和粉末射流相對于噴口的速度.在輸入功率一定的情況下,比沖與推力成反比.類似于美國可變比沖磁致離子漿發(fā)動機(VASIMR),空間碎片發(fā)動機可以通過分配功率的方式調(diào)節(jié)比沖[33,34]:將電源功率分成兩部分,一部分進入球磨系統(tǒng),另一部分進入靜電加速系統(tǒng)和放電系統(tǒng);如果需要獲得大的推力,大部分功率輸送給球磨系統(tǒng),產(chǎn)生較多的粉末,而加速效能較低,帶來更多低速帶電粉末,從而發(fā)動機比沖較小,而推力較大.如果需要獲得高比沖值,大部分功率送往靜電加速系統(tǒng)和放電系統(tǒng),產(chǎn)生數(shù)?

2017年3月第62卷第9期876圖2(網(wǎng)絡(luò)版彩色)空間碎片發(fā)動機示意圖Figure2(Coloronline)Theworkingschemeofdebrisengine合金圓球,密度2.8g/cc,靜電加速后的數(shù)值仿真結(jié)果如圖3.碎片發(fā)動機的比沖大小取決于加速電嘗充電電場的大孝以及帶電粉末的荷質(zhì)比.因此,提升碎片發(fā)動機比沖的關(guān)鍵在于:一是要提高充電電場的電壓,提高充電電子束的密度,提高充電效率;二是要提高靜電粉末加速電場的總電壓;三是要提高空間碎片粉末的細度,這需要合理安排研磨機的球罐配比、旋轉(zhuǎn)速率及研磨流程,提高研磨的質(zhì)量和效率,從而提高帶電粉末的荷質(zhì)比.發(fā)動機的推力如下:,232()rFmvppA(3)其中F為發(fā)動機獲得的推力,m為發(fā)動機工作過程中瞬時的噴口處射流的質(zhì)量流量.p2為噴口出口處射流圖3(網(wǎng)絡(luò)版彩色)不同加速電嘗荷質(zhì)比情況下,對比空間碎片發(fā)動機與其他發(fā)動機的比沖Figure3(Coloronline)Comparisonofthespecificimpulseofdebrisengineandexistingengineincludingsolidrocket,liquidrocketandionthruster的當?shù)貕毫?p3為外界環(huán)境壓力.假設(shè)發(fā)動機在真空狀態(tài)下工作,且發(fā)動機內(nèi)外壓力平衡.可得,發(fā)動機推力:,rFmv(4)發(fā)動機的推力主要取決于噴口處的射流質(zhì)量流量大小和粉末射流相對于噴口的速度.在輸入功率一定的情況下,比沖與推力成反比.類似于美國可變比沖磁致離子漿發(fā)動機(VASIMR),空間碎片發(fā)動機可以通過分配功率的方式調(diào)節(jié)比沖[33,34]:將電源功率分成兩部分,一部分進入球磨系統(tǒng),另一部分進入靜電加速系統(tǒng)和放電系統(tǒng);如果需要獲得大的推力,大部分功率輸送給球磨系統(tǒng),產(chǎn)生較多的粉末,而加速效能較低,帶來更多低速帶電粉末,從而發(fā)動機比沖較小,而推力較大.如果需要獲得高比沖值,大部分功率送往靜電加速系統(tǒng)和放電系統(tǒng),產(chǎn)生數(shù)?
【作者單位】： 清華大學(xué)航天航空學(xué)院動力學(xué)與控制實驗室;
【基金】：國家杰出青年科學(xué)基金(11525208)資助
【分類號】：V528

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本文編號：2548717