一种低空间轨道稀薄大气分子摄取装置的制作方法

本发明属于吸气式电推进领域，具体涉及一种可为低空间轨道吸气式电推力器捕获、存储、提供稀薄大气工质的装置。

背景技术：

吸气式电推进系统具有传统电推进系统不具备的优点和技术难点：相对于传统电推进系统，吸气式电推进系统工作轨道较低(低于250km)，具有发射成本低，对地观测条件好等优点；同时，由于低空间轨道稀薄大气的存在，大气阻力与燃料携带问题使得电推进系统的发展面临工质获取与补偿困难等难点。因此，吸气式电推进系统使用低空间轨道稀薄大气分子作为推进工质，在理想情况下，它可以使航天飞行器在低空间轨道中完成长期任务而无需携带任何推进剂。为了获取充足的稀薄大气工质，需要解决两个关键技术问题：一是装置对大气分子的收集效率，二是兼顾装置对大气分子的压缩倍率。

在低轨道环境中(180～250km)，需要合理分析大气环境来对装置进行适应性改进，低轨道环境中大气分子的主要成分为氮气分子和氧原子，大气温度在800k左右，针对小型飞行器而言，当飞行器速度为第一宇宙速度时，大气分子的流态为自由分子流。因此，摄取装置的优化不可避免地面临着耐压、耐温等问题。在此基础上，美国宇航局、欧空局和日本宇宙航空研究开发机构等部门的研究表明准直型入口有利于大气分子的捕获，然而，所设计的吸气式推进系统仍然需要携带有限的推进剂以维持长期在轨运行。

因此，为了获得充足的大气工质作为推进剂，需要设计一种高效可靠，且具有较高稀薄大气分子捕获能力的摄取装置。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，设计一种低空间轨道稀薄大气分子摄取装置，解决当前吸气式电推进系统对大气工质的吸收效率和压缩倍率不足的问题，同时实现大气工质的可靠储存与控制，避免工质浪费，具有高效、可靠、经济等优点。

本发明的技术方案如下：

一种低空间轨道稀薄大气分子摄取装置，所述摄取装置由进气装置、压缩装置和储气装置组成。

所述进气装置位于装置飞行方向的最前端，由吸管式入口、渐缩腔和长直管依次排列组成。

所述压缩装置安装于进气装置的后端，由分子泵、压力计a和控制系统组成，其中，所述分子泵的入口与长直管的出口直接相连，所述控制系统由电源、信号接收器、信号处理器和信号发送器组成，所述控制系统与分子泵和压力计a通过信号线连接。

所述储气装置安装于压缩装置的后端，由气罐、储箱内胆、储箱外壳、气囊、气囊安装法兰、气囊泵、气囊泵安装法兰、压力计b、压力计c和储箱阀组成。

所述储箱外壳和储箱内胆前端各有一圆孔，两个圆孔对应一致与分子泵出口相连接。

所述储箱外壳和储箱内胆后端各有一圆孔，两个圆孔对应一致与储箱阀入口相连接。

所述储箱外壳上端、储箱内胆上端和气囊上端各有一圆孔，三个圆孔对应一致，通过气囊泵安装法兰和气囊安装法兰紧密结合安装。

所述气囊泵通过气囊泵安装法兰安装于储箱外壳上端的圆孔处。

所述气罐通过管道与气囊泵相连，并列排布在储箱外壳上端。

整个储气装置由外至内，由上至下依次为气罐与气囊泵、气囊泵安装法兰、储箱外壳、储箱内胆、气囊和气囊安装法兰。

所述压力计b安装于气囊泵阀口附近，所述压力计c安装于储箱阀阀口附近，气囊泵、压力计b、储箱阀、压力计c通过信号线与控制系统20相连。

作为本发明的进一步改进，

所述吸管式入口由众多吸管紧密排布组成，其排列方式为蜂窝状，该排列方式用于提高进气口的实际进气面积并降低捕获气流的回流和逸散。

所述吸管采用耐热、耐腐蚀材料制造，能够承受低轨道环境高温气流的冲击腐蚀。

所述吸管剖面呈六边形，轴线方向的尺度大于剖面方向的尺度，其具体尺寸由整体装置的尺寸经结构优化后获得，对迎风面积为1平方米的进气口，吸管的最优尺寸为10～30毫米。

作为本发明的进一步改进，

所述渐缩腔内壁涂有氧化镁镜面反射材料，能够镜面反射入射粒子。

所述渐缩腔剖面呈抛物线型，轴线方向的尺度与径向方向的尺度接近，其最优比例为1.2。

所述渐缩腔用于在自由分子流态情况下，将大部分入射粒子镜面反射后汇聚于抛物线的焦点处，从而实现对入射粒子的初步压缩，少部分入射粒子回流至吸管入口处时，会由吸管式入口再次反射回渐缩腔内，从而减少进气装置的气体回流和逸散，进一步提高进气装置的气体摄取能力。

所述长直管采用泡沫碳化硅具有吸附功能的材料组成，用于进一步吸收经渐缩腔压缩收集的气体粒子。

所述长直管的具体尺寸与抛物线型渐缩腔的尺寸相匹配，其最优的直径尺寸等于抛物线的通径尺寸。

作为本发明的进一步改进，

所述控制系统由电源、信号接收器、信号处理器和信号发送器组成。所述电源用于为分子泵、气囊泵、储箱阀的工作提供动力来源；所述信号接收器用于接收压力计a的压力信号a、压力计b的压力信号b和压力计c的压力信号c；所述信号处理器用于处理接收到的压力信号并做出判断后产生控制信号，信号发送器用于发送控制信号a调节分子泵的功率，发送控制信号b控制气囊泵的开闭，发送控制信号c控制储箱阀的开闭。

所述分子泵由护网、泵体、动叶轮、静叶轮和电机构件组成，适用于自由分子流态气体的压缩，用于直接对进气装置中捕获的大气分子进一步压缩。当气体粒子经长直管从护网进入分子泵后，电极驱动动叶轮高速旋转，将动量传给气体粒子，使气体粒子产生定向运动流出泵体，从而实现对气体粒子的进一步压缩。

所述压力计a安装于分子泵出口处，用于测量分子泵出口处气体压力的数值大小，并将压力信号a传递给控制系统。信号接收器将压力信号a传递给信号处理器后由信号处理器进行处理判断并产生控制信号a，若压力信号a小于设定值(由实际工况决定)，则由信号发送器向分子泵发送控制信号a，增大分子泵的工作功率，若压力信号a小于设定值，则由信号发送器向分子泵发送控制信号a，降低分子泵的工作功率。

作为本发明的进一步改进，

所述储箱外壳采用绝缘、质轻、隔热的材料制成，用于支撑储箱内胆的安装和确保大气工质的安全储存，其截面形状为圆形，能够确保足够的储气体积的同时减轻外壳质量。

所述储箱内胆内壁涂有耐高温、隔热功能的涂层，用于减少外部热传导对储箱内部的影响，安全储存收集到的大气工质。

所述气罐通过管道与并列排布的气囊泵相连，能够将内部的惰性气体输送至气囊内部。

所述气囊由耐温、弹性材料制成，具有扩张与收缩功能，内部充有一定压力的惰性气体，用于根据储箱内大气工质的压力进行收缩与扩张，是储气装置中的一种能量储蓄装置，能够吸收不同工质流量带来的冲击脉动压力，以实现对储箱内大气工质的调节功能：当大气工质经分子泵压缩进入储箱内胆内部后，会在储箱内胆中积聚并储存；当储箱内胆中无气体工质时，气囊会膨胀充满整个储箱内胆；当气体工质经分子泵压缩进入储箱内胆时，气囊内的气体体积会随压力增加而减小，从而使气体工质储存起来；当推力器需要增加气体工质时，气囊在气体膨胀压力推动下，将气体工质通过储箱阀排出给以补充，以达到稳压、补漏的作用。

所述压力计b安装于气囊泵附近，用于测量气囊内气体压力的数值大小，并将压力信号b传递给控制系统。信号接收器将压力信号b传递给信号处理器后由信号处理器进行处理判断并产生控制信号b，信号发送器将控制信号b发送给气囊泵控制气囊泵从气罐中向气囊泵送一定压力的惰性气体，其中，预充压力参考以下数值：若需要气囊实现冲击缓冲的效果，则充气压力为装置工作压力的90％；若需要气囊实现消除脉动的效果，则充气压力为装置工作压力的60％；若需要气囊实现热膨胀补偿的效果，则充气压力比装置最低工作压力稍低。

所述压力计c安装于储箱阀出口附近，用于测量储箱阀出口处气体压力的数值大小，并将压力信号c传递给控制系统。信号接收器将压力信号c传递给信号处理器后由信号处理器进行处理判断并产生控制信号c，信号发送器将控制信号c发送给储箱阀，从而控制储箱阀的开闭，向推力器输送气体工质。

本发明的有益效果是：本发明可以适应低空间轨道工作环境，具有在低压、高温、复杂大气扰动的环境下工作的能力：其中，进气装置具有对大气分子较高的收集效率和压缩倍率，并且能够有效减少气体回流逸散的损耗；压缩装置能够对摄取气体进一步压缩，控制系统能够根据装置各部分的压力数值大小，准确可靠地作出指令，调节相应泵和阀的工作；储气装置能够对大气工质进行可靠的储存与控制，尤其是气囊的设计，具有存储能量、补偿工质流量、吸收气体工质的冲击脉动压力、消除有害振动，保持储箱相对稳定的压力环境等诸多功能。整个装置结构简单、集成度高、便于安装。

附图说明

图1是本发明的整体装置结构图；

图2是本发明中吸管式入口的结构排布示意图；

图3是本发明中渐缩腔与长直管的工作原理图；

图4是本发明中控制系统的工作原理图；

图5是本发明中储气装置的结构示意图；

图6是本发明中储气装置的剖面结构示意图。

附图标号说明：1-进气装置，2-压缩装置，3-储气装置，11-吸管，12-渐缩腔，13-长直管，20-控制系统，21-电源，22-信号接收器，23-信号处理器，24-信号发送器，25-分子泵，26-压力计a，30-气罐，31-储箱内胆，32-储箱外壳，33-气囊，34-气囊安装法兰，35-气囊泵，36-气囊泵安装法兰，37-压力计b，38-压力计c，39-储箱阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的应用背景为180～250km高度范围的低空间轨道，在该轨道范围内，对小型飞行器(0.3～5m)来说，大气的主要流态为自由分子流态，可以摄取的大气主要成分包含氧原子、氮气分子等稀薄大气粒子。

在图1、图2、图3、图4、图5和图6中，本发明提供了一种低空间轨道稀薄大气分子摄取装置，所述摄取装置由进气装置、压缩装置和储气装置组成。

所述进气装置位于装置飞行方向的最前端，由吸管式入口、渐缩腔和长直管依次排列组成。

所述压缩装置安装于进气装置的后端，由分子泵、压力计a和控制系统组成，其中，所述分子泵的入口与长直管的出口直接相连，所述控制系统由电源、信号接收器、信号处理器和信号发送器组成，所述控制系统与分子泵和压力计a通过信号线连接。

所述储气装置安装于压缩装置的后端，由气罐、储箱内胆、储箱外壳、气囊、气囊安装法兰、气囊泵、气囊泵安装法兰、压力计b、压力计c和储箱阀组成。

所述储箱外壳和储箱内胆前端各有一圆孔，两个圆孔对应一致与分子泵出口相连接。

所述储箱外壳和储箱内胆后端各有一圆孔，两个圆孔对应一致与储箱阀入口相连接。

所述储箱外壳上端、储箱内胆上端和气囊上端各有一圆孔，三个圆孔对应一致，通过气囊泵安装法兰和气囊安装法兰紧密结合安装。

所述气囊泵通过气囊泵安装法兰安装于储箱外壳上端的圆孔处。

所述气罐通过管道与气囊泵相连，并列排布在储箱外壳上端。

整个储气装置由外至内，由上至下依次为气罐与气囊泵、气囊泵安装法兰、储箱外壳、储箱内胆、气囊和气囊安装法兰。

所述压力计b安装于气囊泵阀口附近，所述压力计c安装于储箱阀阀口附近，气囊泵、压力计b、储箱阀、压力计c通过信号线与控制系统20相连。

作为本发明的进一步改进，

所述吸管式入口由众多吸管紧密排布组成，其排列方式为蜂窝状，该排列方式用于提高进气口的实际进气面积并降低捕获气流的回流和逸散。

所述吸管采用耐热、耐腐蚀材料制造，能够承受低轨道环境高温气流的冲击腐蚀。

所述吸管剖面呈六边形，轴线方向的尺度大于剖面方向的尺度，其具体尺寸由整体装置的尺寸经结构优化后获得，对迎风面积为1平方米的进气口，吸管的最优尺寸为10～30毫米。

作为本发明的进一步改进，

所述渐缩腔内壁涂有氧化镁镜面反射材料，能够镜面反射入射粒子。

所述渐缩腔剖面呈抛物线型，轴线方向的尺度与径向方向的尺度接近，其最优比例为1.2。

所述渐缩腔用于在自由分子流态情况下，将大部分入射粒子镜面反射后汇聚于抛物线的焦点处，从而实现对入射粒子的初步压缩，少部分入射粒子回流至吸管入口处时，会由吸管式入口再次反射回渐缩腔内，从而减少进气装置的气体回流和逸散，进一步提高进气装置的气体摄取能力。

所述长直管采用泡沫碳化硅具有吸附功能的材料组成，用于进一步吸收经渐缩腔压缩收集的气体粒子。

所述长直管的具体尺寸与抛物线型渐缩腔的尺寸相匹配，其最优的直径尺寸等于抛物线的通径尺寸。

作为本发明的进一步改进，

所述控制系统由电源、信号接收器、信号处理器和信号发送器组成。所述电源用于为分子泵、气囊泵、储箱阀的工作提供动力来源；所述信号接收器用于接收压力计a的压力信号a、压力计b的压力信号b和压力计c的压力信号c；所述信号处理器用于处理接收到的压力信号并做出判断后产生控制信号，信号发送器用于发送控制信号a调节分子泵的功率，发送控制信号b控制气囊泵的开闭，发送控制信号c控制储箱阀的开闭。

所述分子泵由护网、泵体、动叶轮、静叶轮和电机构件组成，适用于自由分子流态气体的压缩，用于直接对进气装置中捕获的大气分子进一步压缩。当气体粒子经长直管从护网进入分子泵后，电极驱动动叶轮高速旋转，将动量传给气体粒子，使气体粒子产生定向运动流出泵体，从而实现对气体粒子的进一步压缩。

所述压力计a安装于分子泵出口处，用于测量分子泵出口处气体压力的数值大小，并将压力信号a传递给控制系统。信号接收器将压力信号a传递给信号处理器后由信号处理器进行处理判断并产生控制信号a，若压力信号a小于设定值(由实际工况决定)，则由信号发送器向分子泵发送控制信号a，增大分子泵的工作功率，若压力信号a小于设定值，则由信号发送器向分子泵发送控制信号a，降低分子泵的工作功率。

作为本发明的进一步改进，

所述储箱外壳采用绝缘、质轻、隔热的材料制成，用于支撑储箱内胆的安装和确保大气工质的安全储存，其截面形状为圆形，能够确保足够的储气体积的同时减轻外壳质量。

所述储箱内胆内壁涂有耐高温、隔热功能的涂层，用于减少外部热传导对储箱内部的影响，安全储存收集到的大气工质。

所述气罐通过管道与并列排布的气囊泵相连，能够将内部的惰性气体输送至气囊内部。

所述气囊由耐温、弹性材料制成，具有扩张与收缩功能，内部充有一定压力的惰性气体，用于根据储箱内大气工质的压力进行收缩与扩张，是储气装置中的一种能量储蓄装置，能够吸收不同工质流量带来的冲击脉动压力，以实现对储箱内大气工质的调节功能：当大气工质经分子泵压缩进入储箱内胆内部后，会在储箱内胆中积聚并储存；当储箱内胆中无气体工质时，气囊会膨胀充满整个储箱内胆；当气体工质经分子泵压缩进入储箱内胆时，气囊内的气体体积会随压力增加而减小，从而使气体工质储存起来；当推力器需要增加气体工质时，气囊在气体膨胀压力推动下，将气体工质通过储箱阀排出给以补充，以达到稳压、补漏的作用。

所述压力计b安装于气囊泵附近，用于测量气囊内气体压力的数值大小，并将压力信号b传递给控制系统。信号接收器将压力信号b传递给信号处理器后由信号处理器进行处理判断并产生控制信号b，信号发送器将控制信号b发送给气囊泵控制气囊泵从气罐中向气囊泵送一定压力的惰性气体，其中，预充压力参考以下数值：若需要气囊实现冲击缓冲的效果，则充气压力为装置工作压力的90％；若需要气囊实现消除脉动的效果，则充气压力为装置工作压力的60％；若需要气囊实现热膨胀补偿的效果，则充气压力比装置最低工作压力稍低。

所述压力计c安装于储箱阀出口附近，用于测量储箱阀出口处气体压力的数值大小，并将压力信号c传递给控制系统。信号接收器将压力信号c传递给信号处理器后由信号处理器进行处理判断并产生控制信号c，信号发送器将控制信号c发送给储箱阀，从而控制储箱阀的开闭，向推力器输送气体工质。

以上是本发明的优选实施方式和进气装置的结构优化方法，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。