一种磁场力/力矩作用投送系统及其地面测试装置
阅读说明：本技术 一种磁场力/力矩作用投送系统及其地面测试装置 (Magnetic field force/moment action delivery system and ground testing device thereof ) 是由 张元文 赵宏亮 杨乐平 朱彦伟 黄涣 朱昊逵 陈鹏霖 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种磁场力/力矩作用投送系统,包含等离子体收集装置和脉冲等离子体环发射装置,所述脉冲等离子体环发射装置用于产生和发射脉冲等离子体环,包括内轴、外轴、内轴电磁铁、外轴电磁铁、高能电容器、等离子注入口,所述内轴与所述外轴为同轴两套筒,所述内轴电磁铁安装于内轴内壁、外轴电磁铁安装于外轴外壁。该系统可较好解决电磁力/力矩作用距离受限问题,实现对空间目标超远距快速投送电磁姿轨操控。(The invention relates to a magnetic field force/moment action delivery system, which comprises a plasma collecting device and a pulse plasma torus transmitting device, wherein the pulse plasma torus transmitting device is used for generating and transmitting a pulse plasma torus and comprises an inner shaft, an outer shaft, an inner shaft electromagnet, an outer shaft electromagnet, a high-energy capacitor and a plasma injection port, the inner shaft and the outer shaft are two coaxial sleeves, the inner shaft electromagnet is arranged on the inner wall of the inner shaft, and the outer shaft electromagnet is arranged on the outer wall of the outer shaft. The system can better solve the problem that the acting distance of electromagnetic force/torque is limited, and realize the ultra-long-distance rapid delivery of electromagnetic attitude and orbit control on the space target.)
技术领域
本发明属于航天器电磁操控技术领域，涉及一种磁场力/力矩作用投送系统及其地面测试装置。
背景技术
航天器电磁操控(涵盖电磁对接、编队飞行、涡流消旋等应用)技术具有不消耗推进剂、无羽流污染、连续可逆控制能力等优势，应用潜力巨大；目前，国内外相关科研机构已开展了系统的地面试验研究，拟开展在轨技术验证。然而，电磁力/力矩作用存在内在不足，即力/力矩数值与相对距离的3～4次方成反比，操控空间受限。为此，近十几年来，研究者已探索研究了多种辅助手段，如超导体应用、系绳-电磁协同等，但操控空间仅能扩展至几十米量级，远不能满足空间目标姿轨操控需求。
针对空间目标姿轨操控的磁场力/力矩作用超远距快速投送系统与方法尚未见到公开发表文献。在核聚变领域，托卡马克送料系统(如同轴枪、紧凑环等)中涉及一些共性技术，如等离子体片生成与加速发射；然而，由于系统与方法的输入端约束与输出端需求差异性较大，具体的电磁场设计与操控方法存在较大区别：
第一，现有装置输入端电容器的充电电压、体积、质量巨大，不适合在轨操控应用。
由于核聚变反应堆巨大的能量与送料速度/精度需求，电容器的充电电压、体积、质量巨大；单一航天器或空间站都不能满足现有装置设计所需的能量等需求。
第二，现有装置不关注等离子体环发射后的输运性能。
现有装置主要为核聚变反应堆送料所需，发射出等离子体片后交由反应堆控制接力，发射装置不关注后续等离子体片的输运性能。
第三，现有装置未考虑等离子体环方向与大小的按需控制。
现有装置目的为核反应堆送料，对等离子体环中带电粒子的运行方向、冻结磁场的大小等未加考虑；基于空间目标的姿轨操控需求，本发明需考虑冻结磁场方向与大小的可控性。
第四，现有装置未具有等离子体原位收集能力。
发明内容
基于此，针对上述技术问题，本发明提供出一种服务于空间目标姿轨操控、可超远距快速(km、亚秒量级)投送磁场力/力矩的系统及其地面测试装置。
一种磁场力/力矩作用的投送系统，包含等离子体收集装置和脉冲等离子体环发射装置，所述脉冲等离子体环发射装置用于产生和发射脉冲等离子体环，包括内轴、外轴、内轴电磁铁、外轴电磁铁、高能电容器、等离子注入口，所述内轴与所述外轴为同轴两套筒，所述内轴电磁铁安装于内轴内壁，外轴电磁铁安装于外轴外壁。
所述脉冲等离子体环发射装置生成脉冲等离子体环的步骤为：
将所述内轴和外轴电磁铁通电，得到一个由内轴指向外轴的径向磁场，外环磁场强于内环磁场；
在内轴与外轴之间形成的环形内腔中充入一定质量的等离子体，形成等离子体团，等离子体团冻结于径向磁场；
内轴与外轴通过等离子体团连接，电流经过内轴向上，流经等离子体团后由外轴流出；通过内轴的电流产生一环向磁场，流经等离子体团的电流与环向磁场相互作用，驱使等离子团向上流动，并切割径向磁场；
冻结在等离子体团中的径向磁力线连接成闭合的磁力线，经过微秒量级时间扩散，等离子体团达到能量最小的稳定环状态，得到稳定状态的脉冲等离子体环。
所述脉冲等离子体环发射装置加速发射等离子体环的步骤为：
使用高能电容器快速放电在环形内腔产生高压，脉冲等离子体环切割径向磁场产生轴向电磁推力，驱动脉冲等离子体环高速运动并发射喷出。
所述脉冲等离子体环的加速发射模型为：
其中，L为回路电容、i为回路电流、R为回路电阻，r内为内轴半径，r外为内轴半径，μ0为真空磁导率，γ＝μ0ln(r内/r外)/2π，l为发射端面中心距等离子体环中心的距离、为单位长度等离子体环发射装置的电阻、C0为高能电容器电容、m为等离子体环质量。
所述脉冲等离子体环的等效磁矩为：q为脉冲等离子体环中带电粒子电荷、ω为脉冲等离子体环中带电粒子沿环向旋转频率、r内≤r≤r外为等离子体环半径，增大等离子体环半径、带电粒子沿环速度、带电粒子电荷能提高脉冲等离子体环等效磁矩。
所述脉冲等离子体环发射装置发射的脉冲等离子体环的出口扩散角可通过外轴长度及高能电容器的充电电压来约束。
所述脉冲等离子体环的姿轨控制通过改变高能电容器放电的电流大小与流向，来改变等离子体环中带电粒子的密度与旋转方向，进而控制冻结磁场的大小与方向，该磁场与空间目标所带磁场相互作用，达到对空间目标吸引或排斥的期望操控。
所述等离子收集装置可向外套式环状延伸，用于在太空环境中原位收集等离子体。
为更好的对脉冲等离子体环发射装置进行测试，一定程度模拟太空物理环境影响，本发明还提出了一种地面测试装置，所述测试装置用于脉冲等离子体环发射装置的地面测试，由外部支撑架、脉冲等离子体环发射装置、脉冲等离子体环发射装置支撑架组成，所述脉冲等离子体环发射装置用于产生和发射脉冲等离子体环，包括内轴、外轴、内轴电磁铁、外轴电磁铁、高能电容器、等离子注入口，所述内轴与所述外轴为同轴两套筒，所述内轴电磁铁安装于内轴内壁、外轴电磁铁安装于外轴外壁。
所述外部支撑架由方形亚克力真空罩与滑轨构成，内部设有隔板用于支撑脉冲等离子环发射装置；所述脉冲等离子体环发射装置支撑架由电磁铁固定架、铜环支撑架与铜环卡槽构成，所述铜环支撑架用于固定外轴，所述铜环卡槽将内轴电磁铁固定架与内轴和外轴固定，其底部开有圆孔可用于尖端放电以电离中性气体。
本发明提出的磁场力/力矩作用超远距快速投送系统及其地面测试装置，其脉冲等离子体环发射装置将产生并加速发射脉冲等离子体环，脉冲等离子体环冻结了一定强度的径向磁场及环向磁场，在真空环境中可稳定飞行一段时间，脉冲等离子体环飞至空间目标附近与其所带磁场作用，对其产生磁场力/力矩操控，进而改变其姿轨运动状态，可较好解决电磁力/力矩作用距离受限问题，实现对空间目标超远距快速电磁姿轨操控。
附图说明
图1为操控航天器搭载的磁场力/力矩作用超远距快速投送系统总体结构；
图2为脉冲等离子体环发射装置结构图；
图3为脉冲等离子体环回路电流随时间的变化关系图；
图4为速度随时间的变化关系图；
图5为整体动能随时间的变化关系图；
图6为加速位置随时间的变化关系图；
图7为脉冲磁场作用的空间目标姿轨操控；
图8为脉冲磁场与目标磁场作用力/力矩等效计算；
图9为脉冲磁场涡流作用力/力矩等效计算；
图10为等离子体收集装置套式环状延伸；
图11为地面测试装置。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
一种操控航天器搭载的磁场力/力矩作用超远距快速投送系统总体结构，如图1所示，包含等离子体收集装置1和脉冲等离子体环发射装置2，所述脉冲等离子体环发射装置2用于产生和发射脉冲等离子体环，其结构如图2所示，所述脉冲等离子体环发射装置2包括内轴2-1、外轴2-2、内轴电磁铁、外轴电磁铁、高能电容器、等离子注入口，所述内轴与所述外轴为同轴两套筒，所述内轴电磁铁安装于内轴内壁、外轴电磁铁安装于外轴外壁，高能电容器位于图2的高能电容器放电及电缆模块2-3中。
在其中一个实施例中，所述脉冲等离子体环发射装置2生成脉冲等离子体环的步骤为：
将脉冲等离子体环发射装置2的内、外轴电磁铁通电，得到一个由内轴指向外轴的径向磁场，外环磁场强于内环磁场；
在内轴与外轴之间形成的环形内腔中充入一定质量的等离子体，形成等离子体团，等离子体团冻结于径向磁场；
内轴与外轴通过等离子体团连接，电流经过内轴向上，流经等离子体团后由外轴流出；通过内轴的电流产生一环向磁场，流经等离子体团的电流与环向磁场相互作用，驱使等离子团向上流动，并切割径向磁场；
冻结在等离子体团中的径向磁力线连接成闭合的磁力线，经过微秒量级时间扩散，等离子体团达到能量最小的稳定环状态，得到稳定状态的脉冲等离子体环。
脉冲等离子体环稳定生成与加速涉及带电粒子在电磁场中的叠加运动：电磁场作用下，注入的等离子体运动由无序状态变成有序状态，即稳定环状；等离子体环加速过程涉及磁流体运动学、辐射流体力学等，目前设计忽略了碰撞、空气动力学等影响，仅考虑电磁场对带电粒子团的按需作用；等离子体环的生成和加速发射过程为三个运动的叠加，一为等离子体绕环形磁场的回旋运动，二为等离子体在径向磁场作用下绕装置轴向回旋运动，三为等离子体环整体加速运动。
所述脉冲等离子体环发射装置2加速发射等离子体环的步骤为：
使用高能电容器快速放电在环形内腔产生高压，脉冲等离子体环切割径向磁场产生轴向电磁推力，驱动脉冲等离子体环高速运动并发射喷出。
所述脉冲等离子体环的加速发射模型为：
其中，L为回路电容、i为回路电流、R为回路电阻，r内为内轴半径，r外为内轴半径，μ0为真空磁导率，γ＝μ0ln(r内/r外)/2π，l为发射端面中心距等离子体环中心的距离、为单位长度等离子体环发射装置的电阻、C0为高能电容器电容、m为等离子体环质量。
通过上式，要想提高脉冲等离子体环出口发射速度，等效为增大回路电流i，可通过扩展加速时间、调节等离子体环质量、增强电容器储能及瞬时放电能力等实现。通过编写Matlab仿真程序，数值仿真脉冲等离子体环回路电流随时间的变化关系如图3所示、速度随时间的变化关系如图4所示、整体动能随时间的变化关系如图5所示、加速位置随时间的变化关系如图6所示，变化规律符合设计预期。其中，‘mg’图例表示三种不同的等离子体环质量。
在其中一个实施例，脉冲等离子体环冻结有轴向环磁场以及极向环磁场，其中仅后者对外产生磁场力作用。轴向环磁场由电流回路产生，电流数值取决于高能电容器的放电能力，计算为：
式中，i为高能电容器放电电流，r1为距轴向环中心的径向距离。
极向环磁场对外产生磁场力作用，为脉冲等离子体环的主导磁场，其等效磁矩计算为：
式中，q为脉冲等离子体环中带电粒子电荷、ω为脉冲等离子体环中粒子沿极向环旋转频率，r为等离子体极向环半径。因此，增大极向环半径、带电粒子沿环速度、带电粒子电荷能提高脉冲等离子体环等效磁矩。
在另一个实施例中，所述脉冲等离子体环发射装置发射的脉冲等离子体环的出口扩散角可通过外轴长度及高能电容器的充电电压来约束。
等离子体环从装置射出后，其位形影响因素包括：运动动能对中性气体的电离、缺乏磁约束、外界等离子体环境影响等。对于真空环境而言，由于中性大气密度超低，等离子体环运动动能对中性气体的电离导致动能转化为热能与电磁能的影响可忽略不计；脱离发射装置电磁场的几何约束后，喷出等离子体环会由于密度梯度及热膨胀而迅速扩散，导致输运过程中能量密度的快速下降；等离子体环的扩散角越大，传播距离越短。
所述脉冲等离子体环的姿轨控制通过改变高能电容放电的电流大小与流向，来改变等离子体环中带电粒子的密度与旋转方向，进而控制冻结磁场的大小与方向，该磁场与空间目标所带磁场相互作用，达到对空间目标吸引或排斥的期望操控。
脉冲磁场高速发射后，可与带电磁装置的航天器(称为磁控航天器)间产生磁场间相互作用、与高速旋转无电磁装置航天器(称为无磁航天器)间产生磁场涡流相互作用，进而对目标航天器产生姿轨操控所需的作用力/力矩，如图7所示。
磁场与磁场间相互作用可基于图8所示计算等效电磁力与力矩，计算模型如下：
其中，T和C磁偶极子分别为目标航天器及操控航天器磁场的等效磁偶极子、oCM为两磁偶极子连线中心、oCMxEM沿连线由T指向C、oCMyEM与oCMzEM定义具有一定自由度(根据具体操控任务设定)、(μT,μC)分别为T及C的磁矩、(α,β)分别为T及C与oCMxEM的夹角、(χ,δ)分别为T及C磁偶极子在oCMyEMzEM面的投影与oCMyEM的夹角、rTC为两磁偶极子间距。
磁场涡流相互作用可基于图9所示计算等效电磁力与力矩，计算模型如下：
其中，Bz为脉冲磁场强度、h为目标航天器外表面壁厚、σ为外表面材料电导率、(Er,Et)分别为径向及切向涡电场强度、v为平移运动速度矢量、(J,Jt)分别为总的及切向涡电流密度、ω为目标航天器旋转运动速度矢量、r为目标航天器等效半径、为目标航天器等效球面的球坐标积分变量。
脉冲磁场作用的空间目标姿轨操控策略设计为：
1)由于脉冲等离子体磁场已剥离操控航天器，可认为电磁场力/力矩仅对目标航天器姿轨运动产生作用，操控航天器姿轨运动不受干扰；因此，操控设计过程可假设操控航天器沿初始轨道运动，可基此作为相对运动分析基准。
2)由于脉冲磁场到达目标航天器附近后的瞬时作用及准直特性，脉冲磁场作用可等效为恒定磁场(强度、位置、方向恒定)对目标航天器作用，可基此开展操控效应分析。
3)脉冲磁场作用对目标航天器产生的瞬态力可等效为速度增量效应，可基此开展目标航天器相对姿态控制/绝对轨道机动操控设计。
在其中一个实施例中，所述等离子收集装置可向外套式环状延伸，如图10所示，该装置用于在太空环境中原位收集等离子体。
为更好的对脉冲等离子体环发射装置进行测试，一定程度模拟太空物理环境影响，本发明还提出了一种地面测试装置，如图11所示，所述测装置用于脉冲等离子体环生成与发射的地面测试，由外部支撑架4、脉冲等离子体环发射装置2、脉冲等离子体环发射装置支撑架组成，所述脉冲等离子体环发射装置2用于产生和发射脉冲等离子体环，包括内轴、外轴、内轴电磁铁、外轴电磁铁、高能电容、等离子注入口，所述内轴与所述外轴为同轴两套筒，所述内轴电磁铁安装于内轴内壁、外轴电磁铁安装于外轴外壁。
所述外部支撑架4由方形亚克力真空罩与滑轨构成，内部设有隔板用于支撑脉冲等离子环发射装置；所述脉冲等离子体环发射装置支撑架由电磁铁固定架、铜环支撑架3与铜环卡槽5构成，所述铜环支撑架用于固定外轴，所述铜环卡槽将内轴电磁铁固定架与内轴和外轴固定，其底部开有圆孔可用于尖端放电以电离中性气体。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。