一种电动流体动力推进器的制造方法
【专利摘要】一种电动流体动力推进器，包括收敛喷管；收敛喷管与同步多级加速器相连，同步多级加速器的进气端固定有交变正负等离子体发生器，交变正负等离子体发生器的外缘设支撑板，连接板位于支撑板内侧，相邻两层连接板及对应的空心连接板围成空气流道；圆环形电极通过电线通过高频脉冲电源连接接地；安装孔内设交变正负等离子体发射单元；高频高压尖端电极与高频圆环电极形成电晕放电，交变正负等离子体发射单元管体的等离子体被喷出；等离子体与从空气流道流入的空气掺混后进入同步多级加速器，经同步多级加速器加速后的带电粒子和空气将进入收敛喷管，收敛喷管加速后喷出；克服高温高压瓶颈，实现空天飞行，具有更高的比冲及推进效率，减小推进剂质量。
【专利说明】—种电动流体动力推进器
【技术领域】
[0001]本发明属于航空航天【技术领域】，具体涉及一种电动流体动力推进器。
【背景技术】
[0002]在当前的推进器领域中，传统的固体火箭发动机和液体火箭发动机的推进效率偏低，所携带的推进剂质量大，有效载荷偏小；传统的涡喷、涡扇等飞机发动机无法实现空天飞行，且存在高温高压等瓶颈问题；冲压发动机和脉冲爆震发动机等新概念发动机也无法实现空天飞行；新提出的电流体推进器和磁流体推进器虽然比冲高，但也并不适合大气内的飞行。因此开发一种具有高能量利用率的新推进技术来实现空天飞行，对促进航空航天的发展具有重要的工程应用前景和实际意义。
[0003]电流体推进技术方面，国外做过很多的研究和尝试。其中EHD (电流体推进)空气泵实现了大气内对空气的加速，但是加速性能偏低。目前公开的外文文献中，空气泵使空气在标况下从静止开始加速很难超过10M/S，其单级泵的效率都在10%以下，多级泵的效率随着级数的增加呈递减的趋势。结构上造成EHD (电流体推进)空气泵效率较低，推力偏小的原因在于电离和加速没有进行功能的分离，即电离和加速在同一区域内进行。该结构使得电离所需的短电极间距，大电压梯度与加速所需的长加速距离，小电压梯度相互矛盾，从而造成了整个系统的效率较低，推力偏小。
[0004]在国内，发明专利【201010107194.7】公开了一种用作航天器辅助推进的高频高压单电极等离子体推进器，该推进器结构简单、比冲高，但只适合于大气层外航天器的辅助推进，且推力较小，不适合作为空天飞行的主要动力。
[0005]通过大量的研究发现电推进技术的两个关键瓶颈是推力小，效率低。本发明专利通过设计独特的交变正负等离子体发生器和同步多级加速器解决了以上两项技术瓶颈，获得了一种新型的基于电流体动力学的推进器。该推进器具有三种工作模式对应于低空、临近空间和太空三种工作环境的需要，是一种真正意义上的具有广泛适应能力的空天飞行器的推进器。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种电动流体动力推进器，克服了现有技术中存在的高温高压瓶颈，实现空天飞行，具有更高的比冲及推进效率，减小推进剂质量。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种电动流体动力推进器，包括交变正负离子发生器、同步多级加速器和收敛喷管三部分；收敛喷管与同步多级加速器相连，同步多级加速器的进气端固定有交变正负等离子体发生器，交变正负等离子体发生器的外缘设有支撑板，连接板 位于支撑板内侧，从内至外共分为五层，连接板为空心环形板，层与层之间由均匀分布的四块空心连接板连接，相邻两层连接板及对应的四块空心连接板围成的流道为空气流道； 所述同步多级加速器由螺钉装配孔、同步多级加速器单元、加速器管壁、接地、电线和高频脉冲电源组成；四个螺钉装配孔与交变正负等离子体发生器的螺钉孔的位置相对应；加速器管壁分为内外两层，内外层之间为空腔；同步多级加速器单元由圆环形电极和绝缘材料构成；圆环形电极通过电线与高频脉冲电源接通；绝缘材料填充在整个加速器管壁的空腔内，将每一级圆环形电极隔离开；高频脉冲电源设置在同步多级加速器的外部，并通过接地接地；
所述交变正负等离子体发生器由螺钉孔、支撑板、交变正负等离子体发射单元、空气流道和连接板组成；交变正负等离子体发生器通过其外缘的环形支撑板与同步多级加速器的前端相连；四个螺钉孔贯穿支撑板并在支撑板上均匀分布；连接板内的安装孔内设有交变正负等离子体发射单兀。
[0008]所述交变正负等离子体发射单元，由电线、高频圆环电极、绝缘材料、等离子体发射单元管体和高频高压尖端电极组成；所述电线分为两路，其中一路与高频圆环电极相连，另一路与闻频闻压尖端电极相连，所述等尚子体发射单兀管体底部中心有一圆孔；闻频闻压尖端电极为一针状金属体，针状金属体的粗端圆柱段固定在绝缘材料的中心，细端尖锥段穿过等离子体发射单元管体的底部中心圆孔并使得尖锥的尖端伸入等离子体发射单元管体的内部；高频圆环电极被嵌套在高频高压尖端电极的粗端圆柱段四周，高频圆环电极与高频高压尖端电极之间有绝缘材料阻隔并包裹；
所述安装孔共126个，从中间到外缘各层的安装孔数量分别为6个、14个、26个、34个和46个，安装孔与安装孔之间紧密排布。
[0009]所述空心连接板和连接板的空心腔体用于安装外接电路，电路与高频脉冲电源连接并为交变正负等离子体发射单元供电。
[0010]所述的最外层的连接板与支撑板的内侧壁面焊接连接；
所述等离子体发射单元管体为一平底圆筒形。
[0011]所述高频圆环电极为一圆环形金属体。
[0012]所述收敛喷管的流道截面为收缩形圆锥面，气体进口截面为圆形，直径相对较大，出口截面也为圆形，直径相对较小。
[0013]所述收敛喷管的气体进口端与同步多级加速器的气体出口端通过焊接相连。
[0014]正负离子发生器利用交变的高电压产生正负(电荷)交替的等离子体，并使得等离子体与空气均匀掺混；同步多级加速器用于将掺混有等离子体的空气进行逐级加速，力口速空气产生的反作用力推动推进器向前运动；收敛喷管将加速后的等离子体及空气进行掺混，使之成为电中性，并进一步整流和加速；最后中性空气从收敛喷管末端喷出完成推进器的功能和目的。
[0015]本发明的一种电动推进器装置，通过控制交变正负等离子体发射单元6的高频高压尖端电极13和高频圆环电极10通电相的位交替变化，使得两极板间形成局部电场扭曲并形成电晕放电，形成带有正负电荷的等离子体的交替喷射；该等离子体与空气均匀掺混后进入同步多级加速器2，同步多级加速器2的相邻两个高频加速电极15之间形成与其间等离子体电荷相对应的加速电场，控制每一个高频加速电极15的通电相位，形成等离子的持续加速，在整个加速过程中等离子体与其周围的空气中性分子进行持续的动量和能量交换，从而实现对掺混空气的加速。[0016]有益效果:本发明利用电而非燃烧的方式作为推进器主要的能量来源，采用了交变式非中性等离子体发生技术，同步多级加速技术以及频率匹配技术，与现有航空发动机技术相比，没有转动部件，突破了高温高压等瓶颈问题，大幅提高了推进效率和推重比，使得航空发动机的推重比从目前的10这一数量级，大幅上升到100这一数量级；另外该发明突破了现有电推进器存在的推力小，效率低，无法在大气层内使用等技术难题，可适用于航空和航天领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的结构示意图。
[0018]图2是交变正负等离子体发生器的结构示意图。
[0019]图3是交变正负等离子体发射单元的结构示意图。
[0020]图4是同步多级加速器的结构示意图。
[0021]图5是高频圆环电极10和高频高压尖端电极13的带电相位图。
[0022]图中:
1.收敛喷管；2.同步多级加速器；3.交变正负等离子体发生器；4.螺钉装配孔；5.支撑板；6.交变正负等离子体发射单元；7.空气流道；8.连接板；9.电线；10.高频圆环电极；11.绝缘材料；12.交变正负等离子体发射单元管体；13.高频高压尖端电极；14.螺钉装配孔；15.同步多级加速器单元；16.加速器管壁；17.接地18.电线；19.高频脉冲电源。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
[0024]参见图1、图2、图3、图4、图5，
本实施例为一种能用于空天飞行器的推进器，包括收敛喷管1、同步多级加速器2、交变正负等离子体发生器3、螺钉孔4、支撑板5、交变正负等离子体发射单元6、空气流道7、连接板8、电线9、高频圆环电极10、绝缘材料11、交变正负等离子体发射单元管体12、高频高压尖端电极13、螺钉装配孔14、同步多级加速器单元15、加速器管壁16、接地17、电线18、高频脉冲电源19。
[0025]参见图1、2，所述交变正负等离子体发生器3由螺钉孔4、支撑板5、交变正负等离子体发射单元6、空气流道7和连接板8组成。所述支撑板5为一环形板，位于交变正负等离子体发生器3的外缘，用于支撑整个交变正负等离子发生器3，并将其连接到同步多级加速器2的前端，起支撑和连接作用，支撑板5的外径在40?3000mm之间，本实施例为100mm，支撑板5的内径在30?2700mm之间，本实施例为80mm。所述螺钉孔4共四个，贯穿支撑板5并在支撑板5上均匀的分布，螺钉孔4用于将交变正负等离子体发生器3固定在同步多级加速器2的进气端。所述连接板8位于支撑板5内侧，从内至外共分为五层，每层都为空心环形板，层与层之间由均匀分布的四块空心连接板连接，相邻两层空心环形板及对应的四块空心连接板围成的流道即为空气流道7，最外层环形板与支撑板5的内侧壁面焊接固定，连接板8上有安装孔用于安装交变正负等离子体发射单元6。所述安装孔共126个，从中间到外缘各层的安装孔数量分别为6个、14个、26个、34个和46个，安装孔与安装孔之间紧密排布。[0026]所述空心连接板20和连接板8的空心腔体用于安装外接电路，空心连接板和空心环形板还起到支撑作用。所述电路与高频脉冲电源连接并为交变正负等离子体发射单元6供电。所述空气流道7是空气进入整个推进器的入口，同时也起到整流的作用。
[0027]参见，2、3，所述交变正负等离子体发射单元6，由电线9、高频圆环电极10、绝缘材料11、等离子体发射单元管体12和高频高压尖端电极13组成，用于激发正负等离子体。所述电线9分为两路，其中一路与高频圆环电极10相连，另一路与高频高压尖端电极13相连，电线9为交变正负等离子体发射单元6工作的能量来源。所述等离子体发射单元管体12为一平底圆筒形，圆筒的高度在3?45mm之间，本实施例为12臟，内径为2?45臟，本实施例为6mm,壁厚为0.2?2mm,本实施例为0.7mm,在平底圆筒的底部中心有一圆孔用于安装高频高压尖端电极13。所述高频高压尖端电极13为一针状金属体，针状金属体的粗端圆柱段固定在绝缘材料11的中心，细端尖锥段穿过等离子体发射单元管体12的底部中心圆孔并使得尖锥的尖端伸入等离子体发射单元管体12的内部，粗端外径为0.3?5mm，本实施例为1mm，整个高频高压尖端电极13长度为3?45mm，本实施例为10mm。所述高频圆环电极10为一圆环形金属体。所述圆环形金属体被嵌套在高频高压尖端电极13的粗端圆柱段四周，圆环形金属体的外径为1.8?40mm,本实施例为6mm,内径为0.8?12mm,本实施例为2mm。所述高频高压尖端电极13和高频圆环电极10之间有绝缘材料11阻隔并包裹。
[0028]参见图1、4，所述同步多级加速器2位于收敛喷管I和交变正负等离子体发生器3之间，由螺钉装配孔14、同步多级加速器单元15、加速器管壁16、接地17、电线18和高频脉冲电源19组成，用于加速等离子体并带动空气一起向后加速形成向前的推力。所述螺钉装配孔14共四个，与交变正负等离子体发生器3的螺钉孔4的位置相对应，用于将交变正负等离子体发生器3固定在同步多级加速器2上。所述加速器管壁16分为内外两层，内外层之间为空腔，外层壁面的直径为40?3000mm，本实施例为100mm，内层壁面的直径为30?2700_，本实施例为80_。所述内外层壁面之间为空腔，用于安装同步多级加速器单元15及其电路。所述同步多级加速器单元15由圆环形电极和绝缘材料构成，圆环形电极通过电线18与高频脉冲电源19接通。所述圆环形电极的直径与加速器管壁16的内外两层壁面相适应，即处于两层壁面之间，同时满足绝缘的需要。所述同步多级加速器单元15之间的距离，即级与级之间的距离为3?300mm，本实施例为40mm，级间的电势差为5?30000V，本实施例为5?8000V，级间电势差的大小变化用于调节推进器的推力。
[0029]所述电线18将同步多级加速器单元15与高频脉冲电源19的对应同步电源接通。所述绝缘材料填充在整个加速器管壁16的空腔内，并将每一级圆环形电极隔离开。所述高频脉冲电源19设置在同步多级加速器2的外部，并通过接地17接地。
[0030]所述收敛喷管I的流道截面为收缩形圆锥面，气体进口截面为圆形，直径相对较大，出口截面也为圆形，直径相对较小，本实施例的进口直径为80mm，出口直径为65mm。所述收敛喷管I的气体进口端与同步多级加速器2的气体出口端通过焊接相连，收敛喷管I可将通过同步多级加速器2加速后的气体进一步加速。
[0031]参见图5，一种电动推进器装置是这样工作的:启动高频脉冲电源19，交变正负等离子体发生器3的所有交变正负等离子体发射单元6都将得到图5所示的脉冲电压，其中电压U1加载在高频高压尖端电极13上，电压为3000?60000V，本实施例为7000V，U2加载在高频圆环电极10上，电压为3000?60000V，本实施例为7000V。如图5所示的O?&时刻，高频高压尖端电极13带有7000V的正电压，高频圆环电极10带有7000V的负电压，高频高压尖端电极13与高频圆环电极10将形成电晕放电，放电产生的带正电的等离子体将在交变正负等离子体发射单元管体12的底部不断积累并形成一定的浓度，绝缘材料11将保护闻频圆环电极10和闻频闻压尖端电极13之间不发生击穿；在h?t2时刻，闻频闻压尖端电极13上带有的电压为OV的，高频圆环电极10带有7000V的正电压，在这一时间段内电晕放电结束，交变正负等离子体发射单元管体12的底部积累的带正电的等离子体被喷出；在t2?t3时刻，高频高压尖端电极13带有7000V的负电压，高频圆环电极10带有7000V的正电压，高频高压尖端电极13与高频圆环电极10将形成电晕放电，放电产生的带负电的等离子体将在交变正负等离子体发射单元管体12的底部不断积累并形成一定的浓度；在t3?t4时刻，高频高压尖端电极13上带有的电压为OV的，高频圆环电极10带有7000V的负电压，在这一时间段内电晕放电结束，交变正负等离子体发射单元管体12的底部积累的带负电的等离子体被喷出，如此循环往复，交变正负等离子体发生器3就能按照所需的频率和等离子体离子浓度不断的喷射出带同种电荷的等离子体，本实施例的频率为10?2000HZ。所述交变正负等离子体发生器3喷出的等离子体与从空气流道7流入的空气掺混后进入同步多级加速器2。所述每一级同步多级加速器单元15都与高频脉冲电源19连接，并加载有脉冲电压，脉冲电压以正电压、零电压、负电压、零电压作为一个周期不断循环，相邻两级同步多级加速器单元15所加载的电压相差1/4个周期。所述每一级同步多级加速器单元15在带电时即形成一个等势面。所述的等势面之间则形成加速电场，加速电场使得等离子体加速并带动空气一起加速，加速等离子体产生的反作用力形成了推进器向前的推力。所述同步多级加速器单元15上加载的脉冲电压频率与交变正负等离子体发射单元6上加载的电压频率相匹配。所述同步多级加速器单元15上加载的脉冲电压的频率越高，脉冲正负电压之间的压差越大，推进器的推力就越大。经同步多级加速器2加速后的带电粒子和空气将进入收敛喷管1，在收敛喷管I内带有不同电荷的等离子体将发生中和反应，形成中性的空气分子并与其它空气一起在收敛喷管I内加速，最后从收敛喷管I出口处喷出。
【权利要求】
1.一种电动流体动力推进器，包括交变正负离子发生器(3)、同步多级加速器(2)和收敛喷管(I)三部分，其特征在于，收敛喷管(I)与同步多级加速器(2)相连，同步多级加速器(2)的进气端固定有交变正负等离子体发生器(3);交变正负等离子体发生器(3)的外缘设有支撑板(5)，连接板(8)位于支撑板(5)内侧，连接板(8)为空心环形板，连接板层与层之间由均匀分布的空心连接板(20)连接；相邻两层连接板(8)及对应的空心连接板(20)围成的流道为空气流道(7)； 所述同步多级加速器(2)由螺钉装配孔(14)、同步多级加速器单元(15)、加速器管壁(16)、接地(17)、电线(18)和高频脉冲电源(19)组成，加速器管壁(16)分为内外两层，内外层之间为空腔；同步多级加速器单元(15)由圆环形电极和绝缘材料构成，圆环形电极通过电线(18)与高频脉冲电源(19)接通，绝缘材料填充在整个加速器管壁(16)的空腔内，将每一级圆环形电极隔离开；高频脉冲电源(19)设置在同步多级加速器(2)的外部，并通过接地(17)接地； 所述交变正负等离子体发生器(3)由螺钉孔(4)、支撑板(5)、交变正负等离子体发射单元(6)、空气流道(7)和连接板(8)组成，交变正负等离子体发生器(3)通过其外缘的环形支撑板(5)与同步多级加速器(2)的前端相连，四个螺钉孔(4)贯穿支撑板(5)并在支撑板(5)上均匀分布，连接板(8)内的安装孔内设有交变正负等离子体发射单元(6)。
2.根据权利要求1所述的一种电动流体动力推进器，其特征在于，所述交变正负等离子体发射单元(6)，由电线(9)、高频圆环电极(10)、绝缘材料(11)、等离子体发射单元管体(12)和高频高压尖端电极(13)组成；所述电线(9)分为两路，其中一路与高频圆环电极(10)相连，另一路与高 频高压尖端电极(13)相连，所述等离子体发射单元管体(12)底部中心有一圆孔；高频高压尖端电极(13)为一针状金属体，针状金属体的粗端圆柱段固定在绝缘材料(11)的中心，细端尖锥段穿过等离子体发射单元管体(12)的底部中心圆孔并使得尖锥的尖端伸入等离子体发射单元管体(12)的内部；高频圆环电极(10)被嵌套在高频高压尖端电极(13)的粗端圆柱段四周，高频圆环电极(10)与高频高压尖端电极(13)之间有绝缘材料(11)阻隔并包裹。
3.根据权利要求1或2所述的一种电动流体动力推进器，其特征在于，所述安装孔共126个，从中间到外缘各层的安装孔数量分别为6个、14个、26个、34个和46个，安装孔与安装孔之间紧密排布。
4.根据权利要求1所述的一种电动流体动力推进器，其特征在于，所述空心连接板(20)和连接板(8)的空心腔体用于安装外接电路，电路与高频脉冲电源连接并为交变正负等离子体发射单元(6)供电。
5.根据权利要求1所述的一种电动流体动力推进器，其特征在于，所述的最外层的连接板(8)与支撑板(5)的内侧壁面焊接连接。
6.根据权利要求2所述的一种电动流体动力推进器，其特征在于，所述等离子体发射单元管体(12)为一平底圆筒形。
7.根据权利要求2所述的一种电动流体动力推进器，其特征在于，所述高频圆环电极(10)为一圆环形金属体。
8.根据权利要求1所述的一种电动流体动力推进器，其特征在于，所述收敛喷管(I)的流道截面为收缩形圆锥面，气体进口截面为圆形，直径相对较大，出口截面也为圆形，直径相对较小。
9.根据权利要求1所述的一种电动流体动力推进器，其特征在于，所述收敛喷管(1)的气体进口端与同步多级加速器(2)的气体出口端通过焊接相连。
10.根据权利要求1所述的一种电动流体动力推进器，其特征在于，所述的连接板(8)从内至外共分为五层，空心连接板(20)的数量为四块。
【文档编号】F03H1/00GK103912466SQ201410140861
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】王文东, 李世武, 王泽元, 魏建生 申请人:王文东