本发明属于空间核能推进、微推进和矢量推进技术领域，具体而言，本发明涉及一种类球形结构高精度矢量合成核能微推进器，具体为是面向航天器应用的、核能推力面元通过类足球结构进行合成、通过面元开关进行大小、开闭状态控制的高精度矢量推力合成推进系统。
背景技术：
近年来，随着空间科技的不断发展以及空间探索的持续深入，空间飞行器的动力源种类逐渐丰富，从微牛量级至千牛以上的动力系统，姿态调整系统层出不穷，与之配套的推进装置在不断的实践中也逐渐产生了许多改变和革新。
目前，国际上先进推进的种类很多，已有的先进电推进有近十种方案，涉研单位广泛，成熟度不一，非电推进也有很多方案，如：微波/激光(合称能量束)推进、聚变、电帆、金属氢、高氮化合物、反物质、裂变碎片推进等。这些先进推进很多处于trl<3阶段，先进推进领域研究还很不充分。
核能推进是航天器先进推进技术的前沿之一。在各种先进推进中，核能具有能量密度高、寿命长、比冲大的特点，是先进推进研发的前沿之一，nasa在“未来空间技术发展路线”和“三十项关键技术”都提到要大力发展先进核能推进。目前，核能推进的关注点几乎围绕在核热推进，其核心是一个裂变堆，而裂变以外其他核能推进都属于尚无足够技术支撑的超前概念，如核聚变，反物理和裂变碎片等。基于裂变的核热推进也处于起步阶段，国际上核裂变应用于空间推进还处于理论与实验研究阶段(主要是美、俄)，国内尚无相关的空间实验。核裂变堆最大的困难在于小型化，其受到裂变临界体积的限制，目前不能达到立方米以下的体积、吨以内的质量，并不适应小型化应用。
推进系统的另一个热点方向是微推进，微推进器一般指微牛到牛顿量级推力的推进器。astrorecon会议上总结近期最成熟、有望成为主推进的微推进有三种：碘霍尔电推进器(iodinehall)，微型电喷射推进器(mep，microelectrospraypropulsion)和太阳帆(solarsails)，分别处在trl5，trl5，trl6-7技术阶段。前两者寿命有限，需要kw以上的电能消耗，后者矢量控制难度大，adcs系统复杂。目前对微推力要求最高的是引力波、重力场测量以及近代基础物理实验的航天器。国际上如lisa(laserinterferometerspaceantenna)，gg(galileogalilei)，goce(gravityfieldandsteady-stateoceancirculationexplorer)，tepo(testoftheequivalenceprinciplewithopticalreadoutinspace)，要求微推力精度控制达到0.1微牛，目前仅有少数国家少数推进器类型达到该要求，我国尚无相关能力。
航天器，特别是长寿命航天器和深空探测航天器，需要携带大量的推进工质以维持长期消耗，部分计划要求初始超过50％的重量用来携带推进工质，这对航天运载和结构、可靠性、寿命、飞行中任务规划等都带来了巨大挑战。寻找无/少工质的推进方式是航天推进永不失活的命题，但目前缺少实现途径。
矢量推进是能够改变推力方向与大小的推进方式。气体反冲式、化学反冲式、离子反冲式、核动力式、太阳能式等传统以及新型空间动力源，主要依靠推进器姿态调整、扰流板、二次喷流、挠性喷口、喷口叶片等方式。姿态控制方式的工作模式是调整推进器姿势，进而调整推力方向，但姿态控制式的推力矢量控制方式，复杂、缓慢，还因为推进器转动引起星本体角动量变化，从而使得对星本体也要进行消旋和消振操作，使得控制过程更加复杂和缓慢。
可见，先进推进领域还在大发展阶段，需要不断补充新概念和新的推进性能范围；核能推进目前还不具有小型化能力；微推进得到了长足发展，但是仍有耗电大和控制难度大两个缺点；无工质推进还在积极寻找实现方式；传统的基于姿态调整的矢量推进，具有需要消旋引起的复杂、缓慢等缺点。因此，对现有航天器用推进装置在原理、结构、理念上进行改变是必要的。
技术实现要素：
本发明的发明目的是针对现有空间矢量推进用姿态调整推力方式的复杂性和对星本体造成额外消旋要求的不足而提供一种基于核能的、对转式开关控制方式的、调整推力的过程不改变星本体角动量的类球形结构高精度矢量合成核能微推进器。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
本发明的类球形结构高精度矢量合成核能微推进器，包括类球形矢量合成支架、核能动力面元、面元控制开关、面元传热单元、热电转换中心五个子结构，其中类球形矢量合成支架，其为一类球形外凸构型，由一到多种正多边形平面拼接组成类球形结构，使平面上附着的核能动力面元的独立推力指向类球形结构中心，进而提供了分推力的矢量合成为总推力的基本构型，是高精度推力和方向控制的结构基础；
核能动力面元，由薄膜基底上附着α放射性衰变材料形成；α放射性衰变材料向基底侧2π空间发射的α粒子被基底阻挡吸收，不形成推力，向开放的2π空间发射的α粒子，形成推力；该面元的推力垂直于面元表面，从基底侧指向α放射性衰变材料侧，面元开放面积提供推力，被遮挡面积不提供推力，在消耗尽前恒发热；面元与面元控制开关的最大开放孔径尺寸一致、配准，位于面元控制开关底部；
面元控制开关对核能动力面元的面积、推力进行连续控制；面元控制开关成叠层环形，形成中央通道；面元的面积遮挡结构采用多叶结构，嵌入控制结构中；开关采用对旋方式，控制结构正转，多叶结构反转打开，通道扩大，面元提供的推力变大；反之亦然，控制结构反转，多叶结构正转关闭，通道缩小，面元提供的推力变小；
面元传热中心为高导热材料的中空管构成，连接每个核能动力面元与热电转换中心，使得面元与热电转换中心的热端充分换热；中空内部穿行面元控制开关的控制走线；
热电转换中心具有热端、热电转换器件和冷端三层结构，热端和冷端形成温差，通过热电转换器件持续发电；冷端仍有较高热量，继续作为航天器热源使用。
进一步地，使用核能自发衰变能的粒子动能作为直接动力形成无源的微推进器，是将衰变源等效替换为自发辐射α衰变源或中子源。
进一步地，使用核能实现推进、发电、发热的复合功能；核衰变中质量亏损获得的能量主要以α粒子的动能形式存在，使用该动能形成反冲推力，被基底和其他结构阻挡的α粒子动能最终转化为薄膜热量，进行热传导和热电转化，实现发电，再利用冷端余热，成为无源推进器、同位素电池、同位素热源的统一体。
进一步地，采用对旋方式进行推力单元的开关方式，从而推力调整过程不引入航天器本体的角动量变动，不需要星本体额外消旋、消震。
进一步地，将超声电机与光阑通过适应性设计将二者集成在一起形成面元控制开关，旋转电机本身与环形负载之间的相互配合实现每个核能动力面元足够的面积占比和高效的独立控制。
进一步地，面元控制开关的超声电机可任意停止，从而实现光阑的孔径大小连续可调，相应的动力大小可任意调整。
进一步地，面元控制开关的断电摩擦自锁特性，从而实现光阑的孔径大小在两次控制动作之间可断电。
进一步地，采用单一平面构成类足球面，或者采用多种不同尺寸的平面拼接构成类球形。
进一步地，上述的单一平面为三角形、圆形或六角形。
本发明具有如下的有益效果：
(1)该推进器分属核能推进、微推进、无工质推进、无源推进、高精度矢量推进和同位素电池拓展应用范畴，对上述领域都是原理和应用补充；
(2)基于本发明思想构建的推进器，可以实现推力的方向和大小在一定范围内高精度可调，适用于微纳皮卫星的主推进，和高精高稳平台的精确控制推力器，使用本发明小型结构，可满足当前航天器最高要求的无拖曳飞行的引力波任务，如elisa和天琴的精确控制推进器要求；
(3)本发明的对旋开关方式使得推进器本身调整过程角动量守恒，星本体不需额外消旋、消震，形成了与传统推进器姿态调整方式相比巨大的优势；
(4)本发明使用核能衰变一次能源(动能)直接推进，二次能源(热)热利用和热电利用，是一种集约型系统，不但推力形成的过程不需要电力，还可以为航天器供电、供热；
(5)本发明五个部分分工明确，相互独立，核能推力面元与面元控制开关只具有少数几个尺寸，在搭建、测试时可以将整个系统模块化，简单、快速。
附图说明
图1是本发明的矢量推进器整体结构示意图(正面)；
其中，11.类球形矢量合成支架，12.核能动力面元，13.面元控制开关。
图2是本发明的矢量推进器整体结构示意图(背面)；
其中，21.面元传热单元，22.热电转换中心。
图3是本发明的矢量推进器中核能动力面元的结构示意图；
其中，31.α衰变材料，32.基底。
图4是本发明的矢量推进器中热电转换中心的结构示意图；
其中，41.面元传热单元，42.热端，43.热电转换器件，44.冷端，45.微推进器的球体中心。
图5是本发明的矢量推进器中面元控制开关的结构示意图(等轴测)；
其中，51.光阑，52.光阑叶片，53.转子，54.摩擦齿，55.定子，56.压电陶瓷。
图6是本发明的矢量推进器中面元控制开关的结构示意图(局部放大)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。本实施例达到的推进参数为：推力范围在0-4.6μn，其中0.5-4.5μn范围内推力调节精度优于0.1μn；方位角θ(与球面z轴的夹角)在0-45°范围内角度调节精度优于0.1°，方位角
首先，基于本发明的推进系统，包括以下列表中的各单元：
本发明的核心物理原理在于子结构之一的核能动力面元。核能动力面元是基于α放射性衰变材料提供推力。自然界天然存在一些、反应堆或加速器可生产一些具有α自发放射性的核素。一般来说核素较重，多为原子量a>200，以固定的半衰期向4π空间等概率自发辐射出4-9mev的α粒子，也就是高速氦核(约5％光速)。这个过程产生质量亏损δm，按照δe＝δmc2转化为粒子动能，动能进一步转化为热能的过程被人类广泛的应用于同位素电池，但能量初始以粒子动能的形式存在也提供了反冲动力的物理基础。α粒子在固体中的径迹很短，只能穿透约20μm的铝箔，所以基于α放射性衰变的动力方式只能采用面结构，即：α放射性衰变材料以薄膜的形式附着在基底薄膜上。α放射性衰变材料只能构成很薄的薄膜，以保证背向基底侧2π空间有足够α粒子出射，形成对推进器进而星本体的反冲动力，基底薄膜的作用是将面向基底侧2π空间出射的α粒子能够被基底完全截留在体系内，两者共同保证了面元的推力总效果是垂直于面元表面，从基底方向指向α放射性衰变薄膜方向，该推力单向、持续。
本发明的推进器的核心结构是类球形高精度矢量合成结构。核能动力面元被剪裁成圆形单元，为了实现具有本发明精神的矢量控制方式，每个面元被安排了不同方位角朝向，以保证合成分量方向的多样性。为了保证推力分量矢量合成为推力总量的便利性，各面元朝向同一个中心，即面元排布结构采用类球形结构。为了保证面元单元的相似性，提供面元加工工艺以及面元控制开关的加工尺寸的统一性，该类球面结构宜采用类正多边形或类球形结构。
本发明的推进器的核心控制方式是面元控制开关。核能动力面元如果可以提供最大为n的动力，则面元控制开关可以为每个面元提供0-n之间的任意状态的独立控制，进而可以影响多面元合力的大小和方向。面元控制开关成叠层环形，形成中央通道。核能推进面元位于控制结构底部，遮挡结构采用多叶结构，嵌入控制结构中。开关采用对旋方式，即：控制结构正转，多叶结构反转打开，通道扩大，面元提供的推力变大；反之亦然，控制结构反转，多叶结构正转关闭，通道缩小，面元提供的推力变小。对旋开关方式一来为面元提供了足够的通道面积，二来控制过程，推力器动作过程角动量守恒，不引起星本体角动量变化，从而不需要星本体配合推力调整做额外的消旋、消振，形成比传统星上控制方式明显的优势。
上述类球形高精度矢量合成结构排布的面元和面元控制开关一起构成了一种高精度矢量控制的方式。每个面元提供的推力朝向固定，大小通过控制开关连续可调，类球形排布对多朝向可调推力进行合成，理论上具有无穷多种角度和总推力的调整结果。
本发明通过热电转换中心和面元传热单元将推进器扩展应用为同位素电源。α衰变材料既产生动力，同时又在大量产热。热电转换中心具有热端/热层，面元的热量通过面元传热单元，与热电转换中心的热端形成热平衡。热电转换中心具有冷端/冷层，通过向星本体传热、或者连接散热结构形成冷端。热端、冷端之间具有热电转换器件，进行温差发电。冷端热量仍较高，可以继续作为卫星热源使用。面元传热单元具有良好的结构特性和导热特性，内中空，连接面元和热电转换中心，提供良好的足球结构的结构稳定性、面元的热导出功能以及面元控制单元所需的电源以及控制导线。
实施例
如图1与图2所示，类球形矢量合成支架11，为一外凸构型。其材质为耐热、耐蚀、高强度钛合金。其由6个同样的正五边形和5个同样的正六边形平面组成，同时具有5个同样的梯形非功能面补足底面，共同形成小半个球面构型。每个正五边形和正六边形内切圆外平面上，附着固定核能动力面元12和它相对应的面元控制开关13，内平面中心，连接21面元传热单元21，将热量导出到热电转换中心22。正五边形边长5.04cm，正五边形内切圆半径3.47cm，正六边形边长5.04cm，正六边形内切圆半径4.37cm，穹顶五边形中心的方位角θ＝0°，外围一圈5个六边形中心的方位角θ＝37.38°，最外围一圈5个五边形中心的方位角θ＝63.43°。内球面半径11.10cm，热电转换中心轮廓半径5.85cm，合金框架厚度为3.5mm(最薄处)。
如图3所示，核能动力面元，具有基底32和α衰变材料31。其基底32为25μm铝，α衰变材料31为10μm的210po同位素，以金属粉末混合粘合材料方式涂覆在基底上，纯度>90％。210po同位素的半衰期为1.20×107s
(138.89天)，以99.9988％的分支比释放出能量为5.3044mev的α粒子，以0.0012％的分支比释放出4.5167mev的α粒子、803.05kev的γ光子以及一个kev量级的电子,衰变子体为206pb，为稳定核素。基底32可阻挡>95％出射在面向基底半空间的5.3044mev的α粒子。核能动力面元形成的最大动力0.2mn/m2，热8.9-11.8kw/m2(视开关状态)。核能动力面元位于其面元控制单元的底部，与其光阑叶片打开的最大孔径尺寸一致、配准。
面元传热单元为中空紫铜管，外半径6mm，内半径4mm，连接在每个动力面元中心和热电转换中心的热端上，进行充分传热，每个内部孔道为对应的面元控制开关提供2根控制信号线，各面元控制信号线独立。
如图4所示，热电转换中心为一多层球壳结构，由从微推进器的球体中心45向外层叠的热端42、热电转换器件43和冷端44组成。热端连接面元传热单元41，接受各面元的传热，与之形成热平衡，材质为铜，厚度为2mm，平衡温度约为500k。冷端连接散热片、热管等热控结构，持续散热，维持与热端150k的温差，材质为铜，厚度2mm。热端42和冷端44之间为热电转换器件，器件材质型号teg-pro公司的tgpr热电转化芯片，尺寸56mm×56mm×5mm，在冷端热端夹层球面上排布5片，发电量5.6w/片，共28w。
如图5与图6所示，面元控制开关由光阑51、光阑叶片52和行波型旋转超声电机(驱动装置)组成。其中，行波型旋转超声电机具有转子53、摩擦齿54、定子55、压电陶瓷56。光阑51与超声电机均为圆环形叠层结构，二者一起位于每一个核能动力面元的正上面，光阑51在上超声电机在下。光阑51及光阑叶片52能够实现中央通道的打开与关闭，由行波型旋转超声电机驱动，该开合系统通过控制核能推力面元的开闭情况，实现对面元推力大小的控制和总推力角度及大小的高精度矢量合成控制，叶片按圆周均匀排列在光阑内，通过旋转实现光阑的打开闭合。超声电机为环形，在光阑下方，通过摩擦齿的摩擦力带动转子旋转，从而驱动光阑。超声电机部分通过一定的预压力将转子53紧压在定子55上，通过摩擦齿54为它们之间的摩擦传动提供必要的正压力。工作时在压电陶瓷56上施加在超声频段内的两相(a相和b相)具有一定相位差的同额、等幅的正弦交流电压，利用压电材料的逆压电效应可在定子中激发出行波，从而将电能转换为定子55的超声振动，再利用接触摩擦机理将定子的高频微幅振动规整成为转子53的旋转运动并带动负载，整个过程实现了从电能输入到机械能输出的能量转换。超声电机驱动光阑51实现动力的大小调整，且可随时停止，并且由于超声电机的摩擦特性，更有断电自锁功能。每一个面都能独立实现开关，开关的大小任意可调，从而实现了真正意义上的矢量推进。实施例光阑叶片材质为304不锈钢，电机材料为pzt锆钛酸铅，结构形成的边缘的厚度五边形是7mm，六边形是8.7mm。
从图6中可以看出，由激励电源引发压电陶瓷的逆压电效应，激发出行波，行波引起定子振动，再利用接触摩擦机理将定子的高频微幅振动规整成为转子的旋转运动并带动负载。推进器的工作方式是，在获得推力大小和方向的控制指令后，计算获得每个独立面元控制开关的打开、关闭或保持的分解命令以及行进行程，进而给每个独立面元控制开关输出和行进方向和行程相符电源脉冲，然后等待下一个控制指令。两次控制指令之间无需供电，控制开关实现摩擦自锁。核能推进面元无论开关状态，持续发热，推进器的热电转换中心，无论推进器保持和动作中，均持续提供电力。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变、增删和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。