本实用新型涉及一种为现代小卫星的轨道提升、位置保持、姿态控制和组网飞行等提供精准推力的新型推力器，尤其涉及一种利用激光烧蚀固体工质产生激光烧蚀等离子体，然后利用磁场形成限制等离子体膨胀的虚拟喷管，同时利用静电场对等离子体进行加速的微推力器。
背景技术：
现代小卫星具有重量轻、体积小、研制周期短、功能密度大、发射灵活、成本低、组网较快、生存能力强等优势，在民用方面已经在空间通信和导航、高分辨率对地遥感、科学研究与技术验证、深空探测、高校培训等领域发挥了重要作用，在军用方面对处理突发事件、空间控制与力量运用和信息化战争的联合作战等产生了重要影响。而且随着现代小卫星技术的进一步发展，它将在军民用方面发挥越来越重要的作用。因此，世界各国对现代小卫星技术非常重视。
随着现代小卫星技术快速发展，特别是小卫星编队或组网飞行和小卫星轨道机动的要求，迫切需要发展用于现代小卫星的自主控制技术。现代小卫星的自主控制技术包括主动力控制和被动力控制，虽然被动力控制能在不消耗卫星能源的情况下对现代小卫星的轨道保持和姿态控制等提供控制，但是其控制精度低，且无法满足不同任务需求对现代小卫星机动性的需要。因此，研究人员对现代小卫星自主控制技术中的主动力控制进行了大量的研究。主动力控制一般包括微型化学燃料推力器、微型电推力器、反作用轮、控制力矩陀螺等，其中微型电推力器具有比冲高、最小元冲量小、推力可调等优点，非常适用于现代小卫星。
激光等离子体微推力器(简称μLPT)作为微型电推力器中的一种，它是利用聚焦后的激光烧蚀推进剂表面产生包含等离子体、气体、中性粒子等微小喷射物来产生推力的微推力器。它与其它推力器相比具有以下特点：
(1)质量小、体积小、功耗小。随着激光器的发展，质量轻、体积小、功率小的激光器经过聚焦系统聚焦后能产生足够高的激光强度来使烧蚀工质产生等离子体。同时，激光器待机时无功率消耗。
(2)最小元冲量较小，冲量易调节且范围广。μLPT可以通过改变激光强度和脉宽的大小来改变单脉冲冲量，且实验测得的单脉冲冲量可跨越5个数量级，最小元冲量为1nN·s。
(3)比冲高。目前使用聚合物做工质时实验测得的典型比冲高于500s，最大比冲可达1000～2000s，这远高于传统化学微推力器。
(4)推力小、跨越范围广并且可控。μLPT可以通过改变激光强度、脉宽和脉冲工作频率对推力的大小进行控制，推力最小可达到亚微牛量级，使用特殊工质推力最大可达百毫牛量级或更高。
(5)可靠性高。一方面，激光器作为μLPT中的关键部件，其稳定工作时间超过100万小时；另一方面，μLPT工作过程中不会产生溅射或腐蚀等现象，这也保证了该推力器的可靠性。
(6)结构简单。与其它推力器相比，μLPT不需要中和器、加热器、高电压设备、储箱和阀门等，因此其结构简单并且紧凑。
但是，μLPT也存在一些问题。首先，μLPT工作时存在羽流扩散面积大的现象，这容易造成羽流被推力器其它组件所阻挡；其次，μLPT工作存在羽流不与工质烧蚀面垂直的现象，这会造成部分推力的浪费。这两个问题虽然可以通过加入物理喷管来对羽流进行限制，但是这会增加推力器的重量并可能会增加推力器设计的难度。最后，μLPT的比冲还有待进一步提高。
技术实现要素：
针对现有μLPT存在的羽流扩散面积大、羽流不与工质烧蚀面垂直的现象和比冲有待提高等问题，本实用新型目的在于提供一种基于虚拟磁喷管的激光-静电场耦合推力器。
为实现本实用新型之目的，提高μLPT的性能，采用以下技术方案予以实现：
基于虚拟磁喷管的激光-静电场耦合推力器，包括激光系统、静电场组件、磁场组件；所述静电场组件包括静电场加速电源、静电场加速正极以及静电场加速负极，所述静电场加速电源的正负端分别通过导线连接静电场加速正极和静电场加速负极，所述静电场加速正极和静电场加速负极平行相对设置在磁场组件的磁场内部，静电场加速电源为静电场加速正极和静电场加速负极通电，在静电场加速正极和静电场加速负极之间建立电势差，从而在两者之间形成静电场，以对激光烧蚀工质产生的激光等离子体加速；
所述工质设置在磁场组件的磁场内部且与静电场加速负极平行相对，所述磁场组件能够产生垂直于工质的磁场；磁场组件上开设有供激光束穿过的圆孔，所述激光系统发射的聚焦后的激光束穿过磁场组件上的圆孔垂直入射到磁场组件内的工质上，烧蚀与静电场加速负极平行相对的工质而产生激光等离子体；磁场组件产生的垂直于工质的磁场形成限制激光等离子体膨胀的虚拟喷管，静电场加速正极以及静电场加速负极之间的静电场对激光等离子体进行加速喷出进而形成推力。
进一步地，本实用新型所述磁场组件包括两块平行相对设置的磁铁，两块平行相对设置的磁铁能够产生垂直于工质的磁场，该磁场形成限制激光等离子体膨胀的虚拟喷管，起到约束等离子体羽流的作用。
进一步地，本实用新型所述激光系统包括给推力器输出脉冲激光的脉冲激光器和光束调节系统，所述光束调节系统设置在脉冲激光器的正前方，用于对脉冲激光器发射出的脉冲激光进行聚焦。
进一步地，本实用新型还包括控制系统以及电源处理系统，控制系统与电源处理系统连接，电源处理系统连接静电场加速电源、脉冲激光器，电源处理系统按照控制系统的指令为静电场加速电源、脉冲激光器提供所需的电能。控制系统通过电源处理系统进而控制静电场加速电源的输出电压，通过改变静电场加速电源的输出电压大小来改变静电场加速正极和静电场加速负极之间的电势差，从而改变两者之间静电场的大小，进而改变对等离子体加速的效果，最终达到调整推进性能的作用。
控制系统的作用是对电源处理系统、光束调节系统和脉冲激光器进行控制，以按照空间任务的需求来对各个耗电部件的输出电压、激光参数和聚焦后光斑大小、位置进行调节，从而改变推力器的相关推进性能。脉冲激光器、光束调节系统均与控制系统连接，控制系统控制脉冲激光器的工作，且控制系统通过控制光束调节系统进而能够调整脉冲激光束其聚焦后的光斑大小以及聚焦点位置。脉冲激光器的作用是给推力器输出脉冲激光，其输出的激光参数(比如脉冲激光能量、脉宽、波长、工作频率等)可以通过控制系统进行调节，从而控制推进性能的大小，以完成不同的任务需求。
进一步地，还包括工质供给装置，所述工质供给装置与工质连接，能够持续不断的为推力器提供工质，以更新烧蚀位置，保证同样激光烧蚀条件下具有较为相同的烧蚀条件，从而确保较为相同的烧蚀产物，进而确保提供精准的推力。工质可以为铜、铝、银、铁等能在太空环境中易于存储且能被激光烧蚀产生等离子体的导电固体材料，所以不像采用气体、液体作为工质的推力器那样需要推进剂储箱、阀门和管路等系统，因此，推力器可以非常简单和紧凑。
所述静电场加速正、负极可以为铜、铝、银、铁等导电固体材料，它的作用是与工质形成相对电势差，从而在两者之间形成静电场，进而对激光烧蚀产生的等离子体进行加速。
作为本实用新型的一种实施方式，将工质同时作为静电场加速正极使用，静电场加速正极即工质，静电场加速电源的正负端分别通过导线连接工质和静电场加速负极，在工质和静电场加速负极之间建立电势差，从而在两者之间形成静电场；磁场组件中的1#磁铁的内侧贴设有静电场加速负极，2#磁铁的内侧贴设有工质，1#磁铁、2#磁铁、工质以及静电场加速负极的中心均在同一轴线上；工质和静电场加速负极的截面形状、截面面积均相同；
静电场加速负极的中心与1#磁铁的中心重合且在这两者的中心位置均开设有一供激光穿射的圆孔；所述激光系统发射的聚焦后的激光束穿过1#磁铁以及静电场加速负极的中心位置处开设的圆孔垂直入射到与静电场加速负极平行相对的工质的中心位置上，烧蚀工质产生激光等离子体；两块平行相对设置的磁铁间的垂直于工质的磁场形成限制激光等离子体膨胀的虚拟喷管，工质和静电场加速负极之间的静电场对激光等离子体进行加速，加速后的激光等离子体从静电场加速负极以及1#磁铁其中心位置开设的圆孔喷出，进而形成推力。
上述这种实施方式中所述激光系统还包括羽流保护装置，羽流保护装置位于光束调节系统和脉冲激光器的正前方，具体地，羽流保护装置位于光束调节系统其输出端的正前方。其作用是阻挡推力器产生的羽流，防止光束调节系统和脉冲激光器受到羽流中微粒、气体以及等离子体的污染，从而影响其工作状态。
作为本实用新型的另一实施方式：磁场组件中的1#磁铁的内侧贴设有静电场加速负极，2#磁铁的内侧贴设有静电场加速正极，静电场加速负极和静电场加速正极相互正对且两者的截面形状、截面面积均相同；在静电场加速负极和静电场加速正极之间设置有工质，所述工质的一侧面与静电场加速负极正对，工质的另一侧面贴覆有一层透明基底层，所述静电场加速正极正对工质其贴覆有一层透明基底层的一侧面；静电场加速正极的中心与2#磁铁的中心重合且在这两者的中心位置均开设有一供激光穿射的圆孔，所述静电场加速负极的中心与1#磁铁的中心重合且在这两者的中心位置均开设有供被静电场加速后的等离子体通过的圆孔。
脉冲激光器发出激光输入光束调节系统，光束调节系统对其进行聚焦，聚焦后的激光束穿过2#磁铁以及静电场加速正极其中心位置开设的圆孔垂直入射到工质的透明基底层上，透过透明基底层后烧蚀固体工质产生激光等离子体；两块平行相对设置的磁铁间的垂直于工质的磁场形成限制激光等离子体膨胀的虚拟喷管，静电场加速负极和静电场加速正极之间的静电场对激光等离子体进行加速，加速后的激光等离子体从静电场加速负极以及1#磁铁其中心位置开设的圆孔喷出，进而形成推力。
相对于现有技术，本实用新型产生了以下有益技术效果：
1、激光烧蚀会使得诱导出来的等离子体具有数千米每秒的初速度，具有初速度的等离子体被静电场进一步加速，有望提高其推进性能。
2、因为任何固体材料都能作为推进剂，所以可用工质的范围增大且不需要推进剂储箱、阀门和管路等系统。同时，该推力器活动部件较少，因此，推力器结构非常简单，可靠性高，响应速度快。
3、由于可以通过控制系统实现对激光参数、静电场电压和聚焦后光斑的大小进行调节，所以该推力器功耗、推力和比冲可调性更高。
4、由于磁场组件提供了与工质表面垂直的强磁场，它能限制带电粒子的径向运动(拉莫半径很小)，同时带电粒子和中性粒子之间的碰撞也限制了中性粒子的径向运动，从而创造出一个沿着磁场线方向的虚拟磁喷管。该喷管能使得等离子体羽流具有更好的方向性，避免了推力的损失，同时也使得等离子体的运动速度增加，从而提高了推进性能。
综上所述，该基于虚拟磁喷管的激光-静电场耦合推力器具有结构简单、比冲高、可靠性高、推力可调整性高等优点，有望为现代小卫星的轨道提升、位置保持、姿态控制和组网飞行等提供精准推力，为现代小卫星的长时间位置保持和机动飞行等提供了可行的推力器。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
图2是实施例2的结构示意图。
图中标号：
1、控制系统；2、电源处理系统；3、静电场加速电源；4、磁铁；401、1#磁铁；402、2#磁铁；5、工质；6、工质供给装置；7、静电场加速负极；8、羽流保护装置；9、光束调节系统；10、脉冲激光器；11、透明基底层；12、静电场加速正极。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例图中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细说明，但本实用新型的实施方式不仅限于此。
参照图1，为本实用新型实施例1的结构示意图。一种基于虚拟磁喷管的激光-静电场耦合推力器，包括控制系统、电源处理系统、激光系统、静电场组件、磁场组件。本实施中，将工质同时作为静电场加速正极使用，静电场加速正极即工质。
激光系统包括包括输出脉冲激光的脉冲激光器10、光束调节系统9和羽流保护装置8，所述脉冲激光器10其输出端的正前方设置有光束调节系统9，光束调节系统9其输出端的正前方设置有羽流保护装置8。光束调节系统9用于对脉冲激光器10发射出的脉冲激光进行聚焦。羽流保护装置其作用是阻挡推力器产生的羽流，防止光束调节系统9和脉冲激光器10受到羽流中微粒、气体以及等离子体的污染，从而影响其工作状态。
磁场组件包括包括两块平行相对设置的磁铁4(分别为1#磁铁401和2#磁铁402)；两块平行相对设置的磁铁4的内侧分别设置有工质5和静电场加速负极7，两块平行相对设置的磁铁4能够产生垂直于工质5的磁场，该磁场形成限制激光等离子体膨胀的虚拟喷管，起到约束等离子体羽流的作用。
所述静电场组件包括静电场加速电源3、静电场加速负极7以及工质5，所述静电场加速电源3的正负端分别通过导线连接工质5和静电场加速负极7，所述工质5和静电场加速负极7平行相对设置在磁场组件的磁场内部，静电场加速电源3为工质5和静电场加速负极7通电，在工质5和静电场加速负极7之间建立电势差，从而在两者之间形成静电场，以对激光烧蚀工质产生的激光等离子体加速。
控制系统1与电源处理系统2连接，电源处理系统2连接静电场加速电源3、脉冲激光器10，电源处理系统2按照控制系统1的指令为静电场加速电源3、脉冲激光器10提供所需的电能。控制系统1通过电源处理系统2进而控制静电场加速电源3的输出电压，通过改变静电场加速电源3的输出电压大小来改变工质5和静电场加速负极7之间的电势差，从而改变两者之间静电场的大小，进而改变对等离子体加速的效果，最终达到调整推进性能的作用。
光束调节系统9和脉冲激光器10也与控制系统1连接，控制系统1对电源处理系统2、光束调节系统9和脉冲激光器10进行控制，以按照空间任务的需求来对各个耗电部件的输出电压、激光参数和聚焦后光斑大小、位置进行调节，从而改变推力器的相关推进性能。控制系统1控制脉冲激光器10的工作，且控制系统1通过控制光束调节系统9进而能够调整脉冲激光束其聚焦后的光斑大小以及聚焦点位置。脉冲激光器10的作用是给推力器输出脉冲激光，其输出的激光参数(比如脉冲激光能量、脉宽、波长、工作频率等)可以通过控制系统1进行调节，从而控制推进性能的大小，以完成不同的任务需求。
参照图1，磁场组件中的1#磁铁401的内侧贴设有静电场加速负极7，2#磁铁402的内侧贴设有工质5，1#磁铁401、2#磁铁402、工质5以及静电场加速负极7的中心均在同一轴线上。工质5和静电场加速负极7的截面形状、截面面积均相同。还包括工质供给装置6，所述工质供给装置6与工质5连接，能够持续不断的为推力器提供工质5，以更新烧蚀位置，保证同样激光烧蚀条件下具有较为相同的烧蚀条件，从而确保较为相同的烧蚀产物，进而确保提供精准的推力。特别注意的是，工质供给装置6、静电场加速负极7、磁铁4、羽流保护装置8、光束调节系统9、脉冲激光器10的对称轴处于同一直线(即图1中的中轴线)上，以保证推力器处于最佳工作状态。
静电场加速负极7的中心与1#磁铁的中心重合且在这两者的中心位置均开设有一供激光穿射的圆孔，由于圆孔面积相对于整个静电场加速负极7的表面积来说很小，因此可以认为圆孔对应区域的静电场和磁场不受该圆孔的影响。所述激光系统发射的聚焦后的激光束穿过1#磁铁以及静电场加速负极7的中心位置处开设的圆孔垂直入射到与静电场加速负极7平行相对的工质5的中心位置上，烧蚀工质产生激光等离子体；两块平行相对设置的磁铁4间的垂直于工质5的磁场形成限制激光等离子体膨胀的虚拟喷管，工质5和静电场加速负极7之间的静电场对激光等离子体进行加速，加速后的激光等离子体从静电场加速负极7以及1#磁铁其中心位置开设的圆孔喷出，进而形成推力。
参照图2，为本实用新型实施例2的结构示意图。一种基于虚拟磁喷管的激光-静电场耦合推力器，包括控制系统、电源处理系统、激光系统、静电场组件、磁场组件。
激光系统包括包括输出脉冲激光的脉冲激光器10、光束调节系统9，所述脉冲激光器10其输出端的正前方设置有光束调节系统9。光束调节系统9用于对脉冲激光器10发射出的脉冲激光进行聚焦。
磁场组件包括包括两块平行相对设置的磁铁4(分别为1#磁铁401和2#磁铁402)；两块平行相对设置的磁铁4的内侧分别设置有静电场加速负极7和静电场加速正极12，两块平行相对设置的磁铁4能够产生垂直于工质5的磁场，该磁场形成限制激光等离子体膨胀的虚拟喷管，起到约束等离子体羽流的作用。
所述静电场组件包括静电场加速电源3、静电场加速负极7和静电场加速正极12，所述静电场加速电源3的正负端分别通过导线连接静电场加速正极12和静电场加速负极7，所述静电场加速负极7和静电场加速正极12平行相对设置在磁场组件的磁场内部，静电场加速电源3为静电场加速负极7和静电场加速正极12通电，在静电场加速负极7和静电场加速正极12之间建立电势差，从而在两者之间形成静电场，以对激光烧蚀工质产生的激光等离子体加速。
控制系统1与电源处理系统2连接，电源处理系统2连接静电场加速电源3、脉冲激光器10，电源处理系统2按照控制系统1的指令为静电场加速电源3、脉冲激光器10提供所需的电能。控制系统1通过电源处理系统2进而控制静电场加速电源3的输出电压，通过改变静电场加速电源3的输出电压大小来改变静电场加速负极7和静电场加速正极12之间的电势差，从而改变两者之间静电场的大小，进而改变对等离子体加速的效果，最终达到调整推进性能的作用。
光束调节系统9和脉冲激光器10也与控制系统1连接，控制系统1对电源处理系统2、光束调节系统9和脉冲激光器10进行控制，以按照空间任务的需求来对各个耗电部件的输出电压、激光参数和聚焦后光斑大小、位置进行调节，从而改变推力器的相关推进性能。控制系统1控制脉冲激光器10的工作，且控制系统1通过控制光束调节系统9进而能够调整脉冲激光束其聚焦后的光斑大小以及聚焦点位置。脉冲激光器10的作用是给推力器输出脉冲激光，其输出的激光参数(比如脉冲激光能量、脉宽、波长、工作频率等)可以通过控制系统1进行调节，从而控制推进性能的大小，以完成不同的任务需求。
参照图2，磁场组件中的1#磁铁401的内侧贴设有静电场加速负极7，2#磁铁402的内侧贴设有静电场加速正极12，1#磁铁401、2#磁铁402、静电场加速负极7、静电场加速正极12的中心均在同一轴线上。静电场加速负极7和静电场加速正极12相互正对且两者的截面形状、截面面积均相同。在静电场加速负极7和静电场加速正极12之间设置有工质5，所述工质5的一侧面与静电场加速负极7正对，工质5的另一侧面贴覆有一层透明基底层11，所述静电场加速正极12正对工质5其贴覆有一层透明基底层11的一侧面。本实施例中，工质5和透明基底层11很薄，一般为几十μm。透明基底层11需采用耐激光烧蚀且透光性好的透明材料，如聚对苯二甲酸乙二脂薄膜、醋酸纤维素薄膜、聚酰亚胺树脂薄膜等。透明基底层11和工质5粘合在一起，工质供给装置6在更新工质5时同时更新透明基底层11，以保证较为相同的烧蚀产物，进而确保提供精准的推力。特别注意的是，工质5、静电场加速负极7、静电场加速正极12、磁铁4、光束调节系统9、脉冲激光器10的对称轴处于同一直线(即图2中的中轴线)上，以保证推力器处于最佳工作状态。
静电场加速正极12的中心与2#磁铁402的中心重合且在这两者的中心位置均开设有一供激光穿射的圆孔，由于圆孔面积相对于整个静电场加速正极12的表面积来说很小，因此可以认为圆孔对应区域的静电场和磁场不受该圆孔的影响。所述静电场加速负极7的中心与1#磁铁401的中心重合且在这两者的中心位置均开设有供被静电场加速后的等离子体通过的圆孔。
实施例2为一种透射模式的基于虚拟磁喷管的激光-静电场耦合推力器，实施例1为一种反射模式的基于虚拟磁喷管的激光-静电场耦合推力器。透射模式的不存在反射模式时羽流对光束调节系统和脉冲激光器的污染，因此实施例2不需要羽流保护装置。同时，该透射模式下不存在反射模式时喷射物对入射激光的干扰现象。
参照图2，脉冲激光器发出激光输入光束调节系统，光束调节系统对其进行聚焦，聚焦后的激光束穿过2#磁铁402以及静电场加速正极12其中心位置开设圆孔垂直入射到工质5的透明基底层11上，透过透明基底层11后烧蚀固体工质5产生激光等离子体；两块平行相对设置的磁铁4间的垂直于工质5的磁场形成限制激光等离子体膨胀的虚拟喷管，静电场加速负极7和静电场加速正极12之间的静电场对激光等离子体进行加速，加速后的激光等离子体从静电场加速负极7以及1#磁铁401其中心位置开设的圆孔喷出，进而形成推力。
综上所述，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。