等離子推進(jìn)器和用于產(chǎn)生等離子推進(jìn)推力的方法
【專利摘要】涉及可微型化的等離子推進(jìn)器的本發(fā)明包括：-通過接近于出口并且位于用于注入推進(jìn)劑氣體的裝置內(nèi)部的微空心陰極放電對(duì)等離子進(jìn)行點(diǎn)火，該注入裝置為磁性體并且在其下游端處包括尖端；-在注入裝置的排出端處使被磁化的等離子的電子進(jìn)行旋磁旋轉(zhuǎn)；-通過電子回旋諧振(ECR)維持等離子，注入裝置為金屬并且被用作用于電磁(EM)發(fā)射的天線，ECR等離子在注入裝置的出口處的容積被用作EM波的諧振腔；-通過反磁力在磁流體噴管中加速等離子，被噴射的等離子為電中性的。
【專利說明】等離子推進(jìn)器和用于產(chǎn)生等離子推進(jìn)推力的方法
[0001] 本發(fā)明涉及等離子推進(jìn)器和通過該等離子推進(jìn)器產(chǎn)生推進(jìn)推力的方法。
[0002] 人造衛(wèi)星通常使用輔助引擎或推進(jìn)器執(zhí)行軌道或姿態(tài)校正動(dòng)作。以同樣的方式， 旨在用于太陽(yáng)系勘探的航天探測(cè)器具有推進(jìn)器，推進(jìn)器允許它們將其自身非常精確地定位 在行星周圍或者甚至是著陸到小行星上以從其取得材料樣品。
[0003] 通常，已知為化學(xué)或推力推進(jìn)器的這些推進(jìn)器通過使用如肼（N2H2)或過氧化氫 (充氧水）的液體燃料最多提供幾牛頓的推力。在這些推進(jìn)劑的分解期間，化學(xué)能轉(zhuǎn)換成 熱，然后在熱氣在噴嘴中的擴(kuò)散期間轉(zhuǎn)換成推力?；瘜W(xué)推進(jìn)器的主要缺點(diǎn)在于它們的比沖 量受限制，而這使得推進(jìn)劑需要操作它們表現(xiàn)衛(wèi)星的總質(zhì)量的一半而它們的高推進(jìn)劑消耗 量限制了衛(wèi)星的使用壽命。
[0004] 為了能夠使航天任務(wù)走的更遠(yuǎn)并且持續(xù)更久，近年來已可出現(xiàn)了具有相比于化學(xué) 推進(jìn)器的優(yōu)點(diǎn)的等離子推進(jìn)器，其提供更多特殊脈沖，相比于動(dòng)力系統(tǒng)的質(zhì)量顯著地增加 了工作負(fù)載以及衛(wèi)星的使用壽命。如將看到的是，它們的主要缺點(diǎn)在于：缺乏點(diǎn)火的可靠 性，特別是當(dāng)推進(jìn)劑氣體壓力低時(shí)；因某些元件的離子轟擊導(dǎo)致它們有限的使用壽命；以 及它們對(duì)于它們例如在微型衛(wèi)星上的使用的小型化限制。盡管比化學(xué)推進(jìn)器的能量產(chǎn)率更 高，但是應(yīng)注意如果改善它們的能量產(chǎn)率，甚至可以面對(duì)更遠(yuǎn)或更長(zhǎng)的任務(wù)。
[0005] 等離子推進(jìn)器可以根據(jù)考慮它們點(diǎn)火等離子的模式或者朝著噴嘴的出口加速等 離子的模式而以不同的方式被分類。應(yīng)注意，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)與彼此獨(dú)立并且彼此同樣重 要。事實(shí)上，點(diǎn)火模式確定推進(jìn)劑氣體的電離的完全性和點(diǎn)火的可靠性，由此確定推進(jìn)器的 可靠性，并且可以確定等離子放電腔室的大小、推進(jìn)器的重量和能量產(chǎn)率。就加速等離子的 模式而言，這確定了推力、比沖量和能量產(chǎn)率，并且可以確定推進(jìn)器的空間要求、重量和使 用壽命。
[0006] 如果它們的點(diǎn)火模式被考慮為分類標(biāo)準(zhǔn)，等離子推進(jìn)器的第一種類是如專利申請(qǐng) US 5, 640, 843中所描述的、已知為"電弧噴射"推進(jìn)器的推進(jìn)器，其原理為通過電弧以推進(jìn) 器氣體的噴射方式對(duì)等離子進(jìn)行點(diǎn)火。推進(jìn)器的這種種類的優(yōu)點(diǎn)在于，所有都一樣，除了其 提供比其他類型的等離子推進(jìn)器高的推力，但其具有以下主要缺點(diǎn)：這些推進(jìn)器具有相比 于其他等離子推進(jìn)器的比沖量低的比沖量；消耗大量電流；因電極和放電腔室的內(nèi)部被達(dá) 到數(shù)千至數(shù)萬度的量級(jí)的溫度的離子和電子轟擊而導(dǎo)致具有有限的使用壽命；要求余熱被 排出到空間，而這導(dǎo)致了可憐的能量產(chǎn)率。此外，當(dāng)推進(jìn)劑氣體的局部壓力低時(shí)等離子的點(diǎn) 火缺乏可靠性。
[0007] 根據(jù)這種同樣的標(biāo)準(zhǔn)，等離子推進(jìn)器的第二種類是在包含待被電離的推進(jìn)劑氣體 的放電腔室中通過電磁（EM)波的諧振，通常是通過微波的諧振單獨(dú)地對(duì)它們的等離子進(jìn) 行點(diǎn)火的等離子推進(jìn)器的類型。這種種類的推進(jìn)器的主要缺點(diǎn)在于因只有小部分的EM能 量被等離子吸收而導(dǎo)致相對(duì)低的能量產(chǎn)率。此外，推進(jìn)劑氣體的電離很少是完全的，特別是 當(dāng)推進(jìn)劑氣體流率高時(shí)，并且在推進(jìn)劑氣體的局部壓力低時(shí)等離子的點(diǎn)火缺乏可靠性。
[0008] 根據(jù)這種同樣的標(biāo)準(zhǔn)，等離子推進(jìn)器的第三種類是使用等離子的被磁化的自由電 子的"旋磁諧振"或者"電子回旋諧振"(ECR)的等離子推進(jìn)器的種類。隨著磁場(chǎng)對(duì)于等離子 的施加導(dǎo)致了其自由電子以同一個(gè)確定方向在同一個(gè)確定頻率處自旋，等離子理論上可以 在哪里被點(diǎn)火，然后通過電磁波的總吸收維持等于1的能量產(chǎn)率，電磁波的磁場(chǎng)以與這些 磁化電子相同的速度并且以相同的方向旋轉(zhuǎn)。為了實(shí)際上最大化這種能量產(chǎn)率，放電腔室 的長(zhǎng)度實(shí)質(zhì)上等于電磁波在真空中的半波長(zhǎng)的整數(shù)，而這提出了放電腔室的小型化問題并 由此提出了推進(jìn)器的小型化問題。事實(shí)上，為了能夠增加 EM波的諧振頻率同時(shí)仍具有ECR 條件，必需相關(guān)地增加磁場(chǎng)的強(qiáng)度，這最初預(yù)料到了強(qiáng)力電磁感應(yīng)圈的使用、但是這些線圈 的空間要求和重量與小型化推進(jìn)器的目的背道而馳。此外，由于需要發(fā)射至放電腔室中的 許多源（如，推進(jìn)劑氣體源、EM波源和磁場(chǎng)源）這種小型化問題的復(fù)雜的。專利EP0505327 描述了這種推進(jìn)器。其他【技術(shù)領(lǐng)域】也使用ECR等離子源，例如集成電路的生產(chǎn)領(lǐng)域。專利申 請(qǐng)US20050287描述了 ECR離子源，裝配有電磁感應(yīng)圈，用于微電子學(xué)中的離子注入。因?yàn)?作為適合于用作空間推進(jìn)器的通病的焦耳效應(yīng)導(dǎo)致的損失，電磁感應(yīng)圈的使用導(dǎo)致了對(duì)于 相對(duì)低能量產(chǎn)率的顯著的重量和空間要求。此外，推進(jìn)劑氣體的電離很少是完全的，特別是 當(dāng)推進(jìn)劑氣體流率高時(shí)，并且在推進(jìn)劑氣體的局部壓力低時(shí)等離子的點(diǎn)火缺乏可靠性。最 終，這些推進(jìn)器經(jīng)常遭受在其名為離子泵效應(yīng)下已知的指向上游的寄生等離子噴射的存在 的影響。
[0009] 與它們?nèi)绾螌?duì)等離子點(diǎn)火的方式無關(guān)，等離子推進(jìn)器還可以根據(jù)在噴嘴中加速等 離子的模式的第二標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。
[0010] 根據(jù)這種第二標(biāo)準(zhǔn)，第一族群是已知為"靜電式"的等離子推進(jìn)器的族群，其通過 朝著噴嘴的出口加速等離子的力的靜電性質(zhì)而被特征化。該族群進(jìn)而可以被分類成三個(gè)種 類：加速器格柵推進(jìn)器、霍耳效應(yīng)推進(jìn)器和場(chǎng)效應(yīng)推進(jìn)器。
[0011] 加速器格柵推進(jìn)器的種類通過來自放電腔室的離子通過被電極化的格柵的系統(tǒng) 加速的事實(shí)特征化。應(yīng)注意，所噴射的等離子并不是電中性的。加速器格柵推進(jìn)器具有限 制了它們的有效性和使用壽命的以下缺點(diǎn)：通過加速器格柵的正離子束腐蝕了推進(jìn)器，這 限制了這些推進(jìn)器的使用壽命；被噴射的離子與被噴射的電子重組并且產(chǎn)生材料在固定 有推進(jìn)器的衛(wèi)星的太陽(yáng)電池板上的模糊沉淀；放電腔室必需具有大容積；因?yàn)樵诜烹娗皇?的墻壁處和加速器格柵處的等離子泄漏導(dǎo)致了能量產(chǎn)率相對(duì)低；以及因次級(jí)電子導(dǎo)致推 力受到格子內(nèi)部的密度限制的約束。在專利申請(qǐng)JP01310179和US2004/161579A1中、專 利 US7, 400, 096B1 中、以及在刊登在 THIN SOLID FILMS(薄固體膜），ELSEVIER-SEQUOIA S. A. LAUSANNE，CH，第 337 卷，第 1-2 號(hào)，1999 年 1 月 11 日，第 71-73 頁(yè)，XP004197099， ISSN :0040-6090, DOI :10. 1016/S0040-6090(98)01187-0 中的 MORRISON N.A.等人所著的 文章 "High rate deposition of ta-C:Husing an electron cyclotron wave resonance plasma source (使用電子回旋諧振波等離子源的ta_C:H的高比例沉積）"和刊登在 SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY (表面和涂覆技術(shù)），ELSEVIER，AMSTERDAM，NL，第 202 卷，第 22-23 號(hào)，2008 年 8 月 30 日（2008-08-30)，第 5262-5265 頁(yè)，XP025875510, ISSN : 0257-8972, DOI :10. 1016/J SURFC0AT. 2008. 06. 069 中的 NISHIYAMA K 等人所著的文章 "Microwave power absorption coefficient of an ECR Xenon ion thruster (ECR 氣離子 推進(jìn)器的微波功率吸收系數(shù)）"中給出了加速器格柵推進(jìn)器的例子。
[0012] 霍耳效應(yīng)推進(jìn)器的種類通過圓柱形陽(yáng)極和待負(fù)電荷的等離子而被特征化?；舳?應(yīng)推進(jìn)器使用帶電粒子在交叉的磁場(chǎng)和電場(chǎng)中的漂流。它們的缺點(diǎn)在一方面為伴隨有極 化電極的連續(xù)的電場(chǎng)的存在，而在另一方面為對(duì)于與在這些電極周圍形成外殼關(guān)聯(lián)的等離 子體密度的限制，與容易穿透到電離介質(zhì)中而使得超高頻（UHF)放電是有益的超高頻場(chǎng)不 同，這些電子與連續(xù)的電場(chǎng)對(duì)于等離子的穿透對(duì)置。US 2006/290287描述了這種推進(jìn)器。
[0013] 場(chǎng)效應(yīng)推進(jìn)器的種類通過金屬流體的電離、其加速、然后其電中和性而被特征化。
[0014] 根據(jù)這種第二標(biāo)準(zhǔn)，第二族群是已知為〃電磁式〃的等離子推進(jìn)器的族群。該族 群進(jìn)而可以被分類成六個(gè)種類：脈沖感應(yīng)式推進(jìn)器、磁等離子體動(dòng)力推力器、無電極式推進(jìn) 器、電熱式推進(jìn)器、螺旋雙層推進(jìn)器和μ gradB推進(jìn)器。
[0015] 脈沖感應(yīng)式推進(jìn)器的種類通過間斷的時(shí)間間隔的加速而被特征化。
[0016] 磁等離子體動(dòng)力推力器的種類通過使推進(jìn)劑氣體電離并且在其中產(chǎn)生電流并且 電流轉(zhuǎn)而產(chǎn)生通過洛倫茲力加速等離子的磁場(chǎng)的電極而被特征化。
[0017] 無電極式推進(jìn)器的種類通過沒有電極而被特征化，而這移除了對(duì)于等離子推進(jìn)器 的使用壽命的弱點(diǎn)。其中的推進(jìn)劑氣體在第一腔室中通過EM波電離，然后傳送至供等離子 通過用于產(chǎn)生已知為有質(zhì)動(dòng)力的力的不均勻且振動(dòng)的電磁場(chǎng)加速的第二腔室中。專利US 7, 461，502描述了這種推進(jìn)器。該種類的推進(jìn)器的缺點(diǎn)在于它們使用電磁感應(yīng)圈來產(chǎn)生振 蕩磁場(chǎng)，因?yàn)槎际窍鄬?duì)高的它們的空間要求、它們的重量和它們因嬌兒效應(yīng)的能量損失是 適合于空間應(yīng)用的通病。
[0018] 電熱式推進(jìn)器的種類通過等離子加熱至百萬度量級(jí)的溫度，然后將該溫度局部轉(zhuǎn) 換成軸向速度而被特征化。這些推進(jìn)器要求高功率電磁感應(yīng)圈以產(chǎn)生非常強(qiáng)的磁場(chǎng)以能 夠約束等離子，等離子的電子因它們的溫度而具有非常高的速度。除了這些線圈的空間要 求和重量以外，它們通過焦耳效應(yīng)的散熱也顯著地降低了這些推進(jìn)器的能量產(chǎn)率。專利 US6, 293, 090描述了這種推進(jìn)器，更確切地，其涉及使用等離子不通過其電子的諧振加熱 的、可變比沖量磁等離子體火箭（VASMR)類型的較低混合諧振（經(jīng)由等離子的離子與電子 的結(jié)合振蕩而通過超低頻UHF波的耦合的能量吸收）射頻（RF)推進(jìn)器，這通常是這種種類 的推進(jìn)器的情況，但是其離子通過高功率EM波激勵(lì)。
[0019] 螺旋雙層推進(jìn)器的種類通過將推進(jìn)劑氣體注入到周圍纏繞有天線的管狀腔室而 被特征化，該天線用于發(fā)射高到足以電離氣體然后以通過這種方式產(chǎn)生等離子的方式產(chǎn)生 進(jìn)一步增加等離子的溫度的螺旋波的電力的電磁波。
[0020] " μ gradB"推進(jìn)器的種類還被稱為"空間電荷場(chǎng)"推進(jìn)器，其通過它們抗磁性質(zhì)的 力而被特征化。由J._M. Rax所著的書"Physique des plasmas, cours et application 離子體物理及其實(shí)施"的5. 1章節(jié)徹底地解釋了在講臺(tái)或緩慢可變的磁場(chǎng)中通過UHF電磁 場(chǎng)激勵(lì)的電子的運(yùn)動(dòng)原理。特別是在第152頁(yè)上，描述了存在有被感應(yīng)的長(zhǎng)線的收斂或發(fā) 散并因此存在有與μ gradB磁矩成比例并且與磁場(chǎng)的坡度成比例的在該場(chǎng)的方向上的力。 該力被稱為" μ gradB"或反磁力。形成本專利申請(qǐng)的主題的推進(jìn)器有效地完全基于在本章 節(jié)的課程中解釋的"傳統(tǒng)的"物理原理、在第153頁(yè)提到的對(duì)于μ磁矩的不變性的絕熱性 假設(shè)大大滿足本發(fā)明的情況。然而，這本書并未公開如何設(shè)計(jì)通過ECR維持等離子的等離 子推進(jìn)器，其大小可以相對(duì)于電磁波的半波長(zhǎng)減小并且其點(diǎn)火的可靠性甚至是在推進(jìn)劑氣 體的局部壓力非常低的條件下改善。刊登在JOURNAL OF PROPULSION AND P0WER(推進(jìn)和 動(dòng)力期刊）1996年7-8月AIAA，第12卷，第4號(hào)，1996年7月（1996-07)，第814-816頁(yè)， ΧΡ008133752 中的由 STALLARD Β. W.等人所著的文章"Whistler-drive;r，elect;ron-cyclot ron-resonance-heated thruster: experimental status (惠斯勒驅(qū)動(dòng)器，電子回旋諧振加 熱推進(jìn)器：實(shí)驗(yàn)狀態(tài)）"描述了反磁力推進(jìn)器，該反磁力推進(jìn)器的等離子通過由EM波產(chǎn)生的 電子波點(diǎn)火并維持，EM波具有比旋磁頻率低的頻率，并且由兩個(gè)螺旋形線圈天線并通過由 電磁感應(yīng)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)射，并且具有比ECR強(qiáng)度大的強(qiáng)度。推進(jìn)劑氣體被注入到磁場(chǎng)已 減小至低于ECR強(qiáng)度的區(qū)域中。其導(dǎo)致了該推進(jìn)器的推進(jìn)劑氣體的不完全電離的問題。為 了限制這種電離的這種不完全性，氣體腔室被隔斷。雖然其解釋當(dāng)氣體流率減小時(shí)電離變 得更加完全，但是盡管這種預(yù)防，仍需要甚至對(duì)于低流率的不完全性。也不是關(guān)于改善對(duì)于 非常低流率的推進(jìn)劑氣體的點(diǎn)火的可靠性作出的任何公開或者減小該推進(jìn)器大小的裝置。
[0021] 目前工藝水平的等離子推進(jìn)器并沒有在所有電磁波功率和推進(jìn)劑氣體流率下，特 別是對(duì)于非常低的流率和非常低的推進(jìn)劑氣體局部壓力下同時(shí)結(jié)合可靠點(diǎn)火（系統(tǒng)性且 瞬間性點(diǎn)火）與完全電離的優(yōu)點(diǎn)；不存在導(dǎo)向上游的寄生等離子噴射；相對(duì)于用于維持等 離子的EM波的半波長(zhǎng)具有減小的大小的放電腔室；能夠在允許永久磁鐵的使用的磁場(chǎng)強(qiáng) 度下操作由此避免電磁感應(yīng)圈的空間要求、重量和因焦耳效應(yīng)導(dǎo)致了損失；使推力和比沖 量的受控制的變化變得可能；能夠?qū)崿F(xiàn)接近于1的能量產(chǎn)率；加速中性等離子，由此不需要 被中和；以及其使用壽命不受因等離子的部分磨損的限制、也不受氣體推進(jìn)器沉淀在太陽(yáng) 電池板上的限制。
[0022] 本發(fā)明目的在于生產(chǎn)能夠具有接近于1的能量產(chǎn)率的推進(jìn)器，諸如使用通過ECR 的點(diǎn)火并且具有比使用通過ECR的點(diǎn)火的目前工藝水平的推進(jìn)器更小的尺寸的推進(jìn)器。如 可在下面的描述中可見，發(fā)明人將說明該推進(jìn)器結(jié)合所有上述的優(yōu)點(diǎn)，特別是由于通過與 磁場(chǎng)線的特定集合配置、推進(jìn)劑氣體的注入和EM波發(fā)射一同產(chǎn)生的等離子的新型點(diǎn)火的 實(shí)施。
[0023] 本發(fā)明的原理是在一方面通過減小放電腔室的長(zhǎng)度并且另一方面通過由發(fā)射EM 波的天線注入推進(jìn)劑氣體而減少ECR等離子推進(jìn)器的大小，放電腔室的長(zhǎng)度的減小是通過 由磁場(chǎng)約束的、如EM波的諧振腔的電子諧振等離子區(qū)域的使用而實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)镋CR等離子 的折射率比用于如EM波的諧振腔的本領(lǐng)域的等離子推進(jìn)器中的放電腔室的折射率大5至 10倍。
[0024] 更確切地，本發(fā)明涉及等離子推進(jìn)器，包括：包括內(nèi)腔和排出口的放電腔室；包括 能夠沿著預(yù)定義軸線將推進(jìn)劑氣體注入到放電腔室中的注入噴嘴的至少一個(gè)注入裝置；所 述注入噴嘴具有排出端；能夠以旋磁旋轉(zhuǎn)方式設(shè)定存在于放電腔室中的推進(jìn)劑氣體的電子 的磁場(chǎng)發(fā)生器；以及能夠通過產(chǎn)生至少一個(gè)電磁波來輻射存在于放電腔室中的推進(jìn)劑氣體 的電磁波發(fā)生器，至少要一個(gè)電磁波的電場(chǎng)具有右手圓極化和與通過所述磁場(chǎng)發(fā)生器磁化 的推進(jìn)劑氣體的電子的旋磁諧振的頻率f Eai相等的頻率，其特征在于：
[0025] -所述磁場(chǎng)發(fā)生器能夠：
[0026] 〇在一方面，產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)具有：
[0027] 位于注入噴嘴的內(nèi)部和注入噴嘴的排出端處具有強(qiáng)度的第一局部最大值；
[0028] 場(chǎng)線，場(chǎng)線確定具有與允許電子在所述電磁波的作用下回旋諧振的強(qiáng)度相等的 強(qiáng)度的、被稱為"ECR表面"的等場(chǎng)表面（iso-field)，所述ECR表面包圍所述注入噴嘴的排 出端，通過ECR表面限定的容積為電磁波的諧振腔；
[0029] 位于注入噴嘴的內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度的第二局部最大值，第二局部最大值以所述注 入噴嘴的內(nèi)部的磁場(chǎng)的強(qiáng)度的局部極小值與第一局部最大值分離；
[0030] 〇在另一方面，使所述場(chǎng)線具有噴嘴的形狀以產(chǎn)生反磁推進(jìn)力；
[0031] -所述注入裝置：
[0032] 由導(dǎo)電材料制成并且被電連接至所述電磁波發(fā)生器以使其也充當(dāng)將電磁波發(fā) 射到位于所述注入噴嘴的出口處的推進(jìn)劑氣體中的電磁天線；
[0033] 由磁性傳導(dǎo)材料制成，從而使得在后者內(nèi)部實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的所述第二局部最大 值變得可能；
[0034] 在所述注入噴嘴的下游端處包括具有小于幾毫米的外徑的注入通道。
[0035] 應(yīng)注意，磁場(chǎng)的強(qiáng)度的所述局部極小值充當(dāng)甚至是在非常低的壓力處也能夠使通 過微空心陰極放電對(duì)等離子進(jìn)行點(diǎn)火變得可能的電子阱。
[0036] 還應(yīng)注意，導(dǎo)致ECR表面正確地定位在用于注入由微空心陰極放電電離的推進(jìn)劑 氣體的噴嘴的出口（在數(shù)毫米量級(jí)的距離處）處的磁場(chǎng)線的形狀的重要性。該定位有助于 從注入噴嘴出來的所有中性氣體通過ECR表面而被電離的事實(shí)。
[0037] 應(yīng)注意，推進(jìn)劑氣體和電磁（EM)波通過相同裝置的注入在一方面使具有更緊湊 的放電腔室變得可能，在另一方面保證EM波照射使氣體密度最大化的區(qū)域變得可能，這 使得從注入噴嘴出來的中性氣體的電離水平最大化，這是通過STALLARD B.W.等人描述的 " μ gradB"推進(jìn)器的問題中的一個(gè)。
[0038] 最后，應(yīng)注意，EM波發(fā)射天線的定位于ECR表面的結(jié)合使將照射集中至由供EM波 返回以諧振的ECR表面限定的容積中，這使EM能量通過等離子的吸收最大化并因此使推進(jìn) 器的能量產(chǎn)率最大化。
[0039] 根據(jù)特定實(shí)施方式，等離子推進(jìn)器包括以下特征中的一個(gè)或多個(gè)：
[0040] -根據(jù)上述實(shí)施方式的等離子推進(jìn)器，其中，磁場(chǎng)發(fā)生器作為磁場(chǎng)源包括與預(yù)定義 軸線共軸地布置并且具有第一磁極和第二磁極的、具有圓環(huán)形狀的至少一個(gè)永久磁鐵、與 第一磁極成整體的第一磁性元件以及與第二磁極成整體的第二磁性元件，所述第一磁極和 所述第二磁極分別被布置在離預(yù)定義軸線第一距離處和第二距離處；第二距離比第一距離 長(zhǎng)，第一磁極和第二磁極分別被布置在注入噴嘴相對(duì)于推進(jìn)劑氣體的流動(dòng)方向的上游和下 游處，場(chǎng)線與注入噴嘴相交并且形成相對(duì)于所述預(yù)定義軸線位于10°與70°之間的角度。
[0041] -根據(jù)上述實(shí)施方式的等離子推進(jìn)器，其中，沿著預(yù)定義軸線定義的放電腔室的內(nèi) 腔的長(zhǎng)度比所述電磁波在真空中的半波長(zhǎng)小5至10倍，放電腔室具有位于0. 7平方厘米與 30平方厘米之間的內(nèi)部橫截面積；其中，中央注入通道具有位于0. 7平方毫米與3平方毫 米之間的內(nèi)部橫截面積。
[0042]-根據(jù)上述實(shí)施方式的等離子推進(jìn)器，其中，所述第一局部最大值、局部最小值和 第二局部最大值的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為約0. 18特斯拉、0. 01特斯拉和0. 05特斯拉。
[0043]-根據(jù)上述實(shí)施方式的等離子推進(jìn)器，其中，所述電磁波能夠沿著與預(yù)定義軸線平 行的軸線傳播，以及其中，在預(yù)定義軸線處，所述磁場(chǎng)梯度平行于預(yù)定義軸線；磁場(chǎng)梯度在 由推進(jìn)劑氣體被噴射的方向定義的方向上從上游至下游是負(fù)的。
[0044]-根據(jù)上述實(shí)施方式的等離子推進(jìn)器，包括用于調(diào)制電磁波的功率的裝置和用于 控制推進(jìn)劑氣體的流率的裝置，電磁波的所述功率在第一操作模式中位于〇. 5瓦特與300 瓦特之間，優(yōu)選地位于0. 5瓦特與30瓦特之間。
[0045] -根據(jù)上述實(shí)施方式的等離子推進(jìn)器，包括在一方面布置在所述電磁波發(fā)生器的 出口處的循環(huán)器，在另一方面，布置在由已知為等離子推進(jìn)器的出口平面的排出口定義的 平面的下游處的導(dǎo)電性圓柱形套，導(dǎo)電性圓柱形套的直徑基本上等于電磁波的波長(zhǎng)的四分 之一并且導(dǎo)電性圓柱形套的長(zhǎng)度基本上等于電磁波的波長(zhǎng)的四分之三。
[0046] 下面對(duì)套的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行解釋。因?yàn)椤?μ gradB〃包括具有比入射波長(zhǎng)遠(yuǎn)小的開口腔， 所以與位于孔口中并且輻射至引擎外側(cè)的EM波的衍射關(guān)聯(lián)的顯著功率損失可以在不存在 套的情況下發(fā)生在引擎點(diǎn)火相中。
[0047] 此外，在不存在套的情況下，僅僅與右旋圓偏振對(duì)應(yīng)的Μ波的小部分將被用于在 引擎內(nèi)部具有等離子的ECR，而其余的ΕΜ波通過在排出孔中衍射而返回至ΕΜ發(fā)生器或者輻 射至外側(cè)。如上特征化的套的存在使到達(dá)套的所有ΕΜ功率能夠朝著引擎的內(nèi)側(cè)反射，然后 允許通過布置在所述ΕΜ發(fā)生器處的所述循環(huán)器使返回至發(fā)生器的部分被再次發(fā)送回推進(jìn) 器的腔。當(dāng)其進(jìn)入腔時(shí)，通過循環(huán)器反射的一小部分功率進(jìn)而被右手圓極化并且通過ECR 等離子吸收，在本階段不被吸收的一小部分ΕΜ波再次經(jīng)歷相同的循環(huán)周期，直至所有ΕΜ能 量被ECR等離子吸收。伴隨這種循環(huán)器的這種套的組合能夠在推進(jìn)器的所有操作配置中實(shí) 現(xiàn)接近于1的能量產(chǎn)率。應(yīng)注意，套可以由精細(xì)金屬網(wǎng)制成，并因此可以是輕的。
[0048]-根據(jù)上述實(shí)施方式的等離子推進(jìn)器，包括與軸線共軸的兩個(gè)注入裝置，兩個(gè)注入 裝置中的一個(gè)將待被電離的氣體供給到ECR表面，另一個(gè)通過氣體流率和電弧噴射操作增 加推力。
[0049] 本發(fā)明還涉及通過等離子推進(jìn)器產(chǎn)生推進(jìn)推力的方法，包括以下步驟：
[0050] 使用包括被稱為注入噴嘴的排出端的注入裝置沿著預(yù)定義軸線將推進(jìn)劑氣體 注入到包括內(nèi)腔和排出口的放電腔室中；
[0051] 使用磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生能夠以旋磁旋轉(zhuǎn)方式設(shè)定存在于放電腔室中的推進(jìn)劑氣 體的電子的磁場(chǎng)；
[0052] 使用電磁波發(fā)生器將至少一個(gè)電磁波發(fā)射到存在于放電腔室中的推進(jìn)劑氣體 中，其中至少一個(gè)電磁波的電場(chǎng)具有右手圓極化和與通過所述磁場(chǎng)發(fā)生器磁化的推進(jìn)劑氣 體的電子的旋磁諧振頻率f Eai相等的頻率；
[0053] 通過推進(jìn)劑氣體的電離點(diǎn)火等離子；
[0054] 通過電子的回旋諧振的維持等離子；
[0055] 其特征在于：
[0056] -等離子的點(diǎn)火通過注入裝置的微空心陰極放電來實(shí)現(xiàn)，注入通道使用由磁性材 料制成并且在其下游端處包括具有小于幾毫米的外徑的注入通道；
[0057] -推進(jìn)劑氣體的注入和電磁波的發(fā)射由同一個(gè)注入裝置并且在放電腔室中的同一 個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行，所述注入裝置由導(dǎo)電材料制成并且電連接至電磁波發(fā)生器以將電磁波從所述 注入噴嘴發(fā)射到位于氣體的出口處的推進(jìn)劑氣體中，以最小化推進(jìn)劑氣體在出口上電離的 水平；
[0058] -所述磁場(chǎng)的產(chǎn)生如下：
[0059] 〇在一方面，磁場(chǎng)具有：
[0060] 位于注入噴嘴的內(nèi)部和注入噴嘴的排出端處的強(qiáng)度的第一局部最大值；
[0061] 場(chǎng)線，場(chǎng)線確定具有與允許電子在所述電磁波的作用下回旋諧振的強(qiáng)度相等的 強(qiáng)度的、被稱為"ECR表面"的等場(chǎng)表面，所述ECR表面包圍所述注入噴嘴的排出端；
[0062] 在注入噴嘴的內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度的第二局部最大值，第二局部最大值以所述注入 噴嘴的內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度的局部極小值與第一局部最大值分離；
[0063] 〇在另一方面，磁場(chǎng)使所述場(chǎng)線具有噴嘴的形狀以產(chǎn)生反磁推進(jìn)力；
[0064]-等離子通過電子的回旋諧振的維持通過電磁波在由ECR表面限定的容積中的諧 振來實(shí)現(xiàn)。
[0065] 應(yīng)注意，等離子的點(diǎn)火并不通過ECR實(shí)現(xiàn)，這通常是在目前工藝水平的反磁力推 進(jìn)器的情況，而是通過微空心陰極放電實(shí)現(xiàn)。一旦等離子已被點(diǎn)火并且定位在位于注入噴 嘴的出口處的已知為點(diǎn)火容積的容積中，該等離子通過電磁波設(shè)定在ECR中，這使其折射 率乘上5至10的系數(shù)上然后能夠?qū)⒃撊莘e用作電磁波的諧振腔，由此增加了能量產(chǎn)率。EM 波的諧振介質(zhì)的、比目前工藝水平的折射率高的該折射率在一方面因?yàn)閷?duì)等離子的點(diǎn)火和 維持不再需要放電腔室的長(zhǎng)度與EM波在真空中的半波長(zhǎng)的整數(shù)相等，所以能夠減小放電 腔室的長(zhǎng)度，在另一方面因?yàn)榭梢允褂幂^低頻率的EM波，所以能夠使用具有較低強(qiáng)度、能 夠通過簡(jiǎn)單地使用永久磁體實(shí)現(xiàn)的磁場(chǎng)。
[0066] 等離子通過微空心陰極放電的點(diǎn)火與工作條件無關(guān)地、特別是與氣體流率和EM 電離無關(guān)地提供了系統(tǒng)且?guī)缀跛矔r(shí)的點(diǎn)火，并因此明顯地增加了推進(jìn)器的可靠性。根據(jù)本 發(fā)明的推進(jìn)器因此屬于新類型的等離子推進(jìn)器。
[0067] 此外，有利地，根據(jù)上述實(shí)施方式的等離子推進(jìn)器，其中，等離子推進(jìn)器還包括用 于調(diào)制電磁波的功率的裝置、用于控制氣體流率的裝置、能夠?qū)⑼七M(jìn)劑氣體注入到放電腔 室中的外圍注入通道；以及其中，方法包括以下步驟：
[0068]-通過外圍注入通道將推進(jìn)劑氣體注入到放電腔室中的注入步驟；
[0069]-通過外圍注入通道注入到放電腔室中的推進(jìn)劑氣體的流率的調(diào)節(jié)步驟；
[0070]-電磁波的功率的調(diào)制步驟。
[0071] 通過參考附圖并且閱讀僅僅以舉例的方式給出的下面的說明書將更好地理解本 發(fā)明，在附圖中：
[0072] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的等離子推進(jìn)器的軸向剖面圖；
[0073] 圖2是圖1的局部放大圖，示出了通過根據(jù)本發(fā)明的等離子推進(jìn)器的發(fā)生器產(chǎn)生 的磁場(chǎng)的場(chǎng)線；
[0074] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟的圖表；
[0075] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的變形實(shí)施方式的推進(jìn)器的軸向剖面圖；以及
[0076] 圖5是示出沿著推進(jìn)器的軸線A-A的磁場(chǎng)的圖表。
[0077] 參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明的等離子推進(jìn)器2包括支承體4,支承體4支承通向排出口 48的排氣腔室6。
[0078] 支承體4是在其每個(gè)端部9、11處開口的無磁性中空體。其包括具有旋轉(zhuǎn)軸線A-A 的圓柱形內(nèi)腔14,旋轉(zhuǎn)軸線A-A在下文中被稱為預(yù)定義軸線A-A。
[0079] 腔14包括與預(yù)定義軸線A-A共軸的中央注入通道10。中央注入通道10由例如磁 性金屬管構(gòu)成。其具有比腔14的直徑小的外徑，以使得其與支承體4 一同形成布置在支承 體4的內(nèi)壁與中央注入通道10的外壁之間的外圍注入通道12。
[0080] 特別是，中央注入通道10具有0· 5mm至2mm的內(nèi)徑，優(yōu)選地具有在1mm與1. 5mm 的內(nèi)徑。外圍注入通道12具有3mm至20mm的外徑，優(yōu)選地具有6mm至12mm的外徑，夕卜圍 注入通道12的內(nèi)徑是中央注入通道10的外徑。
[0081] 換言之，中央注入通道10具有0.7平方毫米至3平方毫米的內(nèi)部橫截面積。作為 變型，中央注入通道10和外圍注入通道12具有方形截面。
[0082] 中央注入通道10通過絕緣塊16和夾環(huán)20被固定到支承體4。特別是，中央注入 通道10的一部分被固定到絕緣塊16的通孔中。絕緣塊16被布置和固定在位于支承體4 的肩部18與夾環(huán)20的支承面21之間的腔14中。夾環(huán)20被旋入到支承體4的端部9的 外緣上。
[0083] 第一 0形環(huán)22被介入在絕緣塊16與肩部18之間。第二0形環(huán)24被介入在絕緣 塊16與夾環(huán)20的支承面21之間。
[0084] 在本發(fā)明的內(nèi)容中，中央注入通道10和外圍注入通道12形成將推進(jìn)劑氣體注入 到腔室6中的兩個(gè)裝置。
[0085] 為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，中央注入通道10的一個(gè)端部通過管28連接至推進(jìn)劑氣體源 30。開口 31被布置在支承體4中。該開口 31通向外圍注入通道12。該開口 31通過管44 連接至推進(jìn)劑氣體源30以在處于被稱為"電弧噴射"操作模式的第二操作模式中的等離子 推進(jìn)器的操作期間向外圍注入通道12供給推進(jìn)劑氣體。
[0086] 該源30裝配有用于控制氣體的流率的裝置32。
[0087] 在被稱為"傳統(tǒng)"操作模式的第一操作模式中，推進(jìn)劑氣體的流率位于每小時(shí)0. 1 克與每小時(shí)40克之間。
[0088] 在被稱為"電弧噴射"操作模式的第二操作模式中，推進(jìn)劑氣體的流率位于每小時(shí) 1克與每小時(shí)400克之間，優(yōu)選地位于每小時(shí)10克與每小時(shí)400克之間。
[0089] 中央注入通道10的另一個(gè)端部包括尖端36,例如，通過將通道的環(huán)形邊緣磨成斜 邊而形成。
[0090] 尖端36從支承體4向外延伸至排放腔室6中。這通過被稱為"尖端放電"的效果 來幫助推進(jìn)劑氣體的電離。尖端放電使得能夠?qū)⒋艌?chǎng)集中成放電腔室的容積，又稱為點(diǎn)火 容積。這并不是通過集中電場(chǎng)的線的電暈電離放電，而是在注入噴嘴的出口的緊鄰區(qū)域中 的磁場(chǎng)的兩個(gè)上述強(qiáng)度最大值之間的微空心陰極放電。
[0091] 應(yīng)注意，有兩個(gè)理由使得磁場(chǎng)的強(qiáng)度的局部最大值存在于點(diǎn)火容積中，并因此存 在于注入管的內(nèi)部是可能的。第一，因?yàn)楸究勾艅?dòng)力推進(jìn)器構(gòu)成用于磁場(chǎng)的開口腔、或在一 個(gè)端部處更加精密地構(gòu)成共軸系統(tǒng)開口。第二，因?yàn)橥七M(jìn)器的復(fù)雜的磁路包括作用正是使 大部分磁場(chǎng)特別是通過由磁性材料制成的注入通道10重要的是通過其尖端36進(jìn)入到該容 積中的部分。
[0092] 在本實(shí)施例中，點(diǎn)火容積位于在0. 5mm3與5mm3之間。其被布置在中央注入通道10 的尖端36的12mm至15mm下游處。
[0093] 此外，中央注入通道10適合于發(fā)射電磁波，特別是微波。為此，中央注入通道10 由導(dǎo)電材料形成，并且通過連接器40被電連接至電磁波發(fā)生器38，連接器40例如通過旋入 而被固定至支承體4。連接器40是例如SMA (注冊(cè)商標(biāo)）型連接器。
[0094] 電磁波發(fā)生器38能夠使用電磁波照射存在于放電腔室6中的推進(jìn)劑氣體，電磁波 的電場(chǎng)以與推進(jìn)劑氣體的磁化電子相同的方向和相同的頻率旋轉(zhuǎn)，以通過ECR電子實(shí)現(xiàn)電 磁能的總吸收。更確切地說，電場(chǎng)具有右旋圓偏振和與通過磁場(chǎng)發(fā)生器磁化的推進(jìn)劑氣體 的電子的旋磁諧振頻率相等的頻率。
[0095] 電磁發(fā)生器38裝配有用于調(diào)制電磁功率的裝置42。其適合于在被稱為"傳統(tǒng)"操 作模式的第一操作模式中產(chǎn)生具有〇. 5瓦特至300瓦特功率的電磁波，優(yōu)選地產(chǎn)生具有0. 5 瓦特至30瓦特功率的電磁波，并且在被稱為"電弧噴射"操作模式的第二操作模式中產(chǎn)生 具有50瓦特至500瓦特功率的電磁波，優(yōu)選地產(chǎn)生具有200瓦特至500瓦特功率的電磁波。 [0096] 電磁波的功率大到足以實(shí)現(xiàn)ECR并且足以在它們有時(shí)間輻射前噴射電子，但不會(huì) 太高，以防止這些電子在噴射前的任意輻射，這使得能夠防止通過輻射的任意加熱并且能 夠保存最佳能量產(chǎn)率。推進(jìn)器能夠在不使能量產(chǎn)率降級(jí)的情況下吸收的電磁功率被聯(lián)系到 等離子中的電子的拉莫爾半徑Rb的大小。這必需保持基本小于腔的半徑，以使得電子不在 任何時(shí)候擊打推進(jìn)器的內(nèi)壁（被稱為"磁懸浮"等離子的等離子）。然而，對(duì)于具有電荷qe 和質(zhì)量me的電子而言，在約0. 1特斯拉（1000高斯）量級(jí)的磁場(chǎng)B0中，1毫米的回轉(zhuǎn)半徑 Rb將對(duì)應(yīng)于電子的垂直于磁場(chǎng)的方向上的速度ve = Rb. qe. B0/me = 1. 76X 107m/s。電子 伏特中的表述，與電子的自旋對(duì)應(yīng)的動(dòng)能然后將處于約.92X 105eV的量級(jí)。與氣體的例如 約10eV至20eV的電離能相比，這種限制看上去將難以用此處所涉及的幾十至幾百瓦特的 電磁功率來實(shí)現(xiàn)。
[0097] 還應(yīng)注意，在絕熱工藝中電子在噴嘴中的加速度保持μ磁矩=qe2. Rb2. B0/2me。 B0降低10的系數(shù)，例如因此將僅僅導(dǎo)致電子回轉(zhuǎn)半徑Rb增加約3的系數(shù)。
[0098] 最后，如果需要使用更大的電磁功率，則能夠在不增加其尺寸的情況下通過相關(guān) 地增加磁場(chǎng)B0和EM激勵(lì)波的頻率來增加引擎的操作上限。比在我們的實(shí)驗(yàn)中所使用的那 些磁鐵強(qiáng)大約10倍的磁鐵在市面上已有售。
[0099] 放電腔室6包括通過旋入而被固定至支承體4的端部11的磁場(chǎng)發(fā)生器46。該發(fā) 生器46包括具有兩極的磁場(chǎng)源50、與構(gòu)成磁場(chǎng)源50的磁極的端面成整體的墊圈52、與墊 圈52接觸的保持螺母54、和與構(gòu)成磁場(chǎng)源50的另一磁極的端面成整體的墊圈58。
[0100] 此外，放電腔室6包括用于等離子的排出口 48。
[0101] 磁場(chǎng)源50由例如具有與預(yù)定義軸線A-A共軸的、具有圓環(huán)形狀的永久磁鐵構(gòu)成。 為了簡(jiǎn)化描述，下文中將其稱為磁鐵50。
[0102] 通過磁鐵50發(fā)射的磁場(chǎng)具有位于0. 05特斯拉與1特斯拉之間的強(qiáng)度，優(yōu)選地具 有位于0. 085特斯拉與0. 2特斯拉之間的強(qiáng)度。
[0103] 在本發(fā)明的內(nèi)容中，墊圈52和保持螺母54形成第一磁性元件，墊圈58形成第二 磁性元件。
[0104] 墊圈52、58各自與磁鐵50的環(huán)形面成整體。此外，墊圈52通過例如旋入而被固 定在支承體的端部11的外周上。
[0105] 保持螺母54包括基本截?cái)嗟耐黄?2,截?cái)嗟耐黄?2的旋轉(zhuǎn)軸線是預(yù)定義軸線 A-A。突起62朝著中央注入通道10延伸。
[0106] 墊圈52、保持螺母54和墊圈58由順磁性鋼構(gòu)成，優(yōu)選地由鐵磁性鋼構(gòu)成。
[0107] 參照?qǐng)D2,墊圈52和保持螺母54適合于引導(dǎo)通過永久磁鐵50發(fā)射的磁場(chǎng)，突起 62的最靠近中央注入通道10的端面形成第一磁極64,第一磁極64相對(duì)于推進(jìn)劑氣體的流 動(dòng)方向F1布置在注入噴嘴65的上游并且位于離預(yù)定義軸線A-A第一距離D1處。
[0108] 因?yàn)閴|圈58還適合于傳導(dǎo)磁場(chǎng)，所以墊圈58的最靠近中央注入通道10的端面形 成第二磁極66,第二磁極66相對(duì)于方向F1布置在中央注入通道的注入噴嘴65的下游并且 位于離預(yù)定義軸線A-A第二距離D2處的；第二距離D2比第一距離D1。
[0109] 通過磁場(chǎng)發(fā)生器46發(fā)射的磁場(chǎng)的場(chǎng)線68具有噴嘴的形狀。它們與中央注入通道 10的注入噴嘴65相交并且相對(duì)于預(yù)定義軸線A-A形成10°至70°的角度。換言之，通過 磁場(chǎng)發(fā)生器46發(fā)射的磁場(chǎng)是發(fā)散的。在預(yù)定義軸線A-A的水平處，磁場(chǎng)梯度與預(yù)定義軸線 A-A平行。此外，磁場(chǎng)梯度相對(duì)于推進(jìn)劑氣體被噴射的方向從上游至下游是負(fù)極的。
[0110] 此外，磁場(chǎng)在中央注入通道的注入噴嘴65處具有磁場(chǎng)強(qiáng)度的第一局部最大值。該 強(qiáng)度足以通過ECR完全電離從注入噴嘴65出來的推進(jìn)劑氣體。該強(qiáng)度例如包含在0. 087 特斯拉（用于2. 45GHz的微波頻率的ECR)與約0. 5特斯拉（可以使用永久磁鐵實(shí)現(xiàn)的上 限）。場(chǎng)線68的特定形狀使得ECR表面非常接近于強(qiáng)度的所述第一局部最大值并且使得該 ECR表面包圍注入噴嘴65的排出端165。對(duì)于2. 45GHz的EM波頻率而言，ECR表面位于與 排出端165的下游距離毫米量級(jí)的位置處。
[0111] 在本專利申請(qǐng)中，使在局部磁場(chǎng)中的自由電子的回轉(zhuǎn)頻率實(shí)質(zhì)上等于電磁激勵(lì)波 的頻率的空間區(qū)域被稱為"ECR表面"。
[0112] 此外，磁場(chǎng)發(fā)生器46能夠通過反磁力促進(jìn)注入噴嘴65處朝著排出口 48點(diǎn)火的 等離子，從所述推進(jìn)器噴射的所述等離子是電中性的。應(yīng)注意，ECR等離子源的主要優(yōu)點(diǎn)中 的一個(gè)在于能夠僅僅作用在等離子的自由電子上而非離子上，而這在我們的例子中要求約 0.1特斯拉（1〇〇〇高斯）的、相對(duì)減少的磁場(chǎng)。通過立即出現(xiàn)在等離子內(nèi)并且抵消正離子 的量與電子的量之間的任何不平衡的空間電荷場(chǎng)、或雙極電場(chǎng)非常有效地確保等離子的電 中立性。因此，這并不是必需使用中和劑。在不存在通過可選加速器格柵施加的電場(chǎng)的情 況下，雙極電場(chǎng)并不分裂，并且只遭受反磁力的電子將然后產(chǎn)生它們非磁化正離子的運(yùn)動(dòng) (因此產(chǎn)生等離子的"反磁性化"性質(zhì)）。相互地，在推進(jìn)器的出口上，因?yàn)檫@些先前被加速 的離子在推進(jìn)器內(nèi)部的惰性所以通過空間電荷連接至離子的電子將能夠脫離殘余磁場(chǎng)。與 目前工藝水平的其他推進(jìn)器相反，等離子在磁流體噴管中加速因此在如本實(shí)例中磁流體噴 管通過簡(jiǎn)單的永久磁鐵產(chǎn)生的情況下不要求附加電功率的消耗。這種電功率上的節(jié)省對(duì)于 空間應(yīng)用而言具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。
[0113] 中央注入通道10在ECR區(qū)域的上游通向磁場(chǎng)的發(fā)散部分的開始處。
[0114] 有利地，中央注入通道10充當(dāng)放電腔室6內(nèi)的微波發(fā)射天線39和用于注入待被 電離的氣體的注入噴嘴65。注入噴嘴65包括排出端165。
[0115] 磁鐵50、墊圈52、保持螺母54和墊圈58形成放電腔室6。這具有位于6mm與60mm 之間的直徑，優(yōu)選地具有位于12mm與30mm之間的直徑。放電腔室6由此具有位于0. 7平 方厘米與30平方厘米之間的內(nèi)部橫截面積。
[0116] 放電腔室6的內(nèi)腔14的、沿著預(yù)定義軸線A-A定義的長(zhǎng)度比通過電磁波發(fā)生器38 發(fā)射的電磁波在真空中的半波長(zhǎng)小5至10倍。
[0117] 有利地，放電腔室具有非常小的尺寸。
[0118] 此外，等離子推進(jìn)器2包括安裝夾70和旋入到支承體4的外緣上的鎖緊螺帽72。 此外，0形環(huán)74被布置在安裝夾70與鎖緊螺帽72之間。
[0119] 有利地，根據(jù)本發(fā)明的等離子推進(jìn)器可以通過不消耗能量的永久磁鐵來使用。
[0120] 有利地，放電腔室形成高頻率的諧振腔具有厘米量級(jí)的尺寸和2. 3GHz至2. 8GHz 量級(jí)的相對(duì)低頻。因?yàn)镋CR等離子的光學(xué)指數(shù)非常高，而這使其即使具有較低頻率也能夠 具有較短波長(zhǎng)，所以這是可能的。因?yàn)镋CR頻率與磁場(chǎng)成比例，所以即使具有0.08T至0. 1T 量級(jí)的磁場(chǎng)也使得這種尺寸的腔室可能的，而這可以通過具有小尺寸的環(huán)形永久磁鐵容易 地產(chǎn)生。
[0121] 通過如上所述的等離子推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的用于產(chǎn)生推進(jìn)推力的方法。在 被稱為"傳統(tǒng)的"第一操作模式中，參照?qǐng)D3,該方法包括如下步驟 ：
[0122] -磁場(chǎng)63的產(chǎn)生90;
[0123] -微波通過電磁波發(fā)生器38的發(fā)射100 ;
[0124] -推進(jìn)劑氣體經(jīng)由中央注入通道10向放電腔室6中的注入104 ;
[0125] -等離子的點(diǎn)火101;
[0126] -等離子通過ECR的維持103 ;
[0127] -通過電磁波發(fā)生器38發(fā)射的電磁波的功率通過調(diào)制設(shè)備42的調(diào)制102 ;
[0128] -中央注入通道10中的推進(jìn)劑氣體流率通過控制裝置32的調(diào)節(jié)106。
[0129] 有利地，當(dāng)用于期望節(jié)省推進(jìn)劑氣體時(shí)發(fā)射步驟100在注入步驟104之前實(shí)施，并 且當(dāng)用戶期望節(jié)省電力時(shí)注入步驟104在發(fā)射步驟100之前實(shí)施。
[0130] 此外，在被稱為"電弧噴射"的第二操作模式中，該方法包括以下步驟：
[0131] -附加推進(jìn)劑氣體經(jīng)由外圍注入通道12的注入108 ;
[0132] -外圍注入通道12中的推進(jìn)劑氣體流率通過控制裝置32的調(diào)節(jié)110 ;以及
[0133] -通過電磁波發(fā)生器38發(fā)射的微波的功率使用調(diào)制設(shè)備42的調(diào)制，以在被稱為 "電弧噴射"的第二操作模式中操作。
[0134] 有利地，推進(jìn)劑氣體的軸向注入在該操作模式中通過氣體在中央注入管周圍的注 入來完成。這通常在此處被稱為被稱為"電弧噴射"的第二操作模式的、使用推進(jìn)器的強(qiáng)勁 推力的臨時(shí)操作期間被使用。在這種情況下，放電腔室6的壓力上升使其能夠在其中點(diǎn)火 電弧類型（在大功率微波（大于一百瓦特）的注入的效果下非常濃厚且非常熱）的等離子。 這使其能夠使用更大的推力（約數(shù)百好毫牛頓量級(jí)）操作等離子推進(jìn)器，但也帶來了更大 的熱耗散和更低的能量產(chǎn)率。
[0135] 有利地，通過利用使得推進(jìn)器的比沖量和推力不同地變化的、用于中央注入通道 中的氣體流率的調(diào)節(jié)范圍和用于電磁波的功率的調(diào)節(jié)范圍這兩點(diǎn)、以及在適當(dāng)情況下利用 用于外圍通道中的氣體流率的調(diào)節(jié)范圍和用于電磁波的功率的調(diào)節(jié)范圍，能夠在整個(gè)任務(wù) 上優(yōu)化氣體和能量的消耗。
[0136] 有利地，能夠獨(dú)立地或者組合地使用每個(gè)推進(jìn)模式，組合例如即使在對(duì)于這種推 力的高振幅的情況下也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)總推力的精調(diào)。
[0137] 此外，根據(jù)圖4所示的變體實(shí)施方式，等離子推進(jìn)器120-方面包括連接至電磁波 發(fā)生器38和旋入到支承體4上的連接器40的循環(huán)器80,另一方面包括布置在等離子推進(jìn) 器120的出口平面的下游處的導(dǎo)電性圓柱形套85。
[0138] 循環(huán)器80是通常由鐵酸鹽制成的裝置，其被放置在高頻電路中以保護(hù)電磁式發(fā) 電機(jī)38或者可選地保護(hù)放大器以防止例如通過等離子（對(duì)于EM波發(fā)生器而言，這是待被 輻射的電荷）反射的EM波的返回。在等離子的方向上穿過循環(huán)器80的Μ波的流動(dòng)不被 循環(huán)器吸收。在EM波發(fā)生器的方向上反射的流動(dòng)在循環(huán)器80中旋轉(zhuǎn)并且再次在等離子的 方向上出發(fā)，以使得電磁發(fā)生器38得到保護(hù)，并且EM波不存在通過引向上游的反射導(dǎo)致的 流動(dòng)損失。
[0139] 套85具有比永久磁鐵50和抵著磁場(chǎng)發(fā)生器46的墊圈58固定的緣86的直徑更 大的直徑。特別是，套85是例如具有等于EM波在真空中的1/2波長(zhǎng)的直徑和等于1/4或 3/4波長(zhǎng)的長(zhǎng)度的圓形波引導(dǎo)部。除非通過從推進(jìn)器的排出口衍射而輻射到自由空間中，否 則EM波的傳播將被套85阻擋。作為被發(fā)射到自由空間中的替代，超高頻的EM波的流動(dòng)朝 著整個(gè)推進(jìn)器內(nèi)的等離子被反射，并且其不被等離子吸收的部分被發(fā)送到循環(huán)器80。循環(huán) 器80然后反過來將該反向流返送至等離子推進(jìn)器120,并且重復(fù)如上操作直至完成EM波的 流動(dòng)被等離子的吸收。
[0140] 圖5表示了通過發(fā)生器46產(chǎn)生的磁場(chǎng)關(guān)于與等離子推進(jìn)器沿著預(yù)定義軸線A-A 的出口平面D-D的距離的變化。在本附圖中，X軸的零定義了出口平面D-D。如圖2中可 見，出口平面是與位于排出口 48處的安裝夾70的中心面平行的平面。
[0141] 如本附圖中可見，磁場(chǎng)具有位于注入噴嘴65內(nèi)部的第一局部最大值A(chǔ)和第二局部 最大值C、以及位于第一局部最大值A(chǔ)與第二局部最大值C之間的局部最小值。第一局部最 大值A(chǔ)位于注入噴嘴165的排出端165處。第一局部最大值A(chǔ)足以在電磁波的作用下通過 推進(jìn)劑氣體的電子回旋諧振使從注入噴嘴65出來的推進(jìn)劑氣體電離。
[0142] 第一局部最大值A(chǔ)具有比實(shí)現(xiàn)通過以下公式定義的回旋諧振所需的閾值BEra大的 強(qiáng)度，該公式為：
[0143] BECR = 2* π *fECR*me/qe，
[0144] 其中，
[0145] -me是電子質(zhì)量，
[0146] _qe是電子的電荷，
[0147] -fEC；K是旋磁諧振頻。
[0148] 由于幾乎立即出現(xiàn)在等離子內(nèi)并且抵消正離子量與電子量之間的任何不平衡的 雙極電場(chǎng)或空間電荷場(chǎng)，磁場(chǎng)發(fā)生器50能夠通過反磁力朝著排出口 48加速在注入噴嘴65 處被點(diǎn)火的等離子的自由電子、緊隨這些自由電子的正的非磁化的離子，這種不被所施加 的任何電場(chǎng)破壞的電場(chǎng)非常有效地確保了從推進(jìn)器噴射的等離子的電中立性。
[0149] 通過將磁場(chǎng)線集中在其上，注入裝置10的尖端36使得從磁場(chǎng)發(fā)生器50開始一方 面實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的第一局部最大值A(chǔ)，并且另一方面實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的第一局部最大值A(chǔ)與局部 極小值B之間的微空心陰極放電變得可能。無論推進(jìn)劑氣體流率是多少，微放電都足以使 存在于注入噴嘴65中的推進(jìn)劑氣體的至少一部分電離。磁場(chǎng)發(fā)生器50包括例如永久磁鐵。
【權(quán)利要求】
1. 一種等離子推進(jìn)器（2、120)，包括： 放電腔室（6)，包括內(nèi)腔（14)和排出口（48); 至少一個(gè)注入裝置（10、12)，包括能夠沿著預(yù)定義軸線（A-A)向所述放電腔室（6)注入 推進(jìn)劑氣體的注入噴嘴￠5);所述注入噴嘴￠5)具有排出端（165); 磁場(chǎng)發(fā)生器（50、52、54、58)，能夠以旋磁旋轉(zhuǎn)方式設(shè)定存在于所述放電腔室（6)中的 所述推進(jìn)劑氣體的電子；以及 電磁波發(fā)生器（38)，能夠通過產(chǎn)生至少一種電磁波來福射存在于所述放電腔室（6)中 的所述推進(jìn)劑氣體，所述至少一種電磁波的電場(chǎng)具有右手圓極化和與通過所述磁場(chǎng)發(fā)生器 (50、52、54、58)磁化的所述推進(jìn)劑氣體的所述電子的旋磁諧振的頻率f EQi相等的頻率，其 特征在于： -所述磁場(chǎng)發(fā)生器（50、52、54、58)能夠： 〇在一方面，產(chǎn)生磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)具有： 位于所述注入噴嘴（65)的內(nèi)部和所述注入噴嘴（65)的所述排出端（165)處的強(qiáng)度 的第一局部最大值（A); 場(chǎng)線（68)，所述場(chǎng)線（68)確定具有與允許所述電子在所述電磁波的作用下回旋諧 振的強(qiáng)度相等的強(qiáng)度的、被稱為"ECR表面"的等場(chǎng)表面，所述ECR表面包圍所述注入噴嘴 (65)的所述排出端（165)，通過所述ECR表面限定的容積為所述電磁波的所述諧振腔； 位于所述注入噴嘴￠5)的內(nèi)部的所述磁場(chǎng)的強(qiáng)度的第二局部最大值（C)，所述第二 局部最大值（C)以所述注入噴嘴￠5)的內(nèi)部的所述磁場(chǎng)的強(qiáng)度的局部極小值（B)與所述 第一局部最大值（A)分離； 〇在另一方面，使所述場(chǎng)線（68)具有噴嘴的形狀以產(chǎn)生反磁推進(jìn)力； -所述注入裝置（10): 由導(dǎo)電材料制成并且被電連接至所述電磁波發(fā)生器（38)以同樣充當(dāng)將所述電磁波 發(fā)射到位于所述注入噴嘴（65)的所述出口處的所述推進(jìn)劑氣體中的電磁天線（39); 由磁性傳導(dǎo)材料制成，從而使得在所述注入噴嘴￠5)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)所述磁場(chǎng)的強(qiáng)度 的所述第二局部最大值（C)變得可能； 在所述注入噴嘴￠5)的下游端處包括具有小于幾毫米的外徑的注入通道（10)。
2. 根據(jù)上述權(quán)利要求所述的等離子推進(jìn)器（2、120)，其中，所述磁場(chǎng)發(fā)生器（50、52、 54、58)作為磁場(chǎng)源包括與所述預(yù)定義軸線（A-A)共軸地布置并且具有第一磁極（64)和第 二磁極￠6)的、具有圓環(huán)形狀的至少一個(gè)永久磁鐵（50)、與所述第一磁極￠4)成整體的第 一磁性兀件（52、54)以及與所述第二磁極（66)成整體的第二磁性兀件（58)，所述第一磁極 (64)和所述第二磁極（66)分別被布置在離所述預(yù)定義軸線（A-A)第一距離（D1)和第二距 離⑶處；所述第二距離（D2)比所述第一距離（D1)長(zhǎng)，所述第一磁極（64)和所述第二磁 極（66)分別被布置在所述注入噴嘴￠5)相對(duì)于所述推進(jìn)劑氣體的流動(dòng)方向（F1)的上游 和下游處，所述場(chǎng)線（68)與所述注入噴嘴（65)相交并且相對(duì)于所述預(yù)定義軸線（A-A)形 成位于10°與70°之間的角度。
3. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的等離子推進(jìn)器（2、120)，其中，沿著所述預(yù)定義 軸線（A-A)定義的、所述放電腔室（6)的所述內(nèi)腔（14)的長(zhǎng)度比所述電磁波在真空中的半 波長(zhǎng)小5至10倍，所述放電腔室（6)具有位于0. 7平方厘米與30平方厘米之間的內(nèi)部橫 截面積；其中，所述中央注入通道（10)具有位于0. 7平方毫米與3平方毫米之間的內(nèi)部橫 截面積。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的等離子推進(jìn)器（2、120)，其中，所述第一局部最 大值（A)、所述局部最小值（B)和所述第二局部最大值（C)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為約0. 18特斯 拉、0. 01特斯拉和0. 05特斯拉。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的等離子推進(jìn)器（2、120)，其中，所述電磁波能夠 沿著與所述預(yù)定義軸線（A-A)平行的軸線傳播，并且，在所述預(yù)定義軸線（A-A)處，磁場(chǎng)梯 度平行于所述預(yù)定義軸線（A-A);所述磁場(chǎng)梯度在由所述推進(jìn)劑氣體被噴射的方向定義的 方向上從上游至下游是負(fù)的。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的等離子推進(jìn)器（2、120)，包括：用于調(diào)制所述電 磁波的功率的裝置（42)和用于控制所述推進(jìn)劑氣體的流率的裝置（32)，所述電磁波的所 述功率在第一操作模式中位于0. 5瓦特與300瓦特之間，優(yōu)選地位于0. 5瓦特與30瓦特之 間。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的等離子推進(jìn)器（120)，一方面包括布置在所述電 磁波發(fā)生器（38)的出口處的循環(huán)器（80)，另一方面包括布置在由被稱為所述等離子推進(jìn) 器（120)的出口平面（D-D)的排出口（48)定義的平面的下游處的導(dǎo)電性圓柱形套（85)，所 述導(dǎo)電性圓柱形套（85)的直徑基本上等于所述電磁波的波長(zhǎng)的四分之一并且所述導(dǎo)電性 圓柱形套（85)的長(zhǎng)度基本上等于所述電磁波的波長(zhǎng)的四分之三。
8. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的等離子推進(jìn)器（2、120)，包括：與所述軸線（A-A) 共軸的兩個(gè)注入裝置（1〇、12)，所述兩個(gè)注入裝置中的一個(gè)將待被電離的氣體供給到所述 ECR表面，所述兩個(gè)注入裝置中的另一個(gè)通過氣體流率和電弧噴射操作增加推力。
9. 一種通過等離子推進(jìn)器（2、120)產(chǎn)生推進(jìn)推力的方法，包括以下步驟： 使用包括被稱為注入噴嘴（65)的排出端的注入裝置（10、12)沿著預(yù)定義軸線（A-A) 將推進(jìn)劑氣體注入（104)到包括內(nèi)腔（14)和排出口（48)的放電腔室（6)中； 使用磁場(chǎng)發(fā)生器（50、52、54、58)產(chǎn)生（90)能夠以旋磁旋轉(zhuǎn)方式設(shè)定存在于所述放 電腔室（6)中的所述推進(jìn)劑氣體的電子的磁場(chǎng)（63); 使用電磁波發(fā)生器（38)將至少一個(gè)電磁波發(fā)射（100)到存在于所述放電腔室（6) 中的所述推進(jìn)劑氣體中，其中所述至少一個(gè)電磁波的電場(chǎng)具有右手圓極化和與通過所述磁 場(chǎng)發(fā)生器（50、52、54、58)磁化的所述推進(jìn)劑氣體的電子的旋磁諧振頻率f Era相等的頻率； 通過所述推進(jìn)劑氣體的電離點(diǎn)火（101)等離子； 通過所述電子的回旋諧振維持（103)所述等離子； 其特征在于： -所述等離子的點(diǎn)火（101)通過所述注入裝置（10)的微空心陰極放電來實(shí)現(xiàn)，所述 注入裝置（10)由磁性材料制成并且在其下游端處包括具有小于幾毫米的外徑的注入通道 (10)； -所述推進(jìn)劑氣體的注入（104)和所述電磁波的發(fā)射（100)由同一個(gè)注入裝置（10、 12)并且在所述放電腔室中的同一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行，所述注入裝置（10、12)由導(dǎo)電材料制成并 且電連接至所述電磁波發(fā)生器（50、52、54、58)以將所述電磁波從所述注入噴嘴（65)發(fā)射 到位于所述氣體的所述出口處的所述推進(jìn)劑氣體中，以最小化所述推進(jìn)劑氣體在出口上電 離的水平； -所述磁場(chǎng)的產(chǎn)生（90)如下： 〇在一方面，所述磁場(chǎng)具有： 位于所述注入噴嘴（65)的內(nèi)部和所述注入噴嘴（65)的所述排出端（165)處的強(qiáng)度 的第一局部最大值（A); 場(chǎng)線（68)，所述場(chǎng)線（68)確定具有與允許所述電子在所述電磁波的作用下回旋諧 振的強(qiáng)度相等的強(qiáng)度的、被稱為"ECR表面"的等場(chǎng)表面，所述ECR表面包圍所述注入噴嘴 (65)的所述排出端（165); 位于所述注入噴嘴￠5)的內(nèi)部的所述磁場(chǎng)強(qiáng)度的第二局部最大值（C)，所述第二局 部最大值（C)以所述注入噴嘴￠5)的內(nèi)部的所述磁場(chǎng)的強(qiáng)度的局部極小值（B)與所述第 一局部最大值（A)分離； 〇在另一方面，所述磁場(chǎng)使所述場(chǎng)線具有噴嘴的形狀以產(chǎn)生反磁推進(jìn)力； -所述等離子通過所述電子的回旋諧振的維持（103)通過所述電磁波在由所述ECR表 面限定的容積中的諧振來實(shí)現(xiàn)。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述等離子推進(jìn)器（2、120)還包括用于調(diào)制 所述電磁波的功率的裝置（42)、用于控制氣體流率的裝置（32)、能夠?qū)⑺鐾七M(jìn)劑氣體注 入到所述放電腔室（6)中的外圍注入通道（12);以及其中，所述方法包括以下步驟： -通過所述外圍注入通道（12)將推進(jìn)劑氣體注入（108)所述放電腔室￠)中； -通過所述外圍注入通道（12)調(diào)節(jié)（110)注入到所述放電腔室（6)中的推進(jìn)劑氣體的 流率； -對(duì)所述電磁波的功率進(jìn)行調(diào)制（112)。
【文檔編號(hào)】H01J27/18GK104114862SQ201280069755
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月29日
【發(fā)明者】瑟吉·拉里格爾戴爾 申請(qǐng)人:奧尼拉(國(guó)家宇航研究所)