發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及吸氣式霍爾效應(yīng)(halleffect)推力器領(lǐng)域。

技術(shù)背景

通常，吸氣式霍爾效應(yīng)推力器包括：

噴嘴，其用于當(dāng)推力器在操作時(shí)，由推力器收集、加速以及噴射粒子；

電路，其包括陽極、在陽極下游的陰極以及用于經(jīng)由陰極發(fā)射電子并經(jīng)由陽極吸引電子的電壓源；以及

磁路，其用于在噴嘴中生成軸向地在陽極下游的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)被定向在相對(duì)于推力軸基本呈徑向的方向中。

作為示例，此類推力器在文件us2003/0046921中描述。

在實(shí)踐中，噴嘴的形狀一般為環(huán)形以使得磁路能夠生成徑向磁場(chǎng)。噴嘴由此包括內(nèi)壁和外壁二者；粒子在這兩個(gè)壁之間通過。

具體而言，由于該噴嘴，包括此類推力器的航天器的特別大量的內(nèi)部空間已經(jīng)被占據(jù)。

發(fā)明概述

因此，本發(fā)明的目的在于提供一種霍爾效應(yīng)推力器，它在其中安裝該推力器的航天器中占據(jù)較少的空間。

該目的是通過一種霍爾效應(yīng)推力器達(dá)成的，該霍爾效應(yīng)推力器沿推力軸產(chǎn)生推力并包括以下組件：

-用于生成磁場(chǎng)的磁路；以及

-電路，其包括陽極、第一陰極、和用于至少經(jīng)由第一陰極發(fā)射電子以及經(jīng)由陽極吸引電子的電壓源；

該推力器的特征在于：

-其被布置在圍繞推力軸形成的圓柱形壁內(nèi)；

-該磁路和該電路被布置成使得圍繞該壁生成磁場(chǎng)和電場(chǎng)；以及

-在平行于該推力軸以及垂直于該壁的所有截面中：

-該磁路呈現(xiàn)基本上布置在該壁的表面并彼此分隔開的上游磁極和下游磁極；以及

-該陽極和該第一陰極位于該上游磁極的任一側(cè)。

上文提及的壁實(shí)質(zhì)上是推力器被安裝于其上的航天器的外壁。

其通常是軸對(duì)稱壁。

具體而言，該壁可以是圓柱形壁。本文中使用了術(shù)語“圓柱形壁”來表示通過圍繞閉合輪廓掃過橫定方向的“生成”線所生成的表面壁。

由推力器所產(chǎn)生的推力一般沿該壁的對(duì)稱軸取向。

然而，在一個(gè)實(shí)施例中，磁路和/或電路以如下方式被布置使得圍繞該壁生成非軸對(duì)稱磁場(chǎng)和/或電場(chǎng)(b和/或e)。推力器所生成的推力隨后呈現(xiàn)出相對(duì)于推力器的軸的橫向分量(由圓柱形壁來定義)；其由此按相對(duì)于該圓柱形壁的軸向稍稍傾斜的方向取向。

該閉合輪廓可以是圓形、橢圓形或卵形，并且例如，其可以是跑道的形狀等。

本發(fā)明由此包括通過不再在噴嘴內(nèi)以及由此在航天器內(nèi)，而是相反地在航天器外組織離子加速而完全反轉(zhuǎn)霍爾效應(yīng)推力器的設(shè)計(jì)。

根據(jù)本發(fā)明，由該磁路生成的磁場(chǎng)在該航天器的整個(gè)圓周上捕獲電子；然而，該磁場(chǎng)的強(qiáng)度可以隨圍繞圓周的位置的函數(shù)而變化。

該磁路一般以如下方式被布置使得磁場(chǎng)按大致垂直于該壁的表面的方向、挨著上游磁極來取向。

該壁和該磁場(chǎng)線之間的角度可以與90°稍有不同；特別地，在75°到105°的范圍內(nèi)是足夠的。

根據(jù)本發(fā)明，該電路和該磁路由此與現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的推力器相比被完全修改了。然而，該霍爾效應(yīng)引擎的操作原理仍然與現(xiàn)有技術(shù)霍爾效應(yīng)推力器的操作原理大致相同。

在一個(gè)實(shí)施例，該電路還包括至少一個(gè)其他陰極，其軸向地布置在下游磁極的下游。該其他陰極用于向航天器下游釋放的粒子供應(yīng)電子，從而確保它們是電中性的。

本發(fā)明還提供了納入了至少一個(gè)如上文所定義的霍爾效應(yīng)推力器的航天器。

附圖說明

在閱讀了以下作為非限定示例給出的實(shí)施例的詳細(xì)描述之后，本發(fā)明可被很好地理解，并且其優(yōu)點(diǎn)更好地得到展現(xiàn)。本說明書參考附圖，其中：

-圖1是根據(jù)本發(fā)明的納入推力器的航天器的局部截面圖；以及

-圖2是圖1中示出的航天器的局部透視圖。

發(fā)明詳細(xì)描述

圖1和圖2示出了包括本發(fā)明的霍爾效應(yīng)推力器10的航天器100，具體而言是衛(wèi)星。

該衛(wèi)星是沿地球大氣層中的軌道運(yùn)行并停留在100千米(km)到300km范圍內(nèi)的高度上的衛(wèi)星。

有益地，該高度相對(duì)較低，這使得裝備的某些部件(通信裝備、相機(jī)等)的大小能夠相對(duì)較小并由此其質(zhì)量能夠相對(duì)較小。相反，在該高度上，地球的大氣層對(duì)于衛(wèi)星的通過施加低但并非為零的阻力。因此，需要補(bǔ)償所導(dǎo)致的拖累。

推力器10的功能是為衛(wèi)星提供推力，使其能夠在期望的高度處維持操作。

其也用于做出軌道變化或校正。

有益地，本發(fā)明的推力器(諸如推力器10)在被耦合到電能供電裝置(諸如太陽能板)時(shí)能夠遞送將衛(wèi)星長時(shí)間保持在高度上所需的推力。

衛(wèi)星100被布置在外保護(hù)外殼20中，該外保護(hù)外殼20一般是繞x軸旋轉(zhuǎn)的主體的形狀。推力器10被布置在外殼20的外壁22內(nèi)；壁22的主體部分的外部形狀是圓柱形的。

在所描述的實(shí)施例中，推力器10具有關(guān)于x軸軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。在本公開上下文中，術(shù)語“上游”和“下游”是相對(duì)于衛(wèi)星以及由此的推力器的正常行進(jìn)方向來定義的。

推力器10具有磁路30和電路60。

磁路30被布置成在壁22的軸向上游部分(相對(duì)x軸的“軸向”)中創(chuàng)建大致徑向的磁場(chǎng)。

為了這個(gè)目的，其具有按關(guān)于x軸軸對(duì)稱的方式布置的多個(gè)相同的個(gè)體磁路32。

每個(gè)磁路32包括具有u形軸向截面的軟鐵芯34。核心34具有臨近壁22(在其附近)平行于x軸延伸的長條36。其還具有朝向壁22彎曲的兩個(gè)彎曲分段38，從而這些分段的端點(diǎn)緊鄰壁22的表面之下布置。面向這些分段38，外殼20具有非磁性電絕緣材料的環(huán)40，從而允許磁場(chǎng)通過。環(huán)40可以例如由陶瓷、多晶立方碳(更熟知為鉆石)或礬土制成。

每個(gè)磁路32還具有圍繞條36布置的形成螺線管的線圈46。

磁路32的線圈36的端子連接到電壓源44的端子。該電壓源以此方式來選擇使得在施加到線圈46的電壓的影響下，能夠繞該壁創(chuàng)建穩(wěn)定磁場(chǎng)b。也有可能使用電流源。

當(dāng)電壓由電壓源44施加到線圈46時(shí)，每個(gè)磁路32生成磁場(chǎng)b。該磁場(chǎng)由磁路32輻射到衛(wèi)星100之外該衛(wèi)星旁的空間中。所形成的磁場(chǎng)線在圖1中示出。如該附圖中所示，彎曲分段38的端點(diǎn)由此形成了磁路32的磁極，即，上游磁極50和下游磁極52。

在上游磁極50旁，磁場(chǎng)b按基本垂直于壁22的表面的方向取向。

如可以在附圖中看到的，兩個(gè)毗鄰個(gè)體磁路32的上游磁極被形成為互相緊挨著，或者甚至可能的話互相接觸。下游磁極也是如此。這使得磁路能夠在任何軸平面都呈現(xiàn)上游磁極和下游磁極，其中諸磁極生成磁場(chǎng)。通過這種方式，磁場(chǎng)b以基本上一致的方式在壁22的整個(gè)外圍生成。

在另一實(shí)施例中，每個(gè)磁路32可以本質(zhì)上由具有與軟鐵芯34基本相同形狀的磁體構(gòu)成。那么就不再有任何必要提供線圈46以及為其供電的電壓源44來圍繞推力器10生成磁場(chǎng)b。

推力器10還具有電路60。該電路包括陽極62、第一陰極64、第二陰極66、第三陰極67(或附加陰極)，以及將陽極62連接到第一、第二和第三陰極64、66和67的電壓源68。

陽極62是由導(dǎo)電且優(yōu)選地非磁性材料(諸如，例如，石墨、不銹鋼或確實(shí)的一些其他金屬)制成的。

陰極被設(shè)計(jì)成發(fā)射電子，并且它們可以由以下材料中的任何一者制成：六硼化鑭(lab6)、浸漬鋇鎢(wba)….

陰極沒有必要是環(huán)形的；它們可以很好地等同為點(diǎn)狀陰極(空心陰極)。具體而言，磁拓?fù)渚嚯x取決于磁場(chǎng)線且不取決于物理距離。若陰極是點(diǎn)狀陰極(空心陰極)，那么環(huán)64在電路中沒有具體功能；對(duì)于壁22僅在表面使用導(dǎo)電材料從而避免靜電荷累積是可能的。

陽極62位于上游磁極50的軸向上游。第一陰極64位于上游磁極50的下游，但是在其附近(并且優(yōu)選地在其緊鄰區(qū)域中)，并由此在距離下游磁極52的上游的特定距離處。

第二陰極66位于上游磁極50和下游磁極52之間。

其由此在上游磁極50的下游且在下游磁極52的上游。

第三陰極67位于下游磁極52的下游。

陰極66和67中的每一者也位于下游磁極52附近，并由此在距離第一陰極64下游的特定距離處。

雖然電路60具有三個(gè)陰極64、66和67，但是在其他實(shí)施例中，可能僅要提供一個(gè)陰極，或者確實(shí)僅要提供兩個(gè)陰極。這一個(gè)陰極的位置或這兩個(gè)陰極的位置可以從陰極64、66和67的位置之中自由選擇。

陽極62和第一、第二和第三陰極64、66和67都是環(huán)形的。這些環(huán)中的每一者在壁22的整個(gè)圓周之上延伸，大致在垂直于x軸的平面中(或更精確地在垂直于x軸的挨著的兩個(gè)平面之間)。這些環(huán)中的每一者與壁22的表面齊平并由此構(gòu)成該壁的一部分。

當(dāng)電壓由電壓源68施加在陽極62與陰極64、66和67之間時(shí)，電場(chǎng)e形成在陽極62和第一陰極64之間的壁22周圍的衛(wèi)星外的空間中。該電場(chǎng)是基本上以平行于x軸的方向來取向的。

相反，電場(chǎng)e在下游磁極52的附近非常低。結(jié)果，推力器10所產(chǎn)生的力在上游磁極50的附近被創(chuàng)建，而在沒有電場(chǎng)e的情況下，在實(shí)踐上是沒有相反的力在下游磁極52附近產(chǎn)生的。

最終，應(yīng)當(dāng)觀察到，電壓源68是可控的(雖然未在附圖中示出)：其電壓可以被反轉(zhuǎn)從而反轉(zhuǎn)來自推力器的推力。

具體而言，它的兩個(gè)磁極可以按需互換，從而反轉(zhuǎn)(若期望的話)陽極與第一和第二陰極之間施加的電壓。該反轉(zhuǎn)用以反轉(zhuǎn)由推力器10施加的力，例如從而在重新進(jìn)入大氣層期間使衛(wèi)星100制動(dòng)。

陽極和陰極的角色隨后被互換，若它們是使這成為可能的性質(zhì)的話。

在另一實(shí)施例中，可能為在磁極50的上游的陰極和在其下游的陽極預(yù)作安排，其中連接到的電壓源68處于推力反轉(zhuǎn)模式。

該陰極和該陽極隨后被替代地用于推力反轉(zhuǎn)模式并代替陽極62以及陰極64、66和67。

推力器10按照以下進(jìn)行操作。

通常為150伏特(v)到800v量級(jí)的電壓被建立在上游陽極52的下游的陰極64、66和67之間。陰極64、66和67隨后開始發(fā)射電子。這些電子的大部分被捕獲在由磁路30所創(chuàng)建并適配成期望的性能的磁場(chǎng)形成的磁包圍中，并且該磁場(chǎng)通?？梢允?00高斯(gauss)到300高斯的量級(jí)。被捕獲在該磁包圍中的電子由此形成了虛擬陰極網(wǎng)格70。然而，某些高能電子(通常在10電子伏特(ev)到40ev)逃離磁包圍70并去往陽極62。

因?yàn)樾l(wèi)星100是相對(duì)于大氣層移動(dòng)的，所以粒子一直會(huì)滲透到虛擬陰極網(wǎng)格70中。網(wǎng)格中的電子以及那些粒子的原子之間的影響使得原子變得離子化。在電路60產(chǎn)生的電場(chǎng)e的影響下，離子化粒子隨后朝向衛(wèi)星的后方加速。推力器10由此生成以極高的速度沿x方向噴射向衛(wèi)星的后方(在壁22下游)的等離子射流。由于對(duì)稱的原因，所生成的推力基本與中心軸x對(duì)齊。

取決于由電壓源68施加的電壓的方向，由推力器10所生成的力可以是沿x軸的一個(gè)方向或另一方向。

當(dāng)推力器10處于使用中時(shí)，第二和第三陰極66和67向衛(wèi)星100的下游釋放的粒子供應(yīng)電子，藉此確保它們是電中性的。

特別地，第二陰極的使用是任選的。主要是位于下游磁極52的下游的第三陰極67供應(yīng)用于中和由推力器10加速的粒子所需的電子。

有益地，不像大多數(shù)霍爾效應(yīng)推力器，本發(fā)明的推力器不要求供應(yīng)推進(jìn)氣體。

進(jìn)一步，其在衛(wèi)星的外壁上的布置釋放了衛(wèi)星內(nèi)部大量的空間，藉此使得在其中有可能安裝大載荷。

最后，應(yīng)當(dāng)觀察到，推力器可以用非軸對(duì)稱方式布置同時(shí)仍保持在本發(fā)明的范圍內(nèi)。具體而言，線圈46不需要相同。例如，它們可以以此方式來布置使得磁場(chǎng)在壁的一側(cè)上比相對(duì)側(cè)上的更強(qiáng)烈。在此類情況下，推力器所生成的推力不再沿著壁的軸取向，而是相對(duì)于此具有少量偏移地取向。