專(zhuān)利名稱(chēng)：霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器(Hall effect plasma thruster)，該推進(jìn)器具有用于電離(ionizat ion)和加速并設(shè)有下游開(kāi)口端的主環(huán)形通道、至少一個(gè)陰極、與所述主環(huán)形通道同心的環(huán)形陽(yáng)極、用于向所述通道輸入電離氣體的管及集合管 (manifold)和用于在所述主環(huán)形通道中產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁路(magnetic circuit)。本發(fā)明尤其提供一種用于人造衛(wèi)星電力推動(dòng)的霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器。。
背景技術(shù)：
霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器的壽命是由在離子轟擊效果下的陶瓷絕緣通道的腐蝕程度決定的?；谒鐾ǖ乐须妱?shì)(electric potential)的分布情況，會(huì)產(chǎn)生一些離子并且這些離子沿放射方向?qū)χ诒患铀?。延長(zhǎng)通信衛(wèi)星的任務(wù)與增加等離子噴射速度的要求(特別是對(duì)于所謂特定的高脈沖推進(jìn)器)需要更長(zhǎng)的壽命，以氮化硼為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)陶瓷已不能達(dá)到此要求。某些電導(dǎo)體材料或半導(dǎo)體材料如石墨對(duì)離子轟擊的巨大阻力在理論上使其能成為霍爾效應(yīng)推進(jìn)器放電通道的理想選擇。在美國(guó)Y.瑞特賽斯(Y.Raitses)等人(普林斯頓大學(xué))探究過(guò)使用導(dǎo)電材料，尤其是使用石墨的想法。雖然這些研究者揭示了石墨在壽命方面的優(yōu)勢(shì)，但仍未能解決效率損失與等離子短路的問(wèn)題。導(dǎo)電材料的低效率至今都是使其不能廣泛應(yīng)用在等離子推進(jìn)器加速通道結(jié)構(gòu)上的原因。因此，當(dāng)前的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的放電通道(discharge channels)全都是由絕緣陶瓷構(gòu)建的，所述的絕緣陶瓷通常是以氮化硼-二氧化硅(BN-SiO2)為基礎(chǔ)的材料。氮化硼基的陶瓷能使霍爾效應(yīng)推進(jìn)器在效率方面獲得好的性能水平，但是其在離子轟擊下所表現(xiàn)出的高腐蝕率將這種推進(jìn)器的壽命限制在約10，000小時(shí)(h)，同時(shí)其也在最高特定脈沖限制了它們的操作性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是消除上述缺點(diǎn)，特別是在保持高水平能源利用率的情況下增加霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器的壽命。根據(jù)本發(fā)明，這些目的可通過(guò)以下方案達(dá)到，一種霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器，具有用于電離和加速的帶有下游開(kāi)口端的主環(huán)形通道、至少一個(gè)陰極、與所述主環(huán)形通道同軸的環(huán)形陽(yáng)極、用于將電離氣體輸入所述通道的管與集合管和用于在所述主環(huán)形通道中產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁路，其特征在于所述主環(huán)形通道具有位于所述開(kāi)口端臨近區(qū)域的內(nèi)環(huán)壁部分和外環(huán)壁部分，該每個(gè)環(huán)壁部分均包括以層壓形式形成的并置的導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)，所述導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)通過(guò)絕緣細(xì)層隔開(kāi)。每個(gè)導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)均優(yōu)選再分為角域片段，并且所述片段相互絕緣。
每個(gè)導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)的片段優(yōu)選被設(shè)置成相對(duì)于相鄰的導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)的片段為交錯(cuò)結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選特征，所述絕緣細(xì)層被設(shè)置在導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)的所有面上，但惟獨(dú)構(gòu)成所述主環(huán)形通道內(nèi)壁一部分的面上未被設(shè)置絕緣細(xì)層。所述導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)的組合可延伸超過(guò)所述內(nèi)環(huán)壁和外環(huán)壁一定長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度比所述主環(huán)形通道的總長(zhǎng)要短。在特定的實(shí)施例中，所述導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)是由石墨制成，而絕緣細(xì)層是由電介質(zhì)材料(dielectric material)制成，并且特別是由熱解氮化硼制成。所述導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)的厚度是由電子拉莫爾半徑?jīng)Q定的。它們的最大厚度a使用如下表達(dá)式來(lái)估計(jì)
κ 8a < -r
3其中r為電子的拉莫爾半徑，用以下表達(dá)式來(lái)確定方位角截止角度(azimuth cutoff angle)R. a < 5abs〔嘗〕.r其中Ez, Et 沿軸向和沿方位方向的電場(chǎng)；R 接觸等離子的環(huán)的位置的邊緣半徑；和a:所述環(huán)的位置的角度。在實(shí)施例中，所述導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)的厚度范圍為0. 7mm到0. 9mm，而所述絕緣細(xì)層的厚度范圍為0. 04mm到0. 08mm。根據(jù)本發(fā)明，偽絕緣放電通道用層疊環(huán)制成或由導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的環(huán)的部分組成，并覆蓋有絕緣陶瓷的細(xì)層。所述結(jié)構(gòu)在消除它們?nèi)秉c(diǎn)帶來(lái)的效果的情況下所獲得的所述導(dǎo)體材料的低腐蝕率，和所述通道能用作相對(duì)于所述等離子的電絕緣體進(jìn)而盡最大可能的限制在放電通道中產(chǎn)生電流，這能使所述推進(jìn)器的壽命在無(wú)潛在效率損失的情況下增加3到4倍。因此本發(fā)明通過(guò)將導(dǎo)體或半導(dǎo)體壁分割成小尺寸的絕緣片段來(lái)優(yōu)化所述霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器放電通道的結(jié)構(gòu)，從而大大降低了短路電流(short-circuit current)，因而避免了嚴(yán)重的效率損失。通信衛(wèi)星的推進(jìn)力與主要的經(jīng)濟(jì)指數(shù)和任何能適用于霍爾效應(yīng)等離子源的改進(jìn)息息相關(guān)，公認(rèn)提供最高性能的衛(wèi)星在軌維持技術(shù)是當(dāng)前最需要的。本發(fā)明對(duì)通過(guò)提高霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器的壽命來(lái)延長(zhǎng)地球靜止軌道衛(wèi)星的服役期限這一趨勢(shì)的要求給出了直接的回答。本發(fā)明能提供十分有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器所產(chǎn)生的推進(jìn)力。所以本發(fā)明還使在保有顯著壽命的同時(shí)運(yùn)行具有更高特定脈沖(ISP)的推進(jìn)器成為可能。


本發(fā)明其他的特征和優(yōu)點(diǎn)將以通過(guò)結(jié)合以下附圖對(duì)具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述的方式展現(xiàn)
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圖1為本發(fā)明可實(shí)施的霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器的剖切透視圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例層狀結(jié)構(gòu)的放電通道的四分之一部分的透視圖；圖3示出本發(fā)明霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器的放電通道的層狀結(jié)構(gòu)整個(gè)透視圖所建議的變動(dòng)。圖3A以覆蓋在絕緣沉積物上用于層狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的部分的放大視圖示出所建議的變動(dòng)；和圖;3B為圖3A中線IIIB-IIIB所剖切的剖切面。
具體實(shí)施例方式圖1示出霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器的一個(gè)實(shí)施例，也被認(rèn)為是固定等離子推進(jìn)器 (SPT)，本發(fā)明的此實(shí)施例是可實(shí)施的，其特別用于人造衛(wèi)星的電力推進(jìn)。這種類(lèi)型的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器包括以下主要元件用于電離和加速的放電通道或主環(huán)形通道120 ；與所述主環(huán)形通道120同軸的環(huán)形陽(yáng)極125 ；連接所述陽(yáng)極125和所述主環(huán)形通道120用于將電離氣體例如氙輸入其中的管1 和集合管；中空陰極140 ；和用于在主環(huán)形通道中產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁路131到136。用于電離氣體的所述陽(yáng)極125和集合管旨在將推進(jìn)劑(例如氙)注入所述推進(jìn)器并收集所述等離子所釋放的電子。所述中空陰極140用于產(chǎn)生電子，該電子用于產(chǎn)生所述推進(jìn)器中的等離子，同時(shí)還用于中和由所述推進(jìn)器所噴射出的離子射流。所述磁路包括內(nèi)極134、外極136、通過(guò)中心鐵磁核133和外圍鐵磁桿135使所述內(nèi)極134和外極136相互連接的磁軛(magnetic yoke)、圍繞設(shè)置在所述中心核133上的一個(gè)或多于一個(gè)的線圈131和圍繞設(shè)置在所述外圍桿135上的線圈132。所述磁路用于限制所述等離子和在所述推進(jìn)器的出口產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)E，以使離子被加速到20公里每秒(km/s)的確定速度。所述磁路可以其他不同的形式體現(xiàn)，本發(fā)明不限于如圖1所示的特定實(shí)施例。所述放電通道120用于限制等離子，放電通道的構(gòu)成決定著所述推進(jìn)器的性能。傳統(tǒng)上所述放電通道120是由陶瓷制成。通過(guò)以高速?lài)娚潆x子射流提供發(fā)動(dòng)機(jī)推力。不幸的是在高能離子和所述通道壁之間射流的偏斜和碰撞會(huì)導(dǎo)致位于所述推進(jìn)器出口處的陶瓷被腐蝕。這就是為什么根據(jù)本發(fā)明所述放電通道120包括至少一個(gè)所述內(nèi)環(huán)壁的部分127和至少一個(gè)所述外環(huán)壁的部分128，所述部分位于所述通道開(kāi)口端129的臨近區(qū)域，該區(qū)域的陶瓷不是實(shí)心的，但其均包括層壓方式并置的導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)150，并被絕緣細(xì)層152隔開(kāi)(見(jiàn)圖2)。本發(fā)明的目的是顯著降低對(duì)所述推進(jìn)器放電通道的腐蝕。還用于降低放電的不穩(wěn)定性和能量損失，放電的不穩(wěn)定性和能量損失通常會(huì)影響到霍爾效應(yīng)推進(jìn)器使用由導(dǎo)電材料或半導(dǎo)體材料制成的放電通道。使用像石墨和碳化物這樣的材料在承受離子轟擊方面比陶瓷好，因?yàn)閷?dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)(例如由石墨制成)在被絕緣細(xì)層(例如由氮化硼制成) 隔開(kāi)時(shí)組合在一起，本發(fā)明就可以在降低所述通道的腐蝕同時(shí)也減小放電的不穩(wěn)定性。本發(fā)明的等離子推進(jìn)器的所述放電通道120可同時(shí)包括由陶瓷制成的傳統(tǒng)的上游部分和位于所述上游部分和開(kāi)口 1 之間的下游部分，上游部分具有端壁123和外筒壁121與內(nèi)筒壁122，下游部分由外筒壁1 和內(nèi)筒壁127構(gòu)成，具有由并置的導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)150構(gòu)成的層壓結(jié)構(gòu)，該環(huán)被絕緣細(xì)層152絕緣，但其有在內(nèi)側(cè)沒(méi)有被覆蓋絕緣的面151， 該面151對(duì)著所述環(huán)形通道120的內(nèi)側(cè)空間124。為了消除由潛在的方位變化(缺乏對(duì)稱(chēng)、方位角波(azimuth waves))而引起的潛在的方位短路電流(azimuth short circuit currents)，所述環(huán)150最好是由多個(gè)絕緣扇形部分(insulated angular sections)拼接而成，每部分占據(jù)一個(gè)扇形角度區(qū)域Δ q (如圖3和圖3A)。例如，每個(gè)環(huán)150可以由10到30個(gè)片段150a、150b拼接而成。所述導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)150的片段150a優(yōu)選為與相鄰環(huán)150的片段150b呈交錯(cuò)設(shè)置(見(jiàn)圖3)。如圖3A所示，所述絕緣細(xì)層152，153，巧4和155被設(shè)置在所述導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán) 150的所有面上，唯獨(dú)構(gòu)成所述主環(huán)形通道120的內(nèi)側(cè)部分的面151未被設(shè)置絕緣細(xì)層。例如，導(dǎo)體環(huán)150的組合在所述內(nèi)環(huán)壁和外環(huán)壁長(zhǎng)度上延伸的范圍為所述主環(huán)形通道120的總長(zhǎng)度的20%到50%，優(yōu)選為30%到40%，但是這些范圍的值并不限于此。所述導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)150的尺寸可通過(guò)計(jì)算所述壁收到和發(fā)射出的電子電流來(lái)確定。對(duì)于第一近似值，可知在所述壁中的所述短路電流與所收集的離子電流是成比例關(guān)系的，這樣在固定的電子溫度和等離子密度情況下，導(dǎo)電區(qū)域與等離子的分布是大體上成比例的。另外，對(duì)于所給的軸向電場(chǎng)，導(dǎo)電元件上的電位差(potential difference)大體上是與其軸向延伸程度成比例的。因此，對(duì)于給定大小的通道，由于等離子短路所引起的總的焦耳效應(yīng)(Joule-effect)損失大體上是與所述環(huán)的厚度成比例的。又已知與二次電子發(fā)射(secondary electron emission)相關(guān)的電流(當(dāng)使用絕緣體時(shí)這是僅存的電流) 相比，一旦所述環(huán)的厚度與所述電子拉莫爾半徑(electron Larmor radius)為同一數(shù)量級(jí) (the same order)，所述短路電流就可忽略不計(jì)。這為所述環(huán)限定了關(guān)鍵的厚度，進(jìn)而可以獲得偽絕緣(pseudo-insulating)通道。例如，由石墨制成的所述導(dǎo)體環(huán)150具有小的熱膨脹系數(shù)，其厚度范圍可為0. 7mm 到0. 9mm，優(yōu)選為0. 8mm。所述絕緣細(xì)層152-155，例如由熱解氮化硼(pyrolytic boron nitride)制成，其厚度范圍為0. 04mm到0. 08mm,優(yōu)選為0. 05mm,并且所述絕緣細(xì)層是沉積在所述導(dǎo)體環(huán)片段 150上的，為了覆蓋每個(gè)環(huán)片段的整個(gè)面，所述沉積是通過(guò)化學(xué)氣體沉積方法來(lái)操作的，但接觸所述等離子的所述邊面151不被沉積。。
權(quán)利要求
1.一種霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器，具有用于電離和加速的帶有下游開(kāi)口端(129)的主環(huán)形通道(120)、至少一個(gè)陰極(140)、與所述主環(huán)形通道(120)同軸的環(huán)形陽(yáng)極(125)、用于將電離氣體輸入所述通道(120)的管(126)與集合管和用于在所述主環(huán)形通道(120)中產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁路(131到136)，其特征在于所述主環(huán)形通道(120)具有位于所述開(kāi)口端 (129)臨近區(qū)域的內(nèi)環(huán)壁部分(127)和外環(huán)壁部分(1 )，該每個(gè)環(huán)壁部分均包括以層壓形式形成的、通過(guò)絕緣細(xì)層(152)隔開(kāi)的并置的導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)(150)組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子推進(jìn)器，其特征在于每個(gè)導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)(150)都被再分為角域片段，并且所述片段相互絕緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子推進(jìn)器，其特征在于每個(gè)導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)(150)的片段被設(shè)置成相對(duì)于相鄰的導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)的片段為交錯(cuò)結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的等離子推進(jìn)器，其特征在于所述絕緣細(xì)層被設(shè)置在導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)(150)除所述主環(huán)形通道(120)內(nèi)壁一部分的表面(151)以外的所有面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的等離子推進(jìn)器，其特征在于所述導(dǎo)體環(huán)(150) 組合在所述主環(huán)形通道(120)的總長(zhǎng)度的20%到50%的范圍內(nèi)在所述內(nèi)環(huán)壁(127)和外環(huán)壁(128)長(zhǎng)度上延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的等離子推進(jìn)器，其特征在于所述導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)(150)由石墨制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的等離子推進(jìn)器，其特征在于所述絕緣細(xì)層(152) 是由熱解氮化硼制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的等離子推進(jìn)器，其特征在于所述導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)(150)的厚度與電子拉莫爾半徑為相同數(shù)量級(jí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的等離子推進(jìn)器，其特征在于所述導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)(150)的厚度范圍為0. 7mm到0. 9mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求4和7所述的等離子推進(jìn)器，其特征在于所述絕緣細(xì)層(152)的厚度范圍為0. 04mm到0. 08mm。
全文摘要
一種霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器，包括用于電離和加速的帶有下游開(kāi)口端(129)的主環(huán)形通道(120)、至少一個(gè)陰極(140)、與所述主環(huán)形通道(120)同軸的環(huán)形陽(yáng)極(125)、用于將電離氣體輸入所述通道(120)的管(126)與集合管和用于在所述主環(huán)形通道(120)中產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁路(131到136)，所述主環(huán)形通道(120)具有位于所述開(kāi)口端(129)臨近區(qū)域的內(nèi)環(huán)壁部分(127)和外環(huán)壁部分(128)，該每個(gè)環(huán)壁部分均包括以層壓形式形成的并置的導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)(150)，所述導(dǎo)體或半導(dǎo)體環(huán)通過(guò)絕緣細(xì)層(152)隔開(kāi)。
文檔編號(hào)F03H1/00GK102439305SQ201080021990
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者史蒂芬J.·澤巴奇, 塞奇·巴拉爾 申請(qǐng)人:國(guó)家科學(xué)研究中心, 斯奈克碼, 法國(guó)國(guó)家太空研究中心, 波蘭科學(xué)院基礎(chǔ)技術(shù)研究所