專利名稱：陰極加熱裝置的溫度受控的霍爾效應(yīng)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種霍爾效應(yīng)推進(jìn)器，該霍爾效應(yīng)推進(jìn)器具有排放通道，具有開放的下游端；陰極，位于該排放通道的外側(cè)；噴射器系統(tǒng)，適用于將氣體的原子注入到該排放通道中，該噴射器系統(tǒng)位于該排放通道的上游端并形成陽極；以及加熱器裝置，適用于加熱該陰極。
背景技術(shù)：
霍爾效應(yīng)推進(jìn)器為例如在航天推進(jìn)領(lǐng)域中使用的推進(jìn)器，這是因?yàn)樗?推進(jìn))對(duì)象能夠通過使用比燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可能使用的燃料質(zhì)量更小的燃料在真空中推進(jìn)，并且它的壽命長達(dá)幾千小時(shí)。由于霍爾效應(yīng)推進(jìn)器是公知的，以下簡要地總結(jié)它的結(jié)構(gòu)及操作原理。 圖2以立體圖和局部剖切的方式示出了霍爾效應(yīng)推進(jìn)器I。圍繞沿縱軸A延伸的中心芯10設(shè)置有中心電磁線圈12。環(huán)形的內(nèi)壁20圍繞中心電磁線圈12和中心芯10。內(nèi)壁20被環(huán)形的外壁40圍繞，使得這兩個(gè)壁之間限定了沿軸A延伸的環(huán)形通道，該通道被稱為排放通道50。在以下的描述中，術(shù)語“內(nèi)部”是指靠近軸A的部分，而術(shù)語“外部”是指遠(yuǎn)離軸A的部分。排放通道50的上游端由噴射器系統(tǒng)30封閉，該噴射器系統(tǒng)30將氣體原子注入到排放通道50中，并同時(shí)構(gòu)成正極。排放通道50的下游端52是開放的。圍繞外壁40設(shè)置有多個(gè)外圍電磁線圈14。中心電磁線圈12和外圍電磁線圈14的作用為產(chǎn)生強(qiáng)徑向磁場B，該磁場B在靠近排放通道50的下游端52處最大。中空的陰極100設(shè)于外壁40的外側(cè)，并且在陰極100與陽極(噴射器系統(tǒng)30)之間形成電勢(shì)差。中空的陰極100被設(shè)置成使其在排放通道50的下游端52附近發(fā)射電子。在排放通道50中，這些電子在由陰極100與陽極之間的電勢(shì)差產(chǎn)生的電場的影響下被導(dǎo)向噴射器系統(tǒng)30，然而其中的一些電子仍然受排放通道50的下游開口 52附近的磁場B所限制。這樣一來，使得在排放通道50中在其下游開口 52處，這些電子在排放通道50中沿環(huán)形軌道運(yùn)動(dòng)。由于在排放通道50中與從上游向下游流動(dòng)的惰性氣體(通常為氙Xe)的原子的碰撞，這些電子使原子電離，從而產(chǎn)生離子。此外，這些電子產(chǎn)生軸向電場E，該電場使離子從陽極(通道80的底部的噴射器系統(tǒng)30)朝向下游開口 52被加速，使得這些離子從排放通道50經(jīng)由它的下游端52以極高速度噴射，從而產(chǎn)生該推進(jìn)器的推力。啟動(dòng)該推進(jìn)器需要由加熱器裝置60將陰極100預(yù)加熱到一臨界溫度，該臨界溫度使陰極能夠發(fā)射大量的電子，以滿足在排放通道50中形成臨界放電電流Iwl的需要，該臨界放電電流Ld足以將排放通道中的惰性氣體原子電離。形成放電電流Iwl而使推進(jìn)器啟動(dòng)。通常，達(dá)到該臨界溫度即足以產(chǎn)生放電電流Icd。在某些不利的操作條件下，為了形成放電電流Ied，在已達(dá)到臨界溫度之后，需要向陰極發(fā)送一個(gè)或多個(gè)電壓脈沖。實(shí)踐中，該臨界溫度取決于推進(jìn)器外部的外部條件，尤其取決于推進(jìn)器外部的溫度(該溫度例如可介于_50°C到+70°C的范圍內(nèi))。為了確保推進(jìn)器在所有條件下都能啟動(dòng)，選擇足夠長的固定 的預(yù)加熱持續(xù)時(shí)間，以便達(dá)到最高的臨界溫度，即與最不利的外部條件對(duì)應(yīng)的溫度。這樣，在大多數(shù)情況下，與有利的或者并非很不利的條件對(duì)應(yīng)的預(yù)加熱持續(xù)的時(shí)間過長。這樣導(dǎo)致陰極被無意義地過度加熱到過高的溫度，并且因此對(duì)陰極造成損害，從而縮短推進(jìn)器的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服上述缺陷。本發(fā)明提供一種霍爾效應(yīng)推進(jìn)器，其中預(yù)加熱的持續(xù)時(shí)間被優(yōu)化，使得當(dāng)啟動(dòng)推進(jìn)器時(shí)不會(huì)發(fā)生陰極的無意義的過度加熱，并且這種應(yīng)用不受推進(jìn)器的操作條件左右。該目的借助下述方案來實(shí)現(xiàn)該霍爾效應(yīng)推進(jìn)器還包括用于測(cè)量加熱器裝置的溫度Td的測(cè)量裝置，以及用于調(diào)節(jié)溫度Td的調(diào)節(jié)電路，這種溫度調(diào)節(jié)使得只要該加熱器裝置的溫度Td小于使該推進(jìn)器能啟動(dòng)的臨界溫度Ts，該加熱器裝置就進(jìn)行加熱，并且在達(dá)到臨界溫度Ts之后很快停止加熱。借助這些設(shè)定，陰極不會(huì)在臨界溫度Ts以上被長時(shí)間加熱，該臨界溫度Ts對(duì)應(yīng)于使推進(jìn)器能夠啟動(dòng)的溫度。在每個(gè)推進(jìn)器操作狀態(tài)下，陰極由此僅被加熱到啟動(dòng)推進(jìn)器所需的時(shí)間長度。這樣使得對(duì)陰極的損害減小，并且延長了霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的壽命。本發(fā)明還提供一種調(diào)節(jié)霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的方法，該方法所包括的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器具有排放通道，具有開放的下游端；陰極，位于該排放通道的外側(cè)；噴射器系統(tǒng)，適用于將氣體的原子注入到該排放通道中，該噴射器系統(tǒng)位于該排放通道的上游端并同時(shí)形成陰極；以及加熱器裝置，適用于加熱該陰極。根據(jù)本發(fā)明，該方法包括下列步驟a)使用加熱器裝置加熱陰極，同時(shí)測(cè)量該加熱器裝置的溫度Td ；b)只要溫度Td低于使推進(jìn)器能夠啟動(dòng)的臨界溫度Ts，就繼續(xù)加熱陰極；以及c)在達(dá)到臨界溫度Ts之后很快停止加熱。


通過閱讀下文借助非限定性示例闡示的實(shí)施例的詳細(xì)描述，能夠充分地理解本發(fā)明，并且其優(yōu)點(diǎn)得以更好地展現(xiàn)。該描述是參照附圖進(jìn)行的，在附圖中圖I是示出本發(fā)明的方法中的一系列步驟的流程圖；以及圖2是本發(fā)明的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的立體剖視圖，其示出了其一般結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式上文參照?qǐng)D2描述了霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的一般操作。此外，如下文所說明，在本發(fā)明的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器中，推進(jìn)器的操作被優(yōu)化，以便僅將陰極100加熱啟動(dòng)該推進(jìn)器所需的時(shí)間長度。
由此，該霍爾效應(yīng)推進(jìn)器包括測(cè)量裝置70，用于測(cè)量加熱器裝置60的溫度Td ;以及調(diào)節(jié)電路80，用于調(diào)節(jié)加熱器裝置60的溫度Td 以下將說明該調(diào)節(jié)電路80如何操作。圖I是示出啟動(dòng)霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的一系列步驟的示例的流程圖，這些步驟包括本發(fā)明的用于啟動(dòng)霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的步驟。這一系列步驟是簡化了的并且不包括可能的安全機(jī)制，該安全機(jī)制例如用于識(shí)別在推進(jìn)器的啟動(dòng)期間的錯(cuò)誤操作模式，以及用于在必要時(shí)停止該錯(cuò)誤模式。矩形CZI表示動(dòng)作，菱形O表示測(cè)試，而橢圓O表示狀態(tài)。在測(cè)試的出口處，向下的箭頭表示該測(cè)試是令人滿意的，并且向左的箭頭表示該測(cè)試不令人滿意。啟動(dòng)期間的這些步驟參照如下步驟SI :開啟陰極加熱。步驟S2 :打開上游氣體噴射器閥。 步驟S3 :是否已達(dá)到臨界溫度Ts 步驟S4 :打開進(jìn)入排放通道中的下游氣體噴射器閥。步驟S5 :是否已達(dá)到臨界放電電流Icd 步驟S6-1 :推進(jìn)器自點(diǎn)火。步驟S7:停止加熱陰極。步驟S6-2 :排放通道中的氣壓是否大于臨界壓力P。 步驟S6-3 向陰極發(fā)送一電壓脈沖。步驟S6-4 :是否已達(dá)到臨界放電電流Icd 步驟S7 :停止或減少陰極加熱。初始時(shí)，開啟加熱器裝置60以便開始加熱陰極100 (步驟SI=步驟a))。隨后打開上游氣體噴射器閥(步驟S2)以便將氣體輸送到一殼體(圖未示)中，以備注入到排放通道50中。當(dāng)加熱器裝置60被加熱時(shí)，連續(xù)地或以規(guī)則的區(qū)間測(cè)量陰極100的溫度，以檢測(cè)當(dāng)該溫度達(dá)到臨界溫度Ts時(shí)的時(shí)刻(步驟S3)。實(shí)際上，并非直接測(cè)量陰極溫度。測(cè)量加熱該陰極的加熱器裝置60的溫度Td，并將該溫度與臨界溫度Ts比較，應(yīng)理解的是加熱器裝置60和陰極100的溫度基本上是相同的。例如，如圖2中所示，加熱器裝置60可包含在陰極100的內(nèi)部。該加熱器裝置也可圍繞陰極100設(shè)置。加熱器裝置60的溫度Td由測(cè)量裝置70確定。例如，可測(cè)量加熱器裝置60的電阻率。測(cè)量裝置70即為用于測(cè)量電阻率的裝置。當(dāng)加熱器裝置60包括加熱陰極100的加熱器元件時(shí)，則測(cè)量該加熱器元件的電阻率。還可使用其他測(cè)量裝置，例如使用熱電偶來測(cè)量加熱器裝置的溫度。當(dāng)達(dá)到臨界溫度Ts時(shí)(步驟b))，打開位于容納氣體的殼體與排放通道50之間的下游噴射器閥，以將氣體注入到排放通道50中(步驟S4)。在某些情況下，該下游噴射器閥被限制器代替，該限制器使氣體能夠從該殼體以有限的流速經(jīng)過該限制器自動(dòng)地流入排放通道中，該流速隨該殼體中的壓力的不同而變化。在這種情況下，考慮到加熱器裝置60的溫度Td的上升速率是已知的，在按下述方式計(jì)算的時(shí)間點(diǎn)打開該上游噴射器閥當(dāng)加熱器裝置60的溫度達(dá)到臨界溫度Ts時(shí)，通過限制器的氣體的流速足以能夠啟動(dòng)推進(jìn)器。臨界溫度Ts是陰極100在正常情況下能夠啟動(dòng)霍爾效應(yīng)推進(jìn)器所應(yīng)達(dá)到的溫度。在對(duì)推進(jìn)器有利的操作條件下，當(dāng)達(dá)到臨界溫度Ts時(shí)，由所述陰極100發(fā)射的放電電流的流量(電子流量)即等于或大于的放電電流的臨界量值Iwl (在此臨界量值下，注入到排放通道50中的惰性氣體原子被電離(步驟S5))，從而導(dǎo)致推進(jìn)器自動(dòng)被啟動(dòng)(推進(jìn)器的自點(diǎn)火-步驟S6-1)。在圖I中示出了這種第一啟動(dòng)模式。由此，臨界溫度Ts隨放電電流的臨界量值I。，的不同而變化。臨界溫度Ts取決于制造陰極的材料。當(dāng)陰極發(fā)射放電電流Ied(即，臨界電子流量)的臨界量值時(shí)，推進(jìn)器啟動(dòng)。在給定的電壓下，陰極的每單位面積所發(fā)射的電子密度隨制造陰極的材料的不同而變化，并且還隨陰極的形狀而變化。在有利的操作條件下，并且對(duì)于由硼化鑭(LaB6)制成的陰極，相對(duì)于特定的形狀，臨界溫度Ts為約1700°C。
當(dāng)陰極由鎢基浸潰氧化鋇制成時(shí)，臨界溫度Ts為約1300°C。在某些不利條件下，當(dāng)陰極100的溫度上升到臨界溫度Ts以上時(shí)，由陰極100發(fā)射的放電電流達(dá)不到放電電流Id的臨界量值。為了開始啟動(dòng)推進(jìn)器，需要向陰極100發(fā)送電壓脈沖(步驟S6-3)以從陰極100提取更多的電子并且達(dá)到其量值不小于放電電流I。，的臨界量值的放電電流(步驟S6-4)，使得推進(jìn)器自動(dòng)啟動(dòng)(步驟S6-1)。如果在第一電壓脈沖、第二電壓脈沖之后該流量沒有被達(dá)到，并且如果需要更多的電壓脈沖，則發(fā)送電壓脈沖直到達(dá)到該流量為止。盡管如此，只有在排放通道50中的氣體的壓力Pa大于臨界壓力P。時(shí)，發(fā)送這種脈沖才是有效的(步驟S6-2)。在霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的背景中并且按照已知的方式，排放通道50中的氣體的壓力Pa與緊鄰地處于上游并通向排放通道50中(見上文)的殼體中的氣體的壓力有關(guān)。殼體中的這種氣體壓力被直接測(cè)量。由此，僅在滿足與排放通道50中的氣體壓力相關(guān)的附加條件時(shí)，對(duì)陰極100發(fā)送電壓脈沖(步驟63)。只要排放通道50中的氣體的壓力Pa仍處于臨界壓力P。以下，陰極100就會(huì)繼續(xù)被加熱，并且氣體繼續(xù)被注入到排放通道50中。該狀態(tài)或者因?yàn)樽罱K達(dá)到臨界放電電流Ied而被終止(在這種情況中推進(jìn)器自動(dòng)點(diǎn)火(步驟S6-1))，或者因?yàn)榕欧磐ǖ?0中的氣體的壓力Pa變得比臨界壓力P。更大而被終止(在這種情況下開始向陰極發(fā)送電壓脈沖(步驟S6-2))。圖I中示出了該啟動(dòng)的第二模式。在所有情況下(第一模式或第二模式)，一旦推進(jìn)器啟動(dòng)(其在陰極100達(dá)到臨界溫度Ts之后很快發(fā)生)，則關(guān)斷或減小陰極100的加熱(步驟S7=步驟C))。這樣，陰極100不會(huì)被無意義地加熱并且其壽命因此被延長。例如，在已達(dá)到臨界溫度Ts百十秒之后，推進(jìn)器啟動(dòng)。在達(dá)到臨界溫度Ts之后，陰極100的加熱由此停止幾秒到百十秒(例如5秒到300秒，并且優(yōu)選為5秒到60秒)。在第二模式的一特定情況下，在啟動(dòng)推進(jìn)器I之后，需要繼續(xù)加熱陰極100數(shù)分鐘。這種情況為推進(jìn)器已經(jīng)啟動(dòng)而放電電流沒有達(dá)到其臨界量值Ied,以及上游氣體壓力由于使用最后的氣體供給而較低。隨后，對(duì)陰極100的加熱在推進(jìn)器I啟動(dòng)之后持續(xù)數(shù)分鐘，同時(shí)提高氣壓以使這種最后氣體供給的使用更為有效。
圖I的流程圖僅是霍爾效應(yīng)推進(jìn)器如何能夠根據(jù)本發(fā)明來操作的示例?？梢詫?duì)基于該類型的推進(jìn)器的啟動(dòng)順序加以改變，這種改變不會(huì)超出本 發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種霍爾效應(yīng)推進(jìn)器(I)具有排放通道(50)，具有開放的下游端(52);陰極(100)，位于所述排放通道(50)的外側(cè)；噴射器系統(tǒng)(30)，適用于將氣體的原子注入到所述排放通道(50)中，該噴射器系統(tǒng)(30)位于所述排放通道(50)的上游端并且形成陽極；以及加熱器裝置(60)，適用于加熱所述陰極(100)，所述推進(jìn)器(I)的特征在于，該推進(jìn)器還包括測(cè)量裝置(70)，用于測(cè)量所述加熱器裝置(60)的溫度Td;以及調(diào)節(jié)電路(80)，用于調(diào)節(jié)所述溫度Td，使得只要該加熱裝置的溫度Td小于使該推進(jìn)器能夠啟動(dòng)的臨界溫度Ts，所述加熱器裝置即進(jìn)行加熱，并且在達(dá)到所述臨界溫度Ts之后很快停止加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器(I)，其特征在于，所述臨界溫度Ts隨著所述陰極(100)發(fā)射的放電電流Icid的臨界量值的不同而變化，該臨界量值對(duì)應(yīng)于所述推進(jìn)器的啟動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器(I)，其特征在于，所述加熱器裝置(60)的溫度Td是通過測(cè)量所述加熱器裝置(60)的電阻率來確定的。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求I到3中任意一項(xiàng)所述的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器(I)的調(diào)節(jié)方法，該方法的特征在于包括以下步驟 a)使用加熱器裝置(60)加熱所述陰極(100)，同時(shí)測(cè)量所述加熱器裝置(60)的溫度Td; b)只要該溫度Td低于所述推進(jìn)器能夠啟動(dòng)的臨界溫度Ts，就繼續(xù)加熱所述陰極(100);以及 c)在達(dá)到所述臨界溫度Ts之后很快停止加熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器(I)的調(diào)節(jié)方法，該方法的特征在于，所述臨界溫度Ts隨著所述陰極(100)發(fā)射的放電電流Im1的臨界量值的不同而變化，該量值對(duì)應(yīng)于所述推進(jìn)器的啟動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器(I)的調(diào)節(jié)方法，該方法的特征在于， 在借助所述加熱器裝置(60)而達(dá)到所述臨界溫度Ts之后，并且當(dāng)所述陰極(100)發(fā)射的放電電流的量值小于所述放電電流U的臨界量值時(shí)，并且當(dāng)所述排放通道(50)中的所述氣體的壓力Pa小于臨界壓力P。時(shí)， 所述陰極(100)繼續(xù)被加熱，并且氣體繼續(xù)被注入到所述排放通道(50)中。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器(I)的調(diào)節(jié)方法，該方法的特征在于，在借助所述加熱器裝置(60)而達(dá)到所述臨界溫度Ts之后，并且當(dāng)所述陰極(100)發(fā)射的放電電流的量值小于所述放電電流Im1的臨界量值時(shí)，并且當(dāng)所述排放通道(50)中所述氣體的壓力Pa小于臨界壓力P。時(shí)，向所述陰極(100)施加至少一個(gè)電壓脈沖，直到該放電電流的量值變得等于所述放電電流Ied的臨界量值以使所述推進(jìn)器能夠啟動(dòng)為止。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種霍爾效應(yīng)電機(jī)(1)，該霍爾效應(yīng)電機(jī)具有排放通道(50)，其下游端(52)是開放的；陰極(100)，位于排放通道(50)的外側(cè)；噴射系統(tǒng)(30)，其能夠?qū)怏w的原子注入到所述排放通道(50)中，所述噴射系統(tǒng)(30)位于該排放通道(50)的上游端并同時(shí)形成陽極；以及加熱裝置(60)，其能夠加熱陰極(100)。該電機(jī)(1)還包括用于測(cè)量加熱裝置(60)的溫度(Td)的裝置(70)；以及調(diào)節(jié)電路(80)，用于調(diào)節(jié)所述溫度(Td，)使得只要加熱裝置(60)的溫度(Td)小于臨界溫度(Ts)，該加熱裝置就加熱陰極，并且在達(dá)到臨界溫度(Ts)之后很快停止加熱，該電機(jī)在該臨界溫度或高于該臨界溫度的溫度下能夠啟動(dòng)。
文檔編號(hào)F03H1/00GK102869883SQ201180021448
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者弗雷德里克·馬尚迪斯, 邁克爾·奧貝格, 尼古拉斯·科爾尼 申請(qǐng)人:斯奈克瑪公司