霍耳效應(yīng)推進器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及霍耳效應(yīng)推進器，其包括：至少一個高壓氣體罐（101）；壓力控制模塊（103）；用于控制氣體流速的設(shè)備（105）；電離通道；布置成鄰近電離通道的出口的陰極（40A，40B）；與電離通道相連的陽極；電源單元（110）；電濾波器（120）；和用于生成圍繞電離通道的磁場的線圈?；舳?yīng)推進器還包括用于在陽極與陰極（40A，40B）之間施加脈沖電壓的附加的電源單元（125）。
【專利說明】霍耳效應(yīng)推進器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及霍耳效應(yīng)推進器(thruster)，也被稱為固定式等離子體推進器。
【背景技術(shù)】
[0002]霍耳效應(yīng)推進器基本上包括電離放電通道，其與設(shè)置在電離放電通道的出口附近的陽極、陰極關(guān)聯(lián)。電離放電通道由例如陶器等絕緣材料制成。磁路和電磁線圈環(huán)繞電離放電通道。例如氙等惰性氣體被注入放電通道的后部并進入陰極。內(nèi)部氣體通過與陰極發(fā)射的電子碰撞而在電離放電通道中電離。產(chǎn)生的離子被陽極與陰極之間生成的軸向電場加速并射出。在通道內(nèi)，磁路和電磁線圈生成基本上徑向的磁場。
[0003]圖2是閉合的電子漂移型霍耳效應(yīng)推進器的示例的軸向剖視圖。
[0004]在圖2中，能夠看到環(huán)形通道21和磁路24，環(huán)形通道21由例如電介體陶瓷等絕緣材料制成的部件22限定，磁路24具有外部和內(nèi)部的環(huán)形極片(pole piece)24a和24b、設(shè)置在推進器的上游端的磁軛24d以及將環(huán)形極片24a、24b和磁軛24d連接在一起的中央芯部24c。線圈31、32用于生成環(huán)形通道21中的磁場。中空陰極40聯(lián)接到用于在通道21的下游出口的前面形成等離子體云的氙供給裝置。陽極25設(shè)置在環(huán)形通道21中并與用于可電離氣體(氙)的環(huán)形歧管27關(guān)聯(lián)。殼體20保護整個推進器。
[0005]在圖2中，由噴射的可電離氣體產(chǎn)生的電子e、離子1、原子a、電場E和磁場線B全部被象征性地表示。
[0006]在圖2所示的這種霍耳效應(yīng)推進器中，例如氙等推進劑的原子通過放電而被電離，該電離被限制在通道21中。所產(chǎn)生的離子i在由陽極25生成的電場E中被加速并經(jīng)由環(huán)形通道21的下游出口 26射出，以產(chǎn)生推力效果。
[0007]由于大抵軸向的電場E與大抵徑向的磁場B相結(jié)合，所以在通道21內(nèi)產(chǎn)生數(shù)十安培的方位電子電流。
[0008]霍耳效應(yīng)推進器的示例在以下文獻中具體描述:FR2 693 770A1、FR2743 191A1、FR2 782 884A1和 FR2 788 084A1。
[0009]霍耳效應(yīng)推進器在操作方面存在兩個主要限制。
[0010]第一限制在于，因放電通道的陶器被腐蝕而造成壽命有限。由發(fā)動機產(chǎn)生的一些離子在放電通道中朝向發(fā)動機的壁加速。考慮到其能量，這些離子會腐蝕放電通道的陶瓷，由此限制推進器的壽命。
[0011]第二限制在于，在高程度的比沖(Isp)下，發(fā)動機效率下降且發(fā)動機加速老化。固定式等離子體推進器的比沖基本上通過增大放電電壓Ud來增大。這導(dǎo)致產(chǎn)生更熱且與放電通道的壁強烈相互作用的等離子體。在這樣的情形之下，電子的能量顯著地增大，直到到達與發(fā)動機中的通道的陶器不可相容的電平。更大的離子速度還促使增大發(fā)動機的陶瓷被腐蝕的速度。
[0012]這就是為何直到現(xiàn)在，仍必須使用具有受限的比沖的霍耳效應(yīng)推進器，其比沖可典型地約為1000秒(S)到2500秒(S)的數(shù)量級。[0013]為了延長霍耳效應(yīng)發(fā)動機的壽命，已經(jīng)提出使放電通道可平移地移動。當室變得腐蝕時，使放電通道的陶器沿發(fā)動機的軸線前進。然而，這種方式無法克服高壓操作的限制的問題。
[0014]還公知的是轟擊離子推進器，其具有加速離子的網(wǎng)格并能夠以大于4000s的比沖程度操作。然而，使用網(wǎng)格具有某些缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的等離子體推進器的缺陷，更具體地改良霍耳效應(yīng)推進器或閉合式電子漂移等離子體推進器，以便改善它們的技術(shù)特性，并具體地改善比沖、有效減少放電通道的腐蝕而延長壽命。
[0016]這些目的通過霍耳效應(yīng)推進器實現(xiàn)，霍耳效應(yīng)推進器包括:至少一個處于高壓之下的氣體罐；壓力調(diào)節(jié)器模塊；氣體流速控制器；電離通道；放置在電離通道的出口附近的至少一個陰極；與電離通道相連的陽極；電源單元；電濾波器；和生成圍繞電離通道的磁場的線圈，推進器的特征在于，其還包括在所述陽極與所述至少一個陰極之間施加脈沖電壓的附加的電源單元，而且附加的電源單元交替地產(chǎn)生在5微秒(μ s)到15 μ s的范圍內(nèi)的第一持續(xù)時間(tt(rt、/A)的第一放電電壓(Udmin)和在5μ s到15μ s范圍內(nèi)的第二持續(xù)時間(t j/A )的第二放電電壓(Udniax)。
[0017]有利地，附加的電源單元交替地產(chǎn)生在150volts (V)到250V的范圍內(nèi)的第一放電電壓(Udniin)和在300V到1200V的范圍內(nèi)的第二放電電壓(Ud_)。
[0018]優(yōu)選地，所述第一持續(xù)時間(tt(rt_tj/A)在5μ s到10μ s的范圍內(nèi)，所述第二持續(xù)時間(tj/A)在5 μ s到10 μ s的范圍內(nèi)。
[0019]根據(jù)優(yōu)選特性，第一放電電壓(Udniin)在180V到220V的范圍內(nèi)，第二放電電壓(Udmax)在400V到1000V的范圍內(nèi)。
[0020]附加的電源單元包括至少一個電容器。
[0021]在具體的實施例中，附加的電源單元分別交替地產(chǎn)生用于第一持續(xù)時間(tw-tj/A)和第二持續(xù)時間(tyA)的第一放電電壓(Udmin)和第二放電電壓(Udmax),這兩個持續(xù)時間基本上相等。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的具體方案，用于生成磁場的線圈由所述電源單元和所述電濾波器供電，與由附加的電源單元和所述電濾波器供電的陽極獨立。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點由以下作為非限制性示例給出并參照附圖的具體實施例的描述呈現(xiàn)，其中:
[0024]圖1是與其電源相連的本發(fā)明的霍耳效應(yīng)推進器的框圖；
[0025]圖2是示出本發(fā)明可適用的霍耳效應(yīng)推進器的實例的軸向剖視圖；
[0026]圖3是示出代表本發(fā)明能夠應(yīng)用的霍耳效應(yīng)推進器在低頻振蕩形式下、氣體N的放電電流I和平均密度隨著時間函數(shù)的變量的曲線圖；以及
[0027]圖4是其中顯示放電電壓Ud如何隨著時間函數(shù)變化的示例的曲線圖，根據(jù)本發(fā)明，電壓Ud在高壓Udmax與低壓Udmin之間交替?！揪唧w實施方式】
[0028]本發(fā)明涉及以上參照圖2描述的霍耳效應(yīng)推進器的大體結(jié)構(gòu)。
[0029]盡管常常被稱為“固定式等離子體推進器”，但是傳統(tǒng)的霍耳效應(yīng)推進器的操作很不穩(wěn)定。可考慮20千赫(kHz)到幾千兆赫范圍內(nèi)的幾個頻率范圍。
[0030]在低頻，傳統(tǒng)的霍耳效應(yīng)推進器的特征主要在于以下階段:
[0031]a)用例如氙等推進劑的惰性原子填充放電通道；
[0032]b)在推進器的下半段用高能電子使惰性原子電離；以及
[0033]c)借助電場E加速并射出已經(jīng)產(chǎn)生的離子，該電場E與推進器的放電電壓Ud成比例。
[0034]相同的三個階段循環(huán)周期性地重新啟動。
[0035]圖3示出霍耳效應(yīng)推進器中的振動的簡化模型。
[0036]圖3示出放電電流I隨著時間的函數(shù)(曲線I)和平均氣體密度N隨著時間的函數(shù)(曲線2)。
[0037]由于惰性氣體密度的空間中發(fā)生振蕩，所以電離/加速前的振蕩能夠被清楚地看到。
[0038]因此，霍耳效應(yīng)推進器的特征在于，電離/加速前射出已電離的惰性氣體和填充推進器的放電室的未電離的惰性氣體的前部(front)交替。
[0039]在傳統(tǒng)的霍耳效應(yīng)推進器中，推進器的放電電壓Ud被設(shè)定在預(yù)定電平，該預(yù)定電平充分高以使產(chǎn)生的熱電子在高電場中適于獲得良好的離子的電離和加速。
[0040]傳統(tǒng)的霍耳效應(yīng)推進器的放電電壓Ud在操作期間基本上保持恒定。如上所述，放電電壓Ud的值被選擇為具有可以限制放電通道的陶瓷被腐蝕的速度的電平，典型地約為300V到350V的值，但是這也會導(dǎo)致限制所產(chǎn)生的比沖。
[0041]本發(fā)明的霍耳效應(yīng)推進器使其可以獲得高比沖，但是無需增大放電通道的陶瓷被腐蝕的速度，并且無需推進器的機械結(jié)構(gòu)做任何更改。
[0042]為實現(xiàn)這些，當本發(fā)明的霍耳效應(yīng)推進器操作時，使推進器的放電電壓Ud脈動，以便通過減小推進器內(nèi)的惰性原子消耗的空間振蕩幅度，控制推進器的電離/加速前的擴展(propagation)。
[0043]這樣避免在推進器的通道的上游太遠處形成離子并隨后加速離子，由此通過周期性地減小放電電壓來顯著地限制通道的腐蝕。
[0044]圖4示出在放電電壓Ud隨時間在等于Udniin的低放電電壓與等于Ud-的高充電電壓(曲線3)之間振蕩的情況下的推進器的操作。
[0045]首先，放電電壓Ud被設(shè)定到等于Udmin的低值。當推進器的通道充滿惰性原子時，放電電壓Ud被設(shè)定到等于Udmax的高值持續(xù)時間tj/A,該時間tj/A可例如在5 μ s到15 μ s的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在5μ s到10 μ s的范圍內(nèi)，接近10 μ s的值會給出好結(jié)果。
[0046]高壓值Udmax與低壓值Udmin的循環(huán)的總時間ttot由推進器的通道填充惰性原子的速度決定，可例如在10 μ s到30 μ s的范圍內(nèi)，優(yōu)選在10 μ s到20 μ s的范圍內(nèi)，接近20 μ S的值會給出好結(jié)果。
[0047]電壓Udniin可例如在150V到250V的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在180V到220V的范圍內(nèi)。[0048]電壓Udniax可例如在300V到1200V的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在400V到1000V的范圍內(nèi)。
[0049]圖4示出脈動操作的示例，其中放電電壓分別等于Udniax和Udniin的持續(xù)時間\VA和ttot-tJ/A基本上相等,但這不是必須的。
[0050]值Ud在最小值Udmin與極大值Udmax之間振蕩的頻率取決于電壓Udmax所確定的電平，其于是確定推進器的比沖值。
[0051]圖1是示出本發(fā)明的霍耳效應(yīng)推進器的大體結(jié)構(gòu)以及氣體與電的供應(yīng)的框圖。
[0052]例如氙等可電離氣體的罐101通過管102連接到壓力調(diào)節(jié)器模塊103，壓力調(diào)節(jié)器模塊103本身通過管104連接到氣體流速控制器105，氣體流速控制器105，用于經(jīng)由各自的軟管106、107和108供給包含放電通道的殼體20內(nèi)的氣體歧管以及另外陰極40A和40B。使用兩個陰極40A和40B來代替單個陰極不是必須的，僅僅出于安全的原因構(gòu)成冗余。
[0053]主電源單元110經(jīng)由連接件121連接到電濾波器120，電濾波器120依次用于經(jīng)由連接件123為線圈供電，以生成圍繞電離放電通道的磁場，線圈設(shè)置在殼體20內(nèi)。主單元110與氣體流速控制器105之間的直接連接件122用于控制控制器。
[0054]主電源單元110經(jīng)由線路111、112和113接收由例如太陽電池板等外部源產(chǎn)出的電能，并將該電能(其可能通常以例如50V的電壓傳送)轉(zhuǎn)變成約幾百伏的更高的電壓的電倉泛。
[0055]具體地，主電源單元110具有產(chǎn)生模似控制信號的電路，該模似控制信號經(jīng)由線路122應(yīng)用于氣體流速控制器105。
[0056]主電源單元110經(jīng)由線路114從控制電路115接收數(shù)據(jù)，控制電路115與模塊103相連，該模塊103用于調(diào)節(jié)從氣罐101傳送到氣體流速控制器105的氣體的壓力。
[0057]控制電路115經(jīng)由線路118和119從傳感器接收關(guān)于氣體壓力調(diào)節(jié)器模塊103中的閥的狀態(tài)的信息，而且其經(jīng)由線路116、117接收外部數(shù)據(jù)。從控制電路115通過線路114傳輸?shù)街麟娫磫卧?10的數(shù)據(jù)用于產(chǎn)生通過線路122應(yīng)用于氣體流速控制器105的模似控制信號。
[0058]連接至電源單元110的附加的電源單元125經(jīng)由線路126U26A和濾波器120發(fā)揮作用，以向集成在殼體20中的陽極供電。
[0059]與用于生成電場的陰極40A、40B和陽極25協(xié)作的附加的電源單元125跟濾波器120 一起發(fā)揮作用，以在陽極25與每個陰極40A、40B之間供給脈沖電壓，同時并發(fā)地，殼體20中包括的電磁線圈由電源單元110和濾波器120供電。
[0060]附加的電源單元125用于產(chǎn)生兩個不同的電壓電平，即例如約200V的低電平電壓以及約幾百伏的高電平電壓(可能地高達約1200V)。
[0061]作為指示，電流在200V的低壓下可以為2安培(A)，在400V的高壓下為7A。
[0062]附加的電源單元125中儲存的能量必須在非常精確的時刻釋放。舉例而言，用于放電的頻率接近100kHz，完整的循環(huán)占據(jù)20 μ s的時間段。
[0063]附加的電源單元125可包括幾微法拉或幾十微法拉的電容量的電容器，例如以便能夠在20 μ s (50kHz)的周期內(nèi)充電和放電，充電在10 μ s期間對應(yīng)7Α，即充電70微安秒(μ As)。
[0064]附加的電源單元125的電容器的充電和放電由控制電路控制和管理，該控制電路與附加的電源單元125相連或集成在電源單元110中，以這種方式使附加的電源單元125能夠交替輸出兩個不同功率級。
[0065]第一功率級對應(yīng)于低功率，由此使放電通道能夠充滿惰性原子，同時第二功率級對應(yīng)于高功率，例如在5μ s到10 μ s期間、在400V到I千伏(kV)范圍內(nèi)的電壓下傳送7A到IOA范圍內(nèi)的電流，每個高功率脈沖對應(yīng)可典型地處于14毫焦(mj) (7A、400V和5μ s)到100mJ( 10A、lkV和10 μ s)的范圍內(nèi)的能量，值的范圍被認為是優(yōu)選的，但不是限制性的。
[0066]高功率級對應(yīng)于發(fā)動機的放電通道中的電離/加速過程。高功率級是脈沖式的使其可以選擇導(dǎo)致高比沖電平而不縮短發(fā)動機的壽命的相對高值。
[0067]通常，主電源單元110和附加的電源單元125由電路構(gòu)成，該電路首先用于向氣體流速控制器105傳送低功率，其次向殼體20中包括的電磁線圈以及與陽極25協(xié)作的陰極40A和40B傳送高功率。主電源單元110和附加的電源單元125限定至少兩個串聯(lián)連接和/或并聯(lián)連接的不同的電源模塊，以便使其可以在推進器的查找操作所需的兩個功率級之間切換。
[0068]濾波器120可由電源模塊中包括的濾波元件構(gòu)成，電源模塊構(gòu)成單元110和125，以便使它們與起源于推進器的電磁兼容(EMC)效應(yīng)隔離。
【權(quán)利要求】
1.一種霍耳效應(yīng)推進器，包括:至少一個處于高壓之下的氣體罐(101);壓力調(diào)節(jié)器模塊(103);氣體流速控制器(105);電離通道(21);放置在所述電離通道(21)的出口附近的至少一個陰極(40A，40B);與所述電離通道(21)相連的陽極(25);電源單元(110);電濾波器(120);以及生成圍繞所述電離通道(21)的磁場的線圈(31，32)，所述推進器的特征在于，所述推進器還包括附加的電源單元(125)，所述附加的電源單元(125)用于在所述陽極(25)與所述至少一個陰極(40A，40E)之間施加脈沖電壓，而且所述附加的電源單元(125)交替地產(chǎn)生在5μ s到15μ s的范圍內(nèi)的第一持續(xù)時間(tt(rt-tj/A)的第一放電電壓(Udmin)以及在5μ s到15μ s的范圍內(nèi)的第二持續(xù)時間(\VA)的第二放電電壓(Ud_)。
2.如權(quán)利要求1所述的推進器，其特征在于，所述附加的電源單元(125)交替地產(chǎn)生在150V到250V的范圍內(nèi)的第一放電電壓(Udmin)以及在300V到1200V范圍內(nèi)的第二放電電壓(Udmax )。
3.根據(jù)權(quán)利要求31或2所述的推進器，其特征在于，所述第一持續(xù)時間(ttot-tyA)在5 μ s到10 μ s的范圍內(nèi)，所述第二持續(xù)時間(tj/A)在5 μ s到10 μ s的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的推進器，其特征在于，所述第一放電電壓(Udmin)在180V到220V的范圍內(nèi)，所述第二放電電壓(Udmax)在400V到1000V的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的推進器，其特征在于，所述附加的電源單元(125)包括至少一個電容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的推進器，其特征在于，所述附加的電源單元(125)交替地產(chǎn)生分別用于第一持續(xù)時間和第二持續(xù)時間(\_/Α)的第一放電電壓(Udmin)和第二放電電壓(Udmax),所述持續(xù)時間基本上相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的推進器，其特征在于，用于生成磁場的所述線圈(31，32)由所述電源單元(110)和所述電濾波器(120)供電，與由所述附加的電源單元(125)和所述電濾波器(120)供電的所述陽極(25)獨立。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的推進器，其特征在于，所述電離通道(21)由陶瓷材料制成的壁(22)限定。
【文檔編號】F03H1/00GK103562549SQ201280026884
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月30日
【發(fā)明者】斯蒂芬·約瑟夫·蘇爾巴什, 弗雷德里克·馬尚迪斯, 邁克爾·奧貝格 申請人:斯奈克瑪公司