霍爾效應(yīng)推進器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及霍爾效應(yīng)推進器領(lǐng)域，特別涉及這樣一種推進器(1)，在其環(huán)形通道(2)的下游端具有可變的橫截面，從而能夠改變推進器的推力和比沖量。
【專利說明】霍爾效應(yīng)推進器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及霍爾效應(yīng)推進器領(lǐng)域。
[0002] 本發(fā)明更特別地涉及一種具有環(huán)形通道、陽極、噴射回路、磁路和陰極的霍爾效應(yīng) 推進器。該環(huán)形通道由圍繞一中心軸線同軸的內(nèi)壁和外壁限定，并具有開放的下游端和封 閉的上游端。該陽極位于該環(huán)形通道的上游端處。該噴射回路適于將推進氣體（例如氙） 噴射到該環(huán)形通道中。該磁路適于在該環(huán)形通道的下游端處產(chǎn)生磁場。該陰極位于環(huán)形通 道的下游端的外部。
[0003] 在本文中，術(shù)語"上游"和"下游"被定義為相對于推進氣體沿著由環(huán)形通道的中 心軸線限定的正常流向。

【背景技術(shù)】
[0004] 通常，在這種霍爾效應(yīng)推進器處于工作狀態(tài)時，電子由陰極發(fā)射出并朝向位于環(huán) 形通道的端部的陽極被吸引，這些電子在位于兩壁之間的螺旋軌道中被磁場捕獲，由此形 成虛擬陰極柵。電子從這種磁罩朝向陽極逃逸，并與通過噴射回路被噴射至環(huán)形通道內(nèi)的 推進氣體中的原子發(fā)生碰撞，從而形成離子化等離子體。
[0005] 上述等離子體中的正離子被存在于陽極和虛擬陰極柵之間的電場加速，該虛擬陰 極柵由被位于環(huán)形通道的開放端處的磁場所捕獲的電子云形成。因為每個正離子的質(zhì)量遠 大于電子的質(zhì)量，所以正離子的軌跡（trajectory,軌線）很難被磁場所影響。這種等離子 流中的離子最終會被陰極所發(fā)射的電子或是在等離子體電離過程中所產(chǎn)生的電子在磁場 的下游處中和。
[0006] 霍爾效應(yīng)推進器起初被應(yīng)用于航天器的運行方位和軌跡控制系統(tǒng)（AOCSs)中，尤 其是被應(yīng)用于地球同步衛(wèi)星的AOCSs中?；魻栃?yīng)推進器能夠獲得1500秒（s)數(shù)量級的 非常高的比沖量（I sp)，從而能夠精確地控制運載工具（航天器）的運行方位和/或位置， 并且與使用那些依靠慣性器件（諸如反作用輪）與使其減飽和的化學推進器結(jié)合的傳統(tǒng)系 統(tǒng)相比，其質(zhì)量和復(fù)雜程度要低得多。
[0007] 然而，具有高比沖量的霍爾效應(yīng)推進器通常只能獲得非常低的推力。因此，結(jié)合有 霍爾效應(yīng)推進器的AOCSs通常與用于執(zhí)行某種快速飛行（諸如定位或轉(zhuǎn)換軌道）的化學推 進器關(guān)聯(lián)。但是這樣做的缺點是，提高了航天器的總成本和復(fù)雜程度，使其可靠性降低。
[0008] 當執(zhí)行特征測試時，以及在SMART-1實驗中，已經(jīng)確定霍爾效應(yīng)推進器不僅能夠 使用低流速的推進氣體并使用陽極和陰極之間的高電壓而在高比沖量模式下運行，而且還 能夠使用高流速的推進氣體并使用中等電壓而在高推力模式下運行。盡管如此，等離子流 的穩(wěn)定性和推進器的效率，除其它因素外，還取決于環(huán)形通道中的等離子體的密度。因此， 現(xiàn)有推進器被優(yōu)化為適于單一運行模式。由此，為了替換用于定位和轉(zhuǎn)換軌道的化學推進 器，需要設(shè)計在高推力模式下運行的霍爾效應(yīng)推進器，此外在A0CS中需要高比沖量的霍爾 效應(yīng)推進器。這樣，航天器的復(fù)雜程度將不會顯著降低。
[0009] 在專利號為7500350 B1的美國專利中，公開了一種霍爾效應(yīng)推進器，其具有：環(huán) 形通道，具有開放的下游端和封閉的上游端；電路；噴射回路，用于將推進氣體流噴射到環(huán) 形通道中；以及磁路，用于在環(huán)形通道的下游端處形成磁場。該電路包括位于環(huán)形通道上 游端的陽極、位于環(huán)形通道下游端的陰極、以及處于所述陽極和所述陰極之間的電壓源。該 環(huán)形通道由圍繞一中心軸線同軸的內(nèi)壁和外壁限定。盡管在推進器運行期間壁會被逐漸腐 蝕，但為了保持內(nèi)壁與外壁之間的間隙幾乎恒定，內(nèi)壁和/或外壁在軸向上是可移動的，且 該推進器還具有致動器用以移動所述內(nèi)壁和/或所述外壁。盡管如此，該文獻沒有提到如 何使該霍爾效應(yīng)推進器在高推力模式下和高比沖量模式下運行。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明旨在提出一種霍爾效應(yīng)推進器，其既能夠在高推力模式下運行，也能夠在 高比沖量模式下運行。
[0011] 在至少第一實施例中，所述目的通過以下方式來實現(xiàn)：內(nèi)壁是可移動的，并具有沿 下游方向減小直徑，且推進器還具有控制單元，該控制單元至少連接至電路、推進氣體噴射 回路和所述致動器，該控制單元被配置為能夠改變所述流和/或所述電壓，并調(diào)節(jié)可移動 內(nèi)壁的位置以便適應(yīng)隨著所述可變的流和/或所述可變電壓的不同而變化的環(huán)形通道下 游端的橫截面，以便將處于環(huán)形通道下游端處的等離子體密度維持在預(yù)定的范圍之內(nèi)。
[0012] 在至少第二實施例中，所述目的通過以下方式來實現(xiàn)：外壁是可移動的，并具有沿 下游方向增大的直徑，且推進器還具有控制單元，該控制單元至少連接至電路、推進氣體噴 射回路和致動器，該控制單元被配置為能夠改變所述流和/或所述電壓，并調(diào)節(jié)可移動外 壁的位置以便適應(yīng)隨著所述可變的流和/或所述可變電壓的不同而變化的環(huán)形通道下游 端的橫截面，以便將處于環(huán)形通道下游端處的等離子體密度維持在預(yù)定的范圍之內(nèi)。
[0013] 在兩種配置方式中，這些規(guī)定使得環(huán)形通道的下游端的厚度可以通過可移動壁的 軸向移動而被改變，以便通過改變推進氣體的流速而在環(huán)形通道出口處維持恒定的等離子 體密度。由此，獲得了一種霍爾效應(yīng)推進器，其尤其能夠適合在高推力模式下運行，將高流 速的等離子體傳遞至環(huán)形通道的大的出口部；而且還能夠在高比沖量模式下運行，使低流 速的等離子體穿過環(huán)形通道較窄的出口部。
[0014] 為了使可移動的壁軸向移動，例如，可移動壁的所述致動器可以是用于驅(qū)動可移 動壁的壓電致動器。在本申請中，這樣的壓電致動器具有下列優(yōu)點：能夠與太空環(huán)境中的使 用相適應(yīng)，壽命較長，不被來自霍爾效應(yīng)推進器中存在的高電場和高磁場干擾，而同時提供 非常良好的反應(yīng)速度。具體地，壓電致動器可以是超聲波馬達。在本文中，術(shù)語"超聲波馬 達"指一種致動器，其具有轉(zhuǎn)子和壓電定子，在該定子上可以電誘發(fā)移動超聲波，其波峰與 轉(zhuǎn)子接觸并沿其前進方向驅(qū)動轉(zhuǎn)子。雖然超聲波馬達通常是轉(zhuǎn)動的，具有環(huán)形的轉(zhuǎn)子和定 子，但在本申請中，也可以設(shè)想到使用線性超聲波馬達，其轉(zhuǎn)子和定子是直線形的。術(shù)語"轉(zhuǎn) 子"繼續(xù)被用于指可移動部件（如果其可以沿線性方向而非轉(zhuǎn)動方向運動）。超聲波馬達 具有特別的優(yōu)點：提供相對高的扭矩和力，同時不會在霍爾效應(yīng)推進器或航天器的通訊設(shè) 備中產(chǎn)生干擾，該霍爾效應(yīng)推進器具有大約30千赫（kHz)量級的工作頻率，而該航天器通 訊設(shè)備在千兆赫級的頻率下工作。超聲波馬達的工作頻率是大約30兆赫（MHz)。
[0015] 特別地，內(nèi)壁和外壁可以由陶瓷材料制成，因為陶瓷材料的電、磁特性及抗腐蝕的 特性，所以特別適合使用。
[0016] 本發(fā)明還提出一種航天器，其結(jié)合有至少一種上述的霍爾效應(yīng)推進器，還提出一 種在上述的霍爾效應(yīng)推進器中調(diào)節(jié)推力的方法。
[0017] 在推進器調(diào)節(jié)方法的至少一個實施方案中，通過回路被噴射到環(huán)形通道中的推進 氣體流和/或處于所述陽極和陰極之間的電壓隨著期望的推力的不同而改變，調(diào)節(jié)可移動 壁的位置，以便適應(yīng)隨著可變的流和/或可變的電壓的不同而變化的環(huán)形通道下游端的橫 截面，以便將環(huán)形通道下游端處的等離子體密度維持在預(yù)定的范圍之內(nèi)。這樣，霍爾效應(yīng) 推進器的運行可以在高推力模式和高比沖量模式之間進行改變，而不影響等離子流的穩(wěn)定 性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 通過閱讀以非限定性示例的方式對兩個實施例給出的詳細描述，可良好地理解本 發(fā)明及其優(yōu)點。該描述參照了多個附圖，其中：
[0019] 圖1A是第一實施例中處于高推力模式下的霍爾效應(yīng)推進器的示意性軸向剖視 圖；
[0020] 圖1B是圖1A中的霍爾效應(yīng)推進器處于高比沖量模式下的示意性軸向剖視圖；
[0021] 圖2A是第二實施例中處于高推力模式下的霍爾效應(yīng)推進器的示意性軸向剖視 圖；以及
[0022] 圖2B是圖2A中的霍爾效應(yīng)推進器處于高比沖量模式下的示意性軸向剖視圖。

【具體實施方式】
[0023] 圖1A和圖1B示出了第一實施例中的相同的霍爾效應(yīng)推進器1的兩個不同位置。 該推進器1具有環(huán)形通道2,該環(huán)形通道由圍繞中心軸線X同軸的內(nèi)壁3和外壁4限定，這 些同軸的壁由陶瓷材料制成。環(huán)形通道2具有開放的下游端和封閉的上游端。在其上游端 處，環(huán)形通道2還具有噴嘴10,用以將推進氣體噴射到環(huán)形通道2中。噴嘴10通過噴射回 路11被連接至推進氣體源，該噴射回路包括流速調(diào)節(jié)裝置24。例如，這些裝置24可以包含 鉛筆閥（pencil valve)或熱力毛細管（thermo-capillary),熱力毛細管即為具有加熱裝 置而能夠主動改變其自身溫度、進而主動改變其通過的流速的毛細管。這樣的流速調(diào)節(jié)裝 置也可以與被動的節(jié)流器相結(jié)合。推進氣體可以是氙，其具有分子量高和電離電勢相對較 低的優(yōu)點。盡管如此，在其它的霍爾效應(yīng)推進器中，可以使用許多種類的推進氣體。
[0024] 推進器1還具有一磁路。該磁路包括圍繞著外壁4布置并被線圈14所環(huán)繞的磁 芯13,該磁芯終止于靠近環(huán)形通道2的開放端的外極15。該磁路還具有中央磁芯16,該中 央磁芯位于推進器1的中心處并被線圈17所環(huán)繞，該中央磁芯終止于內(nèi)極18,該內(nèi)極18的 極性與外極15的極性相反，并位于環(huán)形通道2的開放端附近面對外極15的位置，由此在內(nèi) 極與外極之間產(chǎn)生徑向磁場M。推進器1還具有電路21，該電路具有位于環(huán)形通道2上游 端的陽極9、位于環(huán)形通道2的開放端的下游的陰極19、以及位于陽極9和陰極19之間的 電壓源20。雖然在所示出的實施例中，陰極19是空心陰極，但也可以替代地使用其它類型 的陰極。
[0025] 特別地，環(huán)形通道2可以是軸對稱的。然而，作為替代，也可以設(shè)想到其它非軸對 稱的形狀，例如具有橢圓形或跑道形的橫截面。
[0026] 在操作中，當使用氙作為推進氣體時，在位于環(huán)形通道2的下游端的下游的空心 陰極19與位于環(huán)形通道2的一端的陽極9之間，會產(chǎn)生通常約為150V (伏特）至800V量級 的電壓。因此，空心陰極19開始發(fā)射電子，這些電子大部分被捕獲到由磁場形成的磁罩中， 當使用氙作為推進氣體時該磁罩適用于期望的性能和所使用的推進氣體，并且該磁場通常 約為100高斯（G)至300高斯的量級。被捕獲在磁罩中的電子由此形成虛擬陰極柵。因此 在環(huán)形通道中，在陽極9和該虛擬陰極柵之間產(chǎn)生電場。
[0027] 高能電子（通常具有介于10 eV(電子伏特）至40eV的范圍內(nèi)的能量）從磁罩朝 向陽極9逃逸，同時推進氣體通過噴嘴10被噴射至環(huán)形通道2中。這些電子與推進氣體原 子的碰撞導(dǎo)致推進氣體開始被電離，隨后朝向環(huán)形通道2的下游端被電場加速。由于推進 氣體的離子質(zhì)量比電子質(zhì)量大若干量級，所以磁場Μ無法以同樣的方式限制這些離子。由 此，推進器1產(chǎn)生等離子流，其通過環(huán)形通道2的下游端被噴射出去，用以產(chǎn)生基本上與中 心軸線共線的推力。
[0028] 在第一實施例的該推進器1中，外壁4沿軸向可移動，并具有向下游增大的直徑。 相反地，內(nèi)壁3是固定的。由此，當外壁4沿軸向縮回時（如在圖1Α中示出的位置），內(nèi)壁 3和外壁4具有相對大的徑向間隙l p，以及由此具有相對大的橫截面，以供等離子流通過并 離開環(huán)形通道2。相反地，當外壁3在下游方向上前進時，如圖1Β中所示，內(nèi)壁3和外壁4 在環(huán)形通道2的出口處具有較小的徑向間隙I并由此具有較小的橫截面以供等離子流通 過。由此，圖1A中示出的位置使等離子流分布在環(huán)形通道2下游端的較大的出口區(qū)域，因 此更適合用于大流速、即高推力的等離子流。相反地，在圖1B示出的位置中，環(huán)形通道2的 出口區(qū)域較小，因此即使在小流速和較高電壓的情況下，也能夠維持等離子流的穩(wěn)定性，因 此更適合于以高比沖量運行的模式。
[0029] 為了沿軸向移動外壁4,可以借助具有超聲波馬達的致動器22來驅(qū)動該外壁，該 致動器因為其尺寸較小而可以容易地被整合在推進器1中。雖然在本實施例中特別提出了 超聲波馬達，但作為替代，還可以設(shè)想到其他類型的致動器，尤其是壓電致動器。
[0030] 控制單元23至少被連接至致動器22、用于調(diào)節(jié)回路11的推進氣體流速的裝置、 以及處于陽極9和陰極19之間的電壓源，該控制單元可以調(diào)節(jié)由回路11提供的推進氣體 的流速、陰極19和陽極9之間的電壓、以及外壁4的軸向位置，從而改變推進器1的推力和 比沖量。該控制單元23包括數(shù)據(jù)處理器和記憶存儲表，該記憶存儲表用以指明由連接至陽 極9和陰極19的電源的電流/電壓對所限定的與推進器1的操作點相對應(yīng)的外壁4的軸 向位置。
[0031] 雖然在第一實施例中，外壁4是可移動壁，但在另一實施例中，可以使內(nèi)壁3而非 外壁4可移動，或者內(nèi)壁3與外壁4 一樣可移動。由此，在圖2A和圖2B示出的第二實施例 中，外壁4是固定的，而內(nèi)壁3沿軸向可移動。推進器1的其它元件與第一實施例的元件相 同，并在圖中以相同的附圖標記示出。在第二實施例中，內(nèi)壁4具有向下游方向減小的直 徑。由此，如同在第一實施例中那樣，通過將可移動壁沿軸向移動，能夠從如圖2A中所示出 的高推力模式下的運行轉(zhuǎn)變?yōu)槿鐖D2B中所示出的高比沖量模式下的運行，反之亦然。
[0032] 在兩個實施例中，等離子流的一部分可以以相對于軸向的相當大的角度（例如大 于45° )被噴射出去。因此，最好將壁3和4的形狀合適地設(shè)計為盡可能地避免由這些離 子導(dǎo)致的腐蝕。因此，舉例而言，可移動壁的形狀沿循一圓形設(shè)計，從而使其在遠端處達到 相對于中心軸線X大于45°的角度。
[0033] 雖然參照了特定實施例來描述本發(fā)明，但顯然在沒有超出權(quán)利要求書所限定的本 發(fā)明的一般范圍的情況下，可以對這些實施做出其它的修改和變型。此外，各個示出的實施 例的單獨的特征可以結(jié)合起來形成另外的實施例。例如，內(nèi)壁和外壁都可以軸向移動。因 此，上文的描述和附圖更應(yīng)該被看作是說明性質(zhì)的而非限定性質(zhì)的。
【權(quán)利要求】
1. 一種霍爾效應(yīng)推進器（1)，包括： 環(huán)形通道（2)，由內(nèi)壁（3)和外壁（4)限定，所述內(nèi)壁和外壁圍繞中心軸線（X)同軸，所 述環(huán)形通道（2)具有開放的下游端和封閉的上游端，且所述內(nèi)壁（3)沿軸向能移動； 致動器（22)，用于使能移動的內(nèi)壁（3)沿軸向移動； 電路（21)，具有位于所述環(huán)形通道（2)的上游端的陽極（9)、位于所述環(huán)形通道（2)的 下游端的陰極（19)、以及處于所述陽極（9)和所述陰極（19)之間的電壓源（20); 噴射回路（11)，用于將推進氣體流噴射到所述環(huán)形通道（2)中；以及磁路，用于在所述 環(huán)形通道（2)的下游端處產(chǎn)生磁場（M); 所述推進器的特征在于，所述能移動的內(nèi)壁（3)具有沿下游方向減小的直徑，并且所 述推進器（1)還具有控制單元（23)，所述控制單元至少連接至所述電路、推進氣體的所述 噴射回路以及所述致動器，并且被配置為能夠改變所述流和/或所述電壓，并調(diào)節(jié)隨著可 變的流和/或可變的電壓的不同而變化的所述能移動的內(nèi)壁（3)的位置，以便適應(yīng)所述環(huán) 形通道（2)下游端的橫截面，從而將所述環(huán)形通道（2)的下游端處的等離子體密度維持在 預(yù)定范圍之內(nèi)。
2. -種霍爾效應(yīng)推進器（1)，包括： 環(huán)形通道（2)，由內(nèi)壁（3)和外壁（4)限定，所述內(nèi)壁和外壁圍繞中心軸線⑴同軸，所 述環(huán)形通道（2)具有開放的下游端和封閉的上游端，且所述外壁（4)沿軸向能移動； 致動器，用于使能移動的外壁（4)沿軸向移動； 電路（21)，具有位于所述環(huán)形通道（2)的上游端的陽極（9)、位于所述環(huán)形通道（2)的 下游端的陰極（19)、以及處于所述陽極（9)和所述陰極（19)之間的電壓源（20); 噴射回路（11)，用于將推進氣體流噴射到所述環(huán)形通道（2)中；以及磁路，用于在所述 環(huán)形通道（2)的下游端（5)處產(chǎn)生磁場（M); 所述推進器的特征在于，所述能移動的外壁（4)具有沿下游方向增大的直徑，并且所 述推進器（1)還具有控制單元（23)，所述控制單元至少連接至所述電路、所述推進氣體噴 射回路以及所述致動器，并且被配置為能夠改變所述流和/或所述電壓，并調(diào)節(jié)所述能移 動的外壁（4)的位置以便適應(yīng)隨著可變的流和/或可變的電壓的不同而變化的所述環(huán)形通 道（2)下游端的橫截面，從而將所述環(huán)形通道（2)的下游端處的等離子體密度維持在預(yù)定 范圍之內(nèi)。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的霍爾效應(yīng)推進器（1)，其中，所述致動器為壓電 致動器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的霍爾效應(yīng)推進器（1)，其中，所述壓電致動器為超聲波馬達。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的霍爾效應(yīng)推進器（1)，其中，所述內(nèi)壁和外壁 (3, 4)由陶瓷材料制成。
6. -種航天器，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的至少一個霍爾效應(yīng)推進器 ⑴。
7. -種調(diào)節(jié)根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的霍爾效應(yīng)推進器（1)的推力的方法， 其中： 使通過回路（11)被噴射到所述環(huán)形通道（2)中的推進氣體流和/或處于所述陽極（9) 和陰極（19)之間的電壓隨著期望的推力的不同而改變；以及 改變能移動的壁（3,4)的位置，以便適應(yīng)隨著可變的流和/或可變的電壓的不同而變 化的所述環(huán)形通道（2)下游端的橫截面，從而將所述環(huán)形通道（2)下游端處的等離子體密 度維持在預(yù)定范圍之內(nèi)。
【文檔編號】F03H1/00GK104093978SQ201380008153
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月6日
【發(fā)明者】V·M·韋爾, 喬爾·莫倫 申請人:斯奈克瑪公司