[发明专利]霍尔效应等离子推进器

说明书

技术领域

本发明涉及一种加速器，这种加速器包括：围绕主轴线的环形的排放通道（形成主电离和加速器通道），该通道具有开放的下游端并且被限定在内壁与外壁之间；至少一个阴极；用于在所述通道中产生磁场的磁路；用于向该通道中供给可电离气体的管道；阳极；以及设置在该通道的上游端的歧管，所述歧管连接到该管道并使可电离的气体能够以同轴方式围绕主轴线流入该通道的离子化区域中。

这种类型的加速器还涉及具有闭合的电子漂移的等离子加速器或者稳态等离子加速器。

本发明尤其涉及用于空间中的电推进、尤其是用于诸如地球同步通讯卫星等推进型卫星的霍尔效应等离子推进器。由于这种推进器的高比推力（介于1500秒至6000秒的范围内），与使用化学推进剂的加速器相比，这种推进器可以大幅节省（缩减）卫星的质量。

背景技术

这种类型的加速器的一种典型的应用对应于提供对地球同步卫星的南/北控制，其可获得10%至15%的质量节省。这种加速器还用于星际（飞行）的主要推进力、用于低轨道中的补偿性拖引、用于维持太阳同步轨道、用于转移轨道、或者用于在寿命终止时脱离轨道。为了避免与碎片碰撞或者为了当放入到转移轨道上时对故障进行补偿，有时可能会将电推进与化学推进相结合使用。

图1至图4涉及现有技术的霍尔效应推进器10。在图1中示意性地示出了霍尔效应推进器10。中央电磁线圈12围绕沿着纵向主轴线A延伸的中心芯14。环形的内壁16围绕中心线圈12。该内壁16被环形的外壁18围绕，在内壁16和外壁18之间限定了围绕该主轴线A延伸的环形的排放通道20。

在以下的描述中，术语“内部”是指靠近主轴线A的部分，而术语“外部”是指远离主轴线A的部分。同样地，“上游”和“下游”是相对于通过排放通道20的气体（从上游流向下游）的法向流动方向来定义的。

通常，内壁16和外壁18形成单个陶瓷部件19的部分，这种陶瓷是绝缘和均质的，尤其是基于氮化硼以及二氧化硅（BNSiO₂）的陶瓷。基于氮化硼的陶瓷使霍尔效应推进器能够获得效能较高的特性，但它们在离子轰击之下表现出高腐蚀率，从而限制了这种推进器的使用寿命。

排放通道20的上游端20a（图1中的左侧）被喷射系统22关闭，该喷射系统22由供给可电离气体（通常是氙气）的管道24组成，管道24经由供给孔25连接到阳极26，该阳极26用作将气体分子注入排放通道20的歧管。在阳极26处，气体分子从来自管道24、将被喷射的具有环形截面的管状流进入形成为离子化区域28的一部分的排放通道20的上游端20a。

排放通道20的下游端20b是开放的（在图1中的右侧）。

多个外围电磁线圈30具有平行于主轴线A的轴线，并围绕外壁18布置。中央电磁线圈12和外围电磁线圈30的作用为在排放通道20的下游端20b处产生最大强度的径向磁场B。

中空的阴极40布置在外围线圈30的外侧，该阴极的出口被瞄准为使其将电子喷射向主轴线A以及位于排放通道20的下游端20b下游的区域。在阴极40与阳极20之间形成电势差。

以此方式喷射的电子被部分地引导至排放通道20的内侧。在阴极40与阳极26之间产生的电场的影响下，这些电子中的一部分到达阳极26，同时它们的大多数在排放通道20的下游端20b附近陷入强磁场B中。

在排放通道20中，这些电子与从上游向下游流动的气体分子发生碰撞，从而使这些气体分子离子化。

此外，存在于排放通道20中的这些电子产生轴向电场E，从而使处于阳极26与排放通道20的出口（下游端20b）之间的离子加速，使得这些离子从排放通道20高速喷射，从而产生加速器的推力。

如图2至图4中所示，在存在径向磁场B（场线42）的情况下，离子沿循的路径并不平行于与推力方向对应的推进器的主轴线A，而是承受一个角偏移（angular deflection，角偏转）。实际上，离子喷流（图2至图4中的轨迹44）与主轴线A之间所形成的角度α的量值为6°。

在图3和图4中，可看到来自集中在排放通道20中的圆环46的离子的轨迹44的偏转。离子的轨迹的这种偏转趋于使期望的层状运动偏转为以主轴线A为中心的轻微的旋涡运动。

这种偏转部分地是现在的霍尔效应推进器之间所观察的分歧的原因。

被径向磁场B离子化的气体的偏转导致产生机械扭矩，这种机械扭矩干扰了从推进器获得最优推力的研究。

发明内容