[发明专利]用于航天器的推力矢量推进的离子推力器

说明书

本发明涉及一种用于航天器的推力矢量推进的离子推力器(1)，包括：用于推进剂(3)的储存器(2)；发射器(4)，其具有基座(7)和在所述基座(7)的一侧(7₁)上具有至少一个出口(8)，所述至少一个出口用于发射所述推进剂(3)的离子(3⁺)，其中所述基座(7)连接到所述储存器(2)，以提供推进剂(3)的从储存器(2)到所述至少一个出口(8)的流动；以及提取器(5)，其面向所述发射器(4)的所述一侧(7₁)，用于提取和加速来自所述发射器(4)的所述离子(3⁺)；其中所述提取器(5)分成围绕轴线(T)的多个扇区(5_i)，所述轴线(T)正交地穿过所述发射器(4)的所述一侧(7₁)，其中所述多个扇区(5_i)彼此电绝缘。

技术领域

本发明涉及一种用于航天器的推力矢量推进的离子推力器，其包括：用于推进剂的储存器；发射器，其具有基座和在基座的一侧上具有至少一个出口，所述至少一个出口用于发射推进剂的离子，其中基座连接到储存器，以提供推进剂的从储存器到所述至少一个出口的流动；以及提取器，其面向发射器的所述一侧，用于提取和加速来自发射器的离子。

背景技术

离子推力器通过电加速作为推进剂的离子来产生推力；这样的离子可以例如从通过从原子中提取电子而电离的中性气体(通常为氙)、从液态金属或从离子液体中产生。场发射电推进(FEEP)系统是基于液态金属(通常为铯、铟、镓或汞)的场电离。胶体离子推力器，也称为电喷雾推力器，使用离子液体(通常是室温熔盐)作为推进剂。

FEEP或胶体/电喷雾离子推力器的发射器出口通常是具有圆锥、棱锥、三棱柱等形状的突起。为了实现用于离子提取的强电场，突起可以是尖端尖锐的或边缘尖锐的，以利用尖端或边缘的场集中效应。在例如Kaufman型推力器的其它离子推力器中，发射器出口可以仅仅是底座中的一个或多个通道，其后是电离电极或栅格。由面向发射器的提取器提取和加速的离子产生用于推进航天器的推力。通过发射器和提取器之间的电场强度可以精确地控制推力。

由于离子推力器的性质和组成，从发射器提取的离子的方向和取向可能随时间变化或永久偏离预期的推力矢量。为了补偿这种非预期的不规则性和/或通过优化推力矢量来提高航天器推进的效率，已经引入了推力矢量控制，即，有意地控制离子推力器的推力矢量。

例如在US6637701或US6032904中描述的一种类型的推力矢量控制是通过将离子推力器万向节安装到航天器上并控制万向节的取向。然而，这种万向节驱动器不仅增加了航天器的重量，而且最重要的是，易于发生机械故障，这几乎是不可接受的，因为离子推力器的可靠功能对于航天器而言是关键任务。

为等离子体推力器引入了一种替代类型的推力矢量控制。等离子体推力器具有环形等离子体通道，可电离气体通过喷嘴注入每个通道中，并通过相互交叉的电场和磁场在其中电离；离子通过电场加速，而电子由于其较低的质量而受到磁场抑制。在US6279314中，建议将两个或多个相互倾斜的环形等离子体通道安装到平台上，并通过分别对经由喷嘴进入每个等离子体通道的可电离气体的流速进行节流调节来控制推力矢量。

在US9494142中，为Kaufman型和霍尔效应推力器提出了类似的解决方案，其中环形电离通道本身向外倾斜，使得离子由通道沿锥体包络的方向发射。此外，电离通道通过径向壁分成若干个单独的腔室；因此，每个腔室将离子发射到锥体的不同部分中。通过分别节流调节进入每个腔室的推进剂的流速，可以实现扭矩矢量控制。

然而，这些类型的推力矢量控制受到以下事实的困扰：节流调节流入腔室的推进剂的流入量效率很低，并且当流入量过大时，导致相应通道或腔室中电离的突然崩溃，并且因此导致不可控制的推力矢量控制。此外，用于节流调节的阀是推力器的额外缺陷源，特别是当使用机械阀时。此外，等离子体通道的倾斜永久地削弱了上述两种系统的质量效率。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种离子推力器，其促进高效且可靠的推力矢量控制。