[发明专利]等离子体加速器装置

说明书

本发明涉及一种等离子体加速器装置。等离子体加速器(离子发动机，电子推进系统EPS)对于航天飞行器的驱动有着极为重要的意义，不仅对于近地和静止卫星，而且也包括地球轨道之外的空间飞行器。驱动脉冲和所使用的推进剂质量的比值是衡量驱动效率的尺度，对等离子体加速器而言要大大优于通常的化学推进装置，所以可减小推进剂的重量份额，这对于航天应用是极为重要的。作为推进剂经常使用具有高原子量的稀有气体，特别是氙。

在栅格离子发动机的一个电离室中，通过高频或者电子轰击在中性氙气中产生等离子体。带正电荷的离子在电场的作用下朝着栅格电极的方向加速输出。被加速的离子射流必须掺入自由电子射流，以实现电中性。该中性离子射流以很高的速度从发动机中喷出，并且朝相反的方向对飞行器进行加速。由于空间电荷效应，离子射流密度受到限制，而且这种结构的发动机需要较大的横截面，然而只能得到一般的反作用脉冲。

按照霍尔原理制造的离子发动机是一个环形电离室，具有一个平行于环轴线的电加速场和一个径向磁场。从一个外部电子源朝着与离子喷射方向相反的方向将电子导入含有中性氙气的电离室，该室内的电子在磁场作用下，被强制进入螺旋轨道，所以在电离室内的运行距离是至阳极的直接路程的若干倍，因此能提高推进气体的离子交换作用。所述磁性偏转也涉及到二次电子，该电子在电场中被加速。所给出的电场配置可充分避免空间电荷区的形成，因后者可对带正电荷的推进剂离子产生电加速场的屏蔽作用。带正电荷离子的加速可以产生基本上中性的等离子体。和栅格离子发动机装置相比，这样一种装置可明显提高射流密度，但是由于喷出的离子射流有较大的扩散角，所以其效率一般。

本发明的目的是，提供一种等离子体加速器装置，特别是具有更高效率的航天飞行器离子发动机。

以上任务的解决方案体现在权利要求1中。本发明的有利方案和改进包含在从属权利要求中。

在本发明所述装置中，被送入电离室的集束电子射线开始对处在电离室内和/或引入该室内的中性推进剂气体进行电离。在所述电离过程中释放的二次电子被送入可加速正电荷离子的电场，并在反方向上被加速，且其本身重新被电离。通过电子射线激活了电离过程后，二次电子可成为进一步电离的主要成分。

所输入的电子射线的另一个重要效应是通过电子射线的负空间电荷补偿离子射流的正空间电荷，从而对在电子加速场中被加速的离子射流进行更好的聚焦，所以不会对加速电场产生屏蔽作用。用于正离子的加速场对相同方向上的电子射线的电子产生延迟作用，该方向和被加速的离子射流相同，所以电子射线的空间电荷密度在电离室的纵轴线方向上是增加的，这有利于和电离室终段喷出的离子射流集束相匹配。电子射线的电子平均速度以及相当于电子电位上升速率的离子加速场的电位差最好应当相互匹配，从而在离子加速段(或者电子射线的电子延迟段)的终端，电子射线的电子和被加速的离子射流的离子的平均速度近似相等，进而在加速段的终端输出近似中性的等离子体。平均速度的差别优选小于系数10。

所述电子射线通过其负的空间电荷作用于电离室的整个长度，并作为正离子的中心吸引器，而且支持被加速离子在集束电子流中的聚焦，同时补偿相互撞击的离子。电子射线的扩张也可通过由磁场和/或电场作用的射线导向和/或射线聚焦系统完成。特别有利的是采用一种磁性射线引导系统，具有在射线范围内相对射线方向和相对电离室纵轴线基本上平行的场分布。具有垂直于纵轴线运动分量的电子射线的电子通过磁场被强制引导到围绕射线轴线的一个螺旋轨道上。磁性射线引导系统本身可以是公知的各种形式的电子射线管，特别是行波管，其形式为具有永久周期磁铁装置以及具有沿中心线产生的磁场方向反转功能，在该磁铁装置上，磁场也具有很强的径向分量。这种公知的射线引导系统是为了公开的目的而引用的。