BR112018000271B1

BR112018000271B1 - Propulsor de efeito hall, e, veículo espacial

Info

Publication number: BR112018000271B1
Application number: BR112018000271-2A
Authority: BR
Inventors: Frédéric Raphael Jean Marchandise; Stéphan ZURBACH
Original assignee: Safran Aircraft Engines
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2023-02-07
Also published as: WO2017006056A1; JP6756814B2; BR112018000271A2; FR3038663A1; FR3038663B1; IL256754B; US20180216606A1; IL256754A; CN107850055A; JP2018525557A; EP3320208A1; CN107850055B; US10662930B2; EP3320208B1

Abstract

Um propulsor de efeito Hall (10), configurado para ser arranjado no interior ou no exterior de um veículo espacial. O propulsor tem um concentrador (36) para coletar partículas (P). O formato do concentrador é definido por um contorno contínuo (C1) envolvido em torno do eixo geométrico de propulsão e é de tal modo que em uma maior porção do contorno, cada seção do concentrador perpendicular ao contorno tem um formato parabólico e tem um foco (F1) que pertence ao contorno (C1). Além disso, o circuito magnético (50) é arranjado de maneira a gerar o campo magnético (B) nas imediações do contorno (C1).

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção se refere ao campo de propulsores de efeito Hall com gás atmosférico como propelente.

Fundamentos Técnicos

[002] O documento US2003/046921 descreve um propulsor de efeito Hall com gás atmosférico como propelente. Um propulsor como esse usa partículas da atmosfera residual na qual ele manobra para operar.

[003] Propulsores de efeito Hall com gás atmosférico como o propelente são basicamente usados para impulsionar satélites de observação; esses propulsores são particularmente úteis em baixa órbita.

[004] Nessa altitude, a atmosfera residual desacelera os satélites, que limita sua vida útil. Vantajosamente, propulsores de efeito Hall com gás atmosférico como o propelente permitem que esse arrasto seja compensado, que por meio disto aumenta a vida útil dos satélites.

[005] Entretanto, levando em conta a rarefação atmosférica com a altitude, esses propulsores não podem operar acima de uma altitude próxima a 100 km. Eles, portanto, não podem ser utilizados em altitudes superiores a esta, tal como, por exemplo, para permitir a transferência de satélites para órbitas superiores.

[006] Além disso, o documento US2008/116808 descreve uma tecnologia de propulsor de plasma que pode ser implementada em uma parede externa.

Apresentação da Invenção

[007] O objetivo da invenção é, portanto, propor um propulsor de efeito Hall com gás atmosférico como o propelente capaz de operar a uma altitude maior do que propulsores de efeito Hall tradicionais.

[008] Um primeiro aspecto da invenção se refere basicamente a propulsores de efeito Hall compreendendo um canal (interno) para acelerar as partículas.

[009] De acordo com esse primeiro aspecto da invenção, o objetivo previamente indicado é alcançado por meio de um propulsor de efeito Hall para desenvolver propulsão ao longo de um eixo geométrico de propulsão, o propulsor compreendendo: um canal que permite coleta, aceleração e ejeção de partículas pelo propulsor quando ele está em operação, o canal sendo delimitado radialmente por uma parede interna e uma parede externa; um circuito elétrico compreendendo um ânodo, um cátodo e uma fonte de tensão elétrica para emitir elétrons por meio do cátodo e atrair elétrons por meio do ânodo; um circuito magnético para gerar um campo magnético no canal axialmente a jusante do ânodo, o campo magnético sendo direcionado em uma direção substancialmente radial com relação ao eixo geométrico de propulsão; o propulsor sendo distinguido pelo fato de que o canal é aberto em um lado a montante do propulsor e incluindo um concentrador de partículas para coletar partículas; o formato do concentrador é definido por um contorno contínuo situado em um plano perpendicular ao eixo geométrico de propulsão e circundando-o; em uma maior porção do contorno, a saber, pelo menos 50% do contorno, e preferivelmente pelo menos 75% do contorno, cada seção do concentrador perpendicular ao contorno tem um formato parabólico e tem um foco que pertence ao contorno; e o circuito magnético é arranjado de maneira a gerar o campo magnético nas imediações do contorno.

[0010] De uma maneira PER SE conhecida, o cátodo é colocado a jusante do ânodo. Além do mais, o circuito elétrico é arranjado de uma maneira tal que o campo elétrico seja gerado em uma direção no geral axial (à do eixo geométrico de propulsão) entre o ânodo e o cátodo.

[0011] No geral, a jusante do concentrador, o canal também tem uma porção traseira cilíndrica, ou substancialmente cilíndrica. Entende-se por porção traseira “cilíndrica” aqui uma porção traseira cuja superfície é gerada pelo deslocamento, ao longo de uma direção, de um contorno fechado; aqui, essa direção é o eixo geométrico de propulsão. A porção traseira do canal então serve para canalizar e direcionar as partículas durante sua aceleração e sua ejeção pelo propulsor.

[0012] A porção traseira no geral se estende diretamente do limite a jusante do concentrador.

[0013] O canal no geral tem um formato anular; e, portanto, tem uma parede interna e uma parede externa. Em uma modalidade preferida, o circuito magnético compreende uma pluralidade de braços de conexão arranjada de maneira a conectar a parede interna e a parede externa do canal.

[0014] O fato de que o contorno circunda o eixo geométrico de propulsão (certamente, visto ao longo deste eixo geométrico) significa que o contorno é envolvido em torno neste eixo geométrico quando visto ao longo do eixo geométrico de propulsão.

[0015] Além disso, a expressão “fonte de tensão” designa no geral, neste documento, um dispositivo capaz de geral uma tensão. Esta tensão não precisa necessariamente ser constante ou mesmo periódica no tempo. Consequentemente, uma fonte de corrente configurada para entregar uma corrente de intensidade constante constitui uma fonte de tensão de acordo com o significado da presente invenção.

[0016] Em uma modalidade, a fonte de tensão é controlável: ela é configurada de maneira que a tensão elétrica que ela aplica entre o ânodo e o(s) cátodo(s) pode ser invertida mediante comando. No case de uma inversão, os papéis do ânodo e do(s) cátodo(s) no circuito elétrico são invertidos.

[0017] Essa inversão permite que a direção da força aplicada pelo propulsor seja invertida, e utilizá-la como um sistema de frenagem, por exemplo, para frear um satélite durante a reentrada na atmosfera.

[0018] Por outro lado, um segundo aspecto da invenção se refere a uma configuração de propulsor específica, na qual as partículas são aceleradas não dentro do canal previamente indicado, no núcleo do propulsor, mas, em vez disso, fora dele, em torno da parede. A despeito desta importante diferença, o princípio de operação do propulsor de efeito Hall, no entanto, continua substancialmente idêntico ao dos propulsores de efeito Hall anteriores.

[0019] De acordo com este segundo aspecto da invenção, o objetivo da invenção previamente indicado é alcançado por meio de um propulsor de efeito Hall para desenvolver propulsão ao longo de um eixo geométrico de propulsão, o propulsor compreendendo: um circuito magnético para gerar um campo magnético; um circuito elétrico compreendendo um ânodo, um primeiro cátodo, e uma fonte de tensão elétrica para emitir elétrons pelo menos por meio do primeiro cátodo e atrair elétrons por meio do ânodo; o propulsor sendo distinguido pelo fato de que: o propulsor é arranjado dentro de uma parede formada em torno do eixo geométrico de propulsão; o circuito magnético e o circuito elétrico são arranjados de maneira a gerar campos magnéticos e elétricos em torno da parede; e em qualquer seção paralela ao eixo geométrico de propulsão e perpendicular à parede: o circuito magnético tem um polo magnético a montante e um polo magnético a jusante, dispostos substancialmente na superfície da parede a uma distância um do outro, e o circuito magnético é arranjado de uma maneira tal que o campo magnético fique orientado ao longo de uma direção substancialmente radial (e dessa forma perpendicular) com relação ao eixo geométrico de propulsão na frente do polo magnético a montante; o ânodo e o primeiro cátodo são situados seu lado do polo magnético a montante; a parede inclui um concentrador de partículas que serve para concentrar partículas; o formato do concentrador sendo definido por um contorno fechado (ou curvo) situado em um plano perpendicular ao eixo geométrico de propulsão e circundando a parede; em uma maior porção do contorno, a saber, pelo menos 50% do contorno e preferivelmente pelo menos 75% do contorno, cada seção do concentrador perpendicular ao contorno tendo um formato parabólico e tendo um foco que pertence ao contorno; o circuito magnético sendo arranjado de maneira a gerar o campo magnético nas imediações do contorno.

[0020] A parede previamente mencionada é normalmente a parede externa do revestimento da espaçonave na qual o propulsor é montado.

[0021] A jusante do concentrador, esta parede pode compreender adicionalmente uma porção traseira cilíndrica, ou substancialmente cilíndrica. Esta porção traseira constitui uma blindagem que serve para proteger a traseira do satélite de íons ejetados pelo propulsor e outras partículas incidentes.

[0022] Os recursos previamente mencionados, quer com referência ao primeiro quanto ao segundo aspecto da invenção, vantajosamente permitem que o propulsor tenha uma admissão de partículas suficiente, isto mesmo se a espaçonave estiver manobrando a alta altitude.

[0023] De fato, uma boa porção das partículas localizadas na trajetória da espaçonave colide no concentrador. Isto tem um formato específico com seções que têm formato parabólico (ou seja, o formato de uma porção de uma parábola).

[0024] Por causa desse formato, as partículas que colidem na parede do concentrador são todas direcionadas substancialmente para a mesma zona, a saber, em direção ao foco da parábola.

[0025] Em decorrência disto, o concentrador permite que todas as partículas que ele coleta sejam concentradas em um volume bem reduzido. Depreende-se que, nas imediações deste, a densidade de partículas é aumentada e excede consideravelmente a densidade de partículas da atmosfera residual.

[0026] É dessa forma possível aumentar vantajosamente a densidade de partículas nesta zona a um valor suficiente para alimentar o propulsor de efeito Hall (da ordem de 1020 partículas por m3).

[0027] Entende-se que é apropriado dimensionar o diâmetro, e, mais no geral, as dimensões da parede do concentrado de maneira a assegurar que esta densidade de partículas seja realmente alcançada, levando-se em conta a altitude e a velocidade na qual se pretende usar o satélite.

[0028] As partículas concentradas nas imediações do foco da parábola são usadas como o gás propelente do propulsor.

[0029] Por causa do arranjo, particularmente de seu circuito elétrico e de seu circuito magnético, o propulsor é projetado de maneira a gerar uma grade do cátodo formada de elétrons bloqueados pelo campo magnético no ponto de, ou pelo menos nas imediações do foco dessas parábolas.

[0030] As partículas capturadas pela espaçonave são, portanto, direcionadas pelo concentrador para o foco da parábola e, portanto, para a grade do cátodo virtual do propulsor. Elas são então ionizadas e são aceleradas para a traseira do propulsor pela influência do campo elétrico gerado entre o ânodo e o cátodo do circuito elétrico.

[0031] Por meio disto, o arranjo do propulsor e, em particular, de seu concentrador, portanto permite que a baixa densidade de partículas a alta altitude seja compensada, concentrando as partículas localizadas na trajetória do satélite em uma reduzida zona, na qual elas podem ser aceleradas de maneira a gerar propulsão para a espaçonave.

[0032] O propulsor configurado de acordo com o segundo aspecto da invenção pode possivelmente incluir, como no primeiro aspecto da invenção, uma fonte de tensão controlável cujos polos podem ser invertidos para permitir o uso do propulsor como um sistema de frenagem.

[0033] Quer de acordo com o primeiro ou o segundo aspecto, a invenção pode vantajosamente ser implementada integrando uma ou mais das seguintes melhorias: o contorno do qual o formato do concentrador é definido pode em particular ser um círculo, ou uma elipse, ou um oval; o ânodo pode constituir uma porção da parede ou de uma das paredes; o ânodo pode ser formado como um oco na parede ou em uma das paredes.

[0034] Finalmente, a invenção também se refere a uma espaçonave que incorpora pelo menos um propulsor de efeito Hall como previamente definido.

[0035] Por este motivo, ela se refere em particular a uma espaçonave que incorpora pelo menos um propulsor de efeito Hall de acordo com o primeiro aspecto da invenção, a espaçonave sendo configurada para carregar uma carga útil disposta radialmente dentro da parede interna do canal do propulsor.

[0036] Em uma modalidade de uma espaçonave como esta, o contorno pode ser um círculo, ou uma elipse, ou um oval.

[0037] Em uma modalidade de uma espaçonave como esta, o ânodo pode constituir uma porção de uma das paredes do canal do propulsor.

Breve Descrição dos Desenhos

[0038] A invenção ficará bem entendida e suas vantagens surgirão mais claramente mediante leitura da descrição detalhada seguinte de modalidades mostradas como exemplos não limitantes. A descrição se refere às figuras anexas nas quais: - a figura 1 é uma seção longitudinal de um propulsor para uma espaçonave, de conformidade como primeiro aspecto da invenção; - a figura 2 é uma vista em perspectiva de um satélite compreendendo o propulsor da figura 1; - a figura 3 é uma seção longitudinal de uma espaçonave compreendendo um propulsor de conformidade com o segundo aspecto da invenção; e - a figura 4 é uma vista em perspectiva do satélite de figura 3.

Descrição Detalhada da Invenção

[0039] Duas modalidades da invenção correspondendo respectivamente a seu primeiro e a seu segundo aspecto serão agora apresentadas por meio de dois satélites, 1 e 101, respectivamente incluindo um propulsor 10 e um propulsor 110, ambos de conformidade com a invenção.

[0040] Esses satélites 1 e 101 são satélites destinados a manobrar na atmosfera da terra, permanecendo ainda entre altitudes de 100 e 300 km.

[0041] Vantajosamente, esta altitude é relativamente baixa, que permite que certo equipamento (equipamento de comunicação, câmeras, etc.) tenham um tamanho relativamente pequeno e, portanto, massa relativamente pequena também. Ao contrário, nesta altitude, a atmosfera da terra oferece uma ligeira resistência, mas não zero, à passagem do satélite. Portanto, é necessário compensar o arrasto induzido.

[0042] A função do propulsor de efeito Hall que cada um desses satélites inclui é fornecer propulsão ao satélite, permitindo que ele seja mantido em operação na altitude desejada.

[0043] Ela também permite prover mudanças ou correções orbitais.

[0044] Vantajosamente, um propulsor de acordo com a invenção como aqueles carregados a bordo desses satélites, acoplados com meios para fornecer energia elétrica tais como painéis solares, é capaz de fornecer por durações muito longas a propulsão necessária para manter a altitude do satélite.

[0045] A primeira modalidade ilustra o primeiro aspecto da invenção em relação às figuras 1 e 2.

[0046] As Figuras 1 e 2 mostram o propulsor 10 do satélite 1 (um exemplo de uma espaçonave), que é um propulsor de efeito Hall com gás atmosférico como um propelente.

[0047] O propulsor 10 tem um formato geral rotacionalmente simétrico em torno de um eixo geométrico de propulsão X. Ele é arranjado dentro de um revestimento 20 com um formato substancialmente cilíndrico com o eixo geométrico X. A extremidade a montante 22 deste revestimento é aberta, enquanto a outra extremidade 26 (extremidade a jusante) é parcialmente fechada por um fundo substancialmente plano 25 perpendicular ao eixo geométrico X. O fundo 25 é cruzado, entretanto, por uma passagem de ejeção de partículas anular 28.

[0048] O fundo 25 tem o formato geral de um disco perpendicular ao eixo geométrico X. Por causa da presença da passagem 28, o fundo 25 consiste de um disco 56 e uma área anular 58 situada radialmente em torno da passagem anular 28. A área anular 58 é formada integralmente com o resto do revestimento 20.

[0049] Dentro do revestimento 20, o propulsor 10 inclui um canal 30 com um formato no geral anular em torno do eixo geométrico X. Mais no geral, este canal 30 pode também ser axissimétrico. Entretanto, formatos não axissimétricos podem também ser alternativamente considerados, por exemplo, com seções transversais em forma oval ou de pista de corrida.

[0050] O canal 30 tem um anular no geral formato e compreende uma parede radialmente externa 34 e uma parede radialmente interna 32, que são concêntricas em torno do eixo geométrico X.

[0051] O canal 30 consiste essencialmente de um concentrador de partículas 36, que se abre no lado a montante (na esquerda na figura 1) do satélite e serve para coletar partículas localizadas na trajetória do satélite.

[0052] No lado a jusante, o concentrador 36 leva à passagem anular 28, que por si é aberta no lado a jusante do satélite 1 para permitir a ejeção de partículas aceleradas pelo propulsor 10.

[0053] Em conformidade com a invenção, o formato do concentrador 36 é definido por um contorno contínuo C1. Nesta modalidade, este contorno C1 é um círculo, situado em um plano perpendicular ao eixo geométrico de propulsão. O círculo C1 é centralizado no eixo geométrico X (e consequentemente circunda este eixo geométrico).

[0054] Em qualquer plano perpendicular ao círculo C1 (ou seja, nesta modalidade, em qualquer plano meridiano), a seção do concentrador é aquela que está mostrada na figura 1: ela tem um formato parabólico S, cujo foco f1 pertence ao círculo C1 (somente a porção da parábola S serve para definir o formato do concentrador 36).

[0055] O círculo C1 é posicionado de maneira a ficar situado axialmente na passagem anular 28.

[0056] No lado a montante, o propulsor 10 também inclui braços de conexão 24 que proveem uma conexão mecânica entre as paredes interna e externa 32 e 34 do canal 30. Quatro aberturas 25 são formadas entre os braços 24 através das quais as partículas P penetram no canal 30.

[0057] O propulsor 10 inclui um circuito magnético 50 e um circuito elétrico 60.

[0058] O circuito magnético 50 compreende: o próprio revestimento 20, que é feito de um material ferromagnético e assim forma um núcleo magnético externo; os fundos 24 e 25, feitos de materiais ferromagnéticos; e um núcleo magnético central 54 na forma de um eixo mecânico, que se estende ao longo do eixo geométrico X. O disco 56 que constitui uma porção do fundo 25 forma a extremidade a jusante do eixo mecânico 54.

[0059] Todos os elementos do circuito magnético 50 previamente mencionados são arranjados de maneira a permitir circulação sem perdas de um campo magnético através do circuito magnético.

[0060] Para proteger a porção a jusante do canal de desgaste e conter a nuvem de elétrons formada na lacuna de ar do circuito magnético, as porções axialmente a jusante das paredes 32 e 34 são formadas por anéis de material cerâmico 82 e 84, posicionados na passagem anular 28.

[0061] O circuito magnético 50 inclui adicionalmente uma bobina anular interna 70 e uma bobina anular externa 72, que servem para gerar o campo magnético B necessário para a operação do propulsor de efeito Hall. Essas duas bobinas são formadas concentricamente em torno do eixo geométrico X. Existem bobinas de formato substancialmente cilíndrico, das quais cada uma das espiras é substancialmente um círculo com eixo geométrico X.

[0062] A bobina 70 é formada em torno do eixo mecânico 54 (radialmente) dentro da parede 32 (isto é, entre o eixo mecânico 54 e a parede 32). A bobina 72 é formada na face interna do revestimento cilíndrico 20, e mais precisamente entre esta face interna e a parede externa 34 do canal 30. As bobinas 70 e 72 são fornecidas por uma fonte de energia elétrica, não mostrada.

[0063] No circuito magnético 50, o núcleo magnético central 54 e o núcleo magnético externo (o revestimento 20) são dispostos de uma maneira tal que suas polaridades são opostas.

[0064] O circuito 50 é arranjado de maneira a gerar um campo magnético substancialmente radial B na passagem anular 28, que assim constitui a lacuna de ar do circuito 50. Dessa forma, a porção a jusante do canal 30 passa ou se estende na lacuna de ar 28 do circuito 50.

[0065] No canal 30, a intensidade do campo magnético B é um máximo no nível (axial) da passagem anular 28.

[0066] Por outro lado, como previamente indicado, o propulsor 10 também compreende um circuito elétrico 60.

[0067] Este circuito compreende um ânodo 62 situado axialmente ligeiramente a montante da passagem anular 28, um cátodo 64 situado na maior parte a jusante da extremidade 26 do canal 30 (e, portanto, a jusante da passagem 28), e uma fonte de tensão elétrica 68 que conecta o ânodo 62 ao cátodo 64.

[0068] Nesta modalidade, a fonte de tensão 68 é controlável (embora esta não esteja mostrada nas figuras): sua tensão elétrica pode ser invertida de maneira a inverter a propulsão do propulsor.

[0069] O ânodo 62 forma uma porção da parede interna 34 do canal 30: ele é dessa forma integrado neste canal, ainda assim sendo eletricamente isolado dele (e particularmente da parede 34).

[0070] Nas imediações do ânodo 62, o campo magnético B gerado pelo circuito magnético 50 é atenuado por anteparos magnéticos internos e externos 77 formados respectivamente na superfície interna do revestimento 20 e na superfície externa do eixo mecânico 54. Esses anteparos 77 também servem para suportar mecanicamente as bobinas 70 e 72.

[0071] O cátodo 64 é situado fora da extremidade aberta a jusante do canal anular 28. Na modalidade de figuras 1 e 2, ele é afixado ao disco 56, no lado exterior, isto é, a jusante do eixo mecânico 54. Na figura 2, o cátodo 64 é mostrado por linhas pontilhadas.

[0072] Em uma outra modalidade, o cátodo 64 pode ser afixado, não ao disco 56, mas, em vez disso, à superfície exterior (no lado a jusante ou traseiro) da área anular 58. O cátodo pode ter, em particular, um formato anular, e não formato de um pino, como mostrado na figura 2.

[0073] O cátodo 64 é conectado à fonte de tensão elétrica 66 por um cabo que circula dentro da parede interna 32 do canal 30, e, mais precisamente, dentro do eixo mecânico 54.

[0074] Na modalidade de figuras 1 e 2, o volume disponível dentro (radialmente) da parede 32 é equipado para acomodar uma carga útil 35 do satélite 1.

[0075] Este é disposto radialmente dentro da parede interna 32, como ilustrado nas figuras 1 e 2.

[0076] Em uma outra modalidade, o propulsor pode ser projetado especificamente com um volume interior muito maior dentro da parede 32. Uma grande porção, mesmo a totalidade da carga útil, pode então ser disposta neste volume, dentro da parede interna 32 do canal 30 do propulsor.

[0077] Neste caso, o propulsor é arranjado na prática na forma de uma estrutura anular disposta em torno da carga útil do satélite, ou mais no geral da espaçonave.

[0078] A operação do propulsor 10 será agora descrita. Esta operação é no geral idêntica à do propulsor descrito pelo documento US2003/0046921 A1.

[0079] Quando o satélite 1 está se movendo a alta velocidade na atmosfera, as partículas localizadas em sua trajetória são capturadas pelo concentrador 36 e penetram nele.

[0080] Como a figura 1 mostra, quando uma partícula P dessa forma penetra no concentrador 36, ela colide mais frequentemente em uma das paredes 32 ou 34 dele.

[0081] Agora, observou-se que as partículas resvalam de uma maneira quase especular nas paredes dos satélites ou espaçonave. Em outras palavras, os impactos entre uma partícula e uma parede do satélite parecem ocorrer sem atrito, isto é, o ângulo de incidência e o ângulo de ejeção da partícula com relação à parede são iguais.

[0082] Consequentemente, em decorrência deste impacto e por causa das propriedades do foco de uma parábola, uma partícula P que colide em uma parede 32 ou 34 do concentrador 36 é enviada de volta para o foco F1, ou seja, em direção a um ponto do círculo C1.

[0083] Dessa forma, o concentrador permite que as partículas capturadas pelo satélite 1 sejam vantajosamente direcionadas para uma zona bastante reduzida situada nas imediações do círculo C1.

[0084] O círculo C1 é posicionado de maneira a ficar situado no ponto onde o campo magnético B gerado pelo circuito magnético está na sua intensidade máxima, ou seja, na passagem anular 28.

[0085] Simultaneamente, além do mais, uma tensão elétrica, tipicamente da ordem de 150 a 800 V, é estabelecida entre o cátodo 64 a jusante da extremidade a jusante do canal 30, e o ânodo 62. O cátodo 64 portanto emite elétrons, que são amplamente aprisionados em um “invólucro magnético” formado pelo campo magnético B. Este invólucro magnético é adequado para o desempenho desejado e é tipicamente da ordem de 100 a 300 gauss. Os elétrons aprisionados neste invólucro magnético dessa maneira formam uma grade do cátodo virtual 65, dessa maneira formando substancialmente um anel ao longo do círculo C1 dentro do canal 30.

[0086] Um campo elétrico E é dessa forma gerado no canal 30, na passagem anular 28 (Fig. 1) e a montante dela no ânodo 62, e particularmente na grade do cátodo virtual 65.

[0087] Entretanto, uma pequena porção dos elétrons dessa forma capturados, a saber, aqueles que são mais energéticos (tipicamente 10 a 40 eV), escapam do invólucro magnético e atingem o ânodo 62.

[0088] Como foi indicado previamente, as partículas P que são capturadas pelo satélite 1 são concentradas pelo concentrador 36 nas imediações do círculo C1. Elas, portanto, entram na grade do cátodo virtual 65 formada pelos elétrons aprisionados pelo campo magnético B.

[0089] Os impactos entre esses elétrons e as partículas P ioniza-as. Por causa da carga elétrica, as partículas ionizadas são então aceleradas em direção à extremidade a jusante 26 do canal 30 pelo campo elétrico E. Como a massa das partículas ionizadas é diversas ordens de magnitude maior que a dos elétrons, o campo magnético não confina esses íons tal como faz os elétrons. O propulsor 10 dessa forma gera um jato de plasma que é ejetado a uma velocidade extremamente alta através da extremidade a jusante do canal 30. O propulsor 10 portanto produz uma propulsão, substancialmente alinhada com o eixo geométrico central X.

[0090] A segunda modalidade, que ilustra o segundo aspecto da invenção, será agora apresentada em relação às figuras 3 e 4.

[0091] A Figura 3 representa um satélite 101, incluindo um propulsor de efeito Hall 110 de acordo com a invenção.

[0092] O satélite 101 é arranjado em um revestimento exterior 120 que tem um formato rotacionalmente simétrico em torno de um eixo geométrico X. O propulsor 110 é arranjado dentro da parede externa 122 do revestimento 120.

[0093] O propulsor 110 tem uma estrutura axissimétrica em torno do eixo geométrico X. Os termos “a montante” e “a jusante”, no presente contexto, são definidos com relação à direção normal de circulação do satélite e, portanto, do propulsor.

[0094] A parede 122 tem duas porções, a saber, um concentrador de partículas 136, que serve para concentrar as partículas P localizadas na trajetória do satélite 101 ou nas imediações dele, e uma porção traseira 124 situada a jusante do concentrador 136.

[0095] O formato do concentrador 136 é definido por um contorno contínuo C2. Como na modalidade anterior, o contorno C2 é um círculo. Ele é situado em um plano perpendicular ao eixo geométrico de propulsão X e é envolvido na parede 120.

[0096] Em seção em qualquer plano perpendicular ao contorno C2, o concentrador 122 tem um formato parabólico com um foco F2 que pertence ao contorno C2.

[0097] O concentrador 136 e a porção traseira 124 convergem em uma borda que forma um círculo C3 (Fig. 4).

[0098] A porção traseira 124 da parede 120 tem um formato cilíndrico com o eixo geométrico X; seu formato é o gerado pelo deslocamento do círculo C3 para trás na direção do eixo geométrico X.

[0099] O propulsor 110 inclui um circuito magnético 150 e um circuito elétrico 160.

[00100] O circuito magnético 150 é arranjado de maneira a criar um campo magnético substancialmente radial no nível (axialmente, com referência ao eixo geométrico X) da porção a montante da parede 122.

[00101] Com este propósito, ele inclui uma pluralidade de circuitos magnéticos elementares idênticos 132, distribuída de maneira axissimétrica em torno do eixo geométrico X.

[00102] Cada circuito 132 compreende um núcleo de ferro 134 que, em seção axial, tem um formato de U. O núcleo 134 inclui uma haste comprida 136 que se estende paralela ao eixo geométrico X em proximidade com a parede 122 (e dentro dela). Ele também inclui dois segmentos curvos 138 que são dobrados em um plano radial em direção à parede 122, de uma maneira tal que a extremidade desses segmentos fique disposta logo abaixo da superfície da parede 122. Com relação a esses segmentos 138, o revestimento 120 inclui anéis 140 de material não magnético de maneira a permitir a passagem do campo magnético. Os anéis 140 podem, por exemplo, ser feitos cerâmica, de carbono cúbico policristalino (ou seja, de diamante), ou de alumina.

[00103] Cada circuito 132 também inclui uma bobina 146 que forma um solenoide arranjado em torno da haste 136.

[00104] Os terminais das bobinas 146 dos circuitos 132 são conectados naqueles de uma fonte de tensão 144. Esta fonte de tensão é selecionada de uma maneira tal que, pela influência da tensão aplicada nas bobinas 146, um campo magnético estável B pode ser criado em torno da parede. Uma fonte de corrente pode também ser usada.

[00105] Em decorrência disto, quando uma tensão é aplicada pela fonte de tensão 144 nas bobinas 146, cada circuito magnético 132 gera um campo magnético B. Este campo é irradiado pelo circuito 132 fora do satélite 101 no espaço nas imediações do satélite. As linhas de campo formadas são mostradas na figura 3. Como mostrado por esta figura, as extremidades dos segmentos curvos 138 portanto formam polos magnéticos para os circuitos 132, a saber, um polo magnético a montante 170 e um polo magnético a jusante 172.

[00106] Em frente (ou voltado para este) a um polo magnético a montante 170, o campo magnético B é orientado em uma direção substancialmente radial com relação ao eixo geométrico de propulsão (X) (isto é, perpendicular a este eixo geométrico e passando através dele).

[00107] Como pode-se ver na figura 4, os polos magnéticos a montante 170 de dois circuitos magnéticos elementares adjacentes 132 são formados de maneira a fechar perto um do outro, ou mesmo ficar em contato, se possível. O mesmo é válido para os polos magnéticos a jusante 172. Isto permite que o circuito magnético tenha um polo magnético a montante e um polo magnético a jusante em qualquer plano axial, que geram o campo magnético B. Graças a isto, o campo magnético B é gerado de forma substancialmente uniforme por toda a periferia da parede 122.

[00108] Os polos magnéticos a montante 170 são formados no nível (axialmente) do contorno C2. Dessa forma, o circuito magnético 150 é arranjado de uma maneira tal que o campo magnético B gerado na frente do polo magnético a montante seja gerado nas imediações do contorno C2.

[00109] O propulsor 110 também compreende um circuito elétrico 160. Este circuito compreende um ânodo 162, um primeiro cátodo 164, um segundo cátodo 166, um terceiro cátodo 167 e uma fonte de tensão elétrica 168 que conecta o ânodo 162 ao primeiro, ao segundo e ao terceiro cátodos 164, 166, 167. O ânodo 162 é situado axialmente a montante do polo magnético a montante 170. O primeiro cátodo 64 é situado a jusante do polo magnético a montante 170, mas imediatamente nas imediações dele e, portanto, a uma certa distância a montante do polo magnético a jusante 172.

[00110] O segundo cátodo 166 é situado entre o polo magnético a montante 170 e o polo magnético a jusante 172. Ele fica, portanto, a jusante do polo magnético a montante 170, e a montante do polo magnético a jusante 172.

[00111] O terceiro cátodo 167 é situado a jusante do polo magnético a jusante 172.

[00112] Além disso, cada um dos cátodos 166 e 167 é situado em proximidade ao polo magnético a jusante 172 e, portanto, a uma certa distância a jusante do primeiro cátodo 164.

[00113] O ânodo 162, bem como o primeiro, segundo e terceiro cátodos 164, 166, 167 têm cada qual o formato de um anel. Cada um desses anéis se estende por toda a circunferência da parede 122, em um plano perpendicular ao eixo geométrico X geral (ou, mais precisamente, entre dois planos próximos perpendiculares ao eixo geométrico X). Cada um desses cátodos é nivelado com a superfície da parede 122 e dessa forma constitui uma porção desta parede.

[00114] O propulsor 110 opera de uma maneira análoga ao propulsor 10.

[00115] Como com a fonte de tensão 68 na modalidade anterior, a fonte de tensão 168 é controlável: sua tensão elétrica pode ser invertida de maneira a inverter a propulsão do propulsor.

[00116] Dependendo da direção dada à tensão pela fonte de tensão 168, a força gerada pelo propulsor 110 pode ser em uma direção ou na outra, ao longo da direção X; dependendo do caso, o propulsor portanto age tanto como um sistema de acionamento quanto como um sistema de frenagem.

[00117] O modo de operação do propulsor descrito aqui é o modo de acionamento:

[00118] Quando uma tensão é aplicada pela fonte de tensão 168 entre o ânodo 162 e os cátodos 164, 166 e 167, um campo elétrico E é formado no espaço exterior ao satélite em torno da parede 122, essencialmente entre o ânodo 162 e o primeiro cátodo 164. Este campo é orientado substancialmente ao longo de uma direção paralela ao eixo geométrico X.

[00119] Além disso, pela influência da tensão elétrica estabelecida entre os cátodos a jusante e o ânodo a montante 162, os cátodos 164, 166 e 167 começam a emitir elétrons. Uma grande porção desses é aprisionada em um invólucro magnético formado pelo campo magnético criado pelo circuito magnético 150, adequado para o desempenho desejado, e que pode tipicamente ser da ordem de 100 a 300 gauss. Os elétrons aprisionados neste invólucro magnético dessa maneira formarão uma grade magnética virtual 165. Entretanto, certos elétrons altamente energéticos (tipicamente 10 a 40 eV) escapam do invólucro magnético e atingem o ânodo 62.

[00120] Por causa do deslocamento relativo do satélite 101 com relação à atmosfera, a cada instante, partículas penetram na grade do cátodo virtual 165. Os impactos entre os elétrons mantidos nesta grade e os átomos dessas partículas causam sua ionização. As partículas ionizadas, pela influência do campo elétrico E criado pelo circuito elétrico 160, são então aceleradas para trás do satélite. O propulsor 110 portanto gera um jato de plasma que é ejetado a uma velocidade extremamente alta na direção X, para trás do satélite, a jusante da parede 122. Por questão de simetria, a propulsão gerada é substancialmente alinhada com o eixo geométrico central X.

[00121] Quando o propulsor 110 está operando, o segundo e o terceiro cátodo 155 e 167 fornecem elétrons às partículas liberadas a jusante do satélite 100, e dessa forma garantem sua neutralidade elétrica.

[00122] O uso do segundo cátodo 166 é opcional. É principalmente o terceiro cátodo 67, situado a jusante do polo magnético a jusante 52, que fornece os elétrons necessários para a neutralização das partículas aceleradas pelo propulsor 10.

[00123] Vantajosamente, o propulsor de acordo com a invenção não exige o fornecimento de gás propelente, ao contrário da maioria dos propulsores de efeito Hall.

[00124] Além disso, seu arranjo na parede externa do satélite libera uma grande porção do espaço interior do satélite, que permite que uma grande carga útil seja disposta nele.

[00125] Nota-se também que o campo elétrico E gerado pelo circuito elétrico 160 é extremamente fraco nas imediações do polo magnético a jusante 172. Em decorrência disto, a força gerada pelo propulsor 110 é criada nas imediações do polo magnético a montante 170; na ausência do campo elétrico E nas imediações do polo magnético a jusante 172, essencialmente nenhuma força inversa é gerada nas imediações do polo posterior.

[00126] Vantajosamente, de acordo com a invenção, não é necessário que o concentrador direciona as partículas que ele concentra precisamente para o foco da parábola definida por suas paredes (no caso do propulsor 10) ou por suas paredes (no caso do propulsor 110). Como uma grade do cátodo virtual é formada em um certo volume que circunda este foco, basta que as partículas capturadas pelo concentrador sejam direcionadas para este volume. Isto dá uma certa tolerância com relação ao formato da(s) parede(s) ao concentrador.

Claims

1. Propulsor de efeito Hall (10) para desenvolver propulsão ao longo de um eixo geométrico de propulsão, o propulsor compreendendo: um canal (30) permitindo a coleta, a aceleração e a ejeção de partículas pelo propulsor quando ele está em funcionamento, o canal (30) sendo delimitado radialmente por uma parede interna (32) e uma parede externa (34); um circuito elétrico (60) compreendendo um ânodo (62), um cátodo (64), e uma fonte de tensão elétrica (68) para emitir elétrons por meio do cátodo (64) e atrair elétrons por meio do ânodo (62); um circuito magnético (50) para gerar um campo magnético (B) no canal (30) axialmente a jusante do ânodo, o campo magnético sendo direcionado em uma direção radial com relação ao eixo geométrico de propulsão (X); o canal (30) sendo aberto em um lado a montante do propulsor e incluindo um concentrador de partículas (36) para coletar partículas (P); o formato do concentrador sendo definido por um contorno contínuo (C1) situado em um plano perpendicular ao eixo geométrico de propulsão e circundando-o; caracterizado pelo fato de que: em uma maior porção do contorno, cada seção do concentrador perpendicular ao contorno tem um formato parabólico e tem um foco (F1) que pertence ao contorno (C1); e o circuito magnético (50) é arranjado de maneira a gerar o campo magnético (B) nas imediações do contorno (C1).

2. Propulsor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito magnético compreende uma pluralidade de braços de conexão (24) arranjados de maneira a conectar a parede interna (32) e a parede externa (34) do canal, o canal tendo um formato anular.

3. Propulsor de efeito Hall (110) para desenvolver a propulsão ao longo de um eixo geométrico de propulsão, o propulsor incluindo: um circuito magnético (150) para gerar um campo magnético (B); um circuito elétrico (160) compreendendo um ânodo (162), um primeiro cátodo (164), e uma fonte de tensão elétrica (168) para emitir elétrons pelo menos por meio do primeiro cátodo (164) e atrair elétrons por meio do ânodo (162); em que: o propulsor (110) é arranjado no interior de uma parede (122) formada em torno do eixo geométrico de propulsão (X); o circuito magnético (150) e o circuito elétrico (160) são arranjados de maneira a gerar campos magnéticos (B) e elétricos (E) em torno da parede (122); e em qualquer seção paralela ao eixo geométrico de propulsão (X) e perpendicular à parede (122): o circuito magnético (150) tem um polo magnético a montante (170) e um polo magnético a jusante (172), dispostos na superfície da parede a uma distância um do outro, e o circuito magnético (150) é arranjado de tal maneira que o campo magnético é orientado ao longo de uma direção radial com relação ao eixo geométrico de propulsão (X) em frente ao polo magnético a montante (170); o ânodo (162) e o primeiro cátodo (164) são situados em qualquer dos lados do polo magnético a montante (170); e em que: a parede (120) inclui um concentrador de partículas (136) servindo para concentrar partículas (P); e, o formato do concentrador sendo definido por um contorno fechado (C2) situado em um plano perpendicular ao eixo geométrico de propulsão e circundando a parede, caracterizado pelo fato de que: em uma maior porção do contorno, cada seção do concentrador perpendicular ao contorno tendo um formato parabólico e tendo um foco (F2) que pertence ao contorno (C2); o circuito magnético (150) é arranjado de maneira a gerar o campo magnético nas imediações do contorno (C2).

4. Propulsor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o contorno (C1, C2) é um círculo, ou uma elipse, ou um oval.

5. Propulsor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o ânodo (62, 162) constitui uma porção da parede (122) ou de uma das paredes internas e externas (32, 34).

6. Propulsor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o ânodo (62, 162) é formado como uma cavidade na parede (122) ou em uma das paredes internas e externas (32, 34).

7. Veículo espacial (1; 101), caracterizado pelo fato de incorporar pelo menos um propulsor de efeito Hall (10; 110) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.

8. Veículo espacial (1; 101), caracterizado pelo fato de incorporar pelo menos um propulsor de efeito Hall (10; 110) como como definido em qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, o veículo espacial sendo configurado para portar uma carga útil disposta radialmente no interior da parede interna (32) do canal (30).

9. Veículo espacial de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o contorno (C1) é um círculo, ou uma elipse, ou um oval.

10. Veículo espacial de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que o ânodo (62) constitui uma porção de uma das paredes (32, 34).