CN102630277A - 霍尔效应等离子推进器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种霍尔效应等离子推进器，其包括：围绕主轴线的环形的排放通道，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；磁路，用于在所述通道中产生磁场；管道，用于向该通道中供给可电离气体；阳极；以及设置在该通道的上游端的分配器，所述分配器使可电离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。本发明的特征在于，该阳极充当分配器使用，并且该分配器包括定向装置，该定向装置在该阳极的出口处产生围绕该主轴线的气体的回旋流。

Description

霍尔效应等离子推进器

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

本发明的目的是提供一种霍尔效应推进器，该霍尔效应推进器能够克服现有技术的缺陷，尤其是能够通过改变上述偏转来控制由排放通道20的出口处的径向磁场所引起的离子的角偏移。

更确切而言，本发明的一个目的是全部或者部分地抵消这种偏移，或者是加大这种偏转。因此，例如对该偏转的总的抵消使得能够消除排放通道的出口处的离子移动的径向分量。

为此目的，根据本发明，该霍尔效应推进器的特征在于：阳极充当歧管使用，并且该歧管包括定向装置，该定向装置在该歧管的出口处引起围绕该主轴线的气体旋涡运动。

如此，应理解的是由于这些定向装置的存在，（气体）离开该歧管时所产生的气体分子的旋涡运动能够抵消由排放通道的下游端处的径向磁场产生的离子的轨迹的角偏移。

概括而言，在本发明中，在排放通道的上游端处产生旋涡运动，该运动与由排放通道的下游端处的径向磁场产生的运动相叠加。

两个漩涡运动的这种叠加能够借助存在于排放通道的下游端处的径向磁场而改变和控制离子所承受的偏移，使所述偏移加大、减小或完全被抵消。

总的来说，利用本发明的解决方案，借助于因定向装置的存在引发的惰性气体的角速度所产生的机械扭矩，使得可以通过存在于排放通道的下游端处的径向磁场来影响离子所承受的偏移。

在一个优选布置型式中，该定向装置包括一系列排出孔口，这些排出孔口通向位于该通道的离子化区域附近的阳极的出口处，并且在横切于（横向于）所述主轴线延伸的平面上的投影中相对于径向方向形成第一非零角度β，以便限定所述漩涡运动中的气体流动方向。

应理解的是，通过在排出孔口的出口处形成非零角度，使得离开歧管的气体的每个喷流均具有带有与径向方向正交的切向分量的轨迹，由此使离开阳极的一组气体喷流产生机械扭矩，该机械扭矩适于加入或者抵消由承受角偏移的离子在排放通道的下游端处产生的机械扭矩，该角偏移是由径向磁场引起的。

优选地，在径向方向与排出孔口的出口在横切于所述主轴线延伸的平面上的投影之间形成的第一角度β介于20°至70°的范围内，有利的是介于35°至55°的范围内，特别是等于45°。

附图说明

通过阅读以下通过示例并参考附图而做的说明，能够显而易见本发明的其它优点和特征，在附图中：

上文所述的图1是现有技术的霍尔效应等离子推进器的示意性剖视图；

上文所述的图2示出了图1的细节Ⅱ；

上文所述的图3是排放通道的立体图以及纵向剖视图，示出了现有技术的等离子推进器中的气体的轨迹的角偏移；

图4是沿图3中的Ⅳ方向观看的剖视图；

图5是本发明的霍尔效应等离子推进器的排放通道的立体纵向剖视图；

图6是本发明的霍尔效应等离子推进器的阳极的立体剖视图；

图7是图4的阳极的径向剖视图的放大图；

图8至图11示出了分别沿图7中的Ⅷ-Ⅷ、Ⅸ-Ⅸ、Ⅹ-Ⅹ、Ⅺ-Ⅺ方向观看的图7的阳极的剖视图；

图12是示出阳极的第一变型实施例的类似于图7的视图；

图13是示出阳极的第二变型实施例的类似于图7的视图。

具体实施方式

以下将参照图5至图11描述一优选实施例。

本发明的阳极50还构成为歧管，为此目的，该阳极50与陶瓷部19的内壁16及外壁18一起限定了从下游至上游的环形的排放室52和环形的中间室54，环形排放室52通向通道20的离子化区域28，而环形中间室54具有至少一个相对于排放室52同轴设置的部分。排出孔口53将所述中间室54连接到所述排放室52。

这些排出孔口53优选为直线形。

借助于在径向方向与这些排出孔口53的横向投影之间形成的第一非零角度β（见图9），在阳极的出口处产生漩涡运动。

优选地，歧管形成的阳极50包括至少四个排出孔口53，它们以规则方式围绕主轴线A有角度地分布。

在该实施例中示出的是，使用了十六个排出孔口53，它们绕主轴线A以圆对称形式规则分布（见图9）。这种在阳极的出口处的不完全沿径向方向的气体喷射产生一机械扭矩，该机械扭矩加入或者抵消（如图9中所示）由已承受因径向磁场B而引起的角偏移的离子在排放通道的下游端处产生的机械扭矩。

本实施例示出的排出孔口53（见图7和图9）为直线形，并且平行于与主轴线A正交的横向平面，排出孔口53在所述横向平面上相对于径向方向形成45°的第一角度β。当然，其它的变型也是可以的，无论是关于第一角度β的值（在0°到90°的范围内）还是关于相对于横向平面的任何倾斜角度（在一些配置型式中，喷射平面并不与主轴线的或推力轴线A正交）。

在排出孔口53的出口处，位于离子化区域28的直接上游的排放室52中的气流通常是以游离的分子流形式出现。

歧管形成的阳极50还与陶瓷部件19的内壁16和外壁18一起限定了位于中间室54上游的环形分配室56（见图5、图6和图7），该分配室首先连接到管道24，其次经由一系列流出孔口55连接到中间室54。

如图7和图10中可见，在流出孔口55的出口处，并且在横切于所述主轴线A延伸的平面上的投影中，流动孔口55与径向方向形成第二非零角度γ以便引导气流进行漩涡运动。

优选地，流动孔口55的出口在横切于所述主轴线A延伸的平面上的投影与径向方向之间所形成的第二角度γ介于20°至70°的范围内，有利的是介于35°至55°的范围内，特别是等于45°。

优选地，该第二角度γ被定向为与相对于径向方向的第一角度β相反的方向（在图7、图9和图10中，第一角度β为+45°，而第二角度γ为-45°）。

这些流动孔口55优选地为直线形。

通过在径向方向与这些流动孔口55的横向投影之间形成的第二非零角度γ（见图10），在中间室54中产生回旋流，该回旋流促使排出孔口53中的分子流朝向排放室52以及阳极50的出口流动。

优选地，歧管形成的阳极50包括至少两个以规则的方式围绕主轴线A有角度地分布的流动孔口55。

在本实施例中示出的是使用四个流动孔口55，它们以圆对称形式围绕主轴线A以规则的方式分布（见图10）。

本实施例示出的流动孔口55（见图7至图10）为直线形并且与横向平面平行，流动孔口55在该横向平面上相对于径向方向形成第二角度γ，该第二角度γ等于45°。当然，其它的变型也是可以的，无论是关于第二角度γ的值（在0°至90°的范围内），还是关于相对于横向平面的流动孔口55倾斜的任何角度。

在图5至图11的实施例中，以及在图12的第一变型中，排出孔口53被定向为使得可离子化气体能够逸出并流向内壁16（见图9）。

如图2至图4中可见，这种配置能够全部或者部分地抵消由径向磁场B所造成的离子的角偏移。如果径向磁场B的方向与图1至图4中所示的相反，则该状态将会改变，并且由磁场所造成的这些离子的角偏移将被加大。

在这种情形下，对于进入离子化区域28中的气体而言，阳极的出口处的气体的分子或离子对外壁18的冲击也将具有充分的单向反射性（specularity），从而具有与因陶瓷制成的内壁16与外壁18之间的温度不同而提供的涡旋速度的量值相同的、很大的剩余涡旋速度。

应回想到的是，电子、离子及分子对内壁16以及外壁18的冲击能够加热这些壁16和18，壁16和18还通过等离子体的辐射而被加热，并且规定内壁16的面积更小，内壁16的温度高于外壁18的温度（温度差高于100℃，约为160℃的量值）。

因此，在本发明中，上述的剩余涡旋速度或者可以加入到因内壁16与外壁18之间的温度不同而造成的涡旋速度中，或者可从该涡旋速度中减去该剩余涡旋速度。当然，与涉及通过磁场抵消离子和分子的圆周偏转的主现象相比，这种由温度不同而导致的物理效果代表了第二顺序的现象。

因此，在图5到图11的实施例中，推进器10在排出通道20的上游部中从上游到下游包括：环形的分配室56，其连接到管道24并且被限定在歧管形成阳极50与内壁16之间；环形的中间室54，其被限定在歧管形成阳极50与外壁18之间；以及环形排放室52，其被限定在歧管形成阳极50与内壁16之间并且通向通道20的离子化区域28。此外，所述排放室52与分配室56重叠，并且中间室54围绕分配室56和排放室52。此外，一系列流动孔口55将分配室56连接到中间室54，并且一系列流动孔口53将所述中间室54连接到所述排放室52以在横切于所述主轴线A延伸的平面上的投影中相对于径向方向形成第一非零角度β，以便引导所述漩涡运动中的气体流动方向。

因此，分配室56和排放室52形成内部室，而中间室54构成外部室。

当描述到两个室“重叠”时，其意是指这些室在沿着主轴线A的方向处于上游和下游的位置。

应看到的是分配室56仅通过一个孔口（供给孔25）供给，因此其中的压力及速度并不一致。因此，借助于中间室54的容积，并且因为中间室54是通过多个流动孔口55来供给（在本实施例中示出了四个流动孔口55），所以中间室54具有更为均一地分配气体的压力和圆周速度，从而作为一个平静室（calming chamber）使用。

在图12的第一变型中，阳极50具有一种改型的形状。在该附图中，推进器10在排出通道20的上游部中从上游到下游具有：环形的分配室56，其连接到管道24并被限定在歧管形成的阳极50与内壁16之间；环形的中间室54，其被限定在歧管形成阳极50与外壁18之间；以及环形的排放室52，其被限定在歧管形成的阳极50与内壁16之间并且通向通道20的离子化区域28。此外，中间室54围绕排放室52，所述排放室52与分配室56重叠，而所述中间室54与分配室56重叠。此外，一系列流动孔口55将分配室56连接到中间室54，而一系列排出孔口53将所述中间室54连接到所述排放室52，且在横切于所述主轴线A延伸的平面上的投影中相对于径向方向形成第一非零角度β，以便限定所述漩涡运动中的气体流动方向。

在图12的第一变型中，排放室52与分配室56重叠。

因此，排放室52是内部室，中间室54构成外部室，而分配室56形成基本上在排放通道20的整个截面上延伸的室。

在图13的第二变型中，阳极50具有另一种改型的形状。在该附图中，推进器10在排出通道20的上游部中从上游到下游具有：环形的分配室56，其连接到管道24并且被限定在歧管形成的阳极50与外壁18之间；环形的中间室54，其被限定在歧管形成的阳极50与内壁16之间；以及环形的排放室52，其被限定在歧管形成的阳极50与外壁18之间并且通向通道20的离子化区域28。此外，所述分配室56与排放室52重叠，并且中间室54围绕分配室56和排放室52。类似地，一系列流动孔口55将分配室56连接到中间室54，而一系列排出孔口53将所述中间室54连接到所述排放室52，在横切于所述主轴线A延伸的平面上的投影中相对于径向方向形成第一非零角度β，以便限定所述漩涡运动中的气体流动方向。

因此，分配室56和排放室52形成内部室，而中间室54构成外部室。

应看到的是在图13的第二变型中，排出孔口53使可离子化气体能够借助漩涡运动传送到外壁18。

当径向磁场B的方向如图2至图4中所示时，则该配置能够使由径向磁场造成的离子的角偏移加大。如果径向磁场B的方向与图1至图4中的方向相反，则该状态被改变，并且（全部或部分地）抵消由磁场造成的离子的角偏移。

在所有情形下，为使阳极50的壁在排出孔口53的出口上方径向延伸，以便形成保护性的壁58，故而规定不容许或者至少限制在排出孔口53的出口的附近存在离子和/或电子。这样，排出孔口53被保护为不会被来自内壁16和外壁18的被侵蚀的材料（陶瓷）阻塞。

优选的是，阳极50和歧管重合。由此通过单个部件或者一组部件来执行这两种功能。

优选的是，阳极50为单体件并且基本上上由碳制成，从而更容易安装在排放通道20的底部。也可以将阳极50制造成能组装到一起的多个部件。

此外，并且优选地，内壁16和外壁18由陶瓷制成并且以密封方式与阳极50连接。

通过示例，陶瓷部19可由氮化硼及二氧化硅（BNSiO2）制造。

因此，通过使用热膨胀系数相近的材料制造阳极50和陶瓷部19，这样可以确保在阳极50与内壁16以及外壁18之间保持密封连接，该连接通过室52、54及56而发生。

由此，通过例如铜焊在阳极50与内壁16以及外壁18之间制成四个环形紧固区域60（见图7、图12和图13）。

在示出现有技术和本发明的示例中，阳极和歧管被显示为形成单个部件（图1至图4中的附图标记26和图5至图13中的附图标记50）；然而，应看到的是，也可以通过使用独立的两个部件或两套部件来拆分这两个功能，而这并不超出本发明的范围。在这种情形下，阳极和歧管应设置在排放通道的底部，并且该歧管连接到供气管道，该阳极连接到电源。

Claims (19)

1.一种霍尔效应等离子推进器（10），包括：围绕主轴线（A）的环形的排放通道（20），该通道具有开放的下游端（20b），并且该通道被限定在内壁（16）与外壁（18）之间；至少一个阴极（40）；磁路，用于在所述通道（20）中产生磁场；管道（24），用于向该通道（20）供给可电离气体；阳极（50）；以及设置在该通道（20）的上游端（20a）的歧管，所述歧管（50）连接到该管道（24）并且使可电离气体能够以同轴方式围绕该主轴线（A）流入该通道（20）的离子化区域（28）中，该推进器（10）的特征在于，该阳极（50）充当歧管使用，并且该歧管（50）包括定向装置（53），该定向装置在歧管（50）的出口处产生围绕该主轴线（A）的气体的旋涡运动。

2.根据权利要求1所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，所述定向装置包括一系列排出孔口（53），所述排出孔口在该通道（20）的离子化区域（28）附近的阳极（50）的出口处开放，并且所述排出孔口在横切于所述主轴线（A）延伸的平面上的投影中形成相对于径向方向的第一非零角度（β），以便限定所述漩涡运动中的气体流动方向。

3.根据权利要求2所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该歧管（50）与该内壁（16）及该外壁（18）一起限定了从下游至上游的环形的排放室（52）和环形的中间室（54）：该排放室（52）通向所述通道（20）的离子化区域（28）；而该中间室（54）具有至少一个相对于该排放室（52）同轴设置的部分；并且所述排出孔口（53）将所述中间室（54）连接到所述排放室（52）。

4.根据权利要求3所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该歧管（50）还与该内壁以及该外壁一起限定了位于该中间室（54）上游的环形的分配室（56），该分配室首先连接到管道（24）其次经过一系列流动孔口（55）连接到该中间室（54）。

5.根据权利要求4所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，所述流动孔口（55）在横切于所述主轴线（A）的平面上的投影中相对于径向方向形成第二非零角度（γ），以便限定漩涡运动中的气体流动方向。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该第一角度（β）介于20°至70°的范围内。

7.根据权利要求6所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该第一角度（β）介于35°至55°的范围内。

8.根据权利要求6所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该第一角度（β）基本上等于45°。

9.根据权利要求2所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，所述排出孔口（53）使可离子化气体能够朝向该内壁（16）排放。

10.根据权利要求2所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，所述排出孔口（53）使可离子化气体能够朝向该外壁（18）排放。

11.根据权利要求2所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该歧管（50）包括至少四个排出孔口（53），所述排出孔口（53）以规则方式围绕该主轴线（A）呈角度地分布。

12.根据权利要求1至9及11中任一项所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该推进器（10）在该排出通道（20）的上游部中从上游到下游包括：环形的分配室（56），其连接到该管道（24）并且被限定在该歧管（50）与该内壁（16）之间；环形的中间室（54），其被限定在该歧管（50）与该外壁（18）之间；以及环形的排放室（52），其被限定在该歧管（50）与该内壁（16）之间并且通向该通道（20）的离子化区域（28），所述排放室（52）与所述分配室（56）重叠，该中间室（54）围绕该分配室（56）和该排放室（52），一系列流动孔口（55）将分配室（56）连接到中间室（54），一系列排出孔口（53）将所述中间室（54）连接到所述排放室（52）且在横切于所述主轴线（A）延伸的平面上的投影中相对于径向方向形成第一非零角度（β），以便限定所述漩涡运动中的气体流动方向。

13.根据权利要求1至9及11中任一项所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该推进器（10）在该排出通道（20）的上游部中从上游到下游包括：环形的分配室（56），其连接到该管道（24）并且被限定在该歧管（50）与该内壁（16）之间；环形的中间室（54），其被限定在该歧管（50）与该外壁（18）之间；以及环形的排放室（52），其被限定在该歧管（50）与该内壁（16）之间并且通向该通道（20）的离子化区域（28），该中间室（54）围绕该排放室（52），所述排放室（52）与该分配室（56）重叠，其中，所述中间室（54）与分配室（56）重叠，一系列流动孔口（55）将该分配室（56）连接到该中间室（54），一系列排出孔口（53）将所述中间室（54）连接到所述排放室（52）且在横切于所述主轴线（A）延伸的平面上的投影中相对于径向方向形成第一非零角度（β），以便限定所述漩涡运动中的气体流动方向。

14.根据权利要求1至8及10和11中任一项所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该推进器（10）在该排出通道（20）的上游部中从上游到下游包括：环形的分配室（56），其连接到管道（24）并且被限定在该歧管（50）与该外壁（18）之间；环形的中间室（54），其被限定在该歧管（50）与该内壁（16）之间；以及环形的排放室（52），其被限定在该歧管（50）与该外壁（18）之间并且通向该通道（20）的离子化区域（28），所述分配室（56）与该排放室（52）重叠，该中间室（54）围绕该分配室（56）和该排放室（52），一系列流动孔口（55）将该分配室（56）连接到该中间室（54），一系列排出孔口（53）将所述中间室（54）连接到所述排放室（52）且在横切于所述主轴线（A）延伸的平面上的投影中相对于径向方向形成第一非零角度（β），以便限定所述漩涡运动中的气体流动方向。

15.根据以上任一项权利要求所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该阳极是该歧管（50）。

16.根据权利要求15所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该阳极（50）是基本上由碳制成的单个部件，并且该内壁（16）及该外壁（18）由陶瓷制成并以密封方式连接到该阳极（50）。

17.根据权利要求5所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该第二角度（γ）介于20°至70°的范围内。

18.根据权利要求5所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该第二角度（γ）介于35°至55°的范围内。

19.根据权利要求5所述的霍尔效应等离子推进器（10），其特征在于，该第二角度（γ）基本上等于45°。

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