CN103562549B - 霍耳效应推进器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及霍耳效应推进器，其包括：至少一个高压气体罐（101）；压力控制模块（103）；用于控制气体流速的设备（105）；电离通道；布置成邻近电离通道的出口的阴极（40A，40B）；与电离通道相连的阳极；电源单元（110）；电滤波器（120）；和用于生成围绕电离通道的磁场的线圈。霍耳效应推进器还包括用于在阳极与阴极（40A，40B）之间施加脉冲电压的附加的电源单元（125）。
Description
技术领域
本发明涉及霍耳效应推进器(thruster)，也被称为固定式等离子体推进器。
背景技术
霍耳效应推进器基本上包括电离放电通道，其与设置在电离放电通道的出口附近的阳极、阴极关联。电离放电通道由例如陶器等绝缘材料制成。磁路和电磁线圈环绕电离放电通道。例如氙等惰性气体被注入放电通道的后部并进入阴极。内部气体通过与阴极发射的电子碰撞而在电离放电通道中电离。产生的离子被阳极与阴极之间生成的轴向电场加速并射出。在通道内，磁路和电磁线圈生成基本上径向的磁场。
图2是闭合的电子漂移型霍耳效应推进器的示例的轴向剖视图。
在图2中，能够看到环形通道21和磁路24，环形通道21由例如电介体陶瓷等绝缘材料制成的部件22限定，磁路24具有外部和内部的环形极片(polepiece)24a和24b、设置在推进器的上游端的磁轭24d以及将环形极片24a、24b和磁轭24d连接在一起的中央芯部24c。线圈31、32用于生成环形通道21中的磁场。中空阴极40联接到用于在通道21的下游出口的前面形成等离子体云的氙供给装置。阳极25设置在环形通道21中并与用于可电离气体(氙)的环形歧管27关联。壳体20保护整个推进器。
在图2中，由喷射的可电离气体产生的电子e、离子i、原子a、电场E和磁场线B全部被象征性地表示。
在图2所示的这种霍耳效应推进器中，例如氙等推进剂的原子通过放电而被电离，该电离被限制在通道21中。所产生的离子i在由阳极25生成的电场E中被加速并经由环形通道21的下游出口26射出，以产生推力效果。
由于大抵轴向的电场E与大抵径向的磁场B相结合，所以在通道21内产生数十安培的方位电子电流。
霍耳效应推进器的示例在以下文献中具体描述：FR2693770A1、FR2743191A1、FR2782884A1和FR2788084A1。
霍耳效应推进器在操作方面存在两个主要限制。
第一限制在于，因放电通道的陶器被腐蚀而造成寿命有限。由发动机产生的一些离子在放电通道中朝向发动机的壁加速。考虑到其能量，这些离子会腐蚀放电通道的陶瓷，由此限制推进器的寿命。
第二限制在于，在高程度的比冲(Isp)下，发动机效率下降且发动机加速老化。固定式等离子体推进器的比冲基本上通过增大放电电压Ud来增大。这导致产生更热且与放电通道的壁强烈相互作用的等离子体。在这样的情形之下，电子的能量显著地增大，直到到达与发动机中的通道的陶器不可相容的电平。更大的离子速度还促使增大发动机的陶瓷被腐蚀的速度。
这就是为何直到现在，仍必须使用具有受限的比冲的霍耳效应推进器，其比冲可典型地约为1000秒(s)到2500秒(s)的数量级。
为了延长霍耳效应发动机的寿命，已经提出使放电通道可平移地移动。当室变得腐蚀时，使放电通道的陶器沿发动机的轴线前进。然而，这种方式无法克服高压操作的限制的问题。
还公知的是轰击离子推进器，其具有加速离子的网格并能够以大于4000s的比冲程度操作。然而，使用网格具有某些缺陷。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的等离子体推进器的缺陷，更具体地改良霍耳效应推进器或闭合式电子漂移等离子体推进器，以便改善它们的技术特性，并具体地改善比冲、有效减少放电通道的腐蚀而延长寿命。
这些目的通过霍耳效应推进器实现，霍耳效应推进器包括：至少一个处于高压之下的气体罐；压力调节器模块；气体流速控制器；电离通道；放置在电离通道的出口附近的至少一个阴极；与电离通道相连的阳极；电源单元；电滤波器；和生成围绕电离通道的磁场的线圈，推进器的特征在于，其还包括在所述阳极与所述至少一个阴极之间施加脉冲电压的附加的电源单元，而且附加的电源单元交替地产生在5微秒(μs)到15μs的范围内的第一持续时间(ttot-tj/A)的第一放电电压(Udmin)和在5μs到15μs范围内的第二持续时间(tj/A)的第二放电电压(Udmax)。
有利地，附加的电源单元交替地产生在150volts(V)到250V的范围内的第一放电电压(Udmin)和在300V到1200V的范围内的第二放电电压(Udmax)。
优选地，所述第一持续时间(ttot-tj/A)在5μs到10μs的范围内，所述第二持续时间(tj/A)在5μs到10μs的范围内。
根据优选特性，第一放电电压(Udmin)在180V到220V的范围内，第二放电电压(Udmax)在400V到1000V的范围内。
附加的电源单元包括至少一个电容器。
在具体的实施例中，附加的电源单元分别交替地产生用于第一持续时间(ttot-tj/A)和第二持续时间(tj/A)的第一放电电压(Udmin)和第二放电电压(Udmax)，这两个持续时间基本上相等。
根据本发明的具体方案，用于生成磁场的线圈由所述电源单元和所述电滤波器供电，与由附加的电源单元和所述电滤波器供电的阳极独立。
附图说明
本发明的其它特性和优点由以下作为非限制性示例给出并参照附图的具体实施例的描述呈现，其中：
图1是与其电源相连的本发明的霍耳效应推进器的框图；
图2是示出本发明可适用的霍耳效应推进器的实例的轴向剖视图；
图3是示出代表本发明能够应用的霍耳效应推进器在低频振荡形式下、气体N的放电电流I和平均密度随着时间函数的变量的曲线图；以及
图4是其中显示放电电压Ud如何随着时间函数变化的示例的曲线图，根据本发明，电压Ud在高压Udmax与低压Udmin之间交替。
具体实施方式
本发明涉及以上参照图2描述的霍耳效应推进器的大体结构。
尽管常常被称为“固定式等离子体推进器”，但是传统的霍耳效应推进器的操作很不稳定。可考虑20千赫(kHz)到几千兆赫范围内的几个频率范围。
在低频，传统的霍耳效应推进器的特征主要在于以下阶段：
a)用例如氙等推进剂的惰性原子填充放电通道；
b)在推进器的下半段用高能电子使惰性原子电离；以及
c)借助电场E加速并射出已经产生的离子，该电场E与推进器的放电电压Ud成比例。
相同的三个阶段循环周期性地重新启动。
图3示出霍耳效应推进器中的振动的简化模型。
图3示出放电电流I随着时间的函数(曲线1)和平均气体密度N随着时间的函数(曲线2)。
由于惰性气体密度的空间中发生振荡，所以电离/加速前的振荡能够被清楚地看到。
因此，霍耳效应推进器的特征在于，电离/加速前射出已电离的惰性气体和填充推进器的放电室的未电离的惰性气体的前部(front)交替。
在传统的霍耳效应推进器中，推进器的放电电压Ud被设定在预定电平，该预定电平充分高以使产生的热电子在高电场中适于获得良好的离子的电离和加速。
传统的霍耳效应推进器的放电电压Ud在操作期间基本上保持恒定。如上所述，放电电压Ud的值被选择为具有可以限制放电通道的陶瓷被腐蚀的速度的电平，典型地约为300V到350V的值，但是这也会导致限制所产生的比冲。
本发明的霍耳效应推进器使其可以获得高比冲，但是无需增大放电通道的陶瓷被腐蚀的速度，并且无需推进器的机械结构做任何更改。
为实现这些，当本发明的霍耳效应推进器操作时，使推进器的放电电压Ud脉动，以便通过减小推进器内的惰性原子消耗的空间振荡幅度，控制推进器的电离/加速前的扩展(propagation)。
这样避免在推进器的通道的上游太远处形成离子并随后加速离子，由此通过周期性地减小放电电压来显著地限制通道的腐蚀。
图4示出在放电电压Ud随时间在等于Udmin的低放电电压与等于Udmax的高放电电压(曲线3)之间振荡的情况下的推进器的操作。
首先，放电电压Ud被设定到等于Udmin的低值。当推进器的通道充满惰性原子时，放电电压Ud被设定到等于Udmax的高值持续时间tj/A，该时间tj/A可例如在5μs到15μs的范围内，更优选地在5μs到10μs的范围内，接近10μs的值会给出好结果。
高压值Udmax与低压值Udmin的循环的总时间ttot由推进器的通道填充惰性原子的速度决定，可例如在10μs到30μs的范围内，优选在10μs到20μs的范围内，接近20μs的值会给出好结果。
电压Udmin可例如在150V到250V的范围内，更优选地在180V到220V的范围内。
电压Udmax可例如在300V到1200V的范围内，更优选地在400V到1000V的范围内。
图4示出脉动操作的示例，其中放电电压分别等于Udmax和Udmin的持续时间tj/A和ttot-tj/A基本上相等，但这不是必须的。
值Ud在最小值Udmin与极大值Udmax之间振荡的频率取决于电压Udmax所确定的电平，其于是确定推进器的比冲值。
图1是示出本发明的霍耳效应推进器的大体结构以及气体与电的供应的框图。
例如氙等可电离气体的罐101通过管102连接到压力调节器模块103，压力调节器模块103本身通过管104连接到气体流速控制器105，气体流速控制器105，用于经由各自的软管106、107和108供给包含放电通道的壳体20内的气体歧管以及另外阴极40A和40B。使用两个阴极40A和40B来代替单个阴极不是必须的，仅仅出于安全的原因构成冗余。
主电源单元110经由连接件121连接到电滤波器120，电滤波器120依次用于经由连接件123为线圈供电，以生成围绕电离放电通道的磁场，线圈设置在壳体20内。主单元110与气体流速控制器105之间的直接连接件122用于控制控制器。
主电源单元110经由线路111、112和113接收由例如太阳电池板等外部源产出的电能，并将该电能(其可能通常以例如50V的电压传送)转变成约几百伏的更高的电压的电能。
具体地，主电源单元110具有产生模似控制信号的电路，该模似控制信号经由线路122应用于气体流速控制器105。
主电源单元110经由线路114从控制电路115接收数据，控制电路115与模块103相连，该模块103用于调节从气罐101传送到气体流速控制器105的气体的压力。
控制电路115经由线路118和119从传感器接收关于气体压力调节器模块103中的阀的状态的信息，而且其经由线路116、117接收外部数据。从控制电路115通过线路114传输到主电源单元110的数据用于产生通过线路122应用于气体流速控制器105的模似控制信号。
连接至电源单元110的附加的电源单元125经由线路126、126A和滤波器120发挥作用，以向集成在壳体20中的阳极供电。
与用于生成电场的阴极40A、40B和阳极25协作的附加的电源单元125跟滤波器120一起发挥作用，以在阳极25与每个阴极40A、40B之间供给脉冲电压，同时并发地，壳体20中包括的电磁线圈由电源单元110和滤波器120供电。
附加的电源单元125用于产生两个不同的电压电平，即例如约200V的低电平电压以及约几百伏的高电平电压(可能地高达约1200V)。
作为指示，电流在200V的低压下可以为2安培(A)，在400V的高压下为7A。
附加的电源单元125中储存的能量必须在非常精确的时刻释放。举例而言，用于放电的频率接近100kHz，完整的循环占据20μs的时间段。
附加的电源单元125可包括几微法拉或几十微法拉的电容量的电容器，例如以便能够在20μs(50kHz)的周期内充电和放电，充电在10μs期间对应7A，即充电70微安秒(μAs)。
附加的电源单元125的电容器的充电和放电由控制电路控制和管理，该控制电路与附加的电源单元125相连或集成在电源单元110中，以这种方式使附加的电源单元125能够交替输出两个不同功率级。
第一功率级对应于低功率，由此使放电通道能够充满惰性原子，同时第二功率级对应于高功率，例如在5μs到10μs期间、在400V到1千伏(kV)范围内的电压下传送7A到10A范围内的电流，每个高功率脉冲对应可典型地处于14毫焦(mJ)(7A、400V和5μs)到100mJ(10A、1kV和10μs)的范围内的能量，值的范围被认为是优选的，但不是限制性的。
高功率级对应于发动机的放电通道中的电离/加速过程。高功率级是脉冲式的使其可以选择导致高比冲电平而不缩短发动机的寿命的相对高值。
通常，主电源单元110和附加的电源单元125由电路构成，该电路首先用于向气体流速控制器105传送低功率，其次向壳体20中包括的电磁线圈以及与阳极25协作的阴极40A和40B传送高功率。主电源单元110和附加的电源单元125限定至少两个串联连接和/或并联连接的不同的电源模块，以便使其可以在推进器的查找操作所需的两个功率级之间切换。
滤波器120可由电源模块中包括的滤波元件构成，电源模块构成单元110和125，以便使它们与起源于推进器的电磁兼容(EMC)效应隔离。
Claims (8)
1.一种霍耳效应推进器，包括：至少一个处于高压之下的气体罐(101)；压力调节器模块(103)；气体流速控制器(105)；电离通道(21)；放置在所述电离通道(21)的出口附近的至少一个阴极(40A，40B)；与所述电离通道(21)相连的阳极(25)；电源单元(110)；电滤波器(120)；以及生成围绕所述电离通道(21)的磁场的线圈(31，32)，所述推进器的特征在于，所述推进器还包括附加的电源单元(125)，所述附加的电源单元(125)用于在所述阳极(25)与所述至少一个阴极(40A，40B)之间施加脉冲电压，而且所述附加的电源单元(125)交替地产生在5μs到15μs的范围内的第一持续时间(ttot-tj/A)的第一放电电压(Udmin)以及在5μs到15μs的范围内的第二持续时间(tj/A)的第二放电电压(Udmax)。
2.如权利要求1所述的推进器，其特征在于，所述附加的电源单元(125)交替地产生在150V到250V的范围内的第一放电电压(Udmin)以及在300V到1200V范围内的第二放电电压(Udmax)。
3.根据权利要求1或2所述的推进器，其特征在于，所述第一持续时间(ttot-tj/A)在5μs到10μs的范围内，所述第二持续时间(tj/A)在5μs到10μs的范围内。
4.根据权利要求1所述的推进器，其特征在于，所述第一放电电压(Udmin)在180V到220V的范围内，所述第二放电电压(Udmax)在400V到1000V的范围内。
5.根据权利要求1所述的推进器，其特征在于，所述附加的电源单元(125)包括至少一个电容器。
6.根据权利要求1所述的推进器，其特征在于，所述附加的电源单元(125)交替地产生分别用于第一持续时间(ttot-tj/A)和第二持续时间(tj/A)的第一放电电压(Udmin)和第二放电电压(Udmax)，所述持续时间基本上相等。
7.根据权利要求1所述的推进器，其特征在于，用于生成磁场的所述线圈(31，32)由所述电源单元(110)和所述电滤波器(120)供电，与由所述附加的电源单元(125)和所述电滤波器(120)供电的所述阳极(25)独立。
8.根据权利要求1所述的推进器，其特征在于，所述电离通道(21)由陶瓷材料制成的壁(22)限定。
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