CN104093978A - 霍尔效应推进器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及霍尔效应推进器领域，特别涉及这样一种推进器(1)，在其环形通道(2)的下游端具有可变的横截面，从而能够改变推进器的推力和比冲量。

Description

霍尔效应推进器
技术领域
本发明涉及霍尔效应推进器领域。
本发明更特别地涉及一种具有环形通道、阳极、喷射回路、磁路和阴极的霍尔效应推进器。该环形通道由围绕一中心轴线同轴的内壁和外壁限定，并具有开放的下游端和封闭的上游端。该阳极位于该环形通道的上游端处。该喷射回路适于将推进气体(例如氙)喷射到该环形通道中。该磁路适于在该环形通道的下游端处产生磁场。该阴极位于环形通道的下游端的外部。
在本文中，术语“上游”和“下游”被定义为相对于推进气体沿着由环形通道的中心轴线限定的正常流向。
背景技术
通常，在这种霍尔效应推进器处于工作状态时，电子由阴极发射出并朝向位于环形通道的端部的阳极被吸引，这些电子在位于两壁之间的螺旋轨道中被磁场捕获，由此形成虚拟阴极栅。电子从这种磁罩朝向阳极逃逸，并与通过喷射回路被喷射至环形通道内的推进气体中的原子发生碰撞，从而形成离子化等离子体。
上述等离子体中的正离子被存在于阳极和虚拟阴极栅之间的电场加速，该虚拟阴极栅由被位于环形通道的开放端处的磁场所捕获的电子云形成。因为每个正离子的质量远大于电子的质量，所以正离子的轨迹(trajectory，轨线)很难被磁场所影响。这种等离子流中的离子最终会被阴极所发射的电子或是在等离子体电离过程中所产生的电子在磁场的下游处中和。
霍尔效应推进器起初被应用于航天器的运行方位和轨迹控制系统(AOCSs)中，尤其是被应用于地球同步卫星的AOCSs中。霍尔效应推进器能够获得1500秒(s)数量级的非常高的比冲量(Isp)，从而能够精确地控制运载工具(航天器)的运行方位和/或位置，并且与使用那些依靠惯性器件(诸如反作用轮)与使其减饱和的化学推进器结合的传统系统相比，其质量和复杂程度要低得多。
然而，具有高比冲量的霍尔效应推进器通常只能获得非常低的推力。因此，结合有霍尔效应推进器的AOCSs通常与用于执行某种快速飞行(诸如定位或转换轨道)的化学推进器关联。但是这样做的缺点是，提高了航天器的总成本和复杂程度，使其可靠性降低。
当执行特征测试时，以及在SMART-1实验中，已经确定霍尔效应推进器不仅能够使用低流速的推进气体并使用阳极和阴极之间的高电压而在高比冲量模式下运行，而且还能够使用高流速的推进气体并使用中等电压而在高推力模式下运行。尽管如此，等离子流的稳定性和推进器的效率，除其它因素外，还取决于环形通道中的等离子体的密度。因此，现有推进器被优化为适于单一运行模式。由此，为了替换用于定位和转换轨道的化学推进器，需要设计在高推力模式下运行的霍尔效应推进器，此外在AOCS中需要高比冲量的霍尔效应推进器。这样，航天器的复杂程度将不会显著降低。
在专利号为7500350 B1的美国专利中，公开了一种霍尔效应推进器，其具有：环形通道，具有开放的下游端和封闭的上游端；电路；喷射回路，用于将推进气体流喷射到环形通道中；以及磁路，用于在环形通道的下游端处形成磁场。该电路包括位于环形通道上游端的阳极、位于环形通道下游端的阴极、以及处于所述阳极和所述阴极之间的电压源。该环形通道由围绕一中心轴线同轴的内壁和外壁限定。尽管在推进器运行期间壁会被逐渐腐蚀，但为了保持内壁与外壁之间的间隙几乎恒定，内壁和/或外壁在轴向上是可移动的，且该推进器还具有致动器用以移动所述内壁和/或所述外壁。尽管如此，该文献没有提到如何使该霍尔效应推进器在高推力模式下和高比冲量模式下运行。
发明内容
本发明旨在提出一种霍尔效应推进器，其既能够在高推力模式下运行，也能够在高比冲量模式下运行。
在至少第一实施例中，所述目的通过以下方式来实现：内壁是可移动的，并具有沿下游方向减小直径，且推进器还具有控制单元，该控制单元至少连接至电路、推进气体喷射回路和所述致动器，该控制单元被配置为能够改变所述流和/或所述电压，并调节可移动内壁的位置以便适应随着所述可变的流和/或所述可变电压的不同而变化的环形通道下游端的横截面，以便将处于环形通道下游端处的等离子体密度维持在预定的范围之内。
在至少第二实施例中，所述目的通过以下方式来实现：外壁是可移动的，并具有沿下游方向增大的直径，且推进器还具有控制单元，该控制单元至少连接至电路、推进气体喷射回路和致动器，该控制单元被配置为能够改变所述流和/或所述电压，并调节可移动外壁的位置以便适应随着所述可变的流和/或所述可变电压的不同而变化的环形通道下游端的横截面，以便将处于环形通道下游端处的等离子体密度维持在预定的范围之内。
在两种配置方式中，这些规定使得环形通道的下游端的厚度可以通过可移动壁的轴向移动而被改变，以便通过改变推进气体的流速而在环形通道出口处维持恒定的等离子体密度。由此，获得了一种霍尔效应推进器，其尤其能够适合在高推力模式下运行，将高流速的等离子体传递至环形通道的大的出口部；而且还能够在高比冲量模式下运行，使低流速的等离子体穿过环形通道较窄的出口部。
为了使可移动的壁轴向移动，例如，可移动壁的所述致动器可以是用于驱动可移动壁的压电致动器。在本申请中，这样的压电致动器具有下列优点：能够与太空环境中的使用相适应，寿命较长，不被来自霍尔效应推进器中存在的高电场和高磁场干扰，而同时提供非常良好的反应速度。具体地，压电致动器可以是超声波马达。在本文中，术语“超声波马达”指一种致动器，其具有转子和压电定子，在该定子上可以电诱发移动超声波，其波峰与转子接触并沿其前进方向驱动转子。虽然超声波马达通常是转动的，具有环形的转子和定子，但在本申请中，也可以设想到使用线性超声波马达，其转子和定子是直线形的。术语“转子”继续被用于指可移动部件(如果其可以沿线性方向而非转动方向运动)。超声波马达具有特别的优点：提供相对高的扭矩和力，同时不会在霍尔效应推进器或航天器的通讯设备中产生干扰，该霍尔效应推进器具有大约30千赫(kHz)量级的工作频率，而该航天器通讯设备在千兆赫级的频率下工作。超声波马达的工作频率是大约30兆赫(MHz)。
特别地，内壁和外壁可以由陶瓷材料制成，因为陶瓷材料的电、磁特性及抗腐蚀的特性，所以特别适合使用。
本发明还提出一种航天器，其结合有至少一种上述的霍尔效应推进器，还提出一种在上述的霍尔效应推进器中调节推力的方法。
在推进器调节方法的至少一个实施方案中，通过回路被喷射到环形通道中的推进气体流和/或处于所述阳极和阴极之间的电压随着期望的推力的不同而改变，调节可移动壁的位置，以便适应随着可变的流和/或可变的电压的不同而变化的环形通道下游端的横截面，以便将环形通道下游端处的等离子体密度维持在预定的范围之内。这样，霍尔效应推进器的运行可以在高推力模式和高比冲量模式之间进行改变，而不影响等离子流的稳定性。
附图说明
通过阅读以非限定性示例的方式对两个实施例给出的详细描述，可良好地理解本发明及其优点。该描述参照了多个附图，其中：
图1A是第一实施例中处于高推力模式下的霍尔效应推进器的示意性轴向剖视图；
图1B是图1A中的霍尔效应推进器处于高比冲量模式下的示意性轴向剖视图；
图2A是第二实施例中处于高推力模式下的霍尔效应推进器的示意性轴向剖视图；以及
图2B是图2A中的霍尔效应推进器处于高比冲量模式下的示意性轴向剖视图。
具体实施方式
图1A和图1B示出了第一实施例中的相同的霍尔效应推进器1的两个不同位置。该推进器1具有环形通道2，该环形通道由围绕中心轴线X同轴的内壁3和外壁4限定，这些同轴的壁由陶瓷材料制成。环形通道2具有开放的下游端和封闭的上游端。在其上游端处，环形通道2还具有喷嘴10，用以将推进气体喷射到环形通道2中。喷嘴10通过喷射回路11被连接至推进气体源，该喷射回路包括流速调节装置24。例如，这些装置24可以包含铅笔阀(pencil valve)或热力毛细管(thermo-capillary)，热力毛细管即为具有加热装置而能够主动改变其自身温度、进而主动改变其通过的流速的毛细管。这样的流速调节装置也可以与被动的节流器相结合。推进气体可以是氙，其具有分子量高和电离电势相对较低的优点。尽管如此，在其它的霍尔效应推进器中，可以使用许多种类的推进气体。
推进器1还具有一磁路。该磁路包括围绕着外壁4布置并被线圈14所环绕的磁芯13，该磁芯终止于靠近环形通道2的开放端的外极15。该磁路还具有中央磁芯16，该中央磁芯位于推进器1的中心处并被线圈17所环绕，该中央磁芯终止于内极18，该内极18的极性与外极15的极性相反，并位于环形通道2的开放端附近面对外极15的位置，由此在内极与外极之间产生径向磁场M。推进器1还具有电路21，该电路具有位于环形通道2上游端的阳极9、位于环形通道2的开放端的下游的阴极19、以及位于阳极9和阴极19之间的电压源20。虽然在所示出的实施例中，阴极19是空心阴极，但也可以替代地使用其它类型的阴极。
特别地，环形通道2可以是轴对称的。然而，作为替代，也可以设想到其它非轴对称的形状，例如具有椭圆形或跑道形的横截面。
在操作中，当使用氙作为推进气体时，在位于环形通道2的下游端的下游的空心阴极19与位于环形通道2的一端的阳极9之间，会产生通常约为150V(伏特)至800V量级的电压。因此，空心阴极19开始发射电子，这些电子大部分被捕获到由磁场形成的磁罩中，当使用氙作为推进气体时该磁罩适用于期望的性能和所使用的推进气体，并且该磁场通常约为100高斯(G)至300高斯的量级。被捕获在磁罩中的电子由此形成虚拟阴极栅。因此在环形通道中，在阳极9和该虚拟阴极栅之间产生电场。
高能电子(通常具有介于10 eV(电子伏特)至40eV的范围内的能量)从磁罩朝向阳极9逃逸，同时推进气体通过喷嘴10被喷射至环形通道2中。这些电子与推进气体原子的碰撞导致推进气体开始被电离，随后朝向环形通道2的下游端被电场加速。由于推进气体的离子质量比电子质量大若干量级，所以磁场M无法以同样的方式限制这些离子。由此，推进器1产生等离子流，其通过环形通道2的下游端被喷射出去，用以产生基本上与中心轴线共线的推力。
在第一实施例的该推进器1中，外壁4沿轴向可移动，并具有向下游增大的直径。相反地，内壁3是固定的。由此，当外壁4沿轴向缩回时(如在图1A中示出的位置)，内壁3和外壁4具有相对大的径向间隙lp，以及由此具有相对大的横截面，以供等离子流通过并离开环形通道2。相反地，当外壁3在下游方向上前进时，如图1B中所示，内壁3和外壁4在环形通道2的出口处具有较小的径向间隙li，并由此具有较小的横截面以供等离子流通过。由此，图1A中示出的位置使等离子流分布在环形通道2下游端的较大的出口区域，因此更适合用于大流速、即高推力的等离子流。相反地，在图1B示出的位置中，环形通道2的出口区域较小，因此即使在小流速和较高电压的情况下，也能够维持等离子流的稳定性，因此更适合于以高比冲量运行的模式。
为了沿轴向移动外壁4，可以借助具有超声波马达的致动器22来驱动该外壁，该致动器因为其尺寸较小而可以容易地被整合在推进器1中。虽然在本实施例中特别提出了超声波马达，但作为替代，还可以设想到其他类型的致动器，尤其是压电致动器。
控制单元23至少被连接至致动器22、用于调节回路11的推进气体流速的装置、以及处于阳极9和阴极19之间的电压源，该控制单元可以调节由回路11提供的推进气体的流速、阴极19和阳极9之间的电压、以及外壁4的轴向位置，从而改变推进器1的推力和比冲量。该控制单元23包括数据处理器和记忆存储表，该记忆存储表用以指明由连接至阳极9和阴极19的电源的电流/电压对所限定的与推进器1的操作点相对应的外壁4的轴向位置。
虽然在第一实施例中，外壁4是可移动壁，但在另一实施例中，可以使内壁3而非外壁4可移动，或者内壁3与外壁4一样可移动。由此，在图2A和图2B示出的第二实施例中，外壁4是固定的，而内壁3沿轴向可移动。推进器1的其它元件与第一实施例的元件相同，并在图中以相同的附图标记示出。在第二实施例中，内壁4具有向下游方向减小的直径。由此，如同在第一实施例中那样，通过将可移动壁沿轴向移动，能够从如图2A中所示出的高推力模式下的运行转变为如图2B中所示出的高比冲量模式下的运行，反之亦然。
在两个实施例中，等离子流的一部分可以以相对于轴向的相当大的角度(例如大于45°)被喷射出去。因此，最好将壁3和4的形状合适地设计为尽可能地避免由这些离子导致的腐蚀。因此，举例而言，可移动壁的形状沿循一圆形设计，从而使其在远端处达到相对于中心轴线X大于45°的角度。
虽然参照了特定实施例来描述本发明，但显然在没有超出权利要求书所限定的本发明的一般范围的情况下，可以对这些实施做出其它的修改和变型。此外，各个示出的实施例的单独的特征可以结合起来形成另外的实施例。例如，内壁和外壁都可以轴向移动。因此，上文的描述和附图更应该被看作是说明性质的而非限定性质的。

Claims (7)

1.一种霍尔效应推进器(1)，包括：
环形通道(2)，由内壁(3)和外壁(4)限定，所述内壁和外壁围绕中心轴线(X)同轴，所述环形通道(2)具有开放的下游端和封闭的上游端，且所述内壁(3)沿轴向能移动；
致动器(22)，用于使能移动的内壁(3)沿轴向移动；
电路(21)，具有位于所述环形通道(2)的上游端的阳极(9)、位于所述环形通道(2)的下游端的阴极(19)、以及处于所述阳极(9)和所述阴极(19)之间的电压源(20)；
喷射回路(11)，用于将推进气体流喷射到所述环形通道(2)中；以及磁路，用于在所述环形通道(2)的下游端处产生磁场(M)；
所述推进器的特征在于，所述能移动的内壁(3)具有沿下游方向减小的直径，并且所述推进器(1)还具有控制单元(23)，所述控制单元至少连接至所述电路、推进气体的所述喷射回路以及所述致动器，并且被配置为能够改变所述流和/或所述电压，并调节随着可变的流和/或可变的电压的不同而变化的所述能移动的内壁(3)的位置，以便适应所述环形通道(2)下游端的横截面，从而将所述环形通道(2)的下游端处的等离子体密度维持在预定范围之内。
2.一种霍尔效应推进器(1)，包括：
环形通道(2)，由内壁(3)和外壁(4)限定，所述内壁和外壁围绕中心轴线(X)同轴，所述环形通道(2)具有开放的下游端和封闭的上游端，且所述外壁(4)沿轴向能移动；
致动器，用于使能移动的外壁(4)沿轴向移动；
电路(21)，具有位于所述环形通道(2)的上游端的阳极(9)、位于所述环形通道(2)的下游端的阴极(19)、以及处于所述阳极(9)和所述阴极(19)之间的电压源(20)；
喷射回路(11)，用于将推进气体流喷射到所述环形通道(2)中；以及磁路，用于在所述环形通道(2)的下游端(5)处产生磁场(M)；
所述推进器的特征在于，所述能移动的外壁(4)具有沿下游方向增大的直径，并且所述推进器(1)还具有控制单元(23)，所述控制单元至少连接至所述电路、所述推进气体喷射回路以及所述致动器，并且被配置为能够改变所述流和/或所述电压，并调节所述能移动的外壁(4)的位置以便适应随着可变的流和/或可变的电压的不同而变化的所述环形通道(2)下游端的横截面，从而将所述环形通道(2)的下游端处的等离子体密度维持在预定范围之内。
3.根据前述权利要求中任一项所述的霍尔效应推进器(1)，其中，所述致动器为压电致动器。
4.根据权利要求3所述的霍尔效应推进器(1)，其中，所述压电致动器为超声波马达。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的霍尔效应推进器(1)，其中，所述内壁和外壁(3,4)由陶瓷材料制成。
6.一种航天器，其包括根据权利要求1至5中任一项所述的至少一个霍尔效应推进器(1)。
7.一种调节根据权利要求1至5中任一项所述的霍尔效应推进器(1)的推力的方法，其中：
使通过回路(11)被喷射到所述环形通道(2)中的推进气体流和/或处于所述阳极(9)和阴极(19)之间的电压随着期望的推力的不同而改变；以及
改变能移动的壁(3，4)的位置，以便适应随着可变的流和/或可变的电压的不同而变化的所述环形通道(2)下游端的横截面，从而将所述环形通道(2)下游端处的等离子体密度维持在预定范围之内。
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