CN111566345A - 离子推进器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于推进航天器的离子推进器(1)，包括：用于推进剂(3)的储存器(2)，用于发射推进剂(3)的离子(3⁺)的发射器(4)，以及面向发射器(4)的用于从发射器(4)提取和加速离子(3⁺)的提取器(5)，发射器(4)具有一个或多个多孔材料的突起(11)和基座(12)，基座具有支承所述突起(11)的第一侧(12₁)和连接到储存器(2)的第二侧(12₂)，其中，基座(12)至少在所述第一侧(12₁)上是不渗透推进剂(3)的，并具有用于提供推进剂(3)从储存器(2)到所述突起(11)的流动的孔(13)或通道(14)。

Description

离子推进器

技术领域

本发明涉及一种用于推进航天器的离子推进器，所述离子推进器包括用于推进剂的储存器、用于发射推进剂的离子的发射器，以及面向所述发射器的用于从发射器中提取和加速离子的提取器，所述发射器具有一个或多个多孔材料的突起以及基座，所述基座具有支承所述突起的第一侧和连接到储存器的第二侧。

背景技术

微型和纳米卫星或一般航天器的飞行任务的日益复杂需要高效轻便的推进系统。为了适当的姿势，磁矩器、系绳或反作用轮是不足的，并且不允许例如飞行编队或任何其他需要改变速度(Δv)能力的任务。具有有限功率和质量预算的小型航天器由于其有限的比冲而不愿意内嵌基于化学或冷气的推进系统。

电动推进系统提供了有希望的替代方案。避免移动部件会大大降低系统复杂性，从而保证了高可靠性和耐用性。例如，离子推进器，尤其是场发射电推进(FEEP)系统对于具有比冲需求增加的任务非常有吸引力。

离子推进器通过电加速作为推进剂的离子来产生推力；这样的离子可以例如从通过从原子中提取电子而被离子化的中性气体(通常为氙气)中、从液态金属中或从离子液体中产生。。场发射电推进(FEEP)系统基于液态金属(通常是铯，铟，镓或汞)的场离子化。胶体离子推进器，也称为电喷雾推进器，使用离子液体(通常是室温熔融盐)作为推进剂。

离子推进器的发射部位是具有圆锥体型、角锥体形、三棱柱形等形状的突起。为了获得离子提取所必需的强电场，将突起尖端化或尖刃化以利用尖端或边缘的场集中效应。

将强电场施加到如此尖锐的尖端或边缘会在发射器的突起的尖端或边缘的顶部上形成所谓的泰勒锥(Tailor cone)。在FEEP离子推进器中，在泰勒锥的顶点处的液态金属的中性原子从表面蒸发。在发射器和提取器之间的强电场中，由于场发射，负电子隧穿回表面，从而将原先的中性原子变为带正电的离子。由此产生的离子从泰勒锥中提取出并通过电场加速。产生正离子并通过完全相同的电场使它们加速的原理用于产生推力。在胶体离子推进器中，离子液体的已经带电的离子被从泰勒锥中提取并通过电场加速。推力可以通过电场强度来控制。发射部位越尖锐，泰勒锥的底面越小，导致在任何给定的离子电流下推进器的更高效率。

为了将推进剂输送到每个突起的尖锐的尖端或边缘，采用了被动力，例如毛细作用，和/或外力，例如压差或离心力。

已知有三种不同类型的用于输送和发射推进剂的发射器。第一，使用具有诸如针的实心突起的发射器，其中发射器及其突起具有被推进剂润湿的表面。由于在发射器的润湿表面上的粘附力，发射器和每个突起都被覆盖有推进剂的膜。由于推进剂流动阻抗很高，因此该技术在性能上特别有吸引力，但也很容易受到污染或可能损害或破坏推进剂膜的任何影响。例如从US 2011/192968 A1或US 2009/114838 A1中已知这种类型的实心发射器突起，用于胶体离子推进器应用。

第二，具有被毛细管通道穿透的突起的喷嘴型发射器被用于推进剂传输。这种毛细管发射器的优点在于，突起具有抗污染性，并且制造简单可靠。例如从对于FEEP离子推进器的AT 500 412 A1、US 4 328 667 B或从对于盐基胶体离子推进器的K.Huhn等人，“可光结构聚合物技术中的胶体发射器：制造和表征进度报告”，IEPC-2015-120，2015年7月，这种类型的突起是已知的。然而，毛细管的出口需要最小直径，该最小直径主要由制造能力决定，因此导致更大的泰勒锥，并因此导致单位推进剂质量的推力效率降低，即，较小的比冲。为了至少部分地克服该缺点，从所引用的现有技术中已知，用不能被推进剂润湿的材料覆盖具有通道的突起的尖端以减小泰勒锥的尺寸。

第三，例如从对于离子液体离子推进器的US 2016/0297549 A1或D.Krejci等人“可扩展离子电喷雾推进系统的设计和特性”，IEPC-2015-149，2015年7月，多孔的发射器是已知的。多孔发射器及其突起的材料相对于所使用的推进剂是润湿的。这样的多孔发射器结合了所述第一和第二类型的发射器的优点，因为多孔突起在其外表面内和上都输送大量的推进剂，并允许尖锐的尖端或边缘。因此，多孔突起既提供了高的比冲，又提供了防止污染的坚固性，并且可以精确地控制离子推力。然而，在长期运行中使用这种多孔发射器可能导致不希望的推进剂损失或其他功能和性能下降或损害，这有时甚至导致系统故障。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种不仅有效、可靠而且耐用的离子推进器。

该目的通过一开始就指定的离子推进器来实现，其特征在于，基座至少在支承所述突起的所述第一侧上是不渗透推进剂是的，并且具有用于提供推进剂从储存器到所述突起的流动的孔或通道。

本发明基于以下发现：多孔发射器型推进器中的功能退化或损害以及推进剂的损失是由于推进剂穿过基座渗出而在多孔突起之间和周围的基座上不受控制地积聚的结果。这也会导致长期运行中的系统故障。通过使所述基座的所述第一侧完全不渗透推进剂，可以有效地防止推进剂穿过所述基座的渗出和积聚，并且在长期以及在制造和地面处理过程中，可以避免功能退化或系统崩溃。而在比冲和抵抗污染的鲁棒性方面，多孔突起的优点仍然得以保持。

在有利的实施例中，整个基座由不渗透推进剂的材料制成。这样的基座可以容易地制造并且使用可靠。尽管对推进剂是不渗透的，但基座设有将突起与储存器相连的多孔的或开口的通道，以提供必要的推进剂流动。

优选地，基座的孔或通道覆盖有能被推进剂润湿的材料，这增强了毛细管作用以确保被动的推进剂流动。

替代地或附加地，当所述第一侧涂覆有不渗透推进剂的涂层时是有利的。因此，基座可以由各种材料制成，甚至可以由与突起相同的，特别是多孔的材料制成，这实现了推进剂的非常平滑的流动。然而，涂层对于推进剂是完全不渗透的，即，当由多孔材料制成时，孔被涂层阻塞。如果需要的话，则基座和突起可以是一步制造的多孔材料的单一整体件，或者另一方面，可以分开制造然后例如通过增材制造、焊接等连接在一起。

在其特别优选的实施例中，涂层在每个突起的相邻部分上延伸。因此，突起可以在基座上彼此更靠近地布置，而在突起之间没有推进剂的积累。在保持离子推进器的相同最大推力的同时，可以进一步减小发射器的尺寸。

为了防止推进剂在发射器与储存器的连接处泄漏，当涂层在储存器的相邻部分上延伸时是有利的。

涂层可以由各种材料制成，这些材料也取决于推进剂。优选地，所述涂层还排斥推进剂。这种排斥推进剂(即不润湿)的涂层，防止推进剂从突起的可能滴落和/或推进剂沿表面的蠕动。由此，进一步提高了离子推进器的可靠性。特别优选地，涂层由环氧树脂制成，该环氧树脂已被证明使用简单且可靠。

在有利的实施例中，基座和突起由多孔钨制成。钨非常耐用，并且可以被制成具有细孔和尖锐的尖端或边缘。此外，当使用液态铟作为推进剂时，钨还为推进剂提供了优异的润湿特性，从而增加了用于在离子推进器内传输推进剂的毛细管效应的可靠被动力。

尽管突起可以是尖锐边缘的三角棱柱或尖锐尖端的角锥体，但是在有利的实施例中，突起是针状的，即窄的尖圆锥体。这种形状实现了小的泰勒锥，并且圆锥体的圆形横截面有利于推进剂的均匀流动。

优选地，发射器具有在所述第一侧上布置成圆形的多个突起。由此，可以在提取器中提供单个圆形窗口，以同时为所有突起产生均匀的电场。与在提取器中为每个突起提供单独窗口的离子推进器的常见做法相比，这在突起的制造和对准中更容易。

为了促进推进剂的流动，储存器优选地包括内部推进剂引导结构，该引导结构引导到基座的所述第二侧。

附图说明

现在将在下面根据本发明的示例性实施例并参考附图来更详细地解释本发明，其中：

图1a和1b分别以俯视图(图1a)和沿图1a的线A-A的纵向截面的细节(图1b)示出了根据本发明的离子推进器的示例；

图2a和2b以纵向截面(图2a)和图2a的细节C(图2b)示出了图1a和1b的离子推进器的多孔发射器突起；

图3a至3d以各自纵向截面(图3a至3c)和图3a的细节D(图3d)示意性地示出了图1a和1b的离子推进器的发射器的三个实施例；和

图4以透视图示出了在图1a和1b的离子推进器的推进剂储存器中的引导结构的实施例。

具体实施例

图1a和1b示出了用于推进航天器，特别是卫星的离子推进器1。离子推进器1包括用于推进剂3(图2a和2b)的储存器2，在此也称为罐。离子推进器1还包括用于发射推进剂3的离子3⁺的发射器4和面向发射器4的用于从发射器4中提取和加速离子3⁺的提取器5。

图1a和1b的离子推进器1是场发射电推进(FEEP)型的。这种类型的离子推进器1使用液态金属作为推进剂3，如铯、铟、镓或汞，其通过场发射而被离子化，这将在下面更详细地说明。然后，提取器5提取并加速所产生的推进剂3的(在这里为正的)离子3⁺，以推进航天器。此外，离子推进器1还可选地包括一个或多个(此处为两个)电子源10(在本领域中也称为“中和器”)到发射器4的侧面，以平衡由于发射带正电的离子3⁺而引起的离子推进器1的充电，因此平衡航天器的充电。

或者，离子推进器1可以是胶体类型的，使用离子液体例如室温熔融盐作为推进剂3。在这种情况下，电子源10可能不是必需的，因为胶体推进器通常周期性地改变极性，从而不会发生离子推进器1和航天器的持续自充电。在另一替代方案中，离子推进器1可以使用气体例如氙气作为推进剂3，其再次通过从原子中提取电子而被离子化。

发射器4具有一个或多个突起11和基座12。基座12具有支承所述突起11的第一侧12₁和连接至储存器2的第二侧12₂。每个突起11可以具有圆锥体形、角锥体形、三棱柱形等形状，并且分别具有与基座12相对的尖锐的尖端11'或边缘(图2a至2c)。特别地，每个突起可以是针状的，即狭窄的尖圆锥体。在此，突起11也称为尖锐的发射器结构或针。

图1b中所示的发射器4具有多个针状突起11，其在基座12的所述第一侧12₁上布置成圆形(图1a)。基座12本身是环形的。由此，形成冠状的发射器4。此外，提取器5具有单个孔P，用于从冠状的发射器4的所有突起11发射推进剂3的离子3⁺。然而，应当理解，可以替代地选择用于发射器4和相应的提取器5的基座12的其他形状以及突起11的其他形状和布置。例如，提取器5可以针对每个突起11具有单独的孔，以从该突起11提取和加速离子3⁺。

图2a示出了本发明的离子推进器1的突起11，其由多孔材料例如多孔钨制成，用于通过毛细作用力将推进剂3传输至突起11的尖端11'。在发射器4的突起11和提取器5之间，借助于电极E⁺、E^-施加几千伏(kV)范围内的强电场。通过施加电场，在突起11的尖端11'上形成所谓的泰勒锥T。

在FEEP离子推进器1中，液态金属的中性原子从表面蒸发。在泰勒锥T的尖端11'处的强电场中，一个或多个电子由于场发射而隧穿回到突起11的表面，从而将原先的中性原子变为带正电的离子3⁺。对于带有离子推进剂3的胶体离子推进器1，该离子化不是必需的。

如图2b所示，强电场的另一个结果是在泰勒锥T的顶点上形成了射流J，从射流J中提取出推进剂3的离子3⁺，然后由提取器5加速而产生推力。由于可以控制针3和引出电极E^-之间的电压的精度，所以可以高精度地控制产生的推力。

总之，在FEEP的情况下，将罐2中的金属推进剂3加热到液化温度以上，由表面张力、(孔)几何形状和储存器2和发射器4的表面的润湿性组合而成的毛细作用力将推进剂3从推进剂储存器2向推进器4进料，并进一步向尖锐的发射器结构11的尖端11'进料。相对于对电极E^-向液体推进剂3施加高电压，从而在尖锐的发射器结构11的尖端11'处由电应力形成的感应液体不稳定性处局部超过离子化阈值。因此，推进剂3被提取，并通过毛细作用力从下游补充。

图3a至3c示出了用于离子推进器1的发射器4的三个实施例。然而，在所有三个实施例中，如将在下面进一步详细解释的，基座12至少其第一侧12₁上不渗透推进器3。由此，阻止了推进剂3穿过基座12(至少通过其第一侧12₁)的渗出，并防止了推进剂3在每个突起11周围和/或在两个相邻突起11之间的随后积聚。同时，基座12本身具有孔13或通道14，用于提供推进剂3从储存器2到所述突起11的流动；因此，孔13或通道14将储存器2连接至突起11。

在所述三个实施例(图3a至3c)的第一实施例(图3a)中，整个基座12由不渗透推进剂3的材料制成。为了使推进剂3从储存器2流动到突起11，基座12在这种情况下具有(开口或多孔的)通道14。必要时，通道14可选地覆盖有可被推进剂3润湿的材料，以借助于毛细作用力来促进推进剂3的流动。

可以理解，在该实施例的变型中，基座12的仅一部分，即第一侧面12₁，可以由不渗透推进剂3的材料制成，而基座12的其余部分，例如，基座12的内部可以被推进剂3渗透(并且可润湿)。

在第二实施例中(图3b)，基座12的所述第一侧12₁涂覆有不渗透推进剂3的涂层15。基座12可以可选地由与突起11相同的多孔材料制成，在这种情况下，孔13被所述第一侧12₁上的涂层15阻塞。如图3b的示例中那样，基座12可以与突起11是一体的，或者与基座12分离并且例如通过胶合、增材制造或焊接来与基座12连接。

在第三实施例(图3c)中，其也可以被视为前述第二实施例(图3b)的变型，不渗透推进剂的涂层15从基座12的第一侧12₁而在每个突起11的一部分16上延伸，该部分16与所述第一侧12₁相邻。因此，涂层15覆盖突起11的下部基座，即相邻部分16，以及相邻突起11之间的间隙，即所述第一侧12₁。由此，还防止了推进剂3穿过突起11的所述下部基座的渗出。

突起11的所述部分16的涂层15的最大高度H由推进剂3的必要流动确定，并且特别取决于突起11的横截面及其相对于推进剂3的性质，其又取决于环境条件，例如温度。对于具有横截面A的突起11，其的多孔性使得分数pf*A可用于具有依赖温度的密度ρ的推进剂3的液体传输，并且其用于发射平均荷质比为e/m和单位表面积的体积流量为q的带电粒子的电流I，在涂层15的末端的高度处的平均局部流速v由下式给出

对于圆锥体形式的突起11，可以根据测量的从基座12到圆锥体的尖端11'的高度h来描述平均局部流速v，其由角

和基底处的半径R来描述

对于依赖温度的粘度为μ、材料渗透率为κ、单位表面积的体积流量为q的液体，压降ΔP可以表示为

对于圆锥体凸起11，从圆锥体凸起11的尖端11'开始测量的高度h*(相当于涂层15终止处的高度)处的压降，由下式给出

其中需要将ΔP选择得足够小以允许被动推进剂3流过多孔介质，但要足够大以使离子发射具有离子推进器1运行所需的平均荷质比e/m。

在第三实施例中(图3c)，不渗透推进剂的涂层15进一步从所述第一侧12₁在储液器2的相邻部分17上方延伸。应当理解，在储存器2的部分17上的涂层15和在突起11的部分16上的涂层15是彼此独立的，因为涂层15可以都不在两个部分16、17上延伸(导致第二实施例，图3b)，在部分16、17之一上延伸或都在两个部分16、17上延伸。而且，任何这样的涂层15可以可选地与基座12一起使用，基座12的至少所述第一侧12₁由不渗透推进剂3的材料制成，如在第一实施例中那样(图3a)，即，涂覆所述第一侧12₁。

在图3a至3c的实施例中，基座12是例如长方体或圆柱体，并且基座12的连接到储存器2的第二侧12₂与支承突起11的基座12的第一侧12₁相对。但是，这不是必须的，因为推进剂3也可以从例如基座12的侧面流过基座12。在图1b中还示出了这种情况的示例，其中冠状发射器4的基座12是具有内圆周和外圆周的环形，其中一个或两个是所述第二侧12₂，推进剂3从储存器2流出的流体从该第二侧12₂被提供给从环形基座12的顶部突出的突起11，在该情况下，突起11构成了所述第一侧12₁。此外，图1b的示例中的发射器4具有根据上述第三实施例的涂层15(图3c)：涂层15既在突起11的部分16上又在储存器2的部分17上延伸。

此外，不渗透推进剂的涂层15还可以可选地对推进剂3具有排斥性，即不润湿。在本实施例中，涂层15由环氧树脂制成。然而，可以将本领域技术人员已知的不渗透和排斥推进剂3的其他材料用于涂层15。

关于图3d，通过防止推进剂3穿过基座12的渗出而抑制了推进剂3的积聚；基于以下情况，可以支持此效果：由表面张力为γ的液体推进剂3形成的弯月面M中的压力Δp可以用杨/拉普拉斯方程来描述：

其中R₁和R₂是弯月面M的主要曲率半径，R_m是平均曲率，而γ是温度的函数，例如对于液态铟，可以以下形式描述：

γ_in＝a+bt+ct² (公式2)

其中，t是温度(摄氏度)，系数(对于液态铟)为：a＝568；b＝-0.04；c＝-0.0000708。

接触角θ与固体和气体(SV)、固体和液体(SL)以及液体和蒸气(LV)之间的吉布斯界面能δ之间的关系由杨氏公式给出：

δ_SV＝δ_SL-δ_LVcosθ (公式3)

这些关系确定了两个相邻的突起11应隔开的最小距离，以避免形成在基座12和突起11之间的两个弯月面M的连接。当不保持最小距离时，随着会与相邻弯月面M结合成一个液体主体的弯月面M的半径增加，将弯月面M保持在突起11周围的力将消失。因此，弯月面内部的负压将减小，并且不会有任何作用力可以阻止液体积累随时间进一步增加。

由于液体的物理性质随温度和其他环境条件而变化，因此最小距离的范围需要考虑这些影响。

避免在突起11附近，特别是在两个相邻的突起11之间出现增长的液体积聚的可能性是抑制推进剂3穿过基座12的渗出。通过为基座12的所述第一侧12₁提供与突起11的材料(以及可选地其余基部12)相比具有更大的与液体推进剂3的接触角θ_R的材料，可以进一步避免这种积聚，即第一侧12₁排斥推进剂3。因此，如图3c所示，当涂层15也排斥推进剂3时，突起11可以可选地彼此靠近。

应当理解的是，当基座12本身是不渗透推进剂的并且具有较大的均匀区域(未示出)并且突起11仅从该区域的一部分突起，不一定从整个区域突起，并且不需要在整个区域上，而是仅在围绕每个突起11的所述部分上，即特别是在相邻的突起11之间，涂覆有所述排斥材料。

基于图1b和4，将解释可选的用于推进剂3的内部引导结构18。

由储存器2包括的引导结构18增强了推进剂3朝向基座12的所述第二侧12₂的流动。因此，推进剂引导结构18相对于推进剂3具有良好的润湿特性。在铟作为推进剂3的情况下，引导结构18例如涂覆有钽层19。可以通过诸如CVD之类的气相工艺来施加钽，以形成生长到罐材料中的层19，从而产生不可分离的纳米级表面合金。这样的钽层19具有晶体特征，显着改善了在储存器2的壁上的铟的润湿特性。

为了增强推进剂3从储存器2向发射器4的被动流动，引导结构18包括可润湿的导向挡板20，也称为翅片，其被引入到储存器2中。这些翅片20将推进剂3直接引导到发射器4的基座12的所述第二侧12₂，或者通过引导结构18的可选的中央的可润湿的进料管21(图1b)引导到所述第二侧12₂，进料管21其本身连接到所述基座12的第二侧12₂。

当推进剂3保持在液态时，引导结构18还防止了推进剂在储存器2内的意外移动。

本发明不限于在此公开的这些特定实施例，而是包括落入所附权利要求范围内的其所有变型、组合和修改。

Claims (12)

1.用于推进航天器的离子推进器，包括：

用于推进剂(3)的储存器(2)，

用于发射所述推进剂(3)的离子(3⁺)的发射器(4)，所述发射器(4)具有一个或多个多孔材料的突起(11)和基座(12)，所述基座(12)具有支承所述突起(11)的第一侧(12₁)和连接至所述储存器(2)的第二侧(12₂)，以及

面向所述发射器(4)的用于从所述发射器(4)提取和加速所述离子(3⁺)的提取器(5)，

其特征在于，

所述基座(12)至少在所述第一侧(12₁)上是不渗透所述推进剂(3)的，并且具有用于提供所述推进剂(3)从所述储存器(2)到所述突起(11)的流动的孔(13)或通道(14)。

2.根据权利要求1所述的离子推进器，其中所述基座(12)由不渗透所述推进剂(3)的材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的离子推进器，其中所述基座(12)的所述孔(13)或所述通道(14)被能被所述推进剂(3)润湿的材料覆盖。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的离子推进器，其中所述第一侧(12₁)涂覆有不渗透所述推进剂(3)的涂层(15)。

5.根据权利要求4所述的离子推进器，其中所述涂层(15)在每个突起(11)的相邻部分(16)上延伸。

6.根据权利要求4或5所述的离子推进器，其中所述涂层(15)在所述储存器(2)的相邻部分(17)上延伸。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的离子推进器，其中所述涂层(15)排斥所述推进剂(3)。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的离子推进器，其中所述涂层(15)由环氧树脂制成。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的离子推进器，其中所述基座(12)和所述突起(11)由多孔钨制成。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的离子推进器，其中所述突起(11)是针状的。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的离子推进器，其中所述发射器(4)具有在所述第一侧(12₁)上布置成圆形的多个突起(11)。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的离子推进器，其中所述储存器(2)包括内部推进剂引导结构(18)，所述内部推进剂引导结构引导到所述基座(12)的所述第二侧(12₂)。

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