CN112443466A - 航天器、推进系统以及增强离子推进航天器的推力的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了航天器、推进系统以及增强离子推进航天器的推力的方法，具体地提供了各种航天器推进系统以及相关的操作的方法。一种航天器，包括：离子推进系统和离子阻滞器，该离子阻滞器经由一条或多条电绝缘绳索从航天器悬挂。离子推进系统被配置为通过在离子速度矢量的方向上发射带电荷的离子束来生成第一推进力，该离子速度矢量包括与行星(诸如地球)的磁场垂直的离子矢量分量。磁场使离子束以一定轨迹朝向离子阻滞器弯曲，使得离子束内的离子被离子阻滞器阻挡，以在离子阻滞器上生成第二个推进力。离子阻滞器通过接触或偏转离子来阻挡离子。离子阻滞器位于离子束轨迹的回旋半径的大约两倍处。

Description

航天器、推进系统以及增强离子推进航天器的推力的方法
技术领域
本公开总体上涉及航天器推进，并且具体地，涉及离子推进系统。
背景技术
在近地轨道(LEO)上执行升轨机动或保持位置需要排出推进剂以产生冲量。每千克推进剂所产生的冲量称作比冲(Isp)。低速推进剂(例如，来自化学火箭)具有低比冲，需要从地球发射大量推进剂，该低速推进剂与高成本发射相关联。高速推进剂(例如，来自离子发动机)使用离子作为推进剂。它们的高比冲减少了所需的推进剂量，但需要昂贵且较重的电力系统。
因此，存在对改进系统和方法的需求，以用于对在LEO上执行机动的航天器增加冲量并具有低质量、低电力。
发明内容
以下呈现了本公开的简化概要，以便提供对本公开的某些实施例的基本理解。该概述不是所公开的广泛概述，并且它不标识本公开的重点和关键元件或描绘本公开的范围。它的唯一目的是以简化形式呈现本文公开的一些概念，以作为后面呈现的更详细描述的前奏。
提供了各种航天器推进系统和相关的操作方法。具体地，一种航天器，包括：离子推进系统和一条或多条电绝缘绳索。一条或多条电绝缘绳索中的每条在该一条或多条电绝缘绳索中的每条的第一端处耦接到航天器。航天器还包括离子阻滞器，该离子阻滞器耦接到一条或多条电绝缘绳索中的每条的第二端。
离子推进系统可被配置为通过在离子速度矢量的方向上发射带电荷的离子束来生成第一推进力，该离子速度矢量包括与行星的磁场垂直的离子矢量分量。磁场可使离子束以一定轨迹朝向离子阻滞器弯曲，使得离子流中的离子被离子阻滞器阻挡，以在离子阻滞器上生成第二推进力。
离子阻滞器可通过接触离子或偏转离子来阻挡离子流内的离子，以在离子阻滞器上生成第二推进力。离子阻滞器可包括水平宽度大于竖直高度的细长结构。离子阻滞器可包括大约为8:1的纵横比。例如，离子阻滞器可以包括细长的圆柱形结构。作为另一示例，离子阻滞器可包括球形或椭球形结构。
离子阻滞器可包括可膨胀的气球。离子阻滞器可以包括通过多个支撑结构稳定的平坦材料板。该平坦材料板可包括开放网格结构。离子阻滞器可以包括与离子阻滞器的后侧相对的平坦接触表面，其中，平坦接触表面被配置为接触或偏转离子流中的离子。
离子阻滞器可以位于离子流的轨迹的回旋半径的约两倍处。离子阻滞器的表面可被配置为积累来自接触离子阻滞器的离子的电荷，使得后续离子的至少一部分在与离子阻滞器的表面接触之前偏转。离子阻滞器可包括导电或金属化表面。
离子阻滞器可以在行星轨道上从航天器部署。行星的重力可以对离子阻滞器产生恢复力，该恢复力使离子阻滞器对于接触离子阻滞器或被离子阻滞器偏转的离子所引起的推进力是稳定的。
一条或多条绳索的长度可调整。一条或多条绳索中的每条的长度可基于离子流的轨迹的所计算的回旋半径来调整。离子流的轨迹的回旋半径可以基于磁场的方向和磁场的强度来计算。一条或多条绳索可通过卷筒机构来调整。
一条或多条绳索可包括霍伊特绳索。一条或多条绳索可包括光纤，该光纤被配置为将电力或数据从离子阻滞器传递到航天器。
离子推进系统可发射氩离子、锂离子以及氖离子中的至少一种。离子流可以扩散成羽流，该羽流在与磁场平行的第一方向上比在与磁场垂直的第二方向上宽得多。离子流可以相对于航天器的纵轴向下成角度，以补偿航天器的向前运动。离子推进系统可被配置为沿着电子速度矢量发射电子，该电子速度矢量使所发射电子与所发射离子的混合最小化。离子流可包括非圆形波束扩散，该扩散包括大于水平扩散的垂直扩散。
离子推进系统可包括推进器，该推进器被配置为横向调整方向，以增加相对于磁场大于或小于90度的航天器的速度矢量。离子推进系统可被配置为发射两个横向发散的离子流，其中，每个离子流的峰值通量接触离子阻滞器的各个横向侧，以产生推动离子阻滞器到中心位置的相应横向力。离子阻滞器还可以包括朝向离子阻滞器的前侧延伸的垂直稳定器。
本公开的其他实现方式包括对应的装置和系统以及用于动态预测输送服务值的相关方法。这些其他实现方式可以各自可选地包括以下一个或多个特征。例如，本公开提供了一种推进系统，包括离子阻滞器和一条或多条绳索。一条或多条绳索电绝缘。一条或多条绳索中的每条的第一端耦接到航天器，而一条或多条绳索中的每条的第二端耦接到离子阻滞器。推进系统还包括离子推进器，被配置为通过在离子速度矢量方向上发射带电荷的离子束来生成第一推进力，该离子速度矢量包括与行星的磁场垂直的离子矢量分量。该磁场使离子流以一定的轨迹向离子阻滞器弯曲，使得离子流中的离子被离子阻滞器阻挡，以在离子阻滞器上生成第二推进力。
还描述了一种方法，包括：从航天器的离子推进系统发射带电荷的离子流。离子束在离子速度矢量的方向上发射，该离子速度矢量包括与行星的磁场垂直的离子矢量分量，其中，所发射的离子束生成第一推进力，其中，离子束的轨迹经由磁场弯曲。该方法还包括利用离子阻滞器阻挡离子流以在离子阻滞器上生成第二推进力，其中，离子阻滞器经由一条或多条电绝缘绳索从航天器挂接。
离子阻滞器可通过接触离子或偏转离子来阻挡离子流内的离子，以在该离子阻滞器上生成第二推进力。该方法还可包括基于磁场的方向和磁场的强度来确定离子流的轨迹的回旋半径，并且基于所确定的回旋半径来定位离子阻滞器。离子阻滞器的中心位于轨迹的所确定的回旋半径的大约两倍处。离子阻滞器可以通过由卷筒机构调整每条绳索的长度来定位。
磁场的方向和磁场的强度可以通过测量磁场、或者基于航天器相对于行星的高度和位置来确定磁场的方向和磁场的强度、或者接收关于磁场的数据来确定。
该方法还可包括在行星的轨道上从航天器部署离子阻滞器。该方法还可包括将离子阻滞器定位在离子流的轨迹的回旋半径的约两倍处。
该方法还可包括相对于航天器的纵轴向下引导离子流，以补偿航天器的向前运动。该方法还可包括沿着电子速度矢量发射电子，该电子速度矢量使所发射的电子与所发射的离子的混合最小化。
该方法还可包括横向调整离子推进系统的推进器，以增加相对于磁场大于或小于90度的航天器的速度矢量。该方法还可包括发射两个横向发散的离子流，其中，每个离子流的峰值通量接触离子阻滞器的相应横向面，以产生推动离子阻滞器到中心位置的相应横向力。
下面参照附图进一步描述这些和其他实施例。
附图说明
本公开可以通过参考结合附图进行的以下描述来最好地理解，这些附图示出了本公开的具体实施例。
图1是根据一个或多个实施例的离子推进航天器的示意图；
图2是根据一个或多个实施例的具有系留离子阻滞器的离子推进航天器的示意图；
图3是说明性实施例的示例推进系统的系统性能的曲线图；
图4A和图4B示出根据说明性实施例的由离子推进器发射的离子废气的轨迹；
图4C和图4D示出根据一个或多个实施例的由离子推进器产生的示例离子羽流；
图5示出根据说明性实施例的具有与离子羽流有关的系留离子阻滞器的离子推进航天器的前视图；
图6示出根据一个或多个实施例的处于不同电位水平的离子阻滞器；
图7A和图7B示出根据一个或多个实施例的由离子推进器发射的离子废气的不同轨迹的会聚位置的示意图；
图8A和图8B示出根据一个或多个实施例的系留离子阻滞器的纵向位置的示意图；
图8C示出根据一个或多个实施例的具有经调整的长度的系留离子阻滞器；
图9A、图9B、图9C和图9D示出根据一个或多个实施例的系留离子阻滞器的横向位置的示意图；
图10A和图10B示出根据一个或多个实施例的具有扫掠剖面的离子阻滞器；
图11A、图11B和图11C示出根据一个或多个实施例的具有垂直稳定器的离子阻滞器；
图12A、图12B、图12C和图12D示出根据一个或多个实施例的离子阻滞器上的主动方向舵；
图13A和图13B示出根据一个或多个实施例的具有串联垂直稳定器的离子阻滞器；
图14A和图14B示出根据一个或多个实施例的相对于磁场的非垂直航天器移动的示意图；
图15A、图15B和图15C示出根据一个或多个实施例的经修改的离子羽流的示意图；
图16示出根据一个或多个实施例的操作具有系留离子阻滞器的离子推进航天器的方法；并且
图17是可利用本文所述的方法和组件的航天器生产和服务方法的框图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体的细节，以便提供对所呈现的概念的透彻的理解。所呈现的概念可以在没有这些具体细节中的一些或者全部的情况下实践。在其他实例中，未详细描述公知的过程操作，以免不必要地模糊所描述的概念。虽然将结合具体示例描述了一些概念，但将理解，这些示例并不旨在限制。相反，本公开旨在覆盖可包括在所附权利要求所定义的本公开的精神和范围内的替代、修改以及等效物。
例如，本公开的技术将在诸如近地轨道(LEO)上运行的卫星的特定航天器的上下文中描述。然而，应注意，本公开的技术和机构可应用于在空间中运行的各种其他运载工具、飞机以及推进系统。在以下描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本公开的透彻理解。本公开的具体示例实施例可以在没有这些具体细节的部分或全部的情况下实现。在其他实例中，未详细描述公知的过程操作，以避免不必要地模糊本公开。为清楚起见，本公开的各种技术和机构有时将以单数形式描述。然而，应注意，除非另有说明，否则一些实施例包括技术的多次迭代或机构的多次实例化。
概述
本公开描述了用于航天器的新颖的改进的推进系统，该系统实现了从航天器延伸的系留结构，以捕获来自由离子推进系统发射的离子的附加动量，从而提高燃料负载的效率。
用于航天器的现有推进系统排出推进剂以产生冲量，以便在空间中航行，诸如在近地轨道(LEO)上进行升轨机动或保持位置。然而，化学推进的航天器具有较低的比冲(Isp)值，因此需要较大的燃料负载，这增加了这种推进解决方案的成本。此外，在这种化学推进系统中利用的这种反应性和高能化学品是危险且有毒的。离子推进系统使用离子作为推进剂，该推进剂具有较高的Isp，从而降低了推进剂的质量。然而，离子推进系统具有很高的电力需求，并且实施昂贵且相当笨重的电力系统。此外，离子自身的撞击可能会降低总推力，并可对LEO上的航天器造成物理损伤。
在各种实施例中，太空绳索是用于将航天器彼此耦接或与其他质量体(诸如乏助推器火箭(spent booster rocket，废助推器火箭)、空间站或小行星)耦接的长电缆。太空绳索通常由细股的高强度纤维或导线制成。绳索可以在两个空间物体之间提供机械连接，使得能量和动量从一个物体传递到另一个物体，因此它们可以用来提供空间推进的手段。此外，已经实现了导电太空绳索与地球的磁场和电离层等离子体相互作用以生成推力或拖拽力而不消耗推进剂。
若干空间任务已被成功地部署并且使用了绳索。其中包括许多悠悠反自转(yo-yodespin)的绳索部署(诸如黎明星际飞行任务(Dawn interplanetary mission))、美国国家航空航天局(NASA)的太空探索与发展(SEDS)系列(SEDS I、SEDS II、以及等离子马达发电机(Plasma Motor Generator)(PMG))的学生展示了绳索振动的主动控制，以及美国海军研究实验室的绳索物理和生存能力实验(TiPS)部署了一个4000米的绳索，该绳索完好无损地存在了10年。该绳索大约比所述实施例中使用的典型绳索长一个数量级。
本文所描述的离子推进系统和航天器以比化学推进系统低的质量和比现有离子发动机低的电力增加冲量，同时将离子自身的撞击最小化。所述实施例利用系留离子阻滞器来阻挡在由行星的磁场弯曲的轨迹上行进的所发射的离子。除了由离子发动机生成的初始推力外，受阻的离子将动量也传递至离子阻滞器和航天器。
因此，与标准的离子推进系统相比，本文所述的离子推进系统和航天器使用较少的电力和能量来实现相同的推力和冲量，防止离子自身的撞击造成的性能损失，并且防止离子自身的撞击造成的损坏。所述系统通过提供更高的比冲，进一步允许以更少的质量执行任务操作。例如，标准离子推进系统的比冲(Isp)为：
Figure BDA0002642903270000071
其中，vex是离子推进器排出离子的速度，以及g是行星(诸如地球)的表面处的重力加速度。然而，由所述系统提供的比冲被建模为：
Figure BDA0002642903270000081
其中，k是在0＜k＜2的范围内的无量纲系数.
当k＝1时，由离子推进器发射的所有离子都会撞击离子阻滞器并附着在离子阻滞器的表面。因此，在k＝1时，航天器的比冲是原来的两倍。当k＝2时，所有所发射的离子都会碰撞离子阻滞器并朝相反方向偏转。因此，在其最有效的情况下，所述推进系统可以利用相同数量的推进剂将比冲增至原来的三倍。比冲越高，导致了燃料负荷越低并且运行成本越低。这种推进系统还避免了对反应性危险化学品的需求。
离子阻滞器可以在到达期望轨道位置(诸如LEO)时从航天器部署。离子阻滞器可通过一条或多条电绝缘绳索从航天器悬挂，并经由卷筒系统(reel system)定位。例如，离子阻滞器的中心可以位于弯曲离子束的确定的回旋半径的两倍处。
离子阻滞器可以是可膨胀的气球结构或者由各种支撑结构支撑的片板或帆板。一旦被部署，离子阻滞器就包括具有较大横截面积的接触表面，以接收接近的离子。在一些实施例中，横截面积的宽度比高度大得多，以增加由于所发射的离子的较大横向发散而捕获的离子量。例如，离子阻滞器可包括具有纵横比约为8:1的横截面积。然而，离子阻滞器的几何结构可以基于由离子推力器发射的离子束被适当配置，该离子推力器可以进行修改以限制离子在各个方向上的发散。
在一些实施例中，离子阻滞器可被配置为维持其相对于航天器的横向位置。例如，离子阻滞器的接触表面可以包括扫掠或凹入的形状。垂直稳定器也可以被实现以提高横向稳定性。对绳索长度和/或离子排出方向的调整也可以被实现，以管理离子阻滞器的垂直稳定性并使离子的捕获最大化。
在一些实施例中，使离子阻滞器的表面导电以建立电位。充满电荷的表面可以使接近的离子偏转，以进一步增加在离子阻滞器处生成的推力。这种推进系统可以在相同的排出速度下，使给定的推进剂量的冲量几乎加倍。
示例实施例
为了更好地理解机身筒板的各个方面，现在呈现了对离子推进航天器的简要描述。图1是根据一些实施例的离子推进航天器100的示意图。如图1所示，航天器100包括离子推进系统105，该离子推进系统105经由离子推进器或离子发动机发射离子束130。如本文所使用，术语“离子束”与术语“离子流”或“离子排出”可互换使用。具有离子推进系统105的航天器(诸如航天器100)通常包括大型电力系统。航天器在一个方向(沿X轴的箭头101)喷射离子，以产生相反方向的推力(沿X轴的箭头102)。离子推进系统通常也被配置为喷射电子，使航天器保持中性。磁场B可以由行星体(诸如地球或木星)或空间中的其他物体产生。磁场B被示出为包括指向页面(Z轴)的矢量力。
在运行期间，离子束130中的离子可以在与磁场B垂直的方向上发射。相对于航天器，离子排出中的每个离子都包括动量mionvex，其中，mion是离子的质量，且vex是排出速度。总的来说，离子输送推力T1＝μ1vex，其中，μ1是离子离开航天器的质量流速。
当离子以vex在与磁场垂直的方向上行进时，来自磁场的力作用于发射离子上，以使每个所发射的离子的轨迹132弯曲成图1所示的圆形路径。每个离子上的磁力是Fion＝qv×B，其中，q是离子的电荷，v是离子的速度，×指示叉乘，且B是磁场。沿轨迹132的离子束的合力Fbeam是Fbeam＝-2μ1vex。通过动量守恒，当离子反转方向时，行星的磁场将动量2mionvex从每个离子传递至行星。总的来说，来自所发射的离子的动量以2μ1vex的速率传递至行星。
所发射的离子在磁场中的轨迹半径被称为回旋半径或惯性半径(R)。其值由以下给出：
Figure BDA0002642903270000091
其中，mion是离子的质量，vrel是离子相对于磁场源的速度，q是离子电荷，B是磁场强度。例如，利用单离子化氩(质量＝6.65×10-26kg，q＝1.6×10-19库仑)，喷射速度为19620m/sec(比冲Isp＝2000sec)，且磁场强度为0.35高斯(通常用于近地轨道)，回旋半径R约为233m。
在磁场中喷射离子束的航天器可能会发生离子自身的撞击。如果不受影响，与磁场垂直发射的离子将在磁场中形成一个环，并在推进器的相反侧碰撞航天器。这会由于弯曲离子的动量而造成推力损失，当碰撞航天器前面时，这会抵消部分标称推力。环状离子也会使航天器发热。典型的离子推进器在离子束中注入几千瓦的动能。无论这种能量的哪一部分碰撞航天器并转化为热量，这将都会需要更多的散热器面积，并因此增加质量。碰撞航天器前面的高速离子还可以侵蚀航天器的涂层材料。这种材料可能会聚集在光学设备或其他敏感表面上，这可能会损害功能和任务性能。
近地轨道(LEO)在电离层的F2层中。平均而言，F2层中的离子持续一夜(即，若干小时)。因此，由离子推进器发射的离子将在形成一个完整环所需的一秒内存活下来，而不是被电离层中的电子中和。许多类型的现有电动航天器推进系统利用一些方法以在离子束离开航天器时就将该离子束中和。通常，这种系统会发射低能电子到离子束旁边。
如本文所述，航天器和离子推进器系统利用轨迹弯曲的离子来增加航天器的冲量以在LEO上执行升轨机动或保持位置，同时使离子自身的撞击最小化。在各种实施例中，可实施离子阻滞器以阻挡弯曲离子。离子阻滞器可以利用绳索系在航天器上并被部署到一定距离，使该离子阻滞器受到离子推进器系统的离子发动机发射的在地球的磁场回旋的离子的碰撞。离子对离子阻滞器的撞击将动量从离子传递到离子阻滞器，以产生除由离子发动机生成的主推力之外的推力。
在各种实施例中，利用离子推进系统实现系留离子阻滞器以阻挡弯曲离子从而增加向前推力。如本文所用，由离子阻滞器对离子的阻挡是指离子阻滞器与离子之间的相互作用，离子通过偏转、撞击、碰撞或本领域普通技术人员之一理解的与离子阻滞器的其他相互作用，将动量输送至离子阻滞器。参考图2描述了具有系留离子阻滞器的示例离子推进航天器200的简单模型。在各种实施例中，航天器200包括通过绳索212耦接到航天器的主体210的离子阻滞器220。
在各种实施例中，航天器200被配置为利用磁场绕行星290(诸如围绕地球的LEO)的轨道运行。如图1中所解释，航天器200可包括离子推进系统205，该离子推进系统205经由离子推力器沿与具有指向页面(Z轴)的矢量力的磁场B垂直的方向(沿X轴的箭头201)发射带正电的离子的离子束230。发射的离子在相反方向(沿X轴的箭头202)上产生推力T1。
如前所述，现有类型的电动航天器推进系统在离子束离开航天器时通常立即通过发射低能电子到离子束旁边来将该离子束中和。然而，所述实施例将电子和所发射的离子保持在分开的路径上。在一些实施例中，电子以相当快的速度在与离子束230垂直或基本上垂直且大致平行于B的磁场线的方向上喷射。例如，如诸如阴极射线管中使用的电子枪可以用来喷射电子。
从具有较大正电荷的离子束附近喷射电子是可行的，前提是喷射点距航天器的离子推进器至少几米远。离子束会吸引电离层电子云，并在很大程度上被电离层电子云屏蔽。这种云的密度足够低而不会严重增加离子-电子复合速率。射出的电子束会吸引电离层离子云，并在很大程度上被电离层离子云所屏蔽。结果，中等能量的电子可以从航天器和离子束中逃逸出来。因为离子束230中的离子未被中和，来自磁场的力使每个离子沿着轨迹232的曲线行进。
在各种实施例中，绳索212是将航天器200连接到离子阻滞器220的柔性拉伸元件。在一些实施例中，绳索212可以表示多个绳索。先前的太空绳索任务已实现了绳索，该绳索具有导电性以允许在一个或多个方向上的电荷流动。然而，在一些实施例中，绳索212被配置为电绝缘以防止或显著减少从绳索一端到另一端的电子流。在一些实施例中，航天器200包括将离子阻滞器耦接到航天器的多个绳索。
在一些实施例中，绳索系统的一条或多条绳索通过部署机构(诸如卷筒系统)在轨道从航天器部署。在一些实施例中，绳索被部署以延伸至离子束230的轨迹232的回旋半径的大约两倍。
在各种实施例中，离子阻滞器220是具有面向航天器后面的表面的结构。在一些实施例中，该表面包括较大的横截面积以用于阻挡弯曲离子束。离子阻滞器可包括本文所述的各种配置。例如，离子阻滞器可以是从航天器上部署后在轨道上膨胀的气球。作为另一个示例，离子阻滞器可以是片板或帆板状结构。下文将进一步描述其它离子阻滞器实施例。
在图2所描绘的简单模型中，离子推进器以均匀的速度vex输出与磁场B垂直的离子的准直束230。在这个理想系统中，由推进器生成的推力是μ1vex，其中，μ1是离子束230的质量流速。因此，航天器承受的推力T1是-μ1vex。
磁场B使离子沿着轨道232的曲线行进。在简单的模型中，每一个离子在行进半圆形路径之后，撞击离子阻滞器220并附着于离子阻滞器或以零速度离开离子阻滞器。离子阻滞器处的推力(T2)由T2＝μ2v2＝kμ1vex定义，其中，μ2是影响离子阻滞器的离子质量流速，且v2是撞击离子的速度。在这个简单的模型中，离子以均匀速度v2＝v1沿轨迹行进，使得v2＝v1。此外，撞击离子阻滞器的质量流速μ2等于质量流速μ1，从而μ2＝μ1。在简单的模型中，离开推进器的每个离子都会撞击阻滞器，从而k＝1，使得T2＝T1。因此，来自弯曲离子束的所有可用动量都被阻滞器捕获。
这将每个撞击离子的动量-mionvex传递到离子阻滞器。总的来说，离子以T2＝-m_dot2vex的速率将动量传递到离子阻滞器。这增加了航天器(包括绳索和离子阻滞器)的推力，该推力超过由离子束230产生的＝-m_dot vex。因此，系统的总推力是T1+T2＝-2m_dotvex。
航天器的额外冲量由传递到行星290的动量来平衡。行星的磁场对离子施加力以使它们沿弯曲的路径移动。根据牛顿第三定律(要求该动作有相等、相反的反作用力)，当磁场施加力使每个离子的路径弯曲时，磁场对行星施加相等、相反的力。航天器由于撞击离子而产生的额外加速度被行星在相反方向的微小加速度所平衡。
在一些实施例中，实施电绝缘绳索以实现额外的推进推力，撞击离子阻滞器的正离子可以将电荷传递到离子阻滞器上。导电绳索将允许电荷以电流的形式沿绳索向上流动并返回航天器。例如，磁场会对电流施加力Ftether＝I·L×B，其中，I是穿过绳索的电流，且L是绳索的长度。该力Ftether会抵消由撞击离子而施加到离子阻滞器的冲量。因此，绳索必须绝缘，以防止电流沿绳索向上流动。
在一些实施例中，绳索可被配置为在操作期间承受磨损和撞击。例如，绳索可以以纱线或编织结构构造。作为另一个示例，绳索可以包括由具有冗余互连的多条线组成的霍伊特(Hoytethers)，这些线能够承受微流星体或碎片的许多撞击和切割。在各种实施例中，绳索足够粗以经受离子束的预测侵蚀，包括当绳索带电时由于离子不接触绳索表面而减少的通量(fluence)。
在一些实施例中，绳索包括光纤，以用于将电力或数据传送到离子阻滞器或从离子阻滞器传送电力或数据。光纤是电绝缘体，可以防止离子阻滞器与航天器之间的电荷流动。在一些实施例中，包括高电压保护电路的电线沿着一条或多条绳索实现，以将电力和/或数据传送到离子阻滞器并从离子阻滞器传送电力和/数据。绳索也可以被配置为传送声振动到离子阻滞器，和从离子阻滞器传送声振动(诸如应力、剪切或圆形振动)，以将电力和/或数据传送到离子阻滞器并从离子阻滞器传送电力和/或数据。例如，这种机构可用于从位于离子阻滞器上的传感器接收信息以用于测量温度、磁场强度、大气密度等。
图3是说明性实施例的示例推进系统的系统性能的曲线图300。曲线图300模拟了一实施例，该实施例包括具有在LEO上的圆柱形离子阻滞器以及氩离子推进器。对离子阻滞器的每单位面积的质量是根据层流2号(Stratos 2)高空气球按比例缩放来估计的，高空气球包括约为38000m2的面积以及约为1690kg的质量。圆柱形离子阻滞器可以是便于可膨胀的形状。
示例圆柱形离子阻滞器可以为约120m长且约15m高，该离子阻滞器提供了合理的接触表面，以假设氩气推进剂以大约30km/sec的排出速度发射(简单推进器的Isp为3000sec)。圆柱形离子阻滞器将具有约为6005m2的面积以及约为270kg的质量。离子阻滞器的总质量约为300kg，该总质量包括绳索、卷筒以及部署机构。曲线310表示离子阻滞器的质量，该质量与vex 2(离子束排出速度的平方)成比例。因此，越高的排出速度在到达阻滞器之前将引起越大的回旋半径和越大的束扩散，这需要更大(和更重)的离子阻滞器。如图所示，曲线310以vex＝30km/sec穿过300kg。
曲线322、322a、324以及324a指示用于离子推进航天器的推进剂。曲线322、322a、324和324a中的每个表示输送特定总冲量所需的推进剂量。通过计算以特定速度移动具有特定质量的航天器所需的动量的改变，可以计算推进剂的质量和该推进剂离开航天器所需的排出速度。曲线322和322a示出了以1km/s的速度从5000kg航天器排出的所需的推进剂质量和推进剂排出速度。曲线324和324a示出了以3km/s的速度从5000kg航天器排出的所需的推进剂质量和推进剂排出速度。
曲线322和324示出了利用现有的离子推进系统而不包括系留离子阻滞器的情况下5000kg航天器在各个速度下所需的推进剂质量和推进剂排出速度。表1和表2分别列出了曲线322和324所需的推进剂质量和推进剂排出速度：
Figure BDA0002642903270000141
Figure BDA0002642903270000151
Figure BDA0002642903270000152
曲线322a和324a(虚线)示出了利用包括系留离子阻滞器的推进系统的情况下5000kg航天器在各个速度下所需的推进剂的质量和推进剂的排出速度。曲线322a和324a假设所有发射的离子都撞击并附着在离子阻滞器上(使得系数k＝1)，从而使在给定排出速度下每重量推进剂提供的比冲加倍。表3和表4分别列出曲线322a和324a所需的推进剂质量和推进剂排出速度：
Figure BDA0002642903270000153
Figure BDA0002642903270000161
Figure BDA0002642903270000162
曲线322b和324b示出了阻滞器(曲线310)加上存在阻滞器时所需推进剂的组合质量(曲线322a和324a)，其中，k＝1。即，曲线322b和324b指示使用所述离子推进系统的推进系统质量。曲线322b小于线322、或线324b小于线324的区域指示所述推进系统比具有独立离子推进器的传统离子推进系统更有效地使用质量的条件。例如，在排出速度略低于20km/sec的情况下，组合质量曲线322b与1km/sec的Δv的5000kg航天器的曲线322相交。因此，在该点左侧的区域(即，虚线332的左侧)，在排出速度略低于20km/sec(Isp约为2000sec)的情况下，与使用常规离子推进的航天器相比，所述推进系统更有效地使用推进剂，即使具有来自系留离子阻滞器的约130kg的附加质量。
组合质量曲线324b与曲线324之间的另一交叉点对于3km/sΔv的5000kg航天器在约为28km/s的排出速度(虚线334)处被示出。因此，在该点左侧的区域(即，虚线334的左侧)，在排出速度低于大约28km/s的情况下，与使用常规离子推进的航天器相比，所述推进系统更有效地使用推进剂，即使具有来自系留离子阻滞器的附加质量。对于必须保持低轨道若干年的大型航天器来说，这可能被认为是合理的冲量。本文描述的Δv值是指平面-改变冲量。这些值针对与航天器速度平行的冲量可变化。
曲线图300示出与标准离子推进系统相比所述系统在质量方面的优点。然而，另一种选择可以包括发射与总质量相同但排出速度较低的包裹(package)。这可以允许更小的电力系统，该更小的电力系统通常会降低发射和运行的费用。
离子束发散
在运行期间中，所发射的离子在离开离子推进器时可能会发散。例如，使用氙离子推进系统(XIPS)推进器时，大约1％的离子与束中心的夹角超过25°。为了捕获弯曲离子束中动量的有用部分，尽管存在发散，离子阻滞器仍必须包括足够大的表面积，以阻挡或偏转大多数离子。
参考图4A和图4B，示出根据说明性实施例的由离子推进器发射的离子排出的示例轨迹。图4A示出系留航天器200的侧视图，而图4B示出系留航天器200的俯视图。图4A示出了发射的准直离子束230在与磁场B垂直的X-Y平面中以羽流形式发散的竖直轨迹234。不同轨迹的圆形路径可包括大约相同的直径。如图4A所描绘，轨迹234的虚线路径在中心线轨迹上下20°。如图所示，在竖直方向(沿着X-Y平面)上的发散对离子阻滞器处的推力几乎没有影响，因为大多数离子将在大致半圈之后垂直会聚，而离子阻滞器220位于大致半圈的位置处。因此，在一些实施例中，具有相对较小的高度的离子阻滞器220可以阻挡大多数发射的离子。
图4B示出了发射的准直离子束230在与磁场B平行的X-Z平面上以羽流形式发散的横向轨迹236。这种横向离子束发散(在平行于磁场线的方向上的发散)大于竖直离子束发散。如图4B所描绘，在接近束中心线的方向上开始的所发射的离子(轨迹236-A)撞击离子阻滞器。然而，离中心线较远的离子(轨迹236-B)围绕磁场线盘旋而不会聚，并且错过离子阻滞器。因此，在一些实施例中，离子阻滞器220可能需要相对大的宽度(沿z轴)，以便阻挡大多数离子。
图4C和图4D示出根据一个或多个实施例的由离子推进器产生的示例离子羽流400。例如，图4C和图4D可以描绘比冲为2000秒的弯曲轨迹底部处的氩离子的分布。图4C和图4D中，边界402表示离子羽流的氩离子在1个标准偏差(1σ)内的分布，而边界404表示离子羽流的氩离子在2个标准偏差(2σ)内的分布。如图所示，水平和竖直发散的不同影响使接近离子阻滞器的离子具有狭窄的竖直分布(即，在轨迹径向且与磁场B垂直的方向)。因此，在各种实施例中，有效的离子阻滞器可以包括比其高度宽得多的剖面(诸如图4D中示出的离子阻滞器420)。例如，离子阻滞器420可以包括长度422大约为80米的圆柱体。相比之下，回声2号(Echo 2)卫星是直径大约为41米的球形气球，而流层2号高空气球的直径大约为129米。
参照图5，示出了根据说明性实施例的离子推进航天器500的前视图，该航天器500具有与离子羽流400有关的系留离子阻滞器。在一些实施例中，图5中的离子阻滞器可以是离子阻滞器420。如说明性示例，航天器500可通过氩离子推进器来推进，氩离子推进器在0.35高斯的磁场中以20km/sec的相对速度vrel排出离子。因此，发射的羽流中心的回旋半径为233米，因此离子阻滞器420的中心可以部署在距离航天器下方465米的距离(距离504)的两倍处。因此，在发射的羽流400的一个标准偏差(402)内的离子在距离阻滞器420的中心横向为113米且竖直为5.6米的范围内通过。在一些实施例中，阻滞器420可包括纵横比大约为8:1的圆柱形气球。如图所示，阻滞器420通过四个绝缘绳索512(包括绳索512-A、512-B、512-C以及512-D)从航天器500的主体510悬挂。然而，在一些实施例中，更多或更少的绳索可以基于绳索系统的几何结构和配置来实现。
在上面的示例中，即使使用非常大的离子阻滞器，但离子羽流中的一些离子也会未接触到离子阻滞器。因此，在上面讨论的示例中，μ2＞μ1，指示阻滞器的推力(T2)小于航天器的推力(T1)。然而，离子阻滞器的表面电荷通过来回撞击离子可能会增加离子阻滞器处的推力(T2)。
离子阻滞器表面的电位
上面提供的示例假设撞击阻滞器的离子附着在离子阻滞器的表面上，并输送等于mionv2的动量。然而，当撞击离子在离子阻滞器表面形成电荷时，随后的碰撞离子可能在与离子阻滞器表面接触之前发生偏转。图6示出根据一个或多个实施例的处于不同电位水平的离子阻滞器。例如，图6所示的离子阻滞器可以是离子阻滞器220。图6描绘了离子阻滞器220和时间600a、600b以及600c的侧视图。
在600a时，离子阻滞器开始被部署并且具有零电荷和零电位。因此，在时间600a，离子阻滞器的表面具有零伏特的电位(V)。接近离子由轨迹620(朝向离子阻滞器的中心)和轨迹622(朝向离子阻滞器的外围)示出。当到达离子碰撞离子阻滞器的表面时，除了输送动量之外，还会传递电荷。
电荷在离子阻滞器上积累并且在600b时使电位上升到中等水平。在600b时，离子阻滞器的表面具有中间电位(V)(诸如2千伏(kV))。因此，朝向离子阻滞器中心的离子(轨迹620)仍然以足够的动量靠近从而碰撞表面并输送电荷。然而，朝向离子阻滞器外围的离子(轨迹622)可能会被离子阻滞器的电场偏转。虽然偏转离子未击中阻滞器，但这些偏转离子仍然会输送一些动量，因为偏转离子的速度矢量改变了方向。
在各种实例中，这种偏转离子可以与碰撞离子阻滞器并附着在表面上的离子输送相同的动量。然而，这种偏转离子可以至少部分地取决于偏转的角，而输送比碰撞离子阻滞器并附着在表面上的离子更多或更少的动量。输送的动量可以取决于离子偏转的角φ。其中，k＝0时，沿着曲线行进的离子未击中离子阻滞器且φ＝0。其中，k＝1时，沿着曲线行进的离子撞击阻滞器并附着在阻滞器上。其中，k＝2时，沿着曲线行进的离子偏转180°而在相反方向上且φ＝180°。然后偏转离子的k值由k＝1-cos(φ)给出。例如，如果离子以与初始方向成一定角偏转，在φ＝90°时，则k＝1，就像离子撞击并附着在离子阻滞器的表面上一样。在这些情况下，离子的前进速度从vex变为零。
撞击离子继续在离子阻滞器的表面形成电荷，直到离子阻滞器上的电荷足够高，以至于即使轨迹对准该阻滞器中心的离子也会发生偏转而不接触。如图所示，在600c时，离子阻滞器的电位(V)已达到最大电位，并使沿着两个轨迹620和622到达的离子偏转。例如，离子阻滞器的表面的最大电位可以是3kV。然而，在一些实施例中，离子阻滞器的表面的最大电位可以大于或小于3kV。在这种高电位下，沿着离子阻滞器外围的轨迹622行进的离子会发生更大程度的偏转，并且与600b时的相同轨迹相比，输送出更多的动量。因此，在600b时，系数k在理想系统中可能在2到3之间。
此外，在600c时，沿着轨迹620行进的离子被表面的增加电位偏转到相反方向。因此，沿着轨迹620的离子的速度矢量从vex向前改变为vex向后。这种速度的改变针对每个偏转离子将等于2mionvex的动量输送给离子阻滞器。这是附着在离子阻滞器上的到达离子的动量的两倍。
在一些实施例中，在最大电位下的离子的偏转可使在离子阻滞器处产生的推力加倍或接近加倍。在一些实施例中，具有平坦接触表面的离子阻滞器可以以接近180°反弹大部分离子。然而，球形或圆柱形阻滞器将提供较小的推力增加，因为大多数离子将以小于180°偏转，并输送较小的动量。
在各种实施例中，离子阻滞器的表面被金属化或以其他方式使其导电导电表面将使整个表面上升到可能的最高电位(即，使垂直到达表面的离子停止的电位)。此外，这种导电(或金属化)表面将提供经过离子阻滞器的离子的更大偏转(更大角度的偏转)、传递更多的动量。在没有导电表面的情况下，仅与入射离子束垂直的表面部分才达到最高电位，而表面上的其他区域仅达到了足以使离子在击中该区域时停止的高电位。因此，朝向离子阻滞器外围的离子将偏转较小的角度，并向离子阻滞器传递较少的动量。
上向的解释假设了离子阻滞器的表向可以达到与推进器中能量最大的离子一样高的电位。然而，离子阻滞器的实际应用可能会导致较低的最大电位。例如，维持航天器表面的高电位可以带来若干挑战(诸如电弧形成)。此外，来自电离层的电子也可以根据局部电子密度以一定速率来耗尽电荷。各种实施例可以利用离子阻滞器的表面上的较低电位来最小化这种挑战，同时从反弹或偏转部分离子获得一些附加推力。
航天器的运动也可以考虑使离子阻滞器产生的推力最大化。前面的解释假设了所发射的离子移动得如此之快，以至于航天器的运动可以被忽略。然而，发射的离子具有有限的速度，该速度通常约为30km/sec。航天器和阻滞器的运动约为7至8km/sec。因此，离子与阻滞器之间的相互作用受到撞击速度、回旋半径以及会聚位置的影响。
关于撞击速度，返回参考图2。下面提供了经修改的系统公式，以用于对与磁场垂直的轨道速度建模(诸如赤道轨道上的升轨机动)。
·由推进器产生的推力(T1)被建模为T1＝μ1vex，其中μ1是离开航天器的离子的质量流速，且vex是离子的排出速度。
·离子相对于磁场的相对速度(vrel)被建模为vrel＝vex-vorb，其中vorb是航天器的轨道速度(例如，诸如箭头202的方向)。
·离子阻滞器处的离子的撞击速度(v2)被定义为v2＝vrel-vorb＝vex-2vorb。
·离子阻滞器的推力(T2)被计算为T2＝μ2v2＝kμ1v2。
在示例实施例中，如果vex＝30km/sec且vorb＝7.7km/sec，则在离子阻滞器处的撞击速度(v2)和推力(T2)为：
v2＝vex-2vorb＝30km/sec-2(7.7km/sec)＝14.6km/sec
T2＝kμ1v2＝kμ1(14.6km/sec)
将T2与由推进剂产生的推力(T1)相比：
Figure BDA0002642903270000211
因此，即使由离子推进器发射的所有离子都碰撞离子阻滞器(使得k＝1)，离子阻滞器将提供比单独的离子推进器多约49％的最大冲量。如果由于离子阻滞器的电位使所有离子以180°从阻滞器偏转，则该量将加倍至98％。
相对于回旋半径，由于离子相对于磁场的相对速度(vrel)，则离子轨迹的实际回旋半径更小。如公式vrel＝vex-vorb所示，相对速度(vrel)低于排出速度(vex)。在上面的示例中，vrel＝30-7.7km/sec＝22.3km/sec，所以回旋半径是22.3/30＝74％，与不考虑航天器运动的情况的回旋半径一样大。因此，在具体实施例中，通过上面给定的系统值可以实现长为74％的绳索和面积大约为(22.3/30)2＝55％的阻滞器。这也将使离子阻滞器的重量减少约55％。
航天器运动
相对于会聚位置，还必须考虑离子阻滞器在离子回旋时移动的距离。如参考图7A和图7B所述，撞击离子阻滞器的离子量可以通过修改所发射的离子的速度矢量(vex)的方向或者通过修改绳索的长度而增加。图7A和图7B示出根据一个或多个实施例的由离子推进器发射的离子排出的不同轨迹的会聚位置的示意图。
如图7A和图7B所示，时间t时的航天器200由主体210、绳索212以及离子阻滞器220表示。时间t+1时的航天器由主体210a、绳索212a以及离子阻滞器220a表示。在一些实施例中，如图7A所描绘，离子推进器在时间t时以与X轴平行的方向发射离子束230，并在具有轨迹234的羽流中行进。轨迹234的虚线路径234a和234b分别示出了轨迹234的中心线234c的上方和下方的离子路径。如图7A进一步所示，到时间t+1时，当羽流中的离子位于其开始位置正下方时，离子阻滞器220已向前移动到由离子阻滞器220a所示的位置。因此，离子在达到离子阻滞器220a之前必须围绕圆形轨迹再行进若干度。结果，基本上在束的中心线上方(路径234a)发射的离子将在离子阻滞器(220a)上方经过，从而减小施加到离子阻滞器上的总推力。
在一些实施例中，如下面将进一步描述，可以通过缩短绳索的长度来捕获附加离子，以考虑离子的附加行进距离。在一些实施例中，如图7B所示，推进器可被配置为向下发射离子束。图7B示出航天器200在相对于X轴向下成角度的方向上发射离子束230a，以使离子羽流234的轨迹向下偏移。例如，推进器可以向下约20°对准。除了中心轨迹之外，离子羽流234的偏移轨迹使得路径234a和234b中的在时间t时发射的离子也都在时间t+1时被离子阻滞器捕获。
实际角可以根据离子排出速度vex和所发射的离子的分子质量而不同。注意，如果航天器与磁场线(例如，在高倾角轨道上)平行地行进，并且与行进方向垂直地推进以执行平面改变，则这些改变对撞击速度、回转半径以及会聚位置可能不适用。
离子阻滞器稳定性
在一些实施例中，绳索和离子阻滞器具有足够低的质量，使得离子对它们产生的推力将它们推到相对于航天器的新位置。参照图8A至图8B以及图9A至图9D讨论了离子阻滞器的稳定性。图8A和图8B示出根据一个或多个实施例的系留离子阻滞器的纵向位置的示意图。与图7A类似，在图8A中，时间t时的航天器由主体210、绳索212以及离子阻滞器220表示。时间t+1时的航天器由主体210a、绳索212a以及离子阻滞器220a表示。在一些实施例中，如图8A所描绘，离子推进器在时间t时以平行于X轴的方向发射离子束230，并且离子在具有轨迹234的羽流中行进。轨迹234的虚线路径234a和234b示出了分别在中心线轨迹上方和下方的离子路径。
如前所述，在时间t+1时，离子阻滞器220已向前移动到离子阻滞器220a所示的位置。如果离子阻滞器的推力与质量之比大于航天器的推力与质量之比，则离子阻滞器可进一步移动到主体210a和离子阻滞器220a的前面(如离子阻滞器220b和绳索212b所示)，从而使绳索倾斜离开垂直方向。这还使离子在达到离子阻滞器220b之前围绕着圆形轨道又行进了若干度。结果，基本上在束的中心线上方(路径234a)发射的离子将在离子阻滞器220b的上方经过，从而减少施加到离子阻滞器上的总推力。
然而，恢复力可以防止阻滞器继续进一步前进到航天器前面。例如，来自行星对离子阻滞器上的重力梯度力可以使绳索恢复垂直。图8B示出离子阻滞器上的力。前提是离子阻滞器220包括质量mb，g′是重力梯度，L是绳索212的长度，θ是绳索从垂直方向倾斜的角，然后恢复力Fr被定义为：
Fr＝mbg′L sinθ
并且阻滞器上的重力Fb被定义为：
Fb＝mbg′L cosθ
恢复力Fr可以比离子束的排出速度vex较高时的偏转力更强。偏转力(～k m_dotvex)与vex大致成线性关系，而恢复力Fr与L mb成正比。绳索长度L与vex成线性比例。离子阻滞器的质量mb与离子阻滞器的长度和宽度大致成正比，两者都与vex成线性比例，使得质量mb与(vex)2成比例。因此，与L mb成比例的恢复力Fr大致与(vex)3成比例。因此，离子推进器在高vex运行的情况下使恢复力Fr比离子施加的偏转力大得多。
但是，为了在低vex运行期间保持稳定，可以实现一些运行调整。首先，离子阻滞器的质量mb可以增加以增加恢复力Fr。可替代地，离子的μ可以减少以减少偏转力。作为另一选择，可以允许绳索向前倾斜，如图8A所示，直到有足够的离子未击中阻滞器，以减少总偏转力，使该偏转力与恢复力Fr平衡。在一些实施例中，可以实现一个或多个这种操作调整的组合。
在一些实施例中，绳索和离子阻滞器可在航天器的任务或寿命期间保持部署。在一些实施例中，离子阻滞器可以在期望机动或如果需要附加推力时从航天器上部署。一旦机动或推力已完成，离子阻滞器就可以收回。在一些实施例中，离子阻滞器可在机动或推力完成后收回入航天器中。然而，在一些实施例中，离子阻滞器可在不运行时收回到航天器外部的预定近端位置。在一些实施例中，绳索系统和/或离子阻滞器在机动或推力完成时可从航天器上丢弃。
如前所述，绳索系统的绳索的长度是可变的并且可由卷筒系统或其他合适的部署系统控制。绳索的长度可以被调整以应对磁场的改变(例如，方向或强度)、阻尼振荡、应对离子阻滞器的倾斜的变化，或这些考虑的任何组合。图8C示出根据一个或多个实施例的长度可调整的系留离子阻滞器。
离子阻滞器220c代表了在时间t+1时在缩回位置(由缩回绳索212c所示)由撞击离子向前推进的离子阻滞器的位置。在缩回位置(220c)，离子阻滞器能够捕获更多的离子，包括沿着离子束的中心轨迹上方和下方的路径234a和234b行进的离子。因此，调整离子束的方向或排出速度。在一些实施例中，可结合对离子束的方向和/或排出速度的修改来实现绳索长度的调整，以增加或减少撞击离子阻滞器的离子量。
在各种实施例中，离子阻滞器的横向稳定性(沿Z轴)也是考虑因素。图9A、图9B、图9C以及图9D示出根据一个或多个实施例的系留离子阻滞器的横向位置的示意图。图9A至图9D示出了具有凸出接触表面925的离子阻滞器920。为了说明的目的，离子阻滞器920被描绘为球形离子阻滞器。图9A示出了以离子束为中心的离子阻滞器920，使得离子束930的中心932与离子阻滞器920的中心线940对准，从而在离子阻滞器上提供与离子束930平行的推力950。图9B示出了偏离离子阻滞器的中心线940的离子束930，使得离子束930的中心932偏离中心线940距离为Δz。偏离中心的离子束产生甚至将离子阻滞器920推得离中心更远的横向力(推力952)。
同时，恢复力(诸如参考图8A和图8B所述)可作用于使离子阻滞器相对于离子束重新位于中心，在一些情况下，这种恢复力可能不足。可以实现以下一种或多种解决方案的组合以使离子阻滞器恢复到离子束的中心。
一种解决方案是横向(沿Z轴)使航天器偏航或使推进器改变方向(gimbal thethruster)，使得离子束碰撞离子阻滞器比离子阻滞器移动更偏离中心。这可能产生横向恢复力。在各种实施例中，离子推进器也可以被配置为横向转向以应对磁场定向的改变。
如另一个示例，航天器的离子推进器被配置为发射沿着Z轴横向发散的双离子羽流。图9C和图9D示出了从本体910发射具有横向发散羽流的离子束的示例航天器900。航天器900发射发散的离子羽流930a和930b，代替是一个中心峰值通量，双羽流具有横向发散的两个峰值通量。左离子羽流930a的峰值通量932a和右离子羽流930b的峰值通量932b中的每个离子羽流的峰值通量示出为实心箭头。在一些实施例中，在离子束轨迹的半圈回旋后，峰值通量几乎被离子阻滞器的宽度隔开。
图9C示出离子阻滞器920，该离子阻滞器920沿着两个发散的羽流之间的中线轴942居中，使得羽流输送横向平衡的力F左和F右。图9D示出从中线轴942偏离中心的离子阻滞器920。离子阻滞器920a的先前位置以虚线示出。离子羽流在阻滞器偏离中心时输送横向恢复力。当离子阻滞器从中线轴942在任一方向上偏离中心时，它从一个离子羽流(诸如左羽流930a)移动到另一个羽流(诸如右羽流930b)。离子阻滞器然后将受到来自右羽流930b的峰值通量932b的增加的力，增加离子阻滞器上的力F右，该力产生使离子阻滞器朝向中线轴942的中心恢复的横向力。
最后，离子阻滞器可以通过节流离子推进器而重新居中。例如，当离子阻滞器开始偏离中心时，流到离子推力器的电流可能减少，减少的电流使给定时间内发射的离子数量减少，从而减少来自离子束的推动离子阻滞器偏离中心的力，以允许离子阻滞器通过恢复力(诸如行星的重力)朝向中心移动。当离子阻滞器移回中心时，流到离子推进器的电流可以增加。这可能会产生一种力，该力减缓离子阻滞器向中心的移动，并使其在中心停止。
在一些实施例中，离子阻滞器的接触表面可包括略微的扫掠剖面(slightlyswept profile)，以改善离子阻滞器的偏航稳定性和定位。图10A和图10B示出根据一个或多个实施例的具有扫掠剖面的离子阻滞器1000。图10A示出中心定在离子束的中心的离子阻滞器1000的俯视图。图10B示出处于偏离中心位置的离子阻滞器1000的俯视图。在各种实施例中，离子阻滞器1000是具有前表面1004和与离子束1030相对的后接触表面1002的可膨胀的圆柱形气球结构。在一些实施例中，后接触表面1002包括相对于接近的离子束1030凹陷的扫掠剖面。
在一些实施例中，扫掠剖面由气球结构的外皮保持。在一些实施例中，该扫掠剖面由耦接到离子阻滞器1000的相对侧端1010a和1010b且处于张力下的一条或多条缆线1012支撑。在一些实施例中，缆线1012是电绝缘的。可替代地，缆线1012可以是导电的以建立电位从而进一步阻挡、偏转和/或反弹接近的离子。在一些实施例中，缆线1012的长度可调整以控制后接触表面的凹度。
尽管示出了圆柱形气球结构，但离子阻滞器1000可以是具有相同扫掠剖面的片板或帆板。例如，离子阻滞器1000可以包括薄片板，该薄片板具有前表面1004和在薄片板的相对侧的后接触表面1002。扫掠剖面可以通过离子撞击或偏转离子的力以及连接板材的侧端的一条或多条缆线来保持。
离子束(箭头1030)接近并撞击后接触表面1002以沿着X轴生成推力1050。如图所描绘，离子束1030的密度由箭头之间的距离指示。例如，箭头之间的距离越小表示离子束内的离子的密度越高。因此，束密度在离子束的中心轴1060附近最大。如图10A所示，离子阻滞器1000以离子束的中心轴1060为中心。
在各种实施例中，作为接触表面1002的扫掠形状的结果，撞击离子生成具有横向分量的力1051，该力用于稳定离子阻滞器的横向定位。例如，在运行期间，离子阻滞器1000可向左偏移(在页面中向上)，使右端1010b向中心轴1060的离子浓度更高处移动。因此，离子束中的大多数离子将朝向离子阻滞器1000的右侧集中。由于相对于离子束的凹面接触表面1002，则朝向离子阻滞器的右端1010b的力1051大于朝向左端1010a的力1051。因此，生成净横向恢复力，以迫使离子阻滞器向右返回到中心轴1060。
在一些实施例中，离子阻滞器可以被配置有垂直稳定器，其放置在该离子阻滞器后方。图11A、图11B以及图11C示出根据一个或多个实施例的具有垂直稳定器1140的离子阻滞器1100。图11A示出了以离子束为中心的离子阻滞器1100的俯视图。图11B示出了离子阻滞器1100的侧视图。图11C示出了处于偏离中心位置的离子阻滞器1100的俯视图。在一些实施例中，离子阻滞器1100可包括主体1110，包括前表面1104和具有无扫掠剖面的后接触表面1102。然而，垂直稳定器1140也可以利用具有扫掠面的离子阻滞器来实现。
如前所述，离子束(箭头1030)接近并撞击后接触表面1102以沿着X轴生成推力1050。如图所描绘，离子束1030的密度由箭头之间的距离指示。例如，箭头之间的距离越小表示离子束内离子的密度越高。因此，束密度在离子束的中心轴1060附近最大。如图11A所示，离子阻滞器1100以离子束的中心轴1060为中心。
如图所示，在一些实施例中，垂直稳定器1140是从离子阻滞器1100的主体1110的中心向前、向上和向下延伸的基本平坦结构。垂直稳定器可以包括左表面1142和右表面1144。如图11B所示，垂直稳定器延伸至离子阻滞器1100的上方和下方。右表面1144示出在图11B中。当离子阻滞器移动而偏离中心(如图11C所示)时，离子阻滞器1100可以开始在行进方向偏航(在页面中向上)。这将使垂直稳定器的表面暴露于在离子阻滞器1100上方或下方经过的离子中，并产生朝向离子束的中心的横向恢复力1051。例如，左表面1142的附加表面积暴露在离子束中，使得离子碰撞左表面1142(如虚线箭头1032所示)。来自离子束的偏离中心的偏转力1051包括使离子阻滞器朝向束中心轴1060行进的横向分量。恢复力也可使离子阻滞器向束中心轴1060偏航。
在一些实施例中，垂直稳定器被配置为主动方向舵，以将阻滞器拉回到离子束的中心。图12A示出根据一个或多个实施例的具有主动方向舵1240的离子阻滞器1200-A。在一些实施例中，主动方向舵1240包括左侧1242和右侧1244，并且可以向离子阻滞器主体1010的前面延伸。如图11A和图11B所示，离子阻滞器1200-A可以在中性位置具有与离子阻滞器1100上的垂直稳定器1140相似的俯视图和侧视图配置和/或剖面。图12A示出处于偏离中心位置的离子阻滞器1200的俯视图。当离子阻滞器1200-A偏离离子束的中心轴1060时，主动方向舵1240可朝向偏离中心的行进方向转动。如图12A所示，离子阻滞器1200已行进到中心轴1060的左侧(在页面中向上)。在该情况下，主动方向舵1240向左转动，使方向舵1240的左表面1242暴露于在离子阻滞器上方或下方经过的离子中，使得离子碰撞左表面1242(如虚线箭头1032所示)。这将产生具有横向分量的偏离中心的偏转力1051，该横向分量使离子阻滞器朝向束中心轴1060行进。
在一些实施例中，主动方向舵可以在离子阻滞器由于不平衡力而旋转(偏航)之前产生横向恢复力。与静态垂直稳定器相比，这可以提供更快的响应。更快的响应时间可以允许离子阻滞器更快地调整，并允许离子阻滞器在运行期间在更长的时间段内保持居中。
图12B、图12C以及图12D示出根据一个或多个实施例的附加离子阻滞器实施例，该附加离子阻滞器实施例具有主动方向舵，其被配置为在离子阻滞器后方操作。主动方向舵1250可以朝向离子阻滞器的后面延伸，并且可以包括左表面1252和右表面1254。如图12B所描绘，离子阻滞器1200-B已偏离中心地移动到离子束的中心轴1060的左侧(在页面中向上)。在该情况下，位于离子阻滞器1200-B后面的主动方向舵1250可以向右侧转动，以使主动方向舵1250的左表面1252暴露于离子束中。离子碰撞左表面1252(如虚线1032所示)产生具有横向分量的偏转力1051，以使离子阻滞器朝向离子束的中心轴1060恢复。
图12C示出具有主动方向舵1250-B1的离子阻滞器1200-B1的侧视图。在一些实施例中，离子阻滞器1200-B1是离子阻滞器1200-B。与垂直稳定器1140和主动方向方向舵1240相似，主动方向舵1250-B1可在离子阻滞器体1110的上方和下方延伸。然而，位于离子阻滞器后面的主动方向舵可能不需要延伸到离子阻滞器体1110的上方和下方，因为离子阻滞器的表面将不会阻止离子碰撞主动方向舵的中间部分。因此，主动方向舵可以被配置有与离子阻滞器相同或更小的垂直高度。
图12D示出具有主动方向舵1250-B2的离子阻滞器1200-B2的侧视图。在一些实施例中，离子阻滞器1200-B2是离子阻滞器1200-B。如图所示，主动方向舵1250-B2未延伸到离子阻滞器主体1110的上方和下方。因此，后主动方向舵(诸如主动方向舵1250-B2)可以比前主动方向舵(诸如主动方向舵1240)捕获更多的离子。因此，后主动方向舵可以更小，从而减少重量和成本。从后面捕获更多的离子也可以允许后主动方向舵提供更快且更大的响应，以恢复离子阻滞器的定位。
在一些实施例中，实现了串联垂直稳定器(tandem vertical stabilizer)。图13A和图13B示出根据一个或多个实施例的具有串联垂直稳定器的离子阻滞器1300。图13A示出以离子束为中心的离子阻滞器1300的俯视图。图13B示出处于偏离中心位置的离子阻滞器1300的俯视图。如图所描绘，离子阻滞器1300包括位于中心轴1060的两侧的垂直稳定器1340a和1340b。在各种实施例中，垂直稳定器1340a和1340b被定位为距离离子阻滞器体1110的中心相同距离。与垂直稳定器1140类似，串联垂直稳定器可被配置为朝向离子阻滞器体1110的前面延伸，并且可延伸至离子阻滞器体1110的上方和下方，从而形成与图11B所示的侧视图剖面类似的侧视图剖面。每个垂直稳定器可包括左表面1342和右表面1344。
利用该配置，当离子阻滞器开始离中心偏航(图13B所示)时，垂直稳定器中一个(1340b)朝向在中心轴1060附近的离子束的中心的峰值移动。离子阻滞器的偏航旋转也使两个垂直稳定器的表面都暴露于穿过离子阻滞器体1110上方和下方的离子中。在图13B中，每个垂直稳定器的左侧1342朝向离子束转向。碰撞相应的左表面(虚线1032a和1032b所示)的离子在垂直稳定器1340a和1340b上分别产生偏转力1051a和1051b。偏转力1051a和1051b均包括横向分量，以使离子阻滞器朝向离子束的中心轴1060恢复。
因为右垂直稳定器1340b已利用更大的离子密度朝向中心轴1060移动，所以相对于离子碰撞垂直稳定器1340a，更多的离子在1032b处碰撞垂直稳定器1340b。这使净偏转力1051b相对于偏转力1051a更大，由此使离子阻滞器朝着中性位置偏转。此外，偏转力1051b随着离子阻滞器远离中心移动而增加，其提供了比单个垂直稳定器更多的横向稳定性。
在一些实施例中，串联垂直稳定器可以实现为双主动方向舵。如参考图12A至图12D所述，双主动方向舵可位于离子阻滞器主体的后侧或前侧。双主动方向舵可以通过允许在离子阻滞器由于不平衡力而旋转之前产生恢复力来提供对离子阻滞器定位的增强的控制。在一些实施例中，可以独立地控制双主动方向舵中的每个以用于增强的控制和响应。
尽管已参照离子阻滞器向左的横向移动和偏航旋转描述了前面示例，但应理解，向右的横向移动或偏航旋转也可以通过类似的相反结构、操作以及方法来类似地解决。在各种实施例中，上述一个或多个组件和/或配置可以组合实现以稳定离子阻滞器。例如，主动方向舵可以利用包括扫掠后接触表面的离子阻滞器来实现。作为另一示例，离子阻滞器可包括具有位于两侧的串联主动方向舵的中央垂直稳定器。在各种实施例中，垂直稳定器和/或主动方向舵可以利用与离子阻滞器表面类似的材料进行金属化或导电，如以下进一步所述。
离子阻滞器配置
在各种实施例中，离子阻滞器可被配置用于各种操作考虑。如前所述，离子阻滞器可包括金属化的或以其他方式导电的表面，以增加表面的较大部分的可能电位并使垂直接近表面的离子停止。例如，离子阻滞器的表面可以包括石墨烯、有机导体或具有掺杂剂(诸如硅树脂)的半导体材料的涂层的喷剂。在没有导电表面的情况下，仅与入射离子束垂直的表面部分才达到最高电位，而表面上的其他部分仅达到足以使离子停止击中该部分的电位。因此，朝向离子阻滞器的边缘行进的离子偏转较小的角，并向阻滞器传递较少的动量。相反，导电表面会增加整个表面的电位，增加离子偏转经过离子阻滞器附近，并增加传递的动量。
在操作期间，离子阻滞器受到撞击离子的轰击可能会腐蚀离子阻滞器的材料。因此，离子阻滞器的表面可以构造为具有适当厚度和/或适当耐久性的材料，以在离子阻滞器的每个位置处经受住离子的预测影响。例如，离子阻滞器可以被配置为中心比边缘更厚，因为预期有更高比例的离子会撞击中心。这种预测还可以考虑由于具有完全带电表面的离子阻滞器对离子的完全偏转而减少的离子影响。
离子阻滞器还可被配置为不同的几何配置。例如，如前面所解释，离子阻滞器可以实现为球形或椭球形结构，使得曲面可以促进离子束中的偏航稳定性。在一些实施例中，离子阻滞器可被实现为基于离子束扩展图案的细长圆柱形或环形结构以用于增加离子的捕获。在一些实施例中，离子阻滞器可包括略微扫掠剖面以改善偏航稳定性和离子阻滞器相对于离子束的位置。
如前所述，离子阻滞器可包括气动形状。例如，离子阻滞器可以包括尾翼，或者略微扫掠的机翼形状(例如，DC-3飞机)，以维持偏航稳定性，并保持离子阻滞器沿着离子束居中。在一些实施例中，离子阻滞器可被实现为气球结构，该结构可更适合于特定几何形状的部署和配置。气球结构也是轻量化结构，该结构可满足航天器发射期间的重量要求和空间限制。在一个具体示例实施例中，离子阻滞器可以包括细长的圆柱形气球，以匹配离子束扩展的细长图案，并且进一步定位在由缆线或电线支撑的略微扫掠形状中。
在一些实施例中，离子阻滞器是在部署时展开的单个片板或帆板。在一些实施例中，离子阻滞器可以通过一个或多个膨胀的圆柱体或桁架保持形状。该片板可以包括略微扫掠的形状以用于偏航稳定性。与需要额外材料以将气体限制在结构内的气球结构相比，材料的单个片板的重量可以更轻并且成本更低。
在一些实施例中，离子阻滞器可包括开放网格或开放编织结构。例如，离子阻滞器可包括金属化聚乙烯网，在聚乙烯股之间具有相对较大的间隙。这种配置将提供具有相对较小的材料的物理表面积的较大有效横截面，从而减少所需的材料、重量以及整体成本。导电表面在离子碰撞离子阻滞器时会形成电荷。在表面附近，产生的电场将与网格片板是无限平面的情况下的电场相同。当离子阻滞器的电位变成与推进器中的加速电压一样高时，撞击离子偏转，并停止对离子阻滞器的物理撞击。电场使离子在离子撞击聚乙烯股之前且在离子达到这些股之间的间隙之前掉头。有效地，与由连续材料制成的离子阻滞器相比，这种离子阻滞器将以更低的物理面积和总质量排斥所有或基本上排斥所有接近的离子。例如，这种离子阻滞器可以比相同横截面的无孔片板轻至大约原来的十分之一。这种离子阻滞器还可以具有减小至大约原来的十分之一的气动拖拽力，因为不受电场排斥的中性分子可以被允许穿过间隙而不撞击离子阻滞器。
在一些实施例中，离子阻滞器可包括磁场发生器。这种离子阻滞器将(诸如利用一个或多个简单的偶极子或利用如在微型磁层等离子体推进(M2P2)方案中的离子膨胀磁场)生成磁场。来自离子推进器的接近离子从磁场区域偏离并将动量传递到离子阻滞器。
与磁场线成对角线的推力
上述示例和解释描述了其中航天器和所发射的离子与磁场B垂直地移动的情况。然而，即使速度矢量vorb不与磁场B垂直，所描述的系统和方法仍可以继续增加总推力。图14A和图14B示出根据一个或多个实施例的相对于磁场的非垂直航天器移动的示意图。如图所描绘，航天器的期望速度矢量vorb与X轴平行，但不与磁场B垂直。
线1、2、3、4、5以及6表示由离子推进器在矢量方向上发射的离子束930中的离子的束。线3和4距离离子羽流的中心最近并且指示离子羽流中的离子密度较高。虚线形式的线2和5距离中心更远并且指示束中的离子密度较低。虚线形式的线1和6距离中心最远并且指示束中的离子密度最低。
在图14A中，离子束930的vex生成的推力在vorb方向上等于μ1vex。然而，离子束930的vex不与磁场B垂直。如果离子束930垂直于磁场B，则来自表示最高浓度离子的羽流中心(线3与4之间)的离子将撞击离子阻滞器。相反，仅在线1与2之间的发散至与磁场B垂直的方向的离子将具有撞击离子阻滞器的轨迹932。
由于线1与2之间的离子密度小于线3和4之间的离子密度，因此在该情况下，在离子阻滞器处生成的推力μ2vex较小。另外，在离子阻滞器生成的推力未与期望轨道运动vorb对准或者期望加速度对准。这种失准可能在一轨道上大致平均，并且在一天内几乎完全平均(即，行星自转一周，使磁场方向在一个完整的周期内偏移)，但这种损失可以被考虑在内。此外，当离子阻滞器处的推力未与期望轨道方向对准时，推力必须满足绳索横向稳定性以及纵向稳定性的约束条件。
如前所讨论，离子推进器可以进行方向调节以横向引导离子束的vex以提供离子阻滞器的横向稳定性。当航天器的速度矢量vorb不与磁场B垂直时，相同的机构可以实现以维持或增加推力。如图14B所示，离子推进器可以横向瞄准，使得束(线3与4之间)的较高密度的离子在与磁场B垂直的速度vex的方向上发射。这在与磁场垂直的方向上生成推力μ1vex。
由于线3与4之间的离子密度高于线1，因此密度较高的离子在轨迹932处接近离子阻滞器，并对离子阻滞器产生的力较高。尽管航天器处的推力(m1vex)可以略微偏离期望加速方向，但更大的推力(μ2vex)在离子阻滞器处产生，并且在期望方向vorb上的净分量更大，且在轨道或一天内偏离矢量的推力平均。为了瞄准离子推进器，离子推进器可以相对于航天器调节方向，或者航天器可以偏航，通常使用控制力矩陀螺仪。
推进器/推进剂实施例
在各种实施例中，离子推进器可使用各种推进剂。在一些实施例中，所述推进系统可使用原子质量较低的离子(诸如锂、氖或氩)，这些离子不是通常用于推进的离子(例如铯、氪或氙)。使用原子质量较低的离子可以缩短回旋半径，这减小了离子阻滞器的必要尺寸和重量。
图15A、图15B以及图15C示出根据一个或多个实施例的离子束的修改的羽流的示意图。在一些实施例中，推进系统的离子推进器可包括非圆形束扩展。例如，发射的束在竖直方向(沿Y轴)比在水平方向(沿Z轴)宽。图15A示出了具有发射经修改的离子束1534的离子推进器的航天器200的主体210的俯视图、图15B示出了具有发射经修改的离子束1534的离子推进器的航天器200的主体210的侧视图，而图15C示出了具有发射经修改的离子束1534的离子推进器的航天器200的主体210的前视图。在各种实施例中，经修改的离子束(诸如离子束1534)包括较窄的水平扩展(较大的竖直扩展)，以便在离子沿着圆形轨迹的回旋半径行进时减小由此产生的水平扩展。
调整以适应磁场矢量的改变
当航天器在LEO行进时，诸如相对于行星增加或降低高度、或者诸如相对于磁场改变方向，磁场对所发射的离子的影响也会改变。若干机动运行可以实现以保持或改善离子阻滞器的推力。一种操作可包括基于离子束轨迹的回旋半径改变而改变绳索的长度以适当地定位离子阻滞器。排出速度也可以基于磁场强度或磁场矢量的方向来调整，以实现期望回旋半径。
如前所述，离子束的喷射角也可以根据改变磁场矢量方向来在仰角或方位角上进行调整。在一些实施例中，离子喷射在推力偏离轴太远时可能会停止。如图14A和图14B所示，推力可以与轨道速度矢量相差相当大的角。对于轨道维持或升轨，有效的Isp(即，每消耗千克推进剂在期望方向上的冲量)与推力与速度矢量之间的夹角余弦成正比。在一些应用中，在该角较大以适应磁场矢量的方向期间内，可能有必要停止离子喷射，以确保推进剂被足够有效地使用以在任务结束时提供推力。
在一些实施例中，所述推进系统被配置为在大倾角轨道上运行，以得使行进大致与磁场矢量(即，沿Z轴)平行。在此，离子推进器可以水平地并且大致与行进方向垂直地(即，沿着X轴侧向地)发射离子。磁场使所发射的离子回旋并碰撞离子阻滞器，以产生相对于航天器运动的侧向推力。这将为改变轨道平面提供高比冲，这可能对诸如各种地球观测卫星具有特殊价值。这种运行也不会从离子速度中失去任何2vorb，不像图7A和图7B中所示的平面内推力。
代替相对于vorb反向喷射离子，使上述离子具有与磁场线垂直的相对速度vrel＝vex-vorb和离子阻滞器的撞击速度v2＝vex-2vorb，该离子与vorb垂直地喷射。它们与磁场线垂直的速度简化为vex并且它们与磁场线平行的速度为vorb。因此，离子沿着场线盘旋并且以与离开离子发动机相同的相对速度撞击阻滞器，该相对速度为：vex。
在一些实施例中，当在大倾角轨道上运行时，系统的旋转可以比每轨道一次快得多。因此，绳索中的张力可以通过航天器与离子阻滞器之间的向心力而不是重力梯度来维持。该系统可以在南和北磁极上方大致水平的平面内旋转，其中磁场大致是竖直的(沿Y轴)。当推进系统在磁极附近经过时，离子推进器发射的离子以大致水平的路径回旋并接近离子阻滞器。在这种机动中，离子推进器仅在推力矢量指向期望方向的旋转部分期间发射离子。该运行机动可以用来升高或降低轨道、或改变轨道平面，这取决于在旋转中的位置。
操作的方法
还提供了操作所述推进系统的方法。参照图16，其示出了根据说明性实施例的用于操作推进系统的示例性过程1600。在各种实施例中，推进系统可实现为操纵在LEO中的航天器。
在1602处，将航天器发射到轨道中。在一些实施例中，航天器可以经由运载火箭行进。在一些实施例中，轨道路径的至少一部分大致与行星磁场垂直。在1604处，离子阻滞器从航天器部署。如前所述，离子阻滞器可以是被折叠并存储在航天器上或航天器内的放气气球或片板。一旦航天器达到预定的轨道位置(诸如在LEO上)，离子阻滞器可经由卷筒系统上的绳索部署，使得离子阻滞器经由一条或多条电绝缘绳索从航天器悬挂。
离子阻滞器然后被扩大以提供较大的横截面积。例如，具有气球结构的离子阻滞器可以膨胀，或者经由支撑结构扩大。作为另一示例，包括单个片板或帆的离子阻滞器可通过膨胀的支撑结构来扩大。
在1606处，确定离子束的轨迹的回旋半径。回转半径可以基于磁场的方向和磁场的强度来确定。在一些实施例中，经由传感器(诸如磁强计、高斯计或其他合适的传感器)来确定磁场的方向和磁场的强度。多个传感器可用于确定磁场的强度。在一些实施例中，磁场的方向和强度基于航天器相对于行星的高度和位置而确定。在一些实施例中，通过接收相关数据(诸如来自空间站或其他卫星)来确定磁场的方向和强度。
然后，可以基于离子束的排出速度和所确定的磁场强度和方向来确定离子束的轨迹的回旋半径。在一些实施例中，回旋半径基于离子推进系统运行之前的计划或期望排出速度而确定。
在1608处，离子阻滞器基于离子束的轨迹的所确定的回旋半径来被定位。在各种实施例中，离子阻滞器通过使用卷筒系统调整每个绳索的长度而被定位。在一些实施例中，可以独立地调整每个绳索以增强离子阻滞器的位置控制。在各种实施例中，离子阻滞器定位在与航天器相距回旋半径的距离的大约两倍处，以便拦截弯曲轨迹中的离子。然而，离子阻滞器的期望位置可以取决于前述各种其他因素。可以基于所计算的回旋半径或离子阻滞器的期望位置来调整一条或多条电绝缘绳索中的每一条的长度。在一些实施例中，操作1606和1608可以作为操作1604的一部分来执行以部署离子阻滞器。
在1610处，带电荷的离子束被发射以生成第一推进力。离子束可以从航天器的离子推进系统发射。在一些实施例中，带电荷的离子束包括具有均匀速度的准直离子束。例如，离子推进器可以被配置为以大约20km/sec的排出速度发射氩离子。在一些实施例中，离子束在离子速度矢量的方向发射，该离子速度矢量包括与行星(诸如地球)的磁场垂直的离子矢量分量。所发射的离子束在航天器上在与离子速度矢量相反的方向生成第一推进力。
电子也可以由离子推进系统喷射以保持航天器的电中性。在一些实施例中，电子沿着电子速度矢量发射，该电子速度矢量使所发射的电子与所发射的离子的混合最小化。例如，电子可以以相当快的速度在与离子束垂直或基本上垂直的方向喷射。
在1612处，离子束的轨迹经由磁场而弯曲。离子束的轨迹被在每个离子上的磁力Fion弯曲，该磁力Fion是磁场与离子速度的叉乘。
在1614处，离子束中的离子被离子阻滞器阻挡以生成第二推进力。在一些实施例中，离子阻滞器通过接触离子或偏转离子来阻挡离子束内的离子以在离子阻滞器上生成第二推进力。碰撞离子阻滞器的离子可以附着在离子阻滞器上并输送动量。接触离子阻滞器的每个离子传递的动量等于离子质量与离子的速度的乘积。一旦足够的电位已在离子阻滞器表面上形成，离子在碰撞离子阻滞器之前可能发生偏转。这种偏转离子也会将动量传递给离子阻滞器。向相反方向偏转的离子可以产生两倍于撞击离子的动量。
在一些实施例中，离子阻滞器可在操作期间进一步被定位(1608)。在一些实施例中，离子阻滞器的定位可基于前述各种因素进一步修改。例如，航天器的移动和/或离子的传递动量可以将离子阻滞器移动到更向前的位置。因此，离子阻滞器可以经由卷筒系统移动到接近航天器，以便增加捕获的离子量。在一些实施例中，离子阻滞器的位置可基于经修改的离子束或离子阻滞器的不同表面几何形状而改变。
在一些实施例中，离子束可以相对于航天器的纵轴向下定向，以补偿航天器和/或离子阻滞器的向前运动。在一些实施例中，横向调整离子束以增加相对于磁场大于或小于90度的航天器的速度矢量。
在一些实施例中，发射两个离子束。两个离子束可以横向发散，使得每个离子束的峰值通量接触离子阻滞器的相应横向侧，以产生推动离子阻滞器到中心位置的相应横向力。
航天器示例
本公开的示例可以在如图2所示的航天器200和如图17所示的航天器制造和服务方法800的上下文中描述。如前所述，图2是航天器200的示意图，该航天器200可包括本文所述的各种推进系统。尽管示出了航空航天示例，但本文所公开的原理可应用于其他产业。
图17是可利用本文所述方法和组件的飞机生产和服务方法的框图。在预生产期间，说明性方法1700可包括航天器200的规范和设计(方框1704)以及材料采购(框1706)。在生产过程中，可以进行航天器200的部件和子组件制造(框1708)和检查系统集成(框1710)。所述设备以及与操作和制造相对应的方法可在航天器200的规范和设计(框1704)、材料采购(框1706)、部件和子组件制造(框1708)以及航天器200的检查系统集成(方框1710)中的任何一个中实现。
此后，航天器200可通过认证和交付(框1712)以投入使用(框1714)。在使用期间，航天器200可被安排以用于常规维护和保养(框1716)。常规维护和保养可包括对航天器200的一个或多个检查系统修改、重新配置、翻新等。所述设备以及与操作和制造相对应的方法可以在认证和交付(框1712)、投入使用(框1714)以及常规维护和保养(框1716)中的任一个中实现。
说明性方法1700的每个过程可以由检查系统集成商、第三方和/或运营商(例如，客户)执行或实施。为了描述的目的，检查系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞机制造商和主要检查系统分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的分包商和供应商；并且运营商可以是航空公司、租赁公司，军事实体、服务组织等。
结论
在上面的描述中，阐述了许多具体细节以提供对本公开的概念的透彻理解，这些概念可以在没有这些具体细节的部分或全部的情况下实践。在其他实例中，省略了已知装置和/或处理的细节，以避免不必要地模糊本公开。
虽然参照本公开的具体实施例具体示出和描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以改变本公开实施例的形式和细节。为了说明和描述的目的，呈现了对不同说明性实施例的描述，并且这些描述不旨在穷尽或限制所公开的形式的实施例。许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。本公开因此旨在被解释为包括落入本公开的真正精神和范围内的所有变形和等同物。因此，本示例应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管为了方便起见，上面以单数形式描述了许多部件和处理，但是本领域技术人员将理解，也可以使用多个部件和重复的处理来实践本公开的技术。
第1项：一种航天器包括：离子推进系统；一条或多条绳索，在条或多条绳索中的每一条的第一端耦接到航天器，其中，一条或多条绳索电绝缘；以及离子阻滞器，耦接到一条或多条绳索中的每一条的第二端。
第2项：根据第1项所述的航天器，其中，离子推进系统被配置为通过在离子速度矢量的方向上发射带电荷的离子束来生成第一推进力，该离子速度矢量包括与行星的磁场垂直的离子矢量分量，其中，磁场使离子束以一定轨迹弯曲地朝向离子阻滞器，使得离子束内的离子被离子阻滞器阻挡，以在离子阻滞器上生成第二推进力。
第3项：根据第2项所述的航天器，其中，离子阻滞器通过接触离子或偏转离子来阻挡离子束内的离子，以在离子阻滞器上生成第二推进力。
第4项：根据第1-3项中任一项所述的航天器，其中，离子阻滞器包括水平宽度大于竖直高度的细长结构。
第5项：根据第4项的航天器，其中，离子阻滞器包括大约为8:1的纵横比。
第6项：根据第1-3项中任一项所述的航天器，其中，离子阻滞器包括细长的圆柱形结构。
第7项：根据第1-3项中任一项所述的航天器，其中，离子阻滞器包括球形或椭球形结构。
第8项：根据第1-7项中任一项所述的航天器，其中，离子阻滞器包括可膨胀的气球。
第9项：根据第1-7项中任一项所述的航天器，其中，离子阻滞器包括通过多个支撑结构稳定的平坦材料板。
第10项：根据第9项所述的航天器，其中，平坦材料板包括开放网格结构。
第11项：根据第1-10项中任一项所述的航天器，其中，离子阻滞器包括与离子阻滞器后侧相对的平坦接触表面，其中，平坦接触表面被配置为接触或偏转离子束中的离子。
第12项：根据第1-11项中任一项所述的航天器，其中，离子阻滞器位于离子束的轨迹的回旋半径的约两倍处。
第13项：根据第2-12项中任一项所述的航天器，其中，离子阻滞器的表面被配置为积累来自接触离子阻滞器的离子的电荷，使得至少一部分后续离子在接触离子阻滞器的表面之前偏转。
第14项：根据第2-13项中任一项所述的航天器，其中，离子阻滞器包括导电或金属化表面。
第15项：根据第2-14项中任一项所述的航天器，其中，离子阻滞器在行星的轨道上从航天器部署。
第16项：根据第2-15项中任一项所述的航天器，其中，行星的重力对离子阻滞器产生恢复力，该恢复力使离子阻滞器稳定而免受离子接触离子阻滞器或离子阻滞器偏转离子所引起的推进力的影响。
第17项：根据第1-16项中任一项所述的航天器，其中，一条或多条绳索的长度可调整。
第18项：根据第1-17项中任一项所述的航天器，其中，一条或多条绳索的长度基于离子束的轨迹的所计算的回旋半径来调整。
第19项：根据第18项所述的航天器，其中，离子束的轨迹的回旋半径基于磁场的方向和磁场的强度来计算。
第20项：根据第19项所述的航天器，其中，一条或多条绳索通过卷筒机构来调整。
第21项：根据第1-20项中任一项所述的航天器，其中，一条或多条绳索包括霍伊特绳索。
第22项：根据第1-21项中任一项所述的航天器，其中，一条或多条绳索包括光纤，该光纤被配置为将电力或数据从离子阻滞器传递到航天器。
第23项：根据第2-22项中任一项所述的航天器，其中，离子推进系统发射氩离子、锂离子以及氖离子中的至少一种。
第24项：根据第2-23项中任一项所述的航天器，其中，离子束扩展成羽流，该羽流在与磁场平行的第一方向上比在与磁场垂直的第二方向上宽得多。
第25项：根据第2-24项中任一项所述的航天器，其中，离子束相对于航天器的纵轴向下倾斜，以补偿航天器的向前运动。
第26项：根据第2-25项中任一项所述的航天器，其中，离子推进系统被配置为沿着电子速度矢量发射电子，该电子速度矢量使所发射的电子与所发射的离子的混合最小化。
第27项：根据第1-26项中任一项所述的航天器，其中，离子束包括非圆形束扩展，该非圆形波束扩展包括大于水平扩展的竖直扩展。
第28项：根据第2-27项中任一项所述的航天器，其中，离子推进系统包括推进器，该推进器被配置为横向调整方向，以增加相对于磁场大于或小于90度的航天器的速度矢量。
第29项：根据第2-28项中任一项所述的航天器，其中，离子推进系统被配置为发射两个横向发散的离子束，其中，每个离子束的峰值通量接触离子阻滞器的相应横向侧，以产生相应横向力，该横向力推动离子阻滞器到中心位置。
第30项：根据第29项所述的航天器，其中，离子阻滞器还包括朝向离子阻滞器前侧延伸的垂直稳定器。
第31项：一种推进系统，包括：离子阻滞器；一条或多条绳索，其中，一条或多条绳索电绝缘，其中，一条或多条绳索中的每一条的第一端耦接到航天器，并且其中，一条或多条绳索中的每一条的第二端耦接到离子阻滞器；以及离子推进器，被配置为通过在离子速度矢量的方向上发射带电荷的离子束来生成第一推进力，该离子速度矢量包括与行星的磁场垂直的离子矢量分量；其中，该磁场使离子束以一定轨迹沿着曲线前行向离子阻滞器，使得离子束内的离子被离子阻滞器阻挡，以在离子阻滞器上生成第二推进力。
第32项：根据第31项所述的推进系统，其中，离子阻滞器通过接触离子或偏转离子来阻挡离子束内的离子。
第33项：根据第31项或第32项所述的推进系统，其中，离子束包括均匀速度的准直离子束。
第34项：根据第31-33项中任一项所述的推进系统，其中，离子阻滞器包括水平宽度大于竖直高度的细长结构。
第35项：根据第34项所述的推进系统，其中，离子阻滞器包括大约为8:1的纵横比。
第36项：根据第31-33项中任一项所述的推进系统，其中，离子阻滞器包括细长的圆柱形结构。
第37项：根据第31-33项中任一项所述的推进系统，其中，离子阻滞器包括球形或椭球形结构。
第38项：根据第31-37项中任一项所述的推进系统，其中，离子阻滞器包括可膨胀的气球。
第39项：根据第31-38项中任一项所述的推进系统，其中，离子阻滞器包括通过多个支撑结构稳定的平坦材料板。
第40项：根据第39项所述的推进系统，其中，平坦材料板包括开放网格结构。
第41项：根据第31-40项中任一项所述的推进系统，其中，离子阻滞器包括与离子阻滞器后侧相对的平坦接触表面，其中，平坦接触表面被配置为接触或偏转离子束中的离子。
第42项：根据第31-41项中任一项所述的推进系统，其中，离子阻滞器位于离子束的轨迹的回旋半径的约两倍处。
第43项：根据第31-42项中任一项所述的推进系统，其中，离子阻滞器的表面被配置为积累来自接触离子阻滞器的离子的电荷，使得至少一部分后续离子在接触离子阻滞器的表面之前偏转。
第44项：根据第31-43项中任一项所述的推进系统，其中，离子阻滞器包括导电或金属化表面。
第45项：根据第31-44项中任一项所述的推进系统，其中，离子阻滞器在行星的轨道上从航天器部署。
第46项：根据第31-45项中任一项所述的推进系统，其中，行星的重力对离子阻滞器产生恢复力，该恢复力使离子阻滞器稳定而不受离子接触离子阻滞器或离子阻滞器偏转离子所引起的推进力的影响。
第47项：根据第31-46项中任一项所述的推进系统，其中，一条或多条绳索的长度可调整。
第48项：第47项所述的推进系统，其中，一条或多条绳索通过卷筒机构来调整。
第49项：根据第47项或第48项所述的推进系统，其中，一条或多条绳索的长度基于离子束轨迹的所计算的回旋半径来调整。
第50项：根据第49项所述的推进系统，其中，离子束的轨迹的回旋半径基于磁场的方向和磁场的强度来计算。
第51项：根据第31-50项中任一项所述的推进系统，其中，一条或多条绳索包括霍伊特绳索。
第52项：根据第31-51项中任一项所述的推进系统，其中，一条或多条绳索包括光纤，该光纤被配置为将电力或数据从离子阻滞器传递到航天器。
第53项：根据第31-52项中任一项所述的推进系统，其中，离子推进器发射氩离子、锂离子以及氖离子中的至少一种。
第54项：根据第31-53项中任一项所述的推进系统，其中，离子束扩展成羽流，该羽流在与磁场平行的第一方向上比在与磁场垂直的第二方向显著得宽。
第55项：根据第31-54项中任一项所述的推进系统，其中，离子束相对于航天器的纵轴向下倾斜，以补偿航天器的向前运动。
第56项：根据第31-55项中任一项所述的推进系统，其中，离子推进器被配置为沿着电子速度矢量发射电子，该电子速度矢量使所发射的电子与所发射的离子的混合最小化。
第57项：根据第31-56项中任一项所述的推进系统，其中，离子束包括非圆形波束扩展，波束扩展包括大于水平扩展的竖直扩展。
第58项：根据第31-57项中任一项所述的推进系统，其中，离子推进器被配置为横向调整方向，以增加相对于磁场大于或小于90度的航天器的速度矢量。
第59项：根据第31-58项中任一项所述的推进系统，其中，离子推进系统被配置为发射两个横向发散的离子束，其中，每个离子束的峰值通量接触离子阻滞器的相应横向侧，以产生相应横向力，该横向力推动离子阻滞器到中心位置。
第60项：根据第59项所述的推进系统，其中，离子阻滞器还包括朝向离子阻滞器前侧延伸的垂直稳定器。
第61项：一种方法，包括：从航天器的离子推进系统发射带电荷的离子束，其中，离子束在离子速度矢量的方向上发射，该离子速度矢量包括与行星的磁场垂直的离子矢量分量，其中，所发射的离子束生成第一推进力，其中，离子束的轨迹经由磁场弯曲；并且利用离子阻滞器阻挡离子束以在该离子阻滞器上生成第二推进力，其中，离子阻滞器经由一条或多条电绝缘绳索从航天器悬挂。
第62项：根据第61项所述的方法，其中，离子阻滞器通过接触离子或偏转离子来阻挡离子束内的离子，以在该离子阻滞器上生成第二推进力。
第63项：根据第61项或第62项所述的方法，还包括基于磁场的方向和磁场的强度确定离子束的轨迹的回旋半径，从而基于所确定的回旋半径定位离子阻滞器。
第64项：根据第63项所述的方法，其中，离子阻滞器的中心位于轨迹的所确定的回旋半径的大约两倍处。
第65项：根据第63项或第64项所述的方法，其中，通过由卷筒机构调整每个绳索的长度来定位离子阻滞器。
第66项：根据第61-65项中任一项所述的方法，其中，磁场的方向和磁场的强度通过测量磁场、或基于航天器相对于行星的高度和位置确定磁场的方向和磁场的强度、或接收关于磁场的数据来确定。
第67项：根据第61-66项中任一项所述的方法，其中，带电荷的离子束包括均匀速度的准直离子束。
第68项：根据第61-67项中任一项所述的方法，其中，离子阻滞器包括水平宽度大于竖直高度的细长结构。
第69项：根据第68项所述的方法，其中，离子阻滞器包括大约为8:1的纵横比。
第70项：根据第61-67项中任一项所述的方法，其中，离子阻滞器包括细长的圆柱形结构。
第71项：根据第61-67项中任一项所述的方法，其中，离子阻滞器包括球形或椭球形结构。
第72项：根据第61-71项中任一项所述的方法，其中，离子阻滞器包括可膨胀的气球。
第73项：根据第61-72项中任一项所述的方法，其中，离子阻滞器包括通过多个支撑结构稳定的平坦材料板。
第74项：第73项所述的方法，其中，平坦材料板包括开放网格结构。
第75项：根据第61-74项中任一项所述的方法，其中，离子阻滞器包括与离子阻滞器的后侧相对的平坦接触表面，其中，平坦接触表面被配置为接触或偏转离子束中的离子。
第76项：根据第61-75项中任一项所述的方法，还包括在行星的轨道上从航天器部署离子阻滞器。
第77项：根据第61-76项中任一项所述的方法，还包括将离子阻滞器定位在离子束的轨迹的回旋半径的约两倍处。
第78项：根据第61-77项中任一项所述的方法，其中，离子阻滞器的表面被配置为积累来自接触离子阻滞器的离子的电荷，使得至少一部分后续离子在接触离子阻滞器的表面之前偏转。
第79项：根据第61-78项中任一项所述的方法，其中，离子阻滞器包括导电或金属化表面。
第80项：根据第61-79项中任一项所述的方法，其中，行星的重力对离子阻滞器产生恢复力，该恢复力使离子阻滞器稳定不受离子接触离子阻滞器或离子阻滞器偏转离子所引起的推进力的影响。
第81项：根据第61-80项中任一项所述的方法，其中，一条或多条绳索包括霍伊特绳索。
第82项：根据第61-81项中任一项所述的方法，其中，一条或多条绳索包括光纤，该光纤被配置为将电力或数据从离子阻滞器传递到航天器。
第83项：根据第61-82项中任一项所述的方法，其中，离子推进系统发射氩离子、锂离子以及氖离子中的至少一种。
第84项：根据第61-83项中任一项所述的方法，其中，离子束扩展成羽流，该羽流在与磁场平行的第一方向上比在与磁场垂直的第二方向上显著得宽。
第85项：根据第61-84项中任一项所述的方法，还包括相对于航天器的纵轴向下引导离子束，以补偿航天器的向前运动。
第86项：根据第61-85项中任一项所述的方法，还包括沿着电子速度矢量发射电子，该电子速度矢量使所发射的电子与所发射的离子的混合最小化。
第87项：根据第61-86项中任一项所述的方法，其中，离子束包括非圆形波束扩展，该扩展包括大于水平扩展的垂直扩展。
第88项：根据第61-87项中任一项所述的方法，还包括横向调整离子推进系统的推进器，以增加相对于磁场大于或小于90度的航天器的速度矢量。
第89项：根据第61-88项中任一项所述的方法，还包括发射两个横向发散的离子束，其中，每个离子束的峰值通量接触离子阻滞器的相应横向侧，以产生相应横向力，该横向力推动离子阻滞器到中心位置。
第90项：根据第89项所述的方法，其中，离子阻滞器还包括朝向离子阻滞器前侧延伸的垂直稳定器。

Claims (15)

1.一种航天器，包括：
离子推进系统；
一条或多条绳索，在所述一条或多条绳索中的每条的第一端处耦接到所述航天器，其中，所述一条或多条绳索电绝缘；以及
离子阻滞器，耦接到所述一条或多条绳索中的每条的第二端。
2.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述离子推进系统被配置为通过在离子速度矢量的方向上发射带电荷的离子束来生成第一推进力，所述离子速度矢量包括与行星的磁场垂直的离子矢量分量，其中所述磁场使所述离子束在轨迹上弯曲朝向所述离子阻滞器，使得所述离子束内的离子被所述离子阻滞器阻挡，以在所述离子阻滞器上生成第二推进力。
3.根据权利要求2所述的航天器，其中，所述离子阻滞器通过接触所述离子或偏转所述离子来阻挡所述离子束内的所述离子，以在离子阻滞器上产生所述第二推进力。
4.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述离子阻滞器包括水平宽度大于竖直高度的细长结构。
5.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述离子阻滞器位于所述离子束的轨迹的回旋半径的两倍处。
6.根据权利要求2所述的航天器，其中，所述离子阻滞器的表面被配置为积累来自接触所述离子阻滞器的离子的电荷，使得后续离子的至少一部分在接触所述离子阻滞器的所述表面之前偏转。
7.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述一条或多条绳索中的每条的长度基于所述离子束的轨迹的所计算的回旋半径来调整，并且
其中，所述离子束的所述轨迹的所述回旋半径基于磁场的方向和所述磁场的强度来计算。
8.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述一条或多条绳索包括光纤，所述光纤被配置为将电力或数据从所述离子阻滞器传输到所述航天器。
9.根据权利要求2所述的航天器，其中，所述离子推进系统被配置为沿着电子速度矢量发射电子，所述电子速度矢量使所发射的电子与所发射的离子的混合最小化。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的航天器，其中，所述离子阻滞器还包括垂直稳定器，所述垂直稳定器向所述离子阻滞器的前侧延伸。
11.一种推进系统，包括：
离子阻滞器；
一条或多条绳索，其中，所述一条或多条绳索电绝缘，其中，所述一条或多条绳索中的每条的第一端耦接到航天器，并且其中，所述一条或多条绳索中的每条的第二端耦接到所述离子阻滞器；以及
离子推进器，被配置为通过在离子速度矢量的方向上发射带电荷的离子束来生成第一推进力，所述离子速度矢量包括与行星的磁场垂直的离子矢量分量；
其中，所述磁场使所述离子束在轨迹上弯曲朝向所述离子阻滞器，使得所述离子束内的离子被所述离子阻滞器阻挡，以在所述离子阻滞器上生成第二推进力。
12.根据权利要求11所述的推进系统，其中，所述离子阻滞器位于所述离子束的所述轨迹的回旋半径的两倍处，并且其中，所述离子阻滞器通过接触所述离子或偏转所述离子来阻挡所述离子。
13.根据权利要求11或12所述的推进系统，其中，所述离子阻滞器包括水平宽度大于竖直高度的细长结构。
14.一种增强离子推进航天器的推力的方法，包括：
从航天器的离子推进系统发射带电荷的离子束，其中，所述离子束在离子速度矢量的方向上发射，所述离子速度矢量包括与行星的磁场垂直的离子矢量分量，其中，所发射的离子束生成第一推进力，其中，所述离子束的轨迹经由所述磁场而弯曲；并且
利用离子阻滞器阻挡所述离子束，以在所述离子阻滞器上生成第二推进力，其中，所述离子阻滞器经由一条或多条电绝缘绳索从所述航天器悬挂。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
基于所述磁场的方向和所述磁场的强度来确定所述离子束的所述轨迹的回旋半径，
基于所确定的所述回旋半径来定位所述离子阻滞器，并且
其中，所述离子阻滞器的中心位于所述轨迹的所确定的所述回旋半径的两倍处。
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