CN209228552U - 离子推进器、卫星和空间探测器 - Google Patents

离子推进器、卫星和空间探测器 Download PDF

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Abstract

离子推进器、卫星和空间探测器。本实用新型涉及离子推进器，离子推进器包括：舱室；容器，容器包括容纳在舱室中的固体推进剂，并且包括设置有孔的导电护套；用于在舱室中形成离子‑电子等离子体的装置，该装置能够使容器中的固体推进剂升华，然后在舱室中从通过孔来自容器的升华的推进剂生成等离子体；用于提取和加速来自舱室的等离子体中的离子和电子的装置，该装置包括在舱室的一个端部处的至少两个格栅；射频AC电压源，该射频AC电压源用于生成包括在离子的等离子体频率到电子的等离子体频率之间的射频信号，该源与电容器串联设置并且通过其一个输出端并经由该电容器(53)连接至一个格栅，并且另一格栅连接至所述电压源的另一输出端。

Description

离子推进器、卫星和空间探测器
技术领域
本实用新型涉及一种包括集成固体推进剂的等离子体推进器。
本实用新型更精确地涉及一种包括集成固体推进剂的带格栅离子推进器。
本实用新型可以应用于卫星或空间探测器。
更具体地说，本实用新型可以应用于小型卫星。典型地讲，本实用新型将具有用于重量在6kg到100kg之间(可选地能够达到500kg的范围)的卫星的应用。一个特别有趣的应用案例涉及其中基础模块(U)的重量小于1kg并且尺寸为10cm*10cm *10cm的“CubeSat”。根据本实用新型的等离子体推进器具体可以被集成到模块1U 或半模块(1/2U)中，并且按2(2U)、3(3U)、6(6U)、12(12U)或更多的若干模块的堆叠来使用。
背景技术
已经提出了固体推进剂等离子体推进器。
根据它们是否实施等离子体舱室(chamber)，可以将它们分成两类。
在Keidar等人的文章"Electric propulsion for small satellites",PlasmaPhys.Control. Fusion,57(2015)(D1)中，描述了用于由固体推进剂产生等离子体的各种技术，全部基于固体推进剂的烧蚀。固体推进剂在没有等离子体舱室的情况下直接送到外部空间，即，用于卫星或空间探测器的空间。
根据第一种技术，将Teflon(固体推进剂)设置在阳极和阴极之间，在阳极和阴极之间进行放电。这种放电导致Teflon的烧蚀，其电离和加速主要以电磁方式，以直接在外部空间中产生离子束。
根据第二种技术，使用激光束来执行固体推进剂的烧蚀和电离，例如，PVC或离子的加速通常以电磁方式进行。
根据第三种技术，将绝缘体设置在阳极与阴极之间，全部处于真空中。将阴极金属用作烧蚀材料以产生离子。以电磁方式执行加速。
本文档中描述的技术使得可以获取相对紧凑的推进器。实际上，固体推进剂被烧蚀、电离并且离子被加速，以确保一体化装置的推进。
然而，结果是没有对固体推进剂的升华、等离子体的升华以及离子束的升华进行单独控制。
具体来说，由于不存在用于控制由固体推进剂的烧蚀而引起的等离子体的密度以及离子的速度的单独装置的事实，因而离子束或多或少地受到控制。从而，无法分别控制推进器的推力和特定脉冲。
当实施等离子体舱室时，通常不存在这种缺点。
Polzin等人在美国航天航空学会(American Institute of Aeronautics andAstronautics)的文章“Iodine Hall Thruster Propellant Feed System for aCubeSat”(D2) 提出了一种用于在霍尔效应下运行的推进器的固体推进剂进料系统。
该进料系统可以被用于实现等离子体舱室的任何推进器。
实际上，在文章D2中，固体推进剂(这里，碘I2)储存在容器(reservoir)中。用于加热的装置与容器相关联。用于加热的装置可以是放置在容器外侧的、能够接收外部辐射的部件。这样，当容器被加热时，双原子碘升华。气态双原子碘从容器中排出并导向相对于该容器在某一距离定位的舱室，在该舱室，其被电离以形成等离子体。这里，电离经由霍尔效应执行。进入等离子体舱室的气体的流率由设置在容器与该舱室之间的阀来控制。文相对于献D1中描述的技术而言，同样可以执行对双原子碘的升华和等离子体的特性的更好控制。
此外，从舱室离开的离子束的特性可以通过用于提取和加速离子的装置来控制，该装置与被实现成使固体推进剂升华并产生等离子体的装置分离。
因此，该系统与文献1中描述的系统相比具有许多优点。
然而，在文献D2中，这种进料系统的存在使得等离子体推进器几乎不紧凑，结果，几乎不能被考虑用于小型卫星，特别是用于“CubeSat”类型的模块。
在US 8610356(D3)中，还提出了使用储存在相对于等离子体舱室在某一距离定位的容器中的注入碘I2的推进剂的系统。通过安装在容器出口处并连接至容器温度控制回路的温度和压力传感器来执行对从容器排出的双原子碘气体流率的控制。
而且，在这里，该系统不是非常紧凑。
在与文献D2或D3中提出的系统相同类型的系统中，还可以提及文献US 6609363(D4)。
应注意到，US 7059111(D5)中已经提出了处于等离子体舱室中的集成推进剂等离子体推进器。基于霍尔效应的这种等离子推进器因此能够比文献D2、D3或D4 中提出的推进器更紧凑。相对于文献D1而言，其还能更好地控制推进剂的蒸发、等离子体以及离子的提取。然而，推进剂以液态储存，并使用额外的电极系统来控制从容器排出的气体流率。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服前述缺点中的至少一个。
为了实现该目的，本实用新型提出了一种离子推进器，特征在于，其包括：
-舱室，
-包括固体推进剂的容器，所述容器被容纳在所述舱室中，并且包括设置有至少一个孔(orfice)的导电护套；
-用于在所述舱室中形成离子-电子等离子体的一组装置，所述一组装置能够使所述容器中的所述固体推进剂升华，以形成气态推进剂，然后在所述舱室中从通过所述至少一个孔来自所述容器的所述气态推进剂生成所述等离子体；
-用于提取和加速来自所述舱室的所述等离子体中的离子的装置，用于提取和加速的所述装置包括：
·或者电极，所述电极容纳在所述舱室中，位于所述舱室的一个端部处的格栅与该电极相关联，所述电极具有比所述格栅的表面大的表面，
·或者一组至少两个格栅，其位于所述舱室的一个端部处；
-射频DC电压源或AC电压源，该射频DC电压源或AC电压源与电容器串联设置并且适于生成处于离子的等离子体频率与电子的等离子体频率之间的射频信号，所述射频DC或AC电压源通过其输出端(output)中的一个输出端连接至用于提取和加速来自所述舱室的所述等离子体中的离子的装置，并且更精确地：
·或者连接至所述电极，
·或者连接至所述一组至少两个格栅中的一个格栅，
所述格栅与所述电极相关联，或者根据情况，所述一组至少两个格栅中的另一格栅或者被设定成基准电位，或者连接至所述射频AC电压源的输出端中的其它输出端；
用于提取和加速的所述装置和所述射频DC或AC电压源使得可以在所述舱室的输出端处形成包括至少离子束。
所述推进器还可以包括分离或组合采用的以下特性中的至少一个：
-连接至用于提取和加速的所述装置的所述电压源是射频AC电压源，并且用于形成所述离子-电子等离子体的所述一组装置包括由该同一射频AC电压源通过装置供电的至少一个线圈，该装置用于管理一方面沿所述至少一个线圈的方向以及另一方面沿用于提取和加速所述装置的方向由所述射频电压源的提供的信号，以在所述舱室的所述输出端处形成离子束和电子束；
-用于形成所述离子-电子等离子体的所述一组装置包括：由射频AC电压源供电的至少一个线圈，该射频AC电压源不同于连接至用于提取和加速的所述装置的所述射频AC或DC电压源，或者由微波AC电压源供电的至少一个微波天线；
-连接至用于提取和加速的所述装置的所述电压源是射频AC电压源，以在所述舱室的所述输出端处形成离子束和电子束；
-用于提取和加速的所述装置是位于所述舱室的一个端部处的一组至少两个格栅，至少部分地通过调节来自连接至用于提取和加速的所述装置的所述射频AC电压源的正电位和/或负电位的施加持续时间，来获取所述离子束和电子束的电中性；
-用于提取和加速的所述装置是位于所述舱室的一个端部处的一组至少两个格栅，至少部分地通过调节来自连接至用于提取和加速的所述装置的所述射频AC电压源的正电位和/或负电位的幅度，来获取所述离子束和电子束的电中性；
-连接至用于提取和加速的所述装置的所述电压源是DC电压源，以在所述舱室的所述输出端处形成离子束，并且所述推进器还包括用于将电子注入所述离子束中以提供电中性的装置；
-所述容器包括位于所述固体推进剂与设置有至少一个孔的所述护套之间的隔膜，所述隔膜包括至少一个孔，并且，所述隔膜的所述孔或每个孔的表面大于所述容器的所述护套的所述孔或每个孔的表面；
-所述格栅或每个格栅具有孔，所述孔的形状选自以下形状：圆形、方形、矩形或采用狭缝形式，具体地平行狭缝；
-所述格栅或每个格栅都具有圆形孔，所述圆形孔的直径在0.2mm到10mm之间，例如，在0.5mm到2mm之间；
-当来自所述舱室的用于提取和加速的所述装置包括位于所述舱室的所述端部处的一组至少两个格栅时，两个格栅之间的距离在0.2mm到10mm之间，例如在 0.5mm到2mm之间；
-所述固体推进剂选自：双原子碘、与其它化学成分混合的双原子碘、二茂铁、金刚烷或砷。
本实用新型还涉及一种卫星，该卫星包括根据本实用新型的推进器、以及连接至所述推进器的所述或每个DC或AC电压源的能量源，例如，电池或太阳能面板。
本实用新型还涉及一种空间探测器，该空间探测器包括根据本实用新型的推进器、以及连接至所述推进器的所述或每个DC或AC电压源的能量源，例如，电池或太阳能面板。
附图说明
应当更好地理解本实用新型，当阅读下面的描述时，后面的其它目的、优点以及特性将更清楚地显而易见，并且参照附图给出，其中：
图1是根据本实用新型的第一实施方式的等离子体推进器的图解视图；
图2是图1所示的第一实施方式的另选例的图解视图；
图3是图1所示的第一实施方式的另一另选例的图解视图；
图4是图1所示的第一实施方式的另一另选例的图解视图；
图5是根据本实用新型的第二实施方式的等离子体推进器的图解视图；
图6是图5所示的第二实施方式的另选例的图解视图；
图7是图5所示的第二实施方式的另一另选例的图解视图；
图8是图5所示的第二实施方式的另一另选例的图解视图；
图9是图8所示的等离子体推进器的另选实施方式的图解视图；
图10是本实用新型的第三实施方式的图解视图；
图11是能够在根据本实用新型的等离子体推进器中使用的固体推进剂容器的截面图，与所考虑的实施方式无关，其环境允许将其安装在等离子体舱室内；
图12是图9所示的容器的分解图；
图13是在用作固体推进剂的双原子碘(I2)的情况下提供根据温度，双原子碘蒸汽的压力的变化的曲线；
图14以图解方式示出了包括根据本实用新型的等离子体推进器的卫星；
图15以图解方式示出了包括根据本实用新型的等离子体推进器的空间探测器。
具体实施方式
图1中示出了根据本实用新型的离子推进器100的第一实施方式。
推进器100包括等离子体舱室10、和容纳在舱室10中的固体推进剂PS的容器 20。更精确地说，容器20包括包含固体推进剂PS的导电护套21，并且该护套21设置有一个或多个孔22。将固体推进剂容器20容纳在舱室10中向推进器提供了更大的紧凑性。
推进器100还包括射频AC电压源30和由射频AC电压源30供电的一个或多个线圈40。该线圈或每个线圈40可以具有一个或多个绕组。在图1中，提供了包括多个绕组的单个线圈40。
由射频AC电压源30供电的线圈40在导电的容器20中感应出电流(涡流)。在容器中感应的电流引起对容器20加热的焦耳效应。如此产生的热经由热传导和/或热辐射传递至固体推进剂PS。加热固体推进剂PS接着可以使固体推进剂PS升华，这样就将推进剂置于气态。然后，气态推进剂沿舱室10的方向穿过容器20的一个或多个孔22。此外，该同组装置30、40使得可以通过电离舱室10中的为气态的推进剂而在舱室10中产生等离子体。这样形成的等离子体通常是离子-电子等离子体(应注意到，等离子体舱室还包括中性物质(气态推进剂)，因为一般来说，并非所有气体都被电离以形成等离子体)。
因此，相同的射频AC电压源30被用于使固体推进剂PS升华并在舱室10中产生等离子体。在这里的情况下，单个线圈40也被用于该目的。然而，可以考虑设置多个线圈，例如，为了使固体推进剂PS升华的线圈、和用于产生等离子体的线圈。通过利用多个线圈40，那么可以增加舱室10的长度。
更精确地说，舱室10和容器20最初处于相同的温度。
当实施源30时，通过该线圈或多个线圈40加热的容器的温度增加。固体推进剂 PS的温度也增加，并且推进剂与容器的护套21热接触。
这导致容器20内的固体推进剂PS升华，并且随后伴随着该容器中的温度T1的增加，容器20内的气态推进剂的压力P1增加。
然后，在容器20与舱室10之间的压力差的作用下，气态的推进剂沿舱室10的方向穿过该孔或每个孔22。
当舱室10中的温度和压力条件足够大时，由源30和该线圈或多个线圈40形成的单元使得可以在舱室10中产生等离子体。在这个阶段，固体推进剂PS然后被等离子体的带电粒子更充分地加热，该线圈或多个线圈被等离子体中鞘层(sheath)的存在(趋肤效应)以及等离子体中粒子自身电荷的存在所屏蔽。
在存在等离子体(推进器在运行)的情况下，应注意到，可以通过连接至容器 20的热交换器(未示出)的存在来更好地控制容器20的温度。
可以在容器20上设置一个或多个孔22，这不重要。只有孔的整个表面，若设置有多个孔的话，则所有这些孔的表面是重要的。其尺寸估计(sizing)将取决于所使用的固体推进剂的性质以及针对等离子体的希望操作参数(温度、压力)。
因此，这种尺寸估计将逐案进行。
通常，根据本实用新型的推进器的尺寸估计将包括以下步骤。
首先限定舱室10的体积以及该舱室10中所需的标称操作压力P2和在舱室10 的输出端处所需的正离子的质量流率m'。这些数据可以通过数字建模或通过常规测试获取。应注意到，该质量流率(m')基本上对应于在容器20与舱室10之间发现的质量流率。
然后，选择用于容器20的希望温度T1。
由于该温度T1是固定的，所以气态推进剂的相应压力可以是已知的，即容器20 中的这种气体的压力P1(在双原子碘I2的情况下，参见图13)。
已知如所指的P2、m'、P1以及T1，可以从中获得孔的表面A，或者若设置有多个孔的话，则获得所有孔的表面。然而，有利的是，设置多个孔，以确保舱室10内的气态推进剂更均匀的分布。
然而，下文中，提供了尺寸估计示例。
然后可以估计在推进器100停止时在容器20与舱室10之间的气态推进剂的泄漏。实际上，在这种情况下，孔的表面A已知，正如P1、T1以及P2，P1、T1以及 P2使得可以获取m'(泄漏率)。在实践中，示出了，相对于在使用期间从容器20传递至舱室10的气态推进剂流率，在停止时泄漏最小。这就是为什么在本实用新型的框架下在孔上不需要存在阀。
对于固体推进剂来说，可以考虑如下：双原子碘(I2)，双原子碘(I2)与其它化学成分的混合物、金刚烷(原(crude)化学式：C10H16)或二茂铁(原化学式：Fe(C5H5)2)。还可以使用砷，但其毒性使得很少考虑将其用作固体推进剂。
有利的是，双原子碘(I2)将用作固体推进剂。
这种推进剂确实有多个优点。如图13所示，曲线提供了在双原子碘(I2)的情况下，根据温度T，双原子碘气体的压力P的变化。该曲线可以用下面的公式来近似：
Log(P)＝-3512.8*(1/T)-2,013*log(T)+13.374(F1)
其中：
P，压力(单位为托)；
T，温度(单位为开尔文)。
该公式可以在"The Vapor Pressure Iodine",G.P.Baxter,C.H.Hickey,W.C.Holmes, J.Am.Chem.Soc.,1907,29(2)pp.12-136中获取。该公式还在"The normalVapor Pressure of Crystalline Iodine",L.J.Gillespie,&al.,J.Am.Chem Soc.,1936,vol.58(11), pp 2260-2263中提到。这个公式一直是各个作者实验验证的对象。
当推进器从停止模式切换成标称操作模式时，可以认为温度增加了大约50K。在300K到400K之间的温度范围内，该图13示出了对于温度增加50K来说，双原子碘气体的压力实际上增加了100倍。
而且，当推进器处于停止模式时，通过该孔或每个孔22的碘气体的泄漏非常低，并且比在推进器100处于标称操作时，沿舱室10的方向经过该孔或多个孔22的双原子碘气体的量小大约100倍。
根据本实用新型的推进器的标称操作温度与在其停止时的温度之间的更大差异将仅降低通过气态推进剂的泄漏而造成的相对损失。
从而，与文献D2相反，根据本实用新型的使用双原子碘(I2)作为推进剂的推进器100不需要实现用于该孔或每个孔的阀。这可以尽可能多地简化推进器的设计，并提供良好的可靠性。控制气态推进剂的流率通过控制容器20的温度、通过射频AC 电压源30供给线圈30的电力，以及可选地，如上文所述，通过连接至容器20的热交换器的存在来进行。因此该控制与文献D3中执行的控制不同。
推进器100还包括用于从舱室20中提取和加速等离子体的带电粒子(正离子和电子)的装置50，以在舱室20的输出端处形成带电粒子束70。在图1中，该装置 50包括位于舱室10的一个端部E(输出端)处的格栅51和容纳在舱室10内的电极 52，并且该电极52具有结构上比格栅51的表面大的表面。在某些情况下，电极52 可以由容器20的导电的壁本身形成。
电极52通过电绝缘体58与舱室的壁绝缘。
格栅51可以具有不同形状(例如，圆形、方形、矩形，或采用狭缝形式，具体为平行狭缝)的孔。具体来说，在圆形孔的情况下，孔的直径可以在0.2mm到10mm 之间，例如，在0.5mm到2mm之间。
为了确保这种提取和加速，装置50连接至射频AC电压源30。射频AC电压源 30因此另外提供了对用于提取和加速来自舱室10的带电粒子的装置50的控制。这受到特别关注，因为其可以将推进器100的紧凑性进一步增加的稍多一些。另外，对用于通过射频AC电压源30提取和加速的装置50的这种控制使得可以更好地控制带电粒子束70，并且这与具体在文章D1中提出的技术相反。最后，这种控制还使得可以在舱室10的输出端处获取具有非常好的电中性的射束，而无需为此实施任何外部装置。换句话说，由用于提取和加速等离子体的带电粒子的装置50和射频AC电压源30所形成的单元因此还使得可以在舱室10的输出端处获取射束70的中和。推进器10的紧凑性如此增加，这对于将这种推进器100用于小卫星(<500kg)特别有利，特别是微卫星(10kg-100kg)或纳卫星(1kg至10kg)，例如“CubeSat”类型。
为此，格栅51通过用于管理由所述射频电压源30提供的信号的装置60连接至射频电压源30，并且电极52通过电容器53和用于管理由所述射频电压源30提供的信号的装置60串联连接至射频电压源30。此外，格栅51被设定成基准电位55，例如，地。同样地，射频AC电压源30的、未连接至装置60的输出端也被设定成同一基准电位55，根据该示例为接地。
在实践中，对于空间领域方面的应用，该基准电位可以是安装有推进器100的空间探测器或卫星的基准电位。
用于管理由所述射频电压源30提供的信号的装置60因此形成这样的装置60，即，该装置60使得可以一方面沿该线圈或每个线圈40的方向以及另一方面沿用于提取和加速来自舱室10的离子和电子的装置50的方向发送由射频AC电压源30提供的信号。
对源30(RF-射频)进行调节，以定义一个脉冲ωRF，使得ωpi≤ωRF≤ωpe，其中：
是电子的等离子体脉冲，而是正离子的等离子体脉冲；其中：
e0，电子的电荷，
ε0，真空的介电常数，
np，等离子体的密度，
mi，离子的质量，以及
me，电子的质量。
应注意到，由于mi>>me的事实，ωpi<<ωpe。
一般来说，根据用于在舱室10中形成等离子体的推进剂以及这个，由源30提供的信号的频率可以在几MHz到几百MHz之间，以在离子的等离子体频率与电子的等离子体频率之间。13.56MHz的频率通常非常适合，但也可以考虑以下频率：1MHz、 2MHz甚或4MHz。
电子束70的电中性由用于提取和加速的系统50的电容性质来提供，由于存在电容器53，因而平均起来，随着时间推移提取的正离子和电子一样多。
在这个框架下，由射频AC电压源30产生的信号的形式可以是任意的。然而，可以提供的是，由射频AC电压源30提供给电极52的信号是矩形的或正弦的。
针对第一实施方式的用于提取和加速等离子体中的带电粒子(离子和电子)的操作原理如下。
根据构造，与位于舱室10的输出端处的格栅51的表面相比，电极52具有更大的表面，并且通常明显更大。
一般来说，在具有大于格栅51的表面的电极52上施加电压RF，具有一方面在电极52与等离子体之间的界面上和另一方面在格栅51与等离子体之间的界面上产生额外电位差的效应，从而增加了电位RF的差异。这种电位的总差异分布在鞘层上。鞘层是形成在(一方面)格栅51或电极52与(另一方面)等离子体之间的空间，其中，正离子的密度高于电子的密度。该鞘层因施加至电极52的信号RF可变而具有可变的厚度。
然而，在实践中，施加在电极52上的信号RF的大部分效果位于格栅51的鞘层中(电极-格栅系统可以被看作具有两个不对称壁的电容器，在这种情况下，电位差施加在具有最低电容的部分上，因此具有最低的表面)。
在存在与源RF 30串联的电容器53的情况下，由于电容器53的主要处于格栅 51的鞘层上的电荷，因而施加的信号RF为了得到效果而必须将电压RF转换成恒定的DC电压。
格栅51的鞘层中的该恒定DC电压意味着正离子被恒定地提取并被加速(连续地)。实际上，DC电位的这种差异为了得到效果必须使等离子体电位为正值。从而，等离子体的正离子沿格栅51的方向上被恒定地加速(在基准电位下)，并因此通过该格栅51从舱室10中提取。正离子的能量对应于DC电位(平均能量)的这种差异。
电压RF的变化使得可以改变等离子体与格栅51之间的电位RF+DC的差异。在格栅51的鞘层上，这导致该鞘层的厚度发生变化。当这个厚度变得小于临界值(这因信号RF的频率以给定规则间隔发生一段时间)时，格栅51与等离子体之间的电位差接近零值(因此等离子体电位接近基准电位)，这使得可能提取电子。
在实践中，蔡尔德定律给出了这样的等离子体电位(＝临界电位)，即，在该等离子体电位之下，可以加速和提取电子，其将该临界电位与该鞘层的临界厚度链接，在该临界厚度之下，该鞘层会消失(“鞘层崩溃”)。
只要等离子体电位低于临界电位，就存在电子和离子的加速以及电子和离子的同时提取。
可以像这样获取在舱室10等离子体的输出端处的正离子束和电子束70的良好电中性。
图2示出了图1中所示的第一实施方式的另选实施方式。
相同标号指定相同组件。
图2所示推进器相对于图1所示推进器之间的区别在于这样的事实，即，容纳在舱室10内部的电极52被抑制并且将格栅52'添加在舱室10的端部E(输出端)上。
换句话说，用于提取和加速等离子体的带电粒子的装置50包括位于舱室10的一个端部E(输出端)处的一组至少两个格栅51、52'，其中，该组至少两个格栅51、 52'中的至少一个格栅51通过用于管理由所述射频电压源30提供的信号的装置60连接至射频电压源30，并且该组至少两个格栅51、52'中的至少另一个格栅52'通过电容器53和用于管理由所述射频电压源30提供的信号的装置60串联连接至射频电压源30。
格栅52'与射频电压源30的连接(图2中)和电极52与该源30的连接(图1中) 相同。
每个格栅51、52'可以具有不同形状(例如，圆形、方形、矩形，或采用狭缝形式，具体为平行狭缝)的孔。具体来说，在圆形孔的情况下，孔的直径可以在0.2mm 到10mm之间，例如，在0.5mm到2mm之间。
此外，两个格栅52'，51之间的距离可以在0.2mm到10mm之间，例如在0.5mm 到2mm之间(确切选择取决于电压DC和等离子体的密度)。
在该另选例中，正离子和电子的提取操作和加速操作如下。
当通过源30施加电压RF时，电容器53充电。电容器53的电荷然后在电容器 53的端子处产生直流电压DC。然后，在由源30和电容器53所形成的单元的端子处，获取电压RF+DC。然后电压RF+DC的恒定部分使得可以定义两个格栅52'、51之间的电场，其中，唯一的信号RF的平均值为零。因此，该值DC使得可以连续地提取和加速通过两个格栅51、52'的正离子。
此外，当施加这个电压RF时，等离子体遵循施加在格栅52'上的电位，格栅52' 与等离子体接触，即RF+DC。至于另一格栅51(基准电位55，例如，地)，它也与等离子体接触，但是只有在利用正离子提取电子的短时间间隔期间，即，在电压RF+ DC小于临界值时，其中，低于所述临界值，鞘层消失。该临界值由蔡尔德定律定义。
在舱室10的输出端处的射束70的电中性同样如此。
此外，应注意到，针对图2的该实施方式，至少部分地通过调节来自射频AC电压源30的正电位和/或负电位的施加持续时间，可以获取离子束和电子束70的电中性。至少部分地通过调节来自射频AC电压源30的正电位和/或负电位的幅度，也可以获取离子束和电子束70的这种电中性。
针对该另选例的关注在于，相对于图1所示实施方式并且在舱室10的端部E处实施格栅51和在舱室中容纳有具有大于格栅51的表面的电极52以提供更好控制正离子的轨迹。这链接到这样的事实：在图1的第一实施方式的情况下，在串联的射频 AC电压源30和电容器53的作用下，并且不在等离子体和格栅51之间的鞘层上(参见上文)，在两个格栅52'、51之间产生DC(直流)电位差。
因此，参照在图1所示第一实施方式的情况下发生的情况，利用图2所示的另选实施方式，保证更多正离子通过格栅52'的孔，而不接触该格栅52'的壁。
另外，通过格栅52'的孔的正离子也不接触到格栅51的壁，其从这些离子的角度来看，仅通过格栅52'的孔可见。从而，根据该另选实施方式的格栅52'、51的使用寿命相对于图1的第一实施方式的格栅41的使用寿命得以提高。
所得推进器100的使用寿命因此得以提高。
最后，因为正离子可以被该组至少两个格栅51、52'集中(focus)，所以提高了效率，并且中性物质的流动因针对这些中性物质的透明度增加的事实而减少。
图3示出了图1的第一实施方式的另一另选例，对于该另选例来说，格栅51通过其两个端部连接至射频AC电压源30。
其余部分都相同，并以相同方式操作。
图4示出了针对图2的另选例的另选实施方式，对于其来说，格栅51通过其两个端部连接至射频AC电压源。
其余部分都相同，并以相同方式操作。
因此，图3和图4中所示的另选例不需要针对格栅51实施基准电位。在空间领域，严格来说，这样的连接确保(一方面)在安装有推进器100的空间探测器或卫星的外部导电部分与(另一方面)用于提取和加速带电粒子的装置50之间不存在循环的寄生电流。
图5示出了根据本实用新型的离子推进器的第二实施方式。
这是针对图1所示第一实施方式的另选例，并且对另选例来说，设置第一射频 AC电压源30以管理来自舱室10的等离子体的带电粒子的提取和加速，并设置与第一射频AC电压源30分离的第二AC电压源30'。
其余部分相同，并以相同方式操作。
在这种情况下，用于管理由单个射频AC电压源30提供的信号的装置60(如图 1至图4中提出的)不再有任何意义。
这种另选例使得可以具有更多的灵活性。
实际上，如果用于提取和加速来自等离子体的带电粒子的源30保持频率在离子的等离子体频率与电子的等离子体频率之间的射频AC电压源，那么源30'可以产生不同的信号。
例如，源30'可以产生与用于加热导电容器20的护套21(例如由金属材料制成) 的一个或多个线圈40相关联的射频AC电压信号，蒸发固体推进剂，然后在舱室10 中产生等离子体，其中频率不同于源30的操作频率。源30'的操作频率具体可以高于源30的操作频率。
根据另一示例，源30'可以产生频率对应于微波的、与一个或多个微波天线40相关联AC电压信号。
图6示出了图5所示第二实施方式的另选例。
图5所示的推进器100与图1所示的推进器之间的区别在于这样的事实：容纳在舱室10内部的电极52被抑制并且将格栅52'添加在舱室10的端部E(输出端)上。
其余部分相同，并以相同方式操作。
换句话说，图6所示的另选例与图5的第二实施方式之间的区别与图2所示的另选例与图1的第一实施方式之间的上文所示的区别相同。
图7示出了图5的第二实施方式的另一另选例，对于该另选例来说，格栅51连接至射频AC电压源30。
其余部分都相同，并以相同方式操作。
图8示出了针对图6所示另选例的另选实施方式，对于该另选实施方式来说，格栅51连接至射频AC电压源30。
其余部分都相同，并以相同方式操作。
因此，图7和8中所示的另选例不需要针对格栅51实施基准电位55。如上文解释的，在空间领域，严格来说，这样的连接确保(一方面)在安装有推进器100的空间探测器或卫星的外部导电部分与(另一方面)用于提取和加速带电粒子的装置50 之间不存在循环的寄生电流。
图9示出了针对图8所示的推进器100的另选实施方式。
该另选实施方式与图8所示的实施方式不同之处在于这样的事实：容器20包括用于将气态推进剂注入等离子体舱室10的两个级E1、E2。
实际上，在图8中以及在所有图1至图7中的其它地方，容器20包括护套21，护套21的壁上设置有一个或多个孔22，因此定义了具有单级的容器。
反之，在图9所示的另选例中，容器还包括隔膜22'，该隔膜22'包括至少一个孔22"，并且该隔膜22'将容器分成两个级E1、E2。更精确地说，容器20包括位于固体推进剂PS与设置有至少一个孔22的护套21之间的隔膜22'，所述隔膜22'包括至少一个孔22"，隔膜22'的该孔或每个孔22"的表面大于容器20的护套21的该孔或每个孔22的表面。
该另选例关注于：当考虑到容器20的护套21上的该孔或每个孔22的尺寸估计，以具体获取等离子体舱室10中的希望操作压力P2时，这导致限定了太小的孔。这些孔因而可能无法在技术上生产。尽管在技术上可生产，但这些孔也可能太小而不能确保固体推进剂的粉尘以及更通常的杂质在使用期间不会堵塞孔口22。
在这种情况下，对膜22'的该孔或每个孔22"按这样的方式进行尺寸估计，即，其大于在容器20的护套21上形成的该孔或每个孔22，该孔或每个孔22保持尺寸估计以在等离子体舱室10中获取希望操作压力P2。
当然，针对根据图1至图7描述的所有实施方式，可以考虑具有两级的容器20。
图10示出了根据本实用新型的离子推进器的第三实施方式。
该图是针对图8的实施方式的另选例(均连接至电压源的格栅52'和51')。然而，其也适用于图6中的另选例(连接至源的格栅52'和连接至地的格栅51)、图7中的另选例(电极52和格栅51都连接至电压源)、图5中的另选例(连接至电源的电极 52和连接至地的格栅51)和图9中的另选例。
这里所示的推进器100能够在舱室10等离子体的输出端处形成正离子束70'。为此，射频AC电压源30被直流电压源(DC)30"代替。为了确保射束70'的电中性，通过舱室外部的装置80、81将电子注入到射束70'中。该装置包括为电子发生器81 供电的电源80。离开电子发生器81的电子束70"被引导到正离子束70'以确保电中性。
图11和图12示出了可以被考虑用于根据图1、图3、图5或图7的实施方式的等离子体舱室10及其用于推进器100的环境的设计。
在这些图中，识别等离子体舱室10、具有其护套21和孔22的容器20。容器20 还被用作电极52。在这里的情况下，已经示出了三个孔22，所述三个孔22围绕容器 20的对称轴AX均匀分布。护套21由导电材料(例如，金属(例如，铝、锌或被金覆盖的金属材料))制成或由金属合金(例如，不锈钢或黄铜)制成。因此，在AC 电压源30、30'和线圈40的作用下，或者根据情况，在微波天线40的作用下，可以在容器20的护套21中产生涡流和随后的焦耳效应。容器20的护套21与固体推进剂 PS之间的热传递可以经由热传导和/或热辐射来进行。
舱室10夹在两个环201、203之间，这两个环201、203通过沿舱室10(纵轴AX)延伸的中间杆202、204、205安装在一起。舱室10由电介质材料(例如，陶瓷) 制成。环和杆的紧固可以用螺栓/螺母(未示出)进行。环可以由金属材料制成，例如由铝制成。至于杆，它们例如由陶瓷或金属材料制成。
由环201、203以及杆202、204、205这样形成的单元允许通过夹着一个环203 的中间附加部分207、207'将舱室10及其环境紧固在打算接收推进器的系统(图11 和12中未示出)(例如，卫星或空间探测器)上。
尺寸估计示例
测试了根据图1所示的离子推进器100。
等离子体舱室10及其环境与利用图11和12所描述的一致。材料选择的最大可接受温度为300℃。
所用的固体推进剂PS是双原子碘(I2，干重大约50g)。
为了将双原子碘气体从容器20传递至等离子体舱室10(具有单级的容器20)，在容器20的导电护套21上设置多个孔22。
针对容器20的基准温度T1被设定成60℃。这可以在射频AC电压源30上以10 W的功率获取。由源30提供的信号的频率被选择成在离子的等离子体频率到电子的等离子体频率之间，这里为13.56MHz。
容器20中的双原子碘气体的压力P1然后由图13已知(I2的情况；参见对应公式F1)，并且后者提供P1与T1之间的联系。在这里的情况下，P1为10托(大约1330 Pa)。
为了获取最佳效率，那么舱室10中的压力P2必须在7Pa到15Pa之间，并且在容器20与舱室10之间，双原子碘气体的质量流率m'小于15sccm
然后可以估计孔(圆形)的等效直径大约为50微米。当孔是唯一的时，那么其将具有50微米的直径。当设置多个孔时，在进行的测试中就是这种情况，那么适于确定该孔的表面并将该表面分布在多个孔上，以获取每个孔的直径，有利的是，这将会是相同的。
然而，为了提供对应于上文提供的数值的一些附加尺寸估计部件，在表面A的孔22的情况下，可以注意到以下几点。
通过孔22的体积流率可以通过以下关系式来估计：
Q＝v/4A(P1-P2) (R1)
其中：
P1是容器20中的压力；
P2是舱室10中的压力；以及
v是双原子碘气体分子的平均速度，由下面的关系式来确定：
其中：
T1是容器20中的温度；
k是玻耳兹曼(Boltzmann)常数(k≈1.38·10-23J·K-1)；以及
m是双原子碘气体的一个分子的重量(m(I2)≈4.25·10-25kg)。
然后通过如下关系式获取通过孔22的双原子碘气体的质量流率m'：
其中：
M是碘的摩尔量(对于I2，M≈254u)；以及
R是气体的摩尔常数(R≈8.31J/mol·K)。
通过组合关系式(R1)和(R3)，孔22的表面A由此通过以下关系式获得：
然后确定孔22的尺寸。
如可以在关系式(R4)中看出，不涉及等离子体舱室10中的温度T2。考虑到这个温度T2可以获取更精确的建模。针对有关该尺寸估计的更一般数据，可以参考：A User GuideTo Vacuum Technology，第三版，Johan F.O'Hanlon(John Wile和Sons Inc., 2003)。
一旦孔22的表面A的尺寸被确定，针对推进器100停止时的双原子碘气体泄漏的质量流率m'leak(kg/s)可以由以下关系确定：
其中：
T0是推进器100停止时的温度；
P0是推进器停止时容器20中的气体压力，该压力由公式F1(参见图13)在温度T0下提供；以及
v0通过利用关系式(R2)用T0代替T1来获取。
示例结束。
应注意到，附图中示出的该孔或每个孔在容器20的护套的、面向等离子体舱室 10的一个面上的定位可以不同。具体而言，完全可以考虑在容器20的相对面上布置该孔或每个孔。
最后，根据本实用新型的推进器100可以具体用于卫星S或空间探测器SP。
因而，图14以图解方式示出了卫星S，卫星S包括根据本实用新型的推进器100、以及连接至推进器100的所述或每个DC 30"或AC 30、30'电压源(射频或微波)的能量源SE(例如，电池或太阳能面板)。
图15以图解方式示出了空间探测器SS，空间探测器SS包括根据本实用新型的推进器100、以及连接至推进器100的所述或每个DC 30"或AC 30、30'电压源(射频或微波)的能量源SE(例如，电池或太阳能面板)。

Claims (14)

1.一种离子推进器(100)，其特征在于，所述离子推进器包括：
-舱室(10)，
-容器(20)，该容器包括固体推进剂(PS)，所述容器(20)被容纳在所述舱室(10)中，并且包括设置有至少一个孔(22)的导电护套(21)；
-用于在所述舱室(10)中形成离子-电子等离子体的一组装置(30、30'、40)，所述一组装置能够使所述容器(20)中的所述固体推进剂升华，以形成气态推进剂，然后在所述舱室(10)中从通过所述至少一个孔(22)来自所述容器(20)的所述气态推进剂生成所述等离子体；
-用于提取和加速来自所述舱室(10)的所述等离子体中的离子的装置(50)，用于提取和加速的所述装置(50)包括：
·电极(52)，该电极(52)容纳在所述舱室(10)中，位于所述舱室(10)的一个端部(E)处的格栅(51)与所述电极(52)相关联，所述电极(52)具有比所述格栅(51)的表面大的表面，或
·一组至少两个格栅(52'、51)，所述一组至少两个格栅(52'、51)位于所述舱室(10)的一个端部(E)处；
-DC电压源(30")或射频AC电压源(30)，该DC电压源(30")或该射频AC电压源(30)与电容器(53)串联设置，并且适于生成射频在所述离子的等离子体频率和所述电子的等离子体频率之间的信号，所述射频AC电压源或所述DC电压源(30")通过输出端中的一个输出端连接至用于提取和加速来自所述舱室(10)的所述等离子体中的离子的装置(50)，
所述格栅(51)与所述电极(52)相关联，或者所述一组至少两个格栅(52'、51)中的另一格栅(51)被设定成基准电位(55)或连接至所述射频AC电压源(30)的输出端中的其它输出端；
用于提取和加速的所述装置(50)以及所述DC电压源或所述射频AC电压源(30、30")使得能够在所述舱室(10)的输出端处形成至少包括离子的射束(70、70')。
2.根据权利要求1所述的离子推进器(100)，其特征在于：
·连接至用于提取和加速的所述装置(50)的所述电压源是射频AC电压源(30)，
·用于形成所述离子-电子等离子体的所述一组装置(30、40)包括由该射频AC电压源(30)通过装置(60)供电的至少一个线圈(40)，该装置(60)用于管理沿所述至少一个线圈(40)的方向以及沿用于提取和加速的所述装置(50)的方向由所述射频AC电压源(30)提供的信号，
以在所述舱室(10)的所述输出端处形成离子束和电子束(70)。
3.根据权利要求1所述的离子推进器(100)，其特征在于，用于形成所述离子-电子等离子体的所述一组装置(30、40、30')包括：
·至少一个线圈(40)，所述至少一个线圈(40)由射频AC电压源(30')供电，该射频AC电压源(30')不同于连接至用于提取和加速的所述装置(50)的所述DC电压源(30")或所述射频AC电压源(30)；或者
·至少一个微波天线(40)，所述至少一个微波天线(40)由微波AC电压源(30')供电。
4.根据权利要求1所述的离子推进器(100)，其特征在于，连接至用于提取和加速的所述装置(50)的所述电压源是射频AC电压源(30)，以在所述舱室(10)的所述输出端处形成离子束和电子束(70)。
5.根据权利要求2或4所述的离子推进器(100)，其特征在于，当用于提取和加速的所述装置(50)是位于所述舱室(10)的一个端部(E)处的一组至少两个格栅(52'、51)时，至少部分地通过调节来自连接至用于提取和加速的所述装置(50)的所述射频AC电压源(30)的正电位和/或负电位的施加持续时间，来获取所述离子束和电子束(70)的电中性。
6.根据权利要求2或4所述的离子推进器(100)，其特征在于，当用于提取和加速的所述装置(50)是位于所述舱室(10)的一个端部(E)处的一组至少两个格栅(52'、51)时，至少部分地通过调节来自连接至用于提取和加速的所述装置(50)的所述射频AC电压源(30)的正电位和/或负电位的幅度，来获取所述离子束和电子束(70)的电中性。
7.根据权利要求3所述的离子推进器(100)，其特征在于，连接至用于提取和加速的所述装置(50)的所述电压源是DC电压源(30")，以在所述舱室(10)的所述输出端处形成离子束(70')，并且所述推进器(100)还包括用于将电子注入所述离子束(70')以提供电中性的装置(80、81)。
8.根据权利要求1或2所述的离子推进器(100)，其特征在于，所述容器(20)包括位于所述固体推进剂(PS)与设置有至少一个孔(22)的所述护套(21)之间的隔膜(22')，所述隔膜(22')包括至少一个孔(22")，所述隔膜(22')的所述孔或每个孔(22")的表面大于所述容器(20)的所述护套(21)的所述孔或每个孔(22)的表面。
9.根据权利要求1或2所述的离子推进器(100)，其特征在于，所述格栅(51、52')具有孔，所述孔的形状选自以下形状：圆形、方形、矩形或采用狭缝形式。
10.根据权利要求1或2所述的离子推进器(100)，其特征在于，所述格栅(51、52')具有圆形孔，所述圆形孔的直径在0.2mm到10mm之间。
11.根据权利要求1或2所述的离子推进器(100)，其特征在于，当用于提取和加速来自所述舱室(10)的等离子体中的离子的装置(50)包括位于所述舱室(10)的所述端部(E)处的一组至少两个格栅(52'、51)时，这两个格栅(52'，51)之间的距离在0.2mm到10mm之间。
12.根据权利要求1或2所述的离子推进器(100)，其特征在于，所述射频AC电压源或所述DC电压源(30")连接至所述电极(52)，或者连接至所述一组至少两个格栅(51、52')中的一个格栅(52')。
13.一种卫星(S)，其特征在于，该卫星包括根据权利要求1至12中的任一项所述的离子推进器(100)以及连接至所述推进器(100)的所述DC电压源(30")或射频AC电压源(30、30')的能量源(SE)。
14.一种空间探测器(SS)，其特征在于，该空间探测器包括根据权利要求1至12中的任一项所述的离子推进器(100)以及连接至所述推进器(100)的所述DC电压源(30")或射频AC电压源(30、30')的能量源(SE)。
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