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Das zu dieser Anmeldung führende Projekt erhielt Fördermittel aus dem „European Union's Horizon 2020 research and innovation programme“ unter Fördervertrag Nr. 828902.
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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft magnetoplasmadynamische Antriebe, und insbesondere Maßnahmen zum effizienten und kompakten Aufbau eines magnetoplasmadynamischen Antriebssystems.
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Technischer Hintergrund
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Magnetoplasmadynamische (MPD) Antriebe sind effiziente elektrische Antriebssysteme für Raumfahrtanwendungen, bei denen Gasmoleküle entgegen einer Schubrichtung beschleunigt werden. Solche MPD-Antriebe nutzen das Wirken einer Lorentzkraft, um sowohl positive als auch negative elektrische Ladungsträger zu beschleunigen. Zusätzlich bewirken Kollisionen der Ladungsträger mit neutralen Gasteilchen eine Impulsübertragung und somit Beschleunigung der Gasteilchen, die so ebenfalls zum Gesamtschub beitragen.
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Konventionelle MPD-Antriebe haben einen rotationssymmetrischen Kanal, dessen Wand eine Anode darstellt. Entlang der Rotationsachse des Kanals dient eine Stabkathode als Elektronenquelle. Stirnseitig des Kanals wird das Schubgas, in der Regel ein leichtes inertes Gas, wie z.B. Krypton oder Argon, eingeleitet. Beim Anlegen einer hohen elektrischen Spannung zwischen Anode und Stabkathode werden Elektronen in radialer Richtung innerhalb des Kanals beschleunigt. Diese kollidieren mit Gasmolekülen, was zu einer Lawinenionisation führt und im Kanal eine stabile Plasmaentladung erzeugt.
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Der radiale Stromfluss induziert im Kanal ein tangential verlaufendes Magnetfeld, wodurch eine Lorentzkraft auf die Ladungsteilchendichte im Kanal wirkt und diese stromabwärts beschleunigt, was zu einer Schubwirkung führt.
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Um zufriedenstellende Effizienzen zu erreichen, werden MPD-Antriebe in der Regel mit Strömen im kA-Bereich betrieben, um das selbstinduzierte Magnetfeld und damit die Lorentzkraft zu erhöhen.
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Eine Möglichkeit, die Effizienz weiter zu steigern, ist die Verwendung von externen Magnetfeldern, die durch Elektromagneten außerhalb des Kanals erzeugt werden. Hierbei ist es jedoch konstruktiv nicht möglich, das Magnetfeld in Umfangsrichtung aufzubringen, um explizit die Lorentzkraft zu erhöhen.
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Typische Anwendungsbereiche für bisherige MPD-Antriebe beschränken sich aktuell auf vergleichsweise hohe Schubkräfte im hohen Millinewton- oder sogar Newton-Bereich und bei elektrischen Leistungen im Bereich von hunderten Kilowatt. Eine Miniaturisierung in geringere Leistungsbereiche bei rotationssymmetrischen MPD-Systemen ist zurzeit auf Leistungen im Bereich von ca. 10 kW begrenzt, da sowohl für Ausführungen mit einem selbstinduzierten Magnetfeld als auch für Ausführungen mit einem externen Magnetfeld hohe elektrische Leistungen benötigt werden.
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Bei bestimmten Raumfahrtanwendungen, in denen geringe Schubkräfte benötigt werden, wie z.B. die Lageregelung von Kleinsatelliten, oder bei begrenzter zur Verfügung stehender elektrischer Leistung des Raumfahrzeugs, sind MPD-Antriebe daher bisher aktuell keine effiziente Option.
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Aus den Druckschriften D. Ichihara et al., „Ten-Ampere-Level, Applied-Field-Dominant Operation in Magnetoplasmadynamic Thrusters,“ Journal of Propulsion and Power, Seiten 360-369, Vol. 33, No. 2, 2017 und D. Ichihara et al., „Operation Characteristics of Steady-State, Applied Field, Rectangular Magnetoplasmadynamic (MPD) Thruster,“ Journal of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Seiten 37-44, Vol. 63, No. 2 2015 sind kompakte MPD-Antriebe bekannt, die in einem niedrigen Leistungsbereich betrieben werden können. In einem rechtwinkligen Entladungskanal ist an einer Seitenwand eine Hohlkathode angebracht, die senkrecht zum Gasfluss einen Elektronenstrom in Richtung einer gegenüberliegenden Anode erzeugt. Der Elektronenstrom wird hier über eine kleine Öffnung mit wenigen Millimetern Durchmesser am Ende der Kathode in den Kanal geleitet.
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Um einen möglichst hohen Ionisierungsgrad im Kanal zu erreichen, muss der Kanal eine Länge aufweisen, die gewährleistet, dass die neutralen Gasteilchen durch die Elektronen der Hohlkathode stoßionisiert werden. Durch die Länge des Kanals und der axialen Erstreckung der Anode ist dadurch die Stromverteilung sehr wahrscheinlich nicht ideal senkrecht zum Gasfluss und zum Magnetfeld, sondern zeigt eine deutliche Krümmung auf. Dadurch wird die Energieeffizienz erheblich verringert und durch die Krümmung der elektrischen Stromlinien entsteht eine unerwünschte Kraftkomponente in seitlicher Richtung.
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Ein weiterer Nachteil der verwendeten Hohlkathode ist deren konventioneller Aufbau. Die Kathode besteht aus einem langen Metallzylinder mit einem hohlzylindrischen Elektronenemitter an dessen Spitze. Konzentrisch dazu ist eine ebenfalls hohlzylindrische Elektrode, der so genannte Keeper, angebracht, der für das Zünden der Kathode benötigt wird. Herkömmliche Hohlkathoden erreichen in der Emitter- und Keeperregion Temperaturen, die leicht 1000 K übersteigen können. Daher sind die Hohlkathoden oft lang ausgelegt, um die Temperatur am Kathodenboden so gering wie möglich zu halten. Das führt in diesem Fall allerdings dazu, dass die Abmessungen und das Gewicht der Hohlkathode bezogen auf die bereitgestellte Schubleistung überdimensioniert sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen energieeffizienten MPD-Antrieb für einen niedrigen Leistungsbereich bereitzustellen, der einen kompakten Aufbau aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die magnetoplasmadynamische Antriebsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine magnetoplasmadynamische Antriebsanordnung, insbesondere zur Anwendung in der Raumfahrt, umfassend:
- - einen insbesondere zylindrischen Gasführungskanal mit rechteckigem Querschnitt zum Bereitstellen eines Gasstroms und zum Begrenzen des Plasmavolumens,
- - eine Magnetfelderzeugungseinrichtung, die angeordnet ist, um ein extern erzeugtes Magnetfeld im Wesentlichen senkrecht zu einer axialen Richtung des Gasführungskanals bereitzustellen,
- - eine Plasmaerzeugungseinrichtung zum Bereitstellen eines Elektronenstroms im Gasführungskanal senkrecht zum Verlauf des erzeugten Magnetfelds und senkrecht zur axialen Richtung,
wobei der Elektronenstrom mithilfe einer Elektronenquelle generiert wird, die eine Mehrzahl von in axialer Richtung des Gasführungskanals verteilt angeordneten Auslassöffnungen zum Zuführen eines Elektronenstroms in das Innere des Gasführungskanals umfasst.
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Um eine magnetoplasmadynamische Antriebsanordnung für den sub-kW-Leistungsbereich effizienter zu gestalten, ist gemäß obiger Antriebsanordnung ein Kanalaufbau vorgesehen, bei dem ein starkes von Permanentmagneten erzeugtes Magnetfeld explizit senkrecht zur Stromrichtung aufgebracht werden kann, um so gezielt die Lorentzkraft auch bei geringen Strömen zu erhöhen.
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Die obige Antriebsanordnung ermöglicht durch Abkehr von der rotationssymmetrischen Anordnung der Kathode und Anode in einem Gasführungskanal das Nutzen eines extern, nicht durch Selbstinduktion erzeugten Magnetfelds, um die wirkende Lorentzkraft zur Beschleunigung des Gases im Gasführungskanal zu erhöhen.
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Elektronenquellen für Plasmaerzeugungseinrichtungen mit einem rechteckigen Gasführungskanal weisen konventionell eine Hohlkathode auf, die Elektronen emittieren. Die Elektronen werden über eine Elektrodenauslassöffnung in den Gasführungskanal ausgestoßen. Um den Druck innerhalb der Kathode zu erhöhen und somit eine Plasmaentladung im Inneren der Kathode zu erzeugen, die die Elektronenemission ermöglicht, ist die Auslassöffnung von Hohlkathoden im Vergleich zu den Dimensionen des Gasführungskanals klein ausgelegt. Zur Plasmaerzeugung durch Lawinenionisation innerhalb des Entladungskanals ist an einer gegenüberliegenden Seite der Auslassöffnung der Elektronenquelle eine flächige Anode angeordnet, die sich als Plattenelektrode in axialer Richtung des Gasführungskanals erstrecken kann. Dies führt dazu, dass der Elektronenstrom zwischen der Auslassöffnung und der Anode ein hohes Maß an Stromlinienkomponenten aufweist, die nicht exakt senkrecht zum Gasfluss und zum Magnetfeld verlaufen, sondern eine deutliche Krümmung aufweisen. Dadurch wird die tatsächlich auftretende in Gasflussrichtung gerichtete Lorentzkraft im Vergleich zur maximal möglichen Lorentzkraft stark reduziert. Außerdem entsteht durch die Krümmung der Elektronenbahnverläufe eine unerwünschte Kraftkomponente in seitlicher Richtung.
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Insbesondere kann das extern erzeugte Magnetfeld durch einen Elektromagneten oder mindestens einen Permanentmagneten bereitgestellt werden.
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Die obige Antriebsanordnung ermöglicht durch die Vervielfältigung der Auslässe des Elektronenemitters und deren Anordnung in Gasflussrichtung eine gleichmäßigere Stromeinspeisung in den rechtwinkligen Entladungskanal eines MPD-Antriebsanordnung.
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Die Elektronenquelle kann eine Hohlkathode mit einer Keeperelektrode umfassen, in der die Auslassöffnungen angeordnet sind. In der Hohlkathode ist ein tablettenförmiges Elektronen-Emittermaterial angeordnet, das sich im wesentlichen flächenparallel zu einer Seite des Gaszuführungskanals erstreckt. Durch die Verbreiterung der Elektronenquelle ist die Keeperelektrode vergrößert, was eine bessere Ableitung der entstehenden Wärme über die Kanalwand gewährleistet.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Elektronenquelle einen tablettenförmigen Elektronenemitter, insbesondere aus einem Material mit einer Elektronenaustrittsarbeit von weniger als 3eV, insbesondere aus C12A7 oder aus LaB6, aufweisen.
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Somit sieht die obige Antriebsanordnung vor, die Elektronenquelle mit mehreren Auslassöffnungen entlang der axialen Richtung des Gasführungskanals anzuordnen und dazu einen tablettenförmigen Elektronenemitter vorzusehen. Eine Flächenrichtung des Elektronenemitters verläuft im Wesentlichen parallel zur Achse des Gasführungskanals, so dass die Bauhöhe des Elektronenemitters im Vergleich zu herkömmlichen hohen Kathoden erheblich reduziert werden kann. Durch die niedrige Austrittsarbeit und der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit werden lediglich an der Oberfläche des Emittermaterials sehr hohe Temperaturen erreicht, die eine Elektronenemission ermöglichen. Die Temperaturen der restlichen Kathode bleiben hingegen auch im Langzeitbetrieb deutlich unterhalb der Temperaturen von herkömmlichen Hohlkathoden. Dadurch kann die Kathode kompakt ausgelegt werden und aufgrund der größeren Keeperelektrode auf aufwendige Maßnahmen zur Wärmeabführung weitestgehend verzichtet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Hohlkathode eine Gaszuführung aufweist, um ein Hilfsgas zuzuführen, das ein Austreten von Elektronen durch die Auslassöffnungen in den Gasführungskanal unterstützt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Plasmaerzeugungseinrichtung eine Plattenanode an einer der Elektronenquelle gegenüberliegenden Seite des Gaszuführungskanals aufweisen, wobei die Plattenanode insbesondere segmentiert ist. Das Ansteuern der einzelnen Segmente der Anode kann zur Feinkorrektur von eventuellen Abweichungen der gewünschten Stromrichtung eingesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann eine Schubvektoreinstelleinrichtung an einer rechteckigen Auslassöffnung des Gasführungskanals vorgesehen sein, um dem Gasstrom eine Richtungskomponente senkrecht zur Austrittsrichtung des Gasstroms aufzuprägen, wobei sich die Schubvektoreinstelleinrichtung insbesondere konisch bezüglich der Gasflussrichtung verbreitert.
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Insbesondere kann die Schubvektoreinstelleinrichtung vier Schubvektorsteuerungselektroden aufweisen, wobei jeweils zwei der Schubvektorsteuerungselektrode einander gegenüberliegend angeordnet sind, um durch Anlegen einer Spannung zwischen den jeweiligen zwei Schubvektorsteuerungselektroden dem Gasstrom eine Richtungskomponente in Anordnungsrichtung der Schubvektorsteuerungselektroden aufzuprägen.
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Es kann vorgesehen sein, dass sich der Abstand der jeweils zwei einander gegenüberliegenden Schubvektorsteuerungselektroden sich in Austrittsrichtung vergrößert.
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Dadurch kann durch das Aufbringen unterschiedlicher elektrischer Potentiale an den Schubvektorsteuerungselektroden ein elektrisches Feld erzeugt werden, das die Richtung des Strahls beschleunigter Ladungsträger beeinflussen kann und somit eine Schubvektorsteuerung in eine gewünschte Richtung ermöglicht.
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Eine solche Ausgestaltung nutzt den Vorteil des Gasführungskanals mit rechteckigem Querschnitt, so dass sich die Schubvektoreinstelleinrichtung mit rechteckigem Querschnitt daran ohne Querschnittssprung anschließen kann. Dies ermöglicht einen möglichst verlustfreien Übergang zwischen dem Gasführungskanal und der Schubvektoreinstelleinrichtung.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1a und 1b schematische Querschnittsdarstellungen einer magnetoplasmadynamischen Antriebsanordnung;
- 2a und 2b eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht durch eine reale Ausführungsform der Antriebsanordnung; und
- 3a und 3b schematische Querschnittsdarstellungen einer weiteren Ausführungsform der magnetoplasmadynamischen Antriebsanordnung mit Schubvektorsteuerung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsdarstellung durch eine magnetoplasmadynamische Antriebsanordnung 1 mit einem Gasführungskanal 2. Der Gasführungskanal 2 ist mit einer ersten Gaszuführung 3 verbunden, über die ein Schubgas in den Gaszuführungskanal 2 eingebracht wird. Der Gasführungskanal 2 ist vorzugsweise mit einem rechteckigen Querschnitt versehen, wie aus der 1b ersichtlich ist. Der Gasführungskanal 2 ist im Wesentlichen aus einem nichtleitenden Material, insbesondere einem Keramikmaterial, ausgebildet.
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Die Antriebsanordnung 1 weist eine Magnetfeldanordnung 4 auf, die ein im Wesentlichen homogenes Magnetfeld in einer Magnetfeldrichtung im Inneren des Gasführungskanals 2 zumindest in einem aktiven Bereich B bereitstellt. Das Magnetfeld kann ein mithilfe von Magnetspulen elektrisch generiertes Magnetfeld oder ein durch mindestens einen Permanentmagneten 41 (im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei einander gegenüberliegende Permanentmagneten) bereitgestelltes Magnetfeld sein. Um den Gasführungskanal 2 ist ein insbesondere u-förmiges magnetisches Joch 42 angeordnet, um den magnetischen Kreis zu schließen.
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Es ist eine Plasmaerzeugungseinrichtung 5 vorgesehen, um einen Elektronenstrom quer zur axialen Richtung A des Gasführungskanals 2 und senkrecht zum homogenen Magnetfeld im Inneren des Gasführungskanals 2 bereitzustellen. Die Plasmaerzeugungseinrichtung 5 weist dazu eine im Inneren des Gasführungskanals 2 elektrisch leitende Plattenanode 51 auf, die sich im Wesentlichen in der axialen Richtung A des Gasführungskanals 2 erstreckt.
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Der Plattenanode 51 gegenüberliegend ist eine Elektronenquelle 52 angeordnet, die eine Hohlkathode 53 aufweist, in der ein tablettenförmiges Elektronen-Emittermaterial 54, wie beispielsweise C12A7 oder LaB6, angeordnet ist. Die Elektronenquelle 52 weist eine Keeper-Elektrode 55 auf, die sich im Wesentlichen an einer der Anode 51 gegenüberliegenden Wand des Gasführungskanals 2 in der axialen Richtung A des Gasführungskanals 2 erstreckt. Die Keeper-Elektrode 55 weist Auslassöffnungen 56 auf, die so zu dem Elektronen-Emittermaterial 54 angeordnet sind, dass die Auslassöffnungen 56 möglichst Elektronenströme gleicher Stärke in den Gasausführungskanal 2 auslassen. Die Keeper-Elektrode 55 ermöglicht somit eine gleichmäßige Einspeisung des Elektronenstroms in den Gasführungskanal 2.
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Die resultierenden Elektronenbewegungsbahnen zur Plattenanode 51 sind beispielhaft in 1a dargestellt. Man erkennt, dass aufgrund der verteilt angeordneten Auslassöffnungen 56 die Richtung der Elektronenbahnen nur wenig von einer Senkrechten der axialen Richtung A des Gasführungskanals 2 abweichen.
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An einem dem Gaszuführungskanal 2 und der Keeperelektrode 55 gegenüberliegenden Ende der Hohlkathode 53 ist eine zweite Gaszuführung 57 vorgesehen, um einen Hilfsgasstrom bereitzustellen. Dieser ermöglicht eine Plasmaentladung zwischen der Keeperelektrode 55 und dem Elektronen-Emittermaterial 54, die zum Aufheizen der Oberfläche des Elektronen-Emittermaterials 54 führt und so eine thermische Emission von Elektronen ermöglicht. Zusätzlich gelangen dadurch neben Elektronen auch neutrale Gasteilchen durch die Auslassöffnungen 56 in den Gasführungskanal 2
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Im Betrieb ist zwischen der Keeperelektrode 55 und dem Elektronen-Emittermaterial 54 eine erste Spannung U1 angelegt und zwischen der Plattenanode 51 und dem Elektronen-Emittermaterial 54 eine zweite Spannung U2, die größer ist als die erste Spannung U1.
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2a und 2b zeigen eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht durch eine Ausführungsform der Antriebsanordnung 1. Die Ausführungsform der 2a und 2b zeigt eine Antriebsanordnung 1 mit einer segmentierten Plattenanode 51 mit Anodensegmenten 51a. Man erkennt, dass die Elektronenquelle 52 seitlich am Gasführungskanal 2 angebracht ist und aufgrund des tablettenförmigen Elektronen-Emittermaterials 54 eine niedrige Bauhöhe im Vergleich zu den Abmessungen des Gasführungskanals 2 aufweist.
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Die Plattenanode ist in Richtung der axialen Richtung A des Gasführungskanals 2 segmentiert, wobei die Anodensegmente 51a im Wesentlichen das gleiche Potential aufweisen, um einen gleichmäßigen Elektronenstrom zwischen den Auslassöffnungen 56 der Keeperelektrode 55 und den einzelnen Anodensegmenten 51 a zu ermöglichen. Die Anodensegmente 51 a können einzeln angesteuert werden, um eventuelle kleine Abweichungen des Stromes von der idealen Flussrichtung auszugleichen.
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Weiterhin ist die Elektronenquelle 52 mit der zweiten Gaszuführung 57 versehen, um in das Innere der Hohlkathode 53 der Elektronenquelle 52, in der sich das Elektronen-Emittermaterial 54 befindet, einen Gasstrom eines Hilfsgases einzuleiten, das vorzugsweise zu dem Schubgas, das durch die erste Gaszuführung 3 zugeführt wird, identisch ist. Das Hilfsgas dient dazu, aus dem Elektronen-Emittermaterial 54 ausgetretene Elektronen durch die Auslassöffnungen 56 in den Gasführungskanal 2 zu befördern.
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Weiterhin ist die Magnetfeldanordnung 4 mit dem U-förmigen Joch 42 gezeigt, die drei Seiten des Gasführungskanals 2 mit dem rechtwinkligen Querschnitt umgeben, während an der der offenen Seite des U-förmigen Jochs entsprechenden Seite des Gasführungskanals 2 die Elektronenquelle 52 angeordnet ist.
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Die Elektronenquelle 52 weist eine Kammer auf, in der das Elektronen-Emittermaterial 54 als Tablette mit rundem Querschnitt flächenparallel zur entsprechenden Seite des Gasführungskanals 2 angeordnet ist. Dem Elektronen-Emittermaterial 54 liegt die Keeperelektrode 55 gegenüber, die das Elektronen-Emittermaterial 54 von dem Inneren des Gasführungskanals 2 trennt.
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Die Keeperelektrode 55 weist Auslassöffnungen 56 auf, die in Längsrichtung entlang der axialen Richtung des Gasführungskanals 2 angeordnet sind.
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3a zeigt schematisch eine Querschnittsdarstellung durch eine magnetoplasmadynamische Antriebsanordnung 1 mit einer sich daran anschließenden Schubvektoreinstelleinrichtung 6. Der von der magnetoplasmadynamischen Antriebsanordnung 1 generierte Gasstrom beschleunigter Ladungsträger, der durch die Austrittsöffnung O am stromabwärtigen Ende des Gasführungskanals austritt, wird durch ein quer zur Gasstromrichtung verlaufendes elektrisches Feld in der Schubvektoreinstelleinrichtung seitlich, d.h. quer zur Richtung des austretenden Gasstroms, abgelenkt. Das elektrische Feld wird durch Spannungen zwischen den Schubvektorsteuerungselektroden 61 erzeugt. Die Richtung der Ablenkung hängt von den Spannungen zwischen jeweils zwei einander gegenüberliegenden Schubvektorsteuerungselektroden 61 ab
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3b zeigt eine schematische Frontalansicht der Schubvektoreinstelleinrichtung 6. Parallel zu jeder Seite des Gasführungskanals 2 mit rechteckigem Querschnitt wird eine Schubvektorsteuerungselektrode 61 platziert, um die Schubvektorsteuerung innerhalb der Ebene senkrecht zur axialen Richtung A zu gewährleisten. Die Schubvektorsteuerungselektroden 61 bilden dazu einen sich verbreiternden Kanal, um eine Absorption von freien Ladungsträgern im Gasstrom an den Schubvektorsteuerungselektroden 61 möglichst zu vermeiden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsanordnung
- 2
- Gasführungskanal
- 3
- erste Gaszuführung
- 4
- Magnetfeldanordnung
- 41
- Permanentmagnet
- 42
- magnetisches Joch
- 5
- Plasmaerzeugungseinrichtung
- 51
- Plattenanode
- 51a
- Anodensegmente
- 52
- Elektronenquelle
- 53
- Hohlkathode
- 54
- Elektronen-Emittermaterial
- 55
- Keeper-Elektrode
- 56
- Auslassöffnungen
- 57
- zweite Gaszuführung
- 6
- Schubvektorsteuerungseinrichtung
- 61
- Schubvektorsteuerungselektrode
- A
- axiale Richtung des Gasführungskanals 2
