DE10318925A1 - Propulsion device of a spacecraft and method for attitude control of a spacecraft with such a drive device - Google Patents

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Abstract

Für eine Antriebsvorrichtung eines Raumflugkörpers mit wenigstens einer Ionenbeschleuniger-Anordnung wird ein Aufbau und ein Verfahren vorgeschlagen, bei welcher bewusst auf eine Neutralisierer-Ionenquelle verzichtet wird und ein Ionenstrom mit positivem Ladungsüberschuss ausgestoßen wird. Ein Ausgleich der Ladungsbilanz erfolgt durch Einfang von langsamen positiv geladenen Teilchen, die aus der Umgebung durch eine sich einstellende geringe Potentialdifferenz angezogen werden, wofür metallische Außenflächen des Satelliten galvanisch direkt oder indirekt mit der Kathode oder dem Generator der Ionenbeschleuniger-Anordnung verbunden sind.For a spacecraft propulsion device having at least one ion accelerator arrangement, a structure and method is proposed in which a neutralizer ion source is deliberately omitted and a positive charge surplus ion stream is ejected. Balancing the charge balance is achieved by trapping slow positive charged particles which are attracted to the environment by a small difference in potential, for which metallic outer surfaces of the satellite are galvanically connected directly or indirectly to the cathode or the generator of the ion accelerator arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung eines Raumflugkörpers mit einer Ionenbeschleuniger-Anordnung sowie ein Verfahren zur Lagesteuerung eines Raumflugkörpers mit einer solchen Antriebsvorrichtung.The invention relates to a drive device a spacecraft with an ion accelerator arrangement and a method for attitude control a spacecraft with such a drive device.

Bei Raumflugkörpern wie insbesondere Satelliten sind zur Einhaltung, Ausrichtung, Position oder Bahn Korrekturen erforderlich. Hierzu enthalten die Raumflugkörper typischerweise Ionenbeschleuniger-Anordnungen, welche in einer Ionisationskammer ein neutrales Arbeitsgas ionisieren und die positiv geladenen Gasionen in Richtung eines Strahlausgangs der Ionisationskammer beschleunigen und ausstoßen.For spacecraft such as satellites in particular are for compliance, alignment, position or track corrections required. For this purpose, the spacecraft typically contain ion accelerator arrangements, which ionize a neutral working gas in an ionization chamber and the positively charged gas ions in the direction of a beam exit accelerate and eject the ionization chamber.

Ionenbeschleuniger-Anordnungen sind insbesondere in Hall-Konfiguration oder als Gitter-Beschleuniger bekannt. Aus der DE 198 28 704 A1 und der DE 101 30 464 A1 ist eine Beschleuniger-Anordnung mit einer besonderen Magnetfeldverteilung in der Ionisationskammer bekannt. Bei derartigen Antriebsvorrichtungen in Raumflugkörpern besteht, im Unterschied zu z.B. in Labors wissenschaftlich genutzten Ionenbeschleunigern das Problem, dass den Ionen am Strahlausgang Elektronen zur Ladungsneutralisierung des ausgestoßenen Teilchenstroms zuzufügen sind, um eine Verminderung der Ionisation des Arbeitsgases und/oder einem Abfall des Rückstoßimpulses vorzubeugen, welche insbesondere durch Raumladungseffekte erklärbar sind. Die hierfür eingesetzten Primärelektronenquellen dienen, soweit keine Hochfrequenz-Gasionisation vorgesehen ist, typischerweise auch noch als Primärelektronenquellen für die Ionisation des Arbeitsgases in der Ionisationskammer.Ion accelerator arrangements are known in particular in Hall configuration or as a grating accelerator. From the DE 198 28 704 A1 and the DE 101 30 464 A1 An accelerator arrangement with a special magnetic field distribution in the ionization chamber is known. In such propulsion devices in spacecraft, in contrast to, for example, in laboratories scientifically used ion accelerators the problem is that the ions at the beam exit electrons are added for charge neutralization of the ejected particle flow to prevent a reduction of the ionization of the working gas and / or a drop in the recoil pulse, which can be explained in particular by space charge effects. The primary electron sources used for this serve, as far as no high-frequency gas ionization is provided, typically also as primary electron sources for the ionization of the working gas in the ionization chamber.

Als Quellen für Elektronen zur Ionisation des Arbeitsgases und/oder Neutralisierung des ausgestoßenen Ionenstrahls sind unterschiedliche Realisierungsformen bekannt. Aus der US 3 956 666 ist eine Gitter-Ionenbeschleuniger-Anordnung bekannt, bei welcher außerhalb der Ionisationskammer in Strahlrichtung des Ionenstrahls eine geheizte Kathode als Neutralisator angeordnet ist. Eine weitere Kathode zur Emission von Primärelektronen für die Ionisation des Arbeitsgases ist in der Ionisationskammer angeordnet.As sources for electrons for the ionization of the working gas and / or neutralization of the ejected ion beam different forms of implementation are known. From the US 3,956,666 a lattice ion accelerator arrangement is known in which outside of the ionization chamber in the beam direction of the ion beam, a heated cathode is arranged as a neutralizer. Another cathode for the emission of primary electrons for the ionization of the working gas is arranged in the ionization chamber.

Bei einer aus der US 3 735 591 bekannten Anordnung ist eine Kathode in Strahlrichtung auf der Längsachse der Ionisationskammer von dieser beabstandet angeordnet. Zum Start der Anordnung ist der Kathode ein Gas zur Erzeugung von Primärelektronen durch eine Gasentladung zugeführt. Im laufenden Betrieb werden aus der Kathode durch Ionenbombardement Elektronen gelöst.At one of the US 3,735,591 known arrangement, a cathode is arranged in the beam direction on the longitudinal axis of the ionization chamber spaced therefrom. To start the arrangement, the cathode is supplied with a gas for generating primary electrons by a gas discharge. During operation, electrons are released from the cathode by ion bombardment.

Besonders gebräuchlich sind Anordnungen in Hall-Konfiguration mit einer ringförmigen Ionisationskammer und einer seitlich des Ausgangs angeordneten Neutralisator-Kathode, in welcher typischerweise auch eine Gasentladung erfolgt. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der US 5 359 258 bekannt.Particularly common are arrangements in Hall configuration with an annular ionization chamber and a side of the output arranged neutralizer cathode, in which typically also takes place a gas discharge. Such an arrangement is for example from the US 5,359,258 known.

Die DE-AS 12 22 589 beschreibt eine Anordnung, bei welcher ein extern erzeugter Strahl hoch beschleunigter Elektronen in eine Ionisationskammer eingeleitet und dort in einem im wesentlichen homogenen zur Längsachse parallelen Magnetfeld geführt ist. Ein Teil der Elektronen tritt mit den Ionen auf der Ausgangsseite der Ionisationskammer durch eine Elektrodenblende aus, so dass ein elektrisch neutraler Plasmastrahl abgegeben wird.The DE-AS 12 22 589 describes an arrangement in which an externally generated beam of highly accelerated electrons is introduced into an ionization chamber and guided therein in a substantially homogeneous magnetic field parallel to the longitudinal axis. Some of the electrons exit with the ions on the output side of the ionization chamber through an electrode aperture, so that an electrically neutral plasma jet is emitted.

Eine Anordnung mit einem extern erzeugten und in eine Ionisationskammer eingeleiteten und zur Neutralisierung des Ionenstrahls dienenden Elektronenstrahl ist auch aus der DE 198 28 704 A1 bekannt, bei welcher ein permanentperiodisches Magnetfeld in der Ionisationskammer in Verbindung mit einem die Ionisationskammer durchsetzenden elektrostatischen, positiv geladene Ionen zum Ausgang hin beschleunigenden Feld eine mehrstufige Anordnung bildet. Eine ähnliche Feldkonfiguration liegt auch bei einer aus der DE 101 30 464 A1 bekannten Anordnung vor, bei welcher als Elektronenquelle eine Elektrode am ausgangsseitigen Ende der Ionisationskammer vorgesehen ist, welche im Randbereich des Ionenstrahls durch aufprallende Ionen Elektronen für die Gasionisation und die Neutralisierung des Ionenstrahls freisetzt.An arrangement with an externally generated and introduced into an ionization chamber and serving to neutralize the ion beam electron beam is also from the DE 198 28 704 A1 in which a permanent periodic magnetic field in the ionization chamber in combination with an electrostatic, positively charged ion passing through the ionization chamber to the output accelerating field forms a multi-stage arrangement. A similar field configuration is also one of the DE 101 30 464 A1 known arrangement in which as an electron source, an electrode is provided at the output end of the ionization chamber, which releases electrons for gas ionization and the neutralization of the ion beam in the edge region of the ion beam by impinging ions.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weiter vereinfachte und effektive Antriebsvorrichtung für einen Raumflugkörper mit einer Ionenbeschleuniger-Anordnung sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Raumflugkörpers mittels einer solchen Antriebsvorrichtung anzugeben.The present invention is the task is based on a further simplified and effective drive device for one Spacecraft with an ion accelerator arrangement and a method of control a spacecraft indicate by means of such a drive device.

Erfindungsgemäße Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.Solutions according to the invention are described in the independent claims. The dependent ones claims contain advantageous embodiments and developments of the invention.

Die Erfindung macht Gebrauch von der an sich aus der DE 101 30 464 A1 oder aus der DE 198 28 704 A1 bekannten Feldkonfiguration mit einem innerhalb der Ionisationskammer in Längsrichtung Ionen beschleunigenden elektrostatischen Feld einer Elektrodenanordnung und eine Magnetanordnung nach Art der permanent-periodischen Magnetanordnungen aus Lauffeldröhren.The invention makes use of the itself from the DE 101 30 464 A1 or from the DE 198 28 704 A1 Known field configuration with an ionizing chamber in the longitudinal direction of ions accelerating electrostatic field of an electrode assembly and a magnet assembly such as the type of permanent-periodic magnetic arrays of Lauffeldröhren.

Die Elektrodenanordnung erzeugt zwischen einer am oder beim Strahlausgang der Ionisationskammer liegenden Kathodenelektrode und einer dieser in Längs richtung abgewandten, vorzugsweise in der Ionisationskammer, insbesondere am dem Strahlausgang entgegengesetzten Ende der Iionisationskammer befindlichen Anodenelektrode ein im wesentlichen in Längsrichtung der Ionisationskammer gerichtetes elektrostatisches Feld. Als Längsrichtung sei die zwischen den seitlichen Begrenzungen zum Ausgang der Iionisationskammer weisende und im wesentlichen zu der mittleren Strahlrichtung des abgegebenen Ionenstrahls parallele Richtung bezeichnet. Die Kathodenelektrode ist vorzugsweise den Ausgang der Ionisationskammer seitlich umgebend und außerhalb der Ionisationskammer liegend ausgebildet. Die Elektrodenanordnung kann im Längsverlauf der Ionisationskammer zusätzliche Zwischenelektroden in an sich aus dem genannten Stand der Technik bekannter Art aufweisen.The electrode arrangement generates between a lying on or at the beam exit of the ionization cathode electrode and one of these in the longitudinal direction facing away, preferably located in the ionization chamber, in particular at the jet outlet opposite end of the Iionisationskammer an anode electrode substantially in the longitudinal direction of the Ionisationskam mer directed electrostatic field. The longitudinal direction is the direction pointing between the lateral boundaries to the outlet of the ionization chamber and essentially parallel to the mean jet direction of the emitted ion beam. The cathode electrode is preferably laterally surrounding the outlet of the ionization chamber and formed lying outside the ionization chamber. The electrode arrangement may have, in the longitudinal direction of the ionization chamber, additional intermediate electrodes in a manner known per se from the cited prior art.

Wesentlich ist die in Längsrichtung mehrstufige Ausbildung des Magnetfelds innerhalb der Ionisationskammer mit alternierend in Längsrichtung entgegen gesetzt gerichteten Magnetfeldabschnitten, wobei sich Magnetfeldabschnitte erster Art mit überwiegend zur Längsrichtung senkrechtem Feldverlauf und Magnetfeldabschnitte zweiter Art mit überwiegend zur Längsrichtung senkrechtem Feldverlauf abwechseln und durch einen Magnetfeldabschnitt zweier Art getrennt benachbarte Magnetfeldabschnitte erster Art in Längsrichtung entgegengesetzt gerichtete Feldkomponenten aufweisen. Das derartige Magnetfeld wird aufgrund des Feldverlaufs in einer die Mittellängsachse enthaltenden Schnittebene als mehrstufige Cusp-Struktur bezeichnet. Die Ionisationskammer weist vorzugsweise im Querschnitt senkrecht zur Längsachse eine einfach zusammenhängende Querschnittsfläche, insbesondere eine Kreisfläche auf, kann aber auch einen ringförmigen Querschnitt besitzen. Die typischerweise außerhalb der seitlichen Begrenzung der Ionisationskammer liegende Magnetanordnung weist in Längsrichtung im Bereich der Magnetfeldabschnitte zweiter Art Magnetpole mit in Längsrichtung alternierender Polarität auf. Die Magnetpole halten vorzugsweise die Ionisationskammer umschlossen. Die Magnetanord nung kann durch Spulen oder vorzugsweise durch Permanentmagnete gebildet sein.It is essential in the longitudinal direction Multilevel formation of the magnetic field within the ionization chamber with alternating longitudinal direction oppositely directed magnetic field sections, wherein magnetic field sections first kind with predominantly to the longitudinal direction vertical field course and magnetic field sections of the second kind with predominantly to the longitudinal direction alternate vertical field course and through a magnetic field section two kind separately adjacent magnetic field portions of the first kind longitudinal have oppositely directed field components. The like Magnetic field is due to the field profile in a the central longitudinal axis containing cutting plane referred to as a multi-level cusp structure. The ionization chamber preferably has a vertical cross section to the longitudinal axis a simply coherent one Cross sectional area, in particular a circular area on, but can also be an annular Possess cross-section. The typically outside the lateral boundary the ionization chamber lying magnet arrangement has in the longitudinal direction in the field of magnetic field sections of the second kind magnetic poles with in longitudinal direction alternating polarity on. The magnetic poles preferably hold the ionization chamber enclosed. The Magnetanord tion by coils or preferably by permanent magnets be formed.

Es zeigt sich überraschenderweise, dass mit der Kombination der vorstehend geschilderten Konfigurationen von elektrostatischen und magnetischen Feld in der Plasmakammer eine Antriebsvorrichtung in einem freifliegenden Raumflugkörper ohne separate Elektronenquelle zur Erzeugung von Primärelektronen für die Ionisation des Arbeitsgases und/oder die Neutralisation des abgegebenen Ionenstrahls arbeitet, was insbesondere auf die raumladungsausgleichende Felderkonfiguration innerhalb der Ionisationskammer rückführbar ist. Durch den Wegfall der separaten Elektrodenquelle kann die Antriebsvorrichtung wesentlich vereinfacht werden.It turns out, surprisingly, that with the Combination of the above-described configurations of electrostatic and magnetic field in the plasma chamber, a drive device in a free-flying spacecraft without a separate electron source for generating primary electrons for the Ionization of the working gas and / or the neutralization of the delivered Ion beam works, which is particularly true of the space charge balancing Field configuration within the ionization chamber is traceable. By eliminating the separate electrode source, the drive device be greatly simplified.

Der von der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung abgegebene Ionenstrom ist daher typischerweise nicht neutralisiert und weist vorzugsweise einen positiven Strom im Umfang von wenigstens 50%, insbesondere wenigstens 75%, vorzugsweise wenigstens 90% nicht durch mit ausgestoßene Elektronen neutralisierter bzw. ladungskompensierter positiver Ionen bezogen auf die Gesamtheit der Atome in dem abgegebenen Strom auf.The of the drive device according to the invention emitted ionic current is therefore typically not neutralized and preferably has a positive current of at least 50%, in particular at least 75%, preferably at least 90% not through with expelled Electrons of neutralized or charge-compensated positive ions based on the totality of the atoms in the discharged stream.

Zum Ladungsausgleich des Raumflugkörpers enthält dieser vorteilhafterweise eine oder mehrere der Umgebung zuweisende leitende Flächen, welche mit der Elektrodenanordnung direkt oder unter Zwischenschaltung weiterer Komponenten elektrisch verbunden sind. Über diese leitenden Flächen können vorteilhafterweise positiv geladene Partikel aus der Umgebung des Raumflugkörpers angezogen und zum Ladungsausgleich verwandt werden, wobei sich günstigerweise die Bilanz der Partikelströme aus der Umgebung und des Ionenstrahls der Antriebsvorrichtung automatisch ausgleichen. Die leitenden Flächen können insbesondere auch auf dem Potential der Kathode der Antriebsvorrichtung liegen.For the charge balance of the spacecraft contains this advantageously one or more of the environment zuweisende conductive Surfaces, which with the electrode arrangement directly or with interposition further components are electrically connected. Over these conductive surfaces can advantageously attracted positively charged particles from the spacecraft's environment and be used for charge equalization, which is conveniently the balance of the particle flows from the environment and the ion beam of the drive device automatically compensate. The conductive surfaces can in particular also be at the potential of the cathode of the drive device.

Die leitenden Flächen können insbesondere Teile der Außenwand des Raumflugkörpers sein und können auch eine zusammenhängende Fläche bilden. Die leitenden Flächen sind vorteilhafterweise wenigstens in Teilflächenabschnitten mit ihren der Umgebung zuweisenden Flächennormalen um wenigstens 90° gegen die mittlere Strahlrichtung des von der Antriebsvorrichtung ausgestoßenen Strahls versetzt ausgerichtet. Bei statistisch im wesentlichen gleichmäßig über die Außenfäche des Raumflugkörpers verteilten leitenden Flächen mitteln sich die Einzelimpulse der aus der Umgebung elektrostatisch angezogenen und auf die leitenden Flächen auftreffenden geladenen Partikel in der Richtung aus.The conductive surfaces can in particular parts of outer wall of the spacecraft be and can also a coherent one surface form. The conductive surfaces are advantageously at least in partial surface sections with their surroundings assigning surface normals at least 90 ° against offset the mean beam direction of the ejected from the drive device beam aligned. At statistically substantially uniform over the Exterior of the Spacecraft distributed conductive surfaces The single pulses of the environment are electrostatically mediated attracted and impinging on the conductive surfaces charged Particles in the direction.

Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft verwendbar für in geringer (Low Earth Orbit, LEO) oder mittlerer Höhe (Medium Earth Orbit, MEO) fliegende Satelliten.The invention can be used particularly advantageously for in Low Earth Orbit (LEO) or Medium Earth Orbit (MEO) flying satellites.

In der Abbildung ist schematisch mit SA allgemein ein Satellit als Raumflugkörper bezeichnet, der eine nach außen weisende, im Regelfall komplex geformte Fläche OS besitzt. An dem Satelliten können zusätzlich außen liegende Vorrichtungen wie z. B. Antennen oder Solarzellenträger angeordnet sein. Der rechteckige Umriss in der Abbildung ist daher nur als alle Formen schematisch repräsentierend anzusehen.In the picture is schematic SA generally refers to a satellite as a spacecraft, which is one after Outside pointing, usually complex shaped surface OS has. At the satellite can additionally Outside lying devices such. As antennas or solar cell carrier his. The rectangular outline in the picture is therefore only as representing all forms schematically to watch.

In bzw. an dem Satelliten sind, insbesondere für Lagekorrekturen typischerweise mehrere Antriebsvorrichtungen AV in Form von Ionenbeschleunigeranordnungen mit unterschiedlichen Ausrichtungen vorgesehen, von denen eine in der Abbildung eingezeichnet ist.In or on the satellite, in particular for position corrections typically several drive devices AV in the form of ion accelerator arrangements provided with different orientations, one of which is in the figure is drawn.

Die Ionenbeschleunigeranordnung enthält in an sich gebräuchlicher Weise eine Ionisationskammer IK, in welcher ein statisches Magnetfeld und ein statisches elektrisches Feld vorliegen. Das statische elektrische Feld ist durch eine Elektrodenanordnung mit einer in der Ionisationskammer, insbesondere bei deren dem Strahlausgang AU abgewandten Ende angeordneten Anode AN und einer beim Strahlausgang AU, insbesondere außerhalb der Ionisationskammer liegenden und vorteilhafterweise den Strahlausgang ringförmig umgebenden Kathode erzeugt und verläuft innerhalb der Ionisationskammer im wesentlichen von der Anode zum Strahlausgang gerichtet. Das elektrostatische Feld EF ist in der Abbildung vereinfacht durch mehrere zur Längsrichtung der Ionisationskammer parallele Feldlinien angedeutet. Ein Hochspannungsgenerator GE erzeugt eine Spannung zwischen Kathode KA und Anode AN, welche typischerweise zwischen 300 V und 2000 V liegt. Aus einem Vorratsbehälter wird dosiert ein Arbeitsgas AG in die Ionisationskammer geleitet, welches dort durch Stoßionisation mit Elektronen ionisiert wird. Das elektrostatische Feld EF ist so gerichtet, dass die positiv geladenen Gasionen elektrostatisch in Richtung des Strahlausgangs AU der Ionisationskammer beschleunigt und als gerichteter divergierender Ionenstrahl IS ausgestoßen werden. Ein statisches Magnetfeld in der Ionisationskammer zwingt die Elektronen auf Driftbahnen und erhöht deren Aufenthaltsdauer und damit auch die Ioniationswahrscheinlichkeit. Die Elektrodenanordnung kann zusätzlich zu Anode AN und Kathode KA weitere Elektroden auf Zwischenpotentialen enthalten.The ion accelerator arrangement includes in a conventional manner an ionization chamber IK in which a static magnetic field and a static electric field are present. The static electric field is arranged by an electrode arrangement with an anode AN arranged in the ionization chamber, in particular at its end facing away from the beam exit AU, and one at the outlet gear AU, in particular outside the ionization chamber lying and advantageously the beam output annularly surrounding cathode generates and extends within the ionization chamber substantially directed from the anode to the beam exit. The electrostatic field EF is simplified in the figure indicated by several parallel to the longitudinal direction of the ionization field lines. A high voltage generator GE generates a voltage between cathode KA and anode AN, which is typically between 300V and 2000V. From a storage container, a working gas AG is metered into the ionization chamber, which is ionized there by impact ionization with electrons. The electrostatic field EF is directed so that the positively charged gas ions are electrostatically accelerated in the direction of the beam exit AU of the ionization chamber and ejected as a directed divergent ion beam IS. A static magnetic field in the ionization chamber forces the electrons on drift paths and increases their residence time and thus the ioniation probability. The electrode arrangement can contain additional electrodes at intermediate potentials in addition to anode AN and cathode KA.

Typische derartige Antriebsvorrichtungen in Raumflugkörpern sehen beim Ausgang der Ionisationskammer als wesentliches Element eine Elektronenquelle als Neutralisierer vor, aus welcher dem Ionenstrahl IS nach unterschiedlichen Mechanismen Elektronen zugesetzt werden. Auf einen solchen Neutralisierer wird bei der der vorliegenden Erfindung bewußt verzichtet und der ausgestoßene Ionenstrahl wird mit einem starken positiven Ladungsüberschuss abgege ben, wobei der Ladungsüberschuss vorteilhafterweise wenigstens 50%, insbesondere wenigstens 75%, vorzugsweise wenigstens 90% der ausgestoßenen Atome als nicht durch mit ausgestoßene Elektronen ladungskompensierte Ionen beträgt. Auch andere Maßnahmen zur Generierung von Neutralisierungselektronen wie z.B. Einleitung eines Elektronenstrahles von der Anode her oder Ionenbombardement einer metallischen Oberfläche sind bewusst nicht vorgesehen. Von wesentlicher Bedeutung für die Funktion erweist sich die Form des Magnetfelds MF in der Plasmakammer, welches in Längsrichtung LR mehrstufig in der Art ausgebildet ist, dass eine die Ionisationskammer umgebende Magnetanordnung in Längsrichtung beabstandet alternierende Magnetpole N, S aufweist, wobei sich senkrecht zur Längsrichtung jeweils gleiche Pole gegenüberstehen bzw. einheitliche Pole die Ionisationskammer ringförmig umgeben. Das Magnetfeld in der Ionisationskammer zeigt in einem Längsschnitt durch die Ionisationskammer wie in der Abbildung skizziert, eine periodische Struktur mit überwiegend parallel zur Längsrichtung LR verlaufenden Magnetfeld zwischen beabstandeten Polen N, S und einem überwiegend radialen Verlauf im Bereich der Pole. Der charakteristische Feldverlauf der einzelnen Stufen im Längsschnittbild wird auch als cusp-Struktur bezeichnet. Die Magnetfeldstruktur ist an sich bekannt, z.B. aus der DE 198 28 704 A1 oder der DE 101 30 644 A1 , wobei aber bei beiden bekannten Anordnungen Mittel zur gezielten Zufügung von neutralisierenden Elektronen zu dem ausgestoßenen Ionenstrahl vorgesehen sind. Bei der Anordnung aus der DE 198 28 074 A1 wird ein beschleunigter gebündelter Elektronenstrahl auf der Anodenseite in die Ionisationskammer eingeleitet und in dem Magnetfeld zumindest in Teilen bis zum Strahlausgang der Ionisationskammer geführt. Bei der DE 101 30 464 A1 erfolgt eine Neutralisierung des abgegebenen Ionenstrahls mittels einer seitlich des Strahlausgangs angeordneten Elektronenquelle und/oder mittels einer von einem Randbereich des Ionenstrahls beim Strahlausgang angeordneten Emis sionsfläche, aus welcher durch auftreffende Ionen Elektronen ausgelöst werden.Typical such spacecraft propulsion devices, at the output of the ionization chamber, provide as an essential element an electron source as neutralizer, from which electrons are added to the ion beam IS by different mechanisms. Such a neutralizer is deliberately omitted in the present invention and the ejected ion beam is abgege ben with a strong positive charge surplus, the charge excess advantageously at least 50%, in particular at least 75%, preferably at least 90% of the ejected atoms as not ejected by Electron charge-compensated ions is. Other measures for the generation of neutralization electrons, such as the introduction of an electron beam from the anode or ion bombardment of a metallic surface are intentionally not provided. Essential for the function, the shape of the magnetic field MF in the plasma chamber, which is formed in the longitudinal direction LR multi-stage in such a way that a surrounding the ionization chamber magnet arrangement in the longitudinal direction spaced alternating magnetic poles N, S, wherein perpendicular to the longitudinal direction respectively the same poles facing or uniform poles surround the ionization chamber annular. The magnetic field in the ionization chamber shows in a longitudinal section through the ionization chamber as sketched in the figure, a periodic structure with extending substantially parallel to the longitudinal direction LR magnetic field between spaced poles N, S and a predominantly radial course in the region of the poles. The characteristic field profile of the individual stages in the longitudinal section image is also referred to as cusp structure. The magnetic field structure is known per se, for example from the DE 198 28 704 A1 or the DE 101 30 644 A1 However, in both known arrangements, means are provided for selectively adding neutralizing electrons to the ejected ion beam. In the arrangement of the DE 198 28 074 A1 an accelerated bundled electron beam is introduced into the ionization chamber on the anode side and guided in the magnetic field at least in part to the beam exit of the ionization chamber. In the DE 101 30 464 A1 a neutralization of the emitted ion beam by means of an electron source arranged laterally of the beam exit and / or by means of a arranged from an edge region of the ion beam at the beam exit Emis sion surface, from which electrons are triggered by incident ions.

Da einerseits die Kathode KA keine Elektroden zur Neutralisierung des gerichtet ausgestoßenen Ionenstrahls IB emittiert, andererseits aber Elektronen in der Ionisationskammer auf die Anode AN auftreffen ergibt sich ein Ungleichgewicht in der Strombilanz des Generators zwischen Anodenstrom und Kathodenstrom, welche bei der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise dadurch ausgeglichen wird, dass über leitende Außenflächen des Satelliten positiv geladene Partikel PP, insbesondere Gasionen oder Protonen aus der Umgebung des Satelliten angezogen und neutralisiert werden. In der Abbildung sind solche leitende Flächen FA, FB von der Kathode KA beabstandet an der Außenfäche OS des Satelliten vorgesehen. Die zum Stromausgleich erforderliche Potentialdifferenz zwischen der Umgebung des Satelliten und den leitenden Flächen FA, FB, OS stellt sich selbsttätig als Funktion insbesondere der leitenden Flächen, der Dichte und Temperatur der umgebenden geladenen Partikel, der Geschwindigkeit des Satelliten sowie der Größe des den Satelliten verlassenden Ionenstroms ein. Für eine effiziente Nutzung des erfindungsgemäßen Konzepts der Ionenantriebsvorrichtung ohne Neutralisierkathode ist vorteilhafterweise diese Potentialdifferenz < 20% der Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode der Beschleunigeranordnung. Vorteilhafterweise ist die Aufprallgeschwindigkeit von Umgebungspartikeln auf die leitenden Flächen gering. Die Antriebsvorrichtung findet insbesondere vorteilhaft Verwendung in Satelliten in niedrigen (Low Earth Orbit) oder mittleren (Medium Earth Orbit) Umlaufbahnen.On the one hand, the cathode KA no Electrodes for neutralizing the directionally ejected ion beam IB emits, but on the other hand, electrons in the ionization chamber impinging on the anode AN results in an imbalance in the Current balance of the generator between anode current and cathode current, which in the present invention advantageously characterized that is balanced over conductive outer surfaces of the Satellite positively charged particles PP, especially gas ions or Protons from the satellite's environment attracted and neutralized become. In the figure, such conductive surfaces FA, FB are from the cathode KA spaced at the outside area OS of the Satellite provided. The potential difference required for current compensation between the environment of the satellite and the conductive surfaces FA, FB, OS turns itself as a function in particular of the conductive surfaces, density and temperature the surrounding charged particles, the speed of the satellite as well as the size of the Satellite leaving ionic current. For efficient use of the inventive concept the ion drive device without neutralizing cathode is advantageous this potential difference <20% the potential difference between the anode and cathode of the accelerator assembly. Advantageously, the impact velocity of ambient particles on the conductive surfaces low. The drive device is particularly advantageous Use in satellites in low (low earth orbit) or medium (medium Earth orbit) orbits.

Da ein Satellit typischerweise eine in weiten Teilen metallische Außenhaut aufweist, können als leitende Flächen vorteilhaft vorhandene Flächen verwandt werden, welche elektrisch mit dem Generator verbunden werden wie z. B. die Fläche FB über die Verbindung LB oder vorzugsweise unmittelbar auf Katho denpotential gelegt sind wie z.B. die Fläche FA über die Verbindung LA. Insbesondere die letztgenannte Variante ist von besonderem Vorteil, da ohnehin leitend verbundene Teile der Außenfläche OS ohne Zusatzaufwand verwandt werden können und für alle der mehreren Ionenbeschleunigeranordnungen des Satelliten gemeinsam zur Verfügung stehen. Die leitenden Flächen sind vorteilhafterweise über den Außenumfang des Satelliten verteilt angeordnet und insbesondere vorzugsweise in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet.Since a satellite typically has a metallic outer skin in many parts, can be used as conductive surfaces advantageous existing surfaces, which are electrically connected to the generator such. B. the surface FB via the connection LB or preferably directly on Katho denpotential are laid such as the area FA on the connection LA. In particular, the latter variant is of particular advantage since without leading electrically connected parts of the outer surface OS can be used without additional effort and are common to all of the several ion accelerator arrangements of the satellite. The conductive surfaces are advantageously arranged distributed over the outer circumference of the satellite and in particular preferably aligned in different directions.

Auf die leitenden Flächen auftreffende positiv geladene Partikel PP nehmen Elektronen auf und gleichen so die Strombilanz des Generators GE aus. Schwankungen und temporäre Ungleichgewichte bleiben ohne nennenswerten Einfluss auf die Ionisation und die Ionenbeschleunigung in der Ionisationskammer.Impacting the conductive surfaces positively charged particles PP absorb and resemble electrons so the current balance of the generator GE off. Fluctuations and temporary imbalances remain without appreciable influence on ionization and ion acceleration in the ionization chamber.

Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.The above and those specified in the claims as well as the figures removable features are both individually as well as in various combinations advantageously feasible. The invention is not limited to the described embodiments limited, but in the context of expert Can s changeable in many ways.

Claims (10)

Antriebsvorrichtung eines Raumflugkörpers mit wenigstens einer Ionenbeschleuniger-Anordnung, welche a) eine Ionisationskammer mit einem in einer Längsrichtung liegenden Ausgang für einen Strahl beschleunigter Ionen, b) eine Elektrodenanordnung mit einer innerhalb der Ionisationskammer liegenden Anode und einer am Strahlausgang oder seitlich davon beabstandet außerhalb der Ionisationskammer liegenden Kathode zur Erzeugung eines elektrostatischen Beschleunigungsfelds innerhalb der Ionisationskammer, c) eine Magnetanordnung mit mehreren in Längsrichtung beabstandeten alternierenden Magnetpolen, welche innerhalb der Ionisationskammer ein Magnetfeld mit ersten Abschnitten überwiegend zur Längsrichtung parallelem Feldverlauf zwischen den Magnetpolen und zweiten Abschnitten überwiegend zur Längsrichtung senkrechten Feldverlaufs im Bereich der Magnetpole erzeugt, umfasst und keine beim Ausgang oder außerhalb der Ionisationskammer liegende Elektronenquelle zur Abgabe von Elektronen an den Ionenstrahl aufweist.Drive device of a spacecraft with at least one ion accelerator arrangement, which a) one Ionization chamber with an output lying in a longitudinal direction for one Beam of accelerated ions, b) an electrode assembly with a lying within the ionization chamber anode and a at the beam exit or laterally spaced outside the ionization chamber lying cathode for generating an electrostatic Acceleration field within the ionization chamber, c) one Magnet assembly having a plurality of longitudinally spaced alternating Magnetic poles, which within the ionization chamber, a magnetic field predominantly with first sections to the longitudinal direction parallel field course between the magnetic poles and second sections predominantly to the longitudinal direction generated vertical field course in the field of magnetic poles, includes and none at the exit or outside the ionization chamber lying electron source for the release of electrons to the ion beam. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Ionisationskammer senkrecht zur Längsrichtung eine einfach zusammenhängende Fläche, insbesondere eine Kreisfläche bildet.Device according to claim 1, characterized in that that the cross-section of the ionization chamber perpendicular to the longitudinal direction a simply coherent one Surface, in particular a circular area forms. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Magnetpole alternierend beabstandet im Längsverlauf der Ionisationskammer vorliegen.Device according to Claim 1 or 2, characterized that at least two magnetic poles alternately spaced in the longitudinal course the ionization chamber are present. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung elektrisch mit wenigstens einer von dem Ausgang der Ionisationskammer beabstandeten und der Umgebung des Raumflugkörpers zuweisenden leitenden Fläche verbunden ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the electrode arrangement is electrically connected to at least one of spaced from the exit of the ionization chamber and the environment of the spacecraft assigning conductive surface connected is. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Fläche einen Teil der Außenwand des Raumflugkörpers bildet.Device according to claim 4, characterized in that that the conductive surface a part of the outer wall of the spacecraft forms. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Fläche auf dem Potential der Kathode liegt.Apparatus according to claim 4 or 5, characterized that the conductive surface is at the potential of the cathode. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere leitende Flächen oder Teilflächen mit unterschiedlich ausgerichteten Flächennormalen vorhanden sind.Device according to one of claims 4 to 6, characterized that several conductive surfaces or partial surfaces exist with differently oriented surface normals. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem den Raumflugkörper gerichtet verlassenden Ionenstrom wenigstens 50%, insbesondere wenigstens 75%, vorzugsweise wenigstens 90 der Atome nicht ladungskompensiert sind.Device according to one of claims 1 to 7, characterized that in the spacecraft directionally leaving ionic current at least 50%, in particular at least 75%, preferably at least 90% of the atoms are not charge-compensated are. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumflugkörper ein LEO- oder MEO-Satellit ist.Device according to one of claims 1 to 8, characterized that the spacecraft enters LEO or MEO satellite. Verfahren zur Steuerung eines Raumflugkörpers mittels einer Antriebsvorrichtung mit einer Ionenbeschleuniger-Anordnung, welche einen gerichteten Strahl beschleunigter positiv geladener Ionen erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenstrahl ohne Ladungsneutralisation abgegeben und über vom Strahlausgang beabstandete leitende Flächen ein Ladungsausgleich durch positive Ladungen aus der Umgebung des Raumflugkörpers vorgenommen wird.Method for controlling a spacecraft by means of a drive device with an ion accelerator arrangement, which is a directed beam of accelerated positively charged Generates ions, characterized in that the ion beam without Charge neutralization delivered and spaced from the beam exit conductive surfaces a charge compensation by positive charges from the environment of Spacecraft is made.
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