DE19835512C1 - Ionentriebwerk - Google Patents
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Abstract
Ein als Ionentriebwerk für Satelliten und Raumflugkörper ausgebildetes elektrostatisches Triebwerk ist zur Neutralisation des austretenden Treibstoffionenstrahles mit einer Elektronenquelle ausgerüstet, bei der neben der Anode und einer gasdurchströmten Hohlkathode eine Zusatzelektrode vorgesehen ist. Letztere ist als Stift in der Längsachse des Kathodenrohres gehaltert und bewirkt, mit einen Zündimpuls beaufschlagt, die Zündung der Gasentladung zwischen Anode und Kathode und damit das Einsetzen des Elektronenstromes.
Description
Die Erfindung betrifft ein Ionentriebwerk, insbesondere
für Satelliten und Raumflugkörper, mit einer
Ionisationseinrichtung für ein Treibstoffgas, wenigstens
einer Beschleunigungseinrichtung für die Treibstoffionen
sowie einer mit einer gasdurchströmten Hohlkathode und
einer Anode ausgestatteten Elektronenquelle, deren Strahl
zur Neutralisation in den Treibstoffionenstrahl
einkoppelbar ist.
Bei den elektrostatischen Triebwerken der eingangs
genannten Art werden die aus einem mitgeführten Vorrats
behälter austretenden Atome eines Treibstoffgases
zunächst ionisiert und anschließend werden die dann
positiv geladenen Treibstoffionen in einem
elektrostatischen Hochspannungsfeld beschleunigt. Zur
Aufrechterhaltung einer konstanten Antriebsleistung ist
es dabei unbedingt erforderlich, den austretenden,
positiv geladenen Treibstoffionenstrahl durch geeignete
Maßnahmen zu neutralisieren. Als Neutralisator für diesen
Zweck dient vorzugsweise eine Gasentladungsanordnung, die
als Elektronenquelle genutzt wird. So stellt es eine
bereits bekannte Maßnahme dar, aus einer Hohlgaskathoden
entladung zwischen einem mit einem Gas durchströmten
Kathodenrohr und einer als Keeper bezeichneten Anode
freie Elektronen zu extrahieren und sie auf geeignete
Weise in den Strahl der austretenden Treibstoffionen
einzukoppeln.
Um bei einer solchen Anordnung die Gasentladung zwischen
der Anode und der Kathode zu starten, muß die Kathode
vergleichsweise stark aufgeheizt werden, damit die aus
tretenden Elektronen aufgrund der angelegten Anoden
spannung das durchströmende Gas zu ionisieren vermögen
und so den Entladungsvorgang einleiten. Typischerweise
muß eine solche Kathode, die in der Regel aus einem
Material mit hoher Elektronenmissionsfähigkeit,
beispielsweise imprägniertes Wolfram, besteht, auf eine
Temperatur von etwa 1200° Celsius gebracht werden. Dies
aber erfordert nicht nur einen erheblichen
Energieaufwand, sondern die hohe Kathodentemperatur führt
gleichzeitig auch zu einer starken Materialbelastung und
zu frühzeitiger Materialermüdung. Außerdem ist eine
vergleichsweise aufwendige thermisch und mechanisch
stabile Auslegung der gesamten Anordnung erforderlich.
Schließlich benötigt diese bekannte Vorrichtung hohe
Gasdurchsätze, um die Zündung herbeizuführen.
Ein gattungsgemäßes elektrostatisches Triebwerk als
Ionentriebwerk für Satelliten und Raumflugkörper ist aus
der US 4,838,021 und der US 5,146,742 A bekannt. Hierbei
ist eine Ionisationseinrichtung für ein Treibstoffgas
vorgesehen, wobei bekannt ist, daß eine Beschleunigungs
einrichtung für die Treibstoffionen angeordnet ist sowie
eine mit einer gasdurchströmten Hohlkathode und einer
Anode ausgestatteten Elektronenquelle, deren Strahl zur
Neutralisation in den Treibstoffstrahl einkoppelbar ist.
Auch aus der US 5,465,023 ist ein Ionentriebwerk mit
einer Ionisationseinrichtung für ein Treibgas, einer
Beschleunigungseinrichtung für die Treibstoffionen sowie
einer mit einer Kathode und einer Anode ausgestatteten
Elektronenquelle bekannt. Die Ionisationseinrichtung
weist eine gasdurchströmte beheizte Hohlkathode auf und
vor der Hohlkathode ist eine zusätzliche Elektrode zum
Starten der Entladung angeordnet.
Ferner zeigt die US 5,369,953 ein Ionentriebwerk für
Satelliten und Raumflugkörper entsprechend dem vor
genannten Stand der Technik, wobei vor der Kathode der
Elektronenquelle eine Starterelektrode angeordnet ist,
zwischen der sowie der Kathode eine Entladung gezündet
wird. Hierbei ist auch vor der Kathode eines
Neutralisators eine Starterelektrode angeordnet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Triebwerk der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß es eine möglichst
geringe Materialbeanspruchung und damit eine hohe Zuver
lässigkeit aufweist und daß eine Auslegung ermöglicht
wird, die möglichst nahe am stationären Betriebszustand,
nach erfolgter Zündung, orientiert ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie bei einem
derartigen Triebwerk vorsieht, daß im Bereich der Kathode
eine Zusatzelektrode angeordnet ist, zwischen der sowie
der Kathode eine Impulsentladung zur Zündung der Gasent
ladung zwischen Anode und Kathode initiierbar ist.
In der bevorzugten Ausführungsform des Triebwerks nach
der Erfindung besteht die Zusatzelektrode aus einem
zylindrischen Stift, der in der Längsachse der Hohl
kathode angeordnet ist. Die Vorteile des erfindungs
gemäßen Triebwerks bestehen vor allem darin, daß die für
die Zündung benötigte Kathodentemperatur wegen des
wesentlich geringeren erforderlichen Elektronenstromes
erheblich unter derjenigen herkömmlicher Triebwerke
dieser Art liegen kann. Daraus wiederum resultiert wegen
der niedrigeren Heiztemperatur auch eine geringere Heiz
energie, die für die Zündung aufgewandt werden muß.
Zugleich kann auch der für diesem Vorgang benötigte
Gasdurchsatz durch die Hohlkathode wesentlich gesenkt
werden.
Nachfolgend soll das Triebwerk nach der Erfindung anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Ionentriebwerkes
und
Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer Elektronenquelle
für ein elektrostatisches Triebwerk.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ionentriebwerk tritt aus
einem Vorratsbehälter 1 über eine Fritte 2 ein mitge
führtes Gas, im Fall des hier beschriebenen Ausführungs
beispiels XENON, in eine als Ionisator ausgebildete
Kammer ein. Diese Kammer 3 ist von einem
Permanentmagneten 4 und einer mit einem Schwingkreis 5
gekoppelten spulenförmigen Induktionskathode 6 umgeben.
Im Inneren der Kammer 3 ist ferner eine Extraktionsanode
7 angeordnet.
Das dem Gaseintritt abgewandte Ende der Kammer 3 ist mit
Austrittsöffnungen versehen, vor denen eine Extraktions
kathode 8 und, im Abstand zu dieser, eine Brems- oder
Abschirmelektrode 9 angeordnet sind. Ferner ist in diesem
Bereich ein Neutralisator 10 in Form einer Elektronen
quelle angeordnet, dessen Aufbau anhand von Fig. 2 näher
erläutert wird.
Das Ionentriebwerk ist auf die übliche Art beschaltet,
d. h., daß an der Extraktionsanode 7 eine positive
Spannung von beispielsweise 4.5 kV anliegt, während an
der Extraktionselektrode 8 eine Beschleunigungsspannung
von -2 kV anliegt, die Bremselektrode 9 befindet sich auf
Nullpotential. Aufgrund dieser Schaltungsanordnung und
der die Kammer 3 umgebenden Induktionseinrichtung 4, 5, 6
wird das aus dem Vorratsbehälter in die Kammer 3 ein
tretende Gas ionisiert, wobei die Elektronen von der
Extraktionsanode 7 abgesaugt werden und die positiv ge
ladenen Gasionen unter der Wirkung des zwischen der
Extraktionsanode 7 und -kathode 8 bestehenden Beschleuni
gungsfeldes die Kammer 3 mit hoher Energie über die Aus
trittsöffnungen verlassen, wo sie mittels des von der
Elektronenquelle 10 gelieferten Elektronenstrahles neu
tralisiert werden.
Bei dieser Elektronenquelle 10 ist im Inneren einer als
Gehäuse 11 ausgebildeten Anode, auch als Keeper bezeich
net, ein Kathodenrohr 12 angeordnet, dessen im Gehäuse 11
befindlicher Austrittsbereich von der eigentlichen
Kathode 13 begrenzt wird und von einer Heizwendel 14 um
geben ist. Im Inneren des Kathodenrohres 12, im Bereich
seiner Längsache, ist eine stiftförmige Zusatzelektrode 15
an einer Halterung 16 angebracht, die über einen Iso
lationseinsatz 17 im Kathodenrohr 12 elektrisch isoliert
ist. Die Eintrittsöffnung des Kathodenrohres 12 wird
schließlich, in der Figur durch einen massiven Pfeil an
gedeutet, von einem Gas, im Fall des hier beschriebenen
Ausführungsbeispiels XENON, beaufschlagt, das das
Kathodenrohr 12 durchströmt und durch eine zentrische
Bohrung der Kathode 13 in das als Kammer ausgebildete
Anoden-Gehäuse 11 eintritt.
Anode 11, Kathode 12 und Zusatzelektrode 15 sind, wie in
der Figur angedeutet, durch eine elektrische Schaltung 18
miteinander verbunden, bei der zwischen der Anode 11 und
dem Kathodenrohr 12, und damit auch an der elektrisch
leitend mit letzterem verbundenen Kathode 13, die
Betriebsspannung Uke anliegt. Zur Zündung der Anordnung
wird nach dem erfolgten Aufheizen der Kathode 13 und Gas
beaufschlagung kurzzeitig zwischen der dann als eine Art
Hilfsanode fungierenden Zusatzelektrode 15 und dem
Kathodenrohr 12 eine Impulsentladung Us/Is ausgelöst.
Hierdurch wird zwischen der Anode 11 und der Kathode 13
die Gasentladung gezündet.
Im Inneren der Anode 11, vor der Kathode 13, bildet sich
ein in Fig. 2 als schattierter Bereich angedeutetes
Plasma 19, aus dem heraus Elektronen è über eine Aus
trittsöffnung 20 der Anode 11 in den durch einen offenen
Pfeil angedeuteten Ionenstrahl 21 eindringen und die
darin befindlichen Ionen neutralisieren.
Claims (4)
1. Ionentriebwerk, insbesondere für Satelliten und
Raumflugkörper, mit einer Ionisationseinrichtung für
ein Treibstoffgas, wenigstens einer
Beschleunigungseinrichtung für die Treibstoffionen
sowie einer mit einer gasdurchströmten Hohlkathode
und einer Anode ausgestatteten Elektronenquelle,
deren Strahl zur Neutralisation in den
Treibstoffionenstrahl einkoppelbar ist, dadurch ge
kennzeichnet, daß im Innenraum der Kathode (12, 13)
eine Zusatzelektrode (15) angeordnet ist, zwischen
der sowie der Kathode (12, 13) eine Impulsentladung
zur Zündung einer Gasentladung zwischen der Anode
(11) und der Kathode (12, 13) initiierbar ist.
2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zusatzelektrode (15) im Inneren der als
Kathodenrohr ausgebildeten Hohlkathode (12) ange
ordnet ist.
3. Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zusatzelektrode (15) als in der Längsache des
Kathodenrohres (12) gehalterter zylindrischer Stift
ausgebildet ist.
4. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hohlkathode (12) von z. B.
XENON durchströmt ist.
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