DE2219545A1 - Ionentriebwerk - Google Patents

Description

Ionentriebwerk ■ - -

Die Erfindung betrifft ein Ionentriebwerk mit einem Treibstoff ördersystem sowie einem Gasentladungsraum, in den Treibstoff in Gasform eintritt, und der Teil eines der Ionisation des Treibstoffes dienenden Hochfrequenzresonators ist, ferner mit einer den Gasentladungsraum begrenzenden, den ionisierten Treibstoff aus dem Gasentladungsraum herausziehenden und beschleunigenden Beschleunigungselektrode und mit einer Vorrichtung zur Neutralisation des beschleunigten ionisierten Treibstoffes.

— 2—

ORIGINAL INSPECTED

3098U/0258

Diese Art eines Ionentriebwerkes ist in der deutschen Patentanmeldung P 2o 53 929.1 der Anmelderin beschrieben; der Gasentladungsraum wird hier durch eine Grenzelektrode abgeschlossen, an der das elektrische Hochfrequenzfeld einen Knoten bildet« Damit wirken auf den ionisierten Treibstoff ihn zu der Grenzelektrode beschleunigende Lorentzkräfte, so daß durch die axiale Geschv/indigkeitskomponente des ionisierten Treibstoffes an der Grenzelektrode eine höhere Stromdichte erreicht wird als bei den bisher bekannten Hochfrequenzionentriebwerken, die z.B. in H.W.Loeb, State of the Art and recent Developments of the Radio Frequenzy Ion Motors, AIAA Paper No. 69-285 beschrieben sind. Auch ist das Ionentriebwerk gemäß der Patentanmeldung P 2o 5 3 9 29.1 einfach und robust aufgebaut, da es fast vollständig aus Metall gebaut werden kann, und darüberhinaus die Elektronik einfach ist. Zudem sind bei diesem Triebwerk die Hochfrequenzverluste gering, da die gesamte Hochfrequenzenergie sich innerhalb des abgeschlossenen Resonators befindet und nicht wie bei dem bekannten Triebwerk, das mit einer um den Gesamtentladungsraum gewickelten Induktionsspule arbeitet, nach außen abstrahlen kann.

Allerdings können Lorentzkräfte im Gasentladungsraum nur unterhalb eines bestimmten kritischen Druckes wirksam werden, bei dem die freie Weglänge der Ladungsträger zumindest über einige Schwingungsperioden des elektrischen Feldes hinausgeht. Bei höheren Drücken und demnach auch bei höheren Gasdichten werden aber die Stöße innerhalb des gasförmigen Treibstoffes so zahlreich, daß die freie Weglänge der Ladungsträger derart klein wird, daß Lorentzkräfte nicht mehr wirksam werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Weiterentwicklung des beschriebenen Hochfrequenzionentriebwerkes, wobei gleichzeitig der

-3-

309844/0258

einfache und robuste Aufbau des gesamten Triebwerkes beibehalten werden soll. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, die Dichte der Gasentladung insbesondere an der Beschleunigungselektrode wesentlich zu erhöhen₅ um den Schub zu vergrößern.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Beschleunigungselektrode am offenen Ende des Hochfrequenzresonators angeordnet ist.

An der Grenzelektrode bildet demnach die stehende elektrische Welle innerhalb des Hochfrequenzresonätors einen Schwingungsbauch und nicht wie bei dem oben beschriebenen Ionentriebwerk einen Schwingungsknoten. Hier wird also bewußt auf den internen, auf Lorentzkräften beruhenden Beschleunigungseffekt im Gasentladungsraum verzichtet, und demnach auch auf die durch die Beschleunigung der Ladungsträger innerhalb des Gasentladungsraumes zusätzlich erreichbare Stromdichte an der Grenzelektrode. Demgegenüber wird bei der Erfindung innerhalb des Gasentladungsraumes an der Grenzelektrode auf den Treibstoff zur Ionisation die größtmögliche Energie übertragen, so daß.in der Gegend des Schwingungsbauches, also bei der Beschleunigungselektrode, die Dichte des ionisierten Treibstoffes am größten ist. Damit wird aber auch die Stromdichte des beschleunigten Ionenstrahls erhöht, so daß mit dem Ionentriebwerk gemäß der Erfindung ein hoher Schub erzeugt werden kann.

Der Aufbau des Ionentriebwerkes gemäß der Erfindung ist weiterhin einfach und robust, da der Hochfrequenzresonator völlig aus Metall besteht und beispielsweise durch eine übliche Scheibentriode ohne erheblichen elektronischen Aufwand angeregt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung hervor. Dabei stellen

3098U/Q258 . -4-

im einzelnen dar:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Hochfrequenzionentriebwerkes gemäß der Erfindung;

Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ionentriebwerkes gemäß der Erfindung und

Figur 3 den Verlauf der stehenden elektrischen Hochfrequenzwelle H innerhalb des Ionentriebwerkes.

Ein Ionentriebwerk 1 ist aufgebaut aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten metallischen Hohlzylindern 2 und 3, deren Länge mit der halben Wellenlänge eines elektrischen Hochfrequenz-Wechselfeldes übereinstimmt. Dieses elektrische Hochfrequenzwechselfeld wird mit Hilfe einer koaxialen Scheibentriode 4 erzeugt, die die eine offene Seite des aus den konzentrischen metallischen Hohlzylindern 2 und 3 gebildeten X /2-Resonators abschließt. Die Scheibentriode, die gemeinsam mit der A/2-Anordnung der Hohlzylinder 2 und 3 einer Oszillatorschaltung 41, beispielsweise der bekannten Colpittsschaltung, angehört, besteht aus einer mit einer Heizung 42 beheizten Kathode 43, einem Gitter 44, das über eine Trennkapazität 45 an den inneren Hohlzylinder 3 angekoppelt ist sowie einer Anode 46. Zur Kühlung der Anode 46 sind ferner am Umfang des äußeren Hohlzylinders 2 mehrere Strahlungsbleche 47 angeordnet, die zum Abführen der Verlustwärme innerhalb der Anode 46 dienen.

An der der Scheibentriode 4 gegenüberliegenden Seite des Hochfrequenzresonators ist durch einen Quarzkolben 5 sowie durch einen sogenannten Plasmagrenzanker 6 - ebenfalls aus Quarz und mit einer Vielzahl von Öffnungen 61 - ein Gasentladungsraum 7 abgegrenzt. Auf dem Quarzkolben 5 ist eine Ring-

3O98U/O250

anode 8 angeordnet, der eine von dem Hochfrequenzresonator elektrisch isolierte Beschleunigungselektrode 9 zugeordnet ist.

Anode 8 und Beschleunigungselektrode 9 sind dabei über eine Batterie Io, die eine Beschleunigungshochspannung liefert, elektrisch miteinander verbunden.

Wird di'eser so beschriebene Hochfrequenzresonator erregt, so beschreibt das elektrische Hochfrequenzwechselfeld eine stehende elektrische Welle von einer halben Wellenlänge, deren Schwingungsbäuche jeweils an den beiden offenen Enden des Hochfrequenzresonators und deren Schwingungsknoten in der Mitte des Hochfrequenzresonators liegt5 vgl« die Fig.

In dem inneren Hohlzylinder 3 ist ein Verdampfer 11 angeordnet, dem über eine Zuführleitung 12 von einem nicht dargestellten Reservoir flüssiges Quecksilber zugeführt wird. Der Verdampfer 11 und die Zuführleitung 12 sind durch elektrisch isolierende Stützelemente 13, 14 und 15 in dem inneren. Hohlzylinder gehalten. Das flüssige Quecksilber wird in dem Verdampfer 11 verdampft und dem Gasentladungsraum 7 über mehrere Kanäle 16 zugeführt. Hier wird nun das gasförmige Quecksilber durch das hochfrequente Wechselfeld ionisiert. Wie aus der Figur 3 zu ersehen ist, kann dabei dem hochfrequenten Wechselfeld in der Nähe des Plasmagrenz— ankers 6 die meiste Energie zu einer Ionisation der Gasteilchen entzogen werden, da hier das Wechselfeld einen Schwingungsbauch bildet. Infolgedessen wird die Dichte der Gasentladung am Plasmagrenzanker 6 am größten sein.

Nachdem durch den Plasmagrenzanker 6, wie bekannt, in der Gasentladung ein Fokussierungseffekt erreicht wird, wird das positiv ionisierte Quecksilber durch die auf einem gegenüber der Anode 8 negativen Potential liegenden Beschleuhi-

309844/0258

-6-

gungselektrode 9 aus dem Gasentladungsraum 7 herausgezogen und beschleunigt· Hiernach kann es von Vorteil sein, daß, wie an sich bekannt, nach der Beschleunigungselektrode noch eine Bremselektrode angeordnet ist, die in den Figuren allerdings nicht gezeigt ist.

Da aus dem Gasentladungsraum 7 lediglich die positiven Quecksilberionen herausgezogen werden, die bei der Ionisation freigewordenen Elektronen jedoch in dem Gasentladungsraum 7 verbleiben, müssen diese, um eine negative Aufladung des Ionentriebwerkes zu vermeiden, aus dem Gasentladungsraum 7 abgeführt werden. Das geschieht vorteilhaft durch eine Anordnung, wie sie bereits in der schon genannten Patentanmeldung P 2o 53 929.1 der Anmelderin beschrieben ist.

Dazu weist der Gasentladungsraum 7 an seiner dem Plasmagrenzanker 6 zugewandten Seite Öffnungen 17 auf, die den Entladungsraum 7 mit einem rohrförmigen Hohlkörper 18 verbinden. Dieser ragt durch eine Öffnung 19 der Beschleunigungselektrode 9 hindurch und ist an seiner dem Ionentriebwerk 1 abgewandten Seite ebenfalls mit Öffnungen 2o versehen. Ein geringer Teil des im Gasentladungsraum 7 im Plasmazustand befindlichen Quecksilbers wird durch die Öffnungen 17 in den Hohlkörper 18 uad weiterhin durch die Öffnungen 2o zum bereits beschleunigten ionisierten Quecksilber gedrückt und bildet so zwischen dem Gasentladungsraum und dem beschleunigten Ionenstrahl eine Plasmabrücke. Die in dem Gasentladungsraum 7 zurückgebliebenen Elektronen werden über diese Plasmabrücke in den beschleunigten Ionenstrahl gezogen, da dieser für die Elektronen eine positive Anode darstellt. Hierdurch wird der Ionenstrahl neutralisiert und eine negative Aufladung des Ionentriebwerkes 1 verhindert. Natürlich kann die Neutralisation des

3098U/0258

Ionenstrahles auch mit Hilfe einer konventionellen Hohlkathode erfolgen.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung,, die in Fig. 2 dargestellt ist, unterscheidet sich von der beschriebenen ersten Ausführungsform lediglich dadurch, daß der Hochfrequenzresonator anders aufgebaut ist. An der Stelle, an der im ersten Ausführungsbeispiel das hochfrequente Wechselfeld einen Schwingungsknoten bildet, wird der bisherige//'^-Resonator durch eine metallische Trennwand 21 unterbrochen, die zwischen den Hohlzylindern 2 und 3 angeordnet ist. Auf diese Weise entstehen zwei miteinander verbundene ^/^Resonatoren; der eine der A/4-Resonatoren, der die Scheibentriode 4 enthält, dient dabei zur Erzeugung des hochfrequenten Wechselfeldes, das mit Hilfe einer Koppelschleife in den den Gasentladungsraum 7 enthaltenden zweiten A/4-Resonator eingekoppeit wird. Funktionsweise und Verteilung des hochfrequenten Wechselfeldes sind bei diesem Ausführungsbeispiel gleich dem des ersten Ausführungsbeispieles, so daß in der Figur für gleiche Teile auch die gleichen Bezugsziffern verwendet wurden.

Ein Ionentriebwerk gemäß der Erfindung zeichnet sich - wie aus dem vorherigen ersichtlich - durch eine, robuste und einfache Bauweise aus; gleichzeitig wird durch die spezifische Ausbildung des Ionentriebwerkes als Teil eines offenen Hochfrequenzresonators eine hohe Gasentladungsdichte im Gasentladungsraum erreicht, so daß mit diesem Ionentriebwerk ein beachtlicher Schub erzielt werden kann.

Patentansprüche! -8-

3098 44/02 58

Claims (4)

1. P atentansprüche

   Ionentriebwerk mit einem Trexbstoffördersystem sowie einem Gasentladungsraum, in den Treibstoff in Gasform eintritt und der Teil eines der Ionisation des Treibstoffes dienenden 'Hochfrequenzresonators ist, ferner mit einer den Gasentladungsraum begrenzenden, den ionisierten Treibstoff aus dem Gasentladungsraum herausziehenden und beschleunigenden Beschleunigungselektrode und mit einer Vorrichtung zur Neutralisation des beschleunigten ionisierten Treibstoffes, dadurch gekennzeichnet , daß die Beschleunigungselektrode (9) am offenen Ende des Hochfrequenzresonators (2,3,4) angeordnet ist. _
2. 2. Ionentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzresonator (2, 3,4) ein Λ/2-Resonator ist.
3. 3. Ionentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Λ/2-Resonator aus zwei miteinander gekoppelten Λ/4-Resonatoren besteht, von denen lediglich der eine zur Erzeugung des hochfrequenten Wechselfeldes herangezogen ist und mit Kopplungselementen mit dem anderen Resonator verbunden ist.
4. 4. Ionentriebwerk nach einem der vorhergehenden An-

   3098U/0258

   sprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das den Gasentladungsraum (7) begrenzende offene Ende des Resonators mit einem perforierten Plasmagrenzanker (6) aus dielektrischem Material, vorzugsweise Quarz, abgeschlossen ist.

   3098U/0258

   Leerseite