DE2454458B2 - Hochfrequenz-Plasmatriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochfrequenz-Plasmatriebwerk bestehend aus einem Entladungsraum mit einem offenen Ende, einem Magneten zur Erzeugung eines Oleichmagnetfeldes im Entladungsraum und einem Hochfrequenzgenerator, dessen Ener gie ober Kopplungselemente in den Entladungsraum zur Ionisation, eines TTejbstoffgases und nachfolgender Beschleunigung des bej der Ionisation entstandenen Plasma? einkoppelbar ist,

Ein derartiges Hocbfrequenz-Plasroatriebwerk ist aus dem AIAA JOURNAL, VoL 2, Nr, 1, |anuar 1964, Seiten 35—41 bekannt

Der in dieser Druckschrift beschriebene Plasmabeschleuniger ist ein sogenannter Elektronen-ZyLJotron-Resonanzbeschleuniger. Er besteht aus einem rohr- oder leicht trichterförmigen Entladungsgefäß aus Metall oder Glas, um das eine Magnetspule zur Erzeugung eines zum offenen Ende des Entladungsgefäßes hin stark divergierenden magnetischen Gleichfeldes an- * eordnet ist An einem Ende dieses Entladungsgefäßes werden über Hohlraumwellenleiter von einem separaten Sender Mikrowellen mit einer Frequenz zwischen 2 und 8 GHz eingestrahlt
Die Hochfrequenzenergie dient im Entladungsgefäß zur Ionisierung des Arbeitsgases(Treibstoff), während durch das magnetische Gleichfeld die Zyklotronbewegung der Plasma-Elektronen erzeugt wird, die dadurch eine hohe Energie aus dem Mikrowellenfeld aufnehmen. Wegen der starken Divergenz des Magnetfeldes wird die Energie der rotierenden Plasmaelektronen in eine axiale Bewegung umgewandelt so daß sie in Achsrichtung das Entladungsgefäß verlassen Die Ionen werden durch Ladungstrennüngskräfte mitgezogen
Diese Elektronen-Zyklotron-Resonanztriebwerke sind besonders attraktiv, weil sie ohne Elektroden, wie Beschleunigungs- <aad Bremselektroden, Anoden und Hohlkathoden arbeiten, wie sie etwa Ionentriebwerke aufweisen. Sie erfordern jedoch aufwendige Mikrowellengeneratoren, die wegen der hohen Frequenz nur geringe Leistung bei schlechtem Wirkungsgrad erzeugen Die starke Divergenz des Plasmastrahls ist ein weiterer Nachteil dieser Triebwerksart

Aufgabe der Erfindung ist es, durch Verwendung eines aus der Gleichung für die Lorentzkraft ableitbaren Beschleunigungsmechanismus ein konstruktiv einfaches Plasmatriebwerk zu schaffen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Triebwerk zwei in Richtung der Wellenausbreitung hintereinander angeordnete und miteinander gekoppelte offene Hohlraumoszillatoren aufweist von denen der eine als Λ/4-Hochfrequenzgenerator und der andere als daran angekoppelter Λ/4-Resonator ausgebildet ist wobei Λ die Wellenlänge der Hochfrequenzwille ist, daß ein Teil des Resonators

so zu dessen offenem Ende hin als Entladungsraum abgetrennt ist und daß die Stärke des in dem Entladungsraum annähernd parallele Feldlinien aufweisenden axialen Magnetfeldes, die Frequenz des Hochfrequenzgenerators und die Plasmadichte derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Dielektrizitätskonstante des Plasmas negativ wird und so auf das Plasma wirkende Lorentz-Kräfte zur Erzielung eines maximalen Schubes resonanzartig verstärkt werden.
Ein Plasmatriebwerk gemäß der Erfindung hat mit den bekannten Elektronen-Zyklotron-Resonanztriebwerken nur die Zyklotronbewegung der Plasmaelektronen gemeinsam, während insbesondere der Beschleunigungsmechanismus anders ist
- Die axiale Beschleunigung in Ausbreitungsrichtung der Hochfrequenzwellen der um die nunmehr axial im Entladungsraum verlaufenden Magnetfeldlinien rotierenden Plasmaelektronen wird mit Lorentzkräften ermöglicht Diese werden im Entladungsraum dadurch

erzeugt, daß in dem AAHtesonator der magnetische Vektor der efelrtromagpetwcben Hochfrequenzwelle gegenüber dem elektrischen Vektor einen seitlichen Phasenunterschied von 90" aufweist.

Da die im radialen elektrischen Hocbfrequeiwfeld schwingenden Plasmaelektronen ebenfalls einen seitlichen Pbasenunterschied von 90" gegenüber dem elektrischen Hochfrequenzfeld, haben, schwingen sie in Phase mit dem tangential^ magnetischen Hochfrequenzfeld. Dadurch entsteht eine Lorentzkraft, welche in axialer Richtung zum offenen Ende des Entladungsraumes wirkt Diese Lorentzkraft wird durch das konstante Überlagerte Magnetfeld resonanzartig verstärkt, so daß sehr hohe ,Strahlgeschwindigkeiten und damit ein hoher Schub des Triebwerkes möglich sind. Das fiberlagerte konstante ,Magnetfeld soll möglichst homogen sein, jedoch ist eine Divergenz, sofern die Stärke der, Magnetfeldes aberall für den Resonanzeffekt ausreichend ist nicht schädlich, wenn man. von der dadurch verursachten Divergenz des Plasmastrahles absieht Auf die Ionen wirken grundsätzlich ebenfalls Lorentzkräfte mit dem gleichen Richtungssinn. Wegen der großen Masse der Ionen sind diese Lorentzkräfte jedoch sehr schwach. Diese Ionen werden aber durch Ladungstrennungskräfte von den axial beschleunigten Elektronen mitgezogen. Die für diesen Beschleunigungsmechanismus geeignete Frequenz ergibt sich aufgrund der weiter unten beschriebenen Triebwerksparameter und liegt zwischen 200 bis 500MHz. Das Triebwerk zündet ohne besonderen Zunder.

Es ist ferner möglich, ein Plasmatriebwerk gemäß der Erfindung zu einem Ionentriebwerk zu erweitern. Hierzu wird am offenen Ende des Resonators in an sich bekannter Weise ein Plasmagrenzanker aus Quarz und schließlich eine Beschleunigungselektrode mit darauffolgender Bremselektrode angeordnet Durch Anlegen einer Spannung zwischen Entladungsraum und Beschleunigungselektrode werden die im Entladungsraum bereits durch den erwähnten Resonanzeffekt beschleunigten Ionen aus dem Entladungsraum herausgezogen und beschleunigt Zur Neutralisation des beschleunigten Ionenstrahles wird in bekannter Weise eine elektronenabgebende Hohlkathode vorgesehen (DE-OS 2219545).

Mit einem derartigen, aus dem Plasmatriebwerk entwickelten Ionentriebwerk kann der auf dem Plasmagrenzanker auftreffende Ionenstrom stark vergrößert und durch die Stärke des fiberlagerten Magnetfeldes variiert werden. Der Schub eines solchen Triebwerkes kann damit geändert werden, ohne daß die Beschleunigungsspannung verändert wird.

Aus der DE-OS 2219 545 ist ein Ionentriebwerk bekannt, bei dem Hochfrequenzgenerator und Entladungsraum durch zwei hintereinander angeordnete und miteinander gekoppelte offene Hohlraumoszillatoren gebildet sind, von denen der eine als λ/4-Hochfrequenzgenerator und der andere als daran angekoppelter A/4-Resonator ausgebildet ist Ein Teil des Resonators zu dessen offenem Ende hin ist als Entiadungsraum abgetrennt An diesem offenen Ende ist ein Plasmagrenzanker mit einer anschließenden Beschleunigungselektrode sowie eine Einrichtung zur Neutralisation des ionenstrahl vorgesehen. Der Resonatorraum ist hierbei zwischen zwei koaxialen zylindrischen Rohren angeordnet

Bei diesem Ionentriebwerk werden in dem Entladungsraum die Ionen nicht durch Lorentzkräfte beschleunigt; vielmehr dietit der Hochfrequenzgenerator, dessen elektrische stehende Welle am Plaspagrenzanker einen Schwmgwngsbeuch aufweist, nwr;|dazu, an diesem Ort die lonenstromdichte m erhöhen, Durch Herausziehen dieser Ionen durch die Bescbleijnigungs.-elektrode kann ein hober Schub erzielt werden}

Trotz des teilweise ähnlichen Aufbaues !.eines zu einem Ionentriebwerk modifizierten Plasmatritfbwerkes gemäß der Erfindung ist dessen Arbeitsweise, !wie oben erläutert, anders, indem die Ionen durch die Wechsel*

to wirkung des elektrischen und magnetischen Feldes im Entladungsraum in Richtung zum Grenzanker jpeschleu-, nigt werden. Außerdem ist für dieses Ionentriebwerk eine genaue Abstimmung der Stärke des Magnetfeldes, der Frequenz des Generators und der Piasmailichte im

oben beschriebenen Sinne notwendig. ι

Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert Es stellt dajr

Fig.l einen Querschnitt durch ein Hociiirequenz-Plasmatriebwerk gemäß der Erfindung und ::

Fig.2 einen Querschnitt durch einen Teil eines zu einem Ionentriebwerk modifizierten C^ismatriebwerks gemäß der F ig. 1.

Ein Plasmatriebwerk 1 besteht aus zwei koaxialen Rohren 2 und 3„ etwa aus versilbertem Kupfer, die auf etwa halber Länge durch eine Trennwand 4 aus gleichem. Material starr miteinander verbunden sind. Am Ende der einen Hälfte dieses koaxialen Rohrsystems ist eine Planartriode 5 angeordnet, die über eine Trennkapazität 6 mit dem Außenrohr 2 gekoppelt ist Die Abmessungen des Rohrsystems sind so, daß die linke Hälfte bei angeregter Planartriode einen Hochfrequenzgenerator 7, und zwar einen λ/4-Rohrschwingkreis darstellt während die rechte Hälfte des Rohrsystems einen λ/4-Resonator 8 bildet Auf diese Weise hat die stehende elektrische Welle der Hochfrequenz an beiden Enden des Triebwerkes jeweils einen Schwingungsbauch und die magnetische jeweils einen Schwingungsknoten. Die im Hochfrequenzgenerator und Resonator auftretenden Kreisströme /sind schemaäsch in der F i g. 1 angedeutet Beide sind fiber eine induktive Koppelschleife 9 miteinander verbunden.

Der Resonator ist durch eine Quarzscheibe 10 unterteilt, wobei der Raum rechts von der Quarzscheibe 10 als Entladungsraum 11 dient In diesen wird über einen Verteiler 12 Quecksilberdampf eingebracht der in einem Verdampfer 14 aus flüssigem Quecksilber gewonnen wird. Um den Entladungsraum 11 ist eine Magnetspule 15 gewickelt die in dem Entladungsraum ein axiales, konstantes Magnetfeld erzeugt

so Wird das Triebwerk in Betrieb genommen, so zündet im elektrischen Feld <ies Resonators die Gasentladung ohne besonderen Zünder und das Plasma wird, wie oben erwähnt, aus dem Entladungsraum durch Lorentzkräfte beschleunigt.

Die Durchschnittsgeschwindigkeit v_e der Elektronen in dem Hochfrequen^feld, dessen elektrischer Vektor mit fund dessen magnetischer Vektor mit B bezeichnet ist, ist in Gegenwart eines überlagerten konstanten axialen Magnetfeldes B₀ bei Berücksichtigung der Stöße

der Plasmateilchen durch die Langevinsche Gleichung gegeben;

(D

In dieser Gleichung bedeuten e bzw. m_e die Ladung bzw. die Masse der Elektronen und f_e die Stoßfrequenz im Plasma, die ein Maß für die freie Weglänge der

einzelnen Plasmateilchen ist. Die Feldgleichungen sind durch die Maxwellsche Gleichung gegeben:

r)E

(2)

Hierin sind μ die magnetische Suszeptibilität, j die Stromdichte, eo die Dielektrizitätskonstante im Vakuum und Δ der Nabla-Operator.

Zur Berechnung der Lorentzkräfte muß die radiale Geschwindigkeit v_r bzw. die radiale Stromdichte j_r bekannt sein. Die Stromdichte kann näherungsweise dadurch berechnet werden, daß in der angegebenen Langevinschen Gleichung das magnetische Wechselfeld zunächst vernachlässigt wird Unter Berücksichtigung der Stöße im Plasma erhält man schließlich für die radiale Stromdichte folgenden Ausdruck:

= E₀ {σ ■ sin ωΐ - a ■ cos ω ι) In dieser Gleichung bedeuten:

die Plasmafrequenz und

c_nm_r
ω = die Hochfrequenz

Mit der Maxwellschen Gleichung kann die magnetische Induktion und zwar hier allein die interessierende winkelabhängige Komponente B» berechnet werden zu

PB»

B_n\ σ ■ sin ω/ + fn(l ~ )ω cos ω t\.

I V εη ω J I

et i V cο ι

Hiermit kann endgültig die auf das Elektron wirkende Lorentzkraft berechnet werden: F= E₀B₀ la² sin² ω ι - c„a (1 }ω cos² ω! + σ ε₀ ω (1 - —— ) sin ωί ■ cos ωΐ\.

π L \ Cf, ω J \ C_n ω J J

Hieraus ist ersichtlich, daß die Lorentzkraft aus zwei aufweisen, ist der vom quadratischen Sinusterm

richtungskonstanten Termen, in denen die Sinus- und stammende Anteil der Lorentzkraft zum offenen Ende

Cosinusfunktionen nur quadratisch vorkommen, und des Resonators gerichtet, während der vom Cosinus-

einem oszillierenden Term zusammengesetzt ist Da die term stammende Anteil entgegengerichtet ist

quadratischen Terme entgegengesetzte Vorzeichen 45 In den Faktoren des quadratischen Cosinustermes:

(I ) = α ω c =

V εο<Β/

(ω² +ff - ω²)² + 4/²ω²

1-

(6)

kann in erster Närierung im Nenner die Größe vernachlässigt werden, da bei den in Frage kommenden Plasmadichten f_c immer kleiner als ω ist Damit wird jedoch der Ausdruck in der geschweiften Klammer zu:

1 -

(7)

Wird nun durch entsprechende Abstimmung des axialen Magnetfeldes, das, wie oben erwähnt in die Zyklotronfrequenz eingeht ca_e mit ω etwa gleichgemacht so wird der Klammerausdruck stark negativ und geht im Resonanzteil gegen -00. Dies gilt für jede Plasmafrequenz. Hierdurch wird eine Vorzeichenumkehr des gesamten Cosinustermes erreicht Gleichzeitig wird die Dielektrizitätskonstante ε negativ, was möglich und für Plasmen bereits in mehreren Arbeiten nachgewiesen worden ist; vgl etwa American Journal of Physics, VoL 37, Nr. 4, April 1969, Seiten 423-441, insbesondere Seite 429 rechte Spähe oben.

Eine Konsequenz dieser Abstimmung ist jedoch, daß die beiden quadratischen Anteile der Lorentzkraft nunmehr in die gleiche Richtung, nämlich zum offenen Ende des Resonators wirken. Die Größe dieser resonanzartigen Verstärkung hängt nicht nur vom überlagerten Magnetfeld und der damit zusammenhängenden Zyklotronfrequenz ab, sondern auch von der Plasmafrequenz und von der hiervon abhängigen Plasmadkhte a.

Ein Plasmatriebwerk der beschriebenen Art, das mit 400MHz eine Größe von knapp 40 cm hat ist in zahlreichen praktischen yersuchen, die ohne Störungen verliefen, inzwischen erprobt worden.

Es ist im übrigen durchaus möglich, das beschriebene Plasmatriebwerk geringfügig in der Weise zu modifizieren, daß ein Ionentriebwerk entsteht; vgl. F i g. 2. Hierzu ist lediglich am offenen Ende des Resonators 8 im Abstand von etwa einem Zentimeter ein Plasmagrenzanker 21 aus Quarz und schließlich eine Beschleunigungselektrode 22 mit darauf folgender Bremselektrode anzuoHnen. Durch Anlegen einer Spannung zwischen Entladungsraum und Beschleunigungselektrode werden die im Entladungsraum 11 bereits durch den oben erwähnten Resonanzeffekt beschleunigten Ionen aus dem Entladungsraum 11 herausgezogen und beschleunigt. Die freigegebenen Ionen müssen darum durch Elektronen neutralisiert werden, um eine negative Aufladung des Triebwerkes zu vermeiden. Dies geschieht in bekannter Weise durch eine elektronenabgehende Hohlkathode 23. Ansonsten ist das Ionentriebwerk genau so wie das beschriebene Plasmatriebwerk der F i g. 1 aufgebaut.

Dieses so ausgebildete Ionentriebwerk hat folgende interessante und bedeutungsvolle Eigenschaft: Der auf den Plasmagrenzanker auftreffende Ionenstrom, der ein Maß für die Schubgröße ist und dessen Stromdichte normalerweise durch das Bohmsche Theorem begrenzt ist. kann durch den oben beschriebenen Beschleunigungsmechanismus sehr stark vergrößert und vor allen Dingen durch die Stärke des überlagerten Magnetfeldes

variiert werden, wobei die Beschleunigungsspannung nicht geändert wird.

Bei der Variierung des überlagerten Magnetfeldes muß nur bedacht werden, daß es bei abgeschaltetem Magnetfeld eine kritische Plasmadichte gibt, bei welcher sich die beiden quadratischen Komponenten der Lorenztkraft gegenseitig aufheben, so daß gar kein Ionenstrom an den Plasmagrenzanker gelangen kann.

Diese kritische Plasmadichte /J*_r folgt aus

bzw. ru,

f„ m_r

(8)

Bei einer Frequenz von 400 Ml I/ ist die kritische Dichte

;i,_rs 2 ■ 10''[CItI ■■']. (0)

Die Plasmadichte ist jedoch in Triebwerken immer größer, so daß also auch bei abgeschaltetem Magnetfeld ein genügend starker Plasmastrahl auf den Plasmagrenzanker auftreffen wird. Die Frequenz des Triebwerkes darf aber nicht wesentlich erhöht werden, da sonst die kritische Plasmadichte etwa gleich der praktisch erzielbaren Plasmadichte wird, so daß das Triebwerk bei abgeschaltetem Magnetfeld nicht mehr funktioniert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche;

   l_t HpclUTequenz-.Plasmatriebwerk bestehend aws einem Entiadungsnuwn mit, einem offenen Ende, einem Magneten zur Erzeugung eines Glejcnmagnetfefdes im Entladungsraum und einem Hochfrequenzgenerator, dessen Energie Ober Kopplungselemente in den Entladungsraum zur Ionisation eines Treibstoffgases und nachfolgender Beschleunigung des bei der Ionisation entstandenen Plasmas einkoppelbar ist, dadurch, gekennzeichnet, daß das Triebwerk (1) zwei in Richtung der Wellenausbreitung hintereinander angeordnete und miteinander gekoppelte offene Hohlraumoszillatoren aufweist, von denen der eine als Λ/4-Hochfrequenzgenerator (7) und der andere als daran angekoppelter λ/4-Resonator (8) ausgebildet ist, wobei λ die Wellenlänge der Hochfrequenzwelle ist, daß ein Teil des Resonators zu dessen offenem Ende hin als Ent^dungsraum (11) abgetrennt ist, und daß die Stärke des in dem Entladungsraum annähernd parallele Feldlinien aufwebenden axialen Magnetfeldes (Bo), die Frequenz des Hochfrequenzgenerators und die Plasmadichte (n) derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Dielektrizitätskonstante des Plasmas negativ wird und so auf das Plasma wirkende Lorentz-Kräfte zur Erzielung eines maximalen Schubes resonanzartig verstärkt werden.
2. 2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das offene Ende des Resonators (8) durch einen Plasmagrenzanker (21) und eine anschließende Beschleunigung-jelektrode (22) zum Herausziehen und Beschleunigen der Ionen aus dem Entladungsraum (11) abgeschle? ~en ist, daß ferner das Triebwerk eine Einrichtung zur Neutralisation der abgegebenen tonen aufweist, und daß schließlich zur Variierung des Ionenstromes bei konstanter Beschleunigungsspannung die Stärke des Magnetfeldes (Bo) veränderbar ist
3. 3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Hohlraum-Oszillatoren ein Außenrohr (2) sowie ein dazu koaxiales Innenrohr (3) und zwischen den Rohren eine jeweils das geschlossene Ende der Hohlraumoszillatoren bildende Trennwand (4) vorgesehen sind.
4. 4. Triebwerk nach den Ansprachen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Triebwerkes als Ionentriebwerk die Einrichtung (23) zum Neutralisieren des Ionenstrahles im Innenrohr (3) des Resonators (8) angeordnet {st, derart, daß diese Einrichtung durch eine Öffnung im Zentrum der Beschleunigungselektrode (22) axial in den Ionenstrahl hineinragt
5. 5. Triebwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionen des Hochfrequenzgenerators (7) und des Resonators (8) so ausgebildet sind, daß deren Schwingfrequenz bei etwa 400 MHz liegt