DE2633778C3

DE2633778C3 - Ionentriebwerk

Info

Publication number: DE2633778C3
Application number: DE2633778A
Authority: DE
Inventors: Helmut 8012 Ottobrunn Bassner; Hans 8000 München Müller
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1976-07-28
Filing date: 1976-07-28
Publication date: 1981-12-24
Also published as: FR2359996B1; IT1078006B; SU682150A3; JPS6132508B2; US4104875A; FR2359996A1; NL7701034A; GB1545156A; DE2633778B2; DE2633778A1; JPS5315797A

Description

η jUc-·■,«■

des Wechselfeldes ist, wcbei
3,1»,

Frequenz des Wechselfeldes [HzI
1,256 [μΗ/m] = absolute Permeabilität, relative Permeabilität und
spezifische Leitfähigkeit

der Kathode ist.

3. Ionentriebwerk nach Anspruch 1 oder z, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (7) aus Graphit hergestellt ist.

4. Ionentriebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (7) aus einem Isolator hergestellt ist, und daß die öffnungen (8) der Kathode Wände aus einem leitenden Material aufweisen und elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

5. Ionentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß das kathodenseitige Ende der Feldwicklung (4) für das hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld einen Abstand (d) von der Kathode (7) aufweist, welcher mindestens 10% der Länge der Feldwicklung (4) beträgt.

6. Ionentriebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldwicklung (4) zur Beeinflussung der magnetischen Feldlinien (10) im Innern des Iönisiefungsgefäßes (1) Von einem Metallgehäuse (11) umgeben ist.

Die Erfindung betrifft ein Ionentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Ionentriebwerk ist unter dem Namen »RIT (Radiofrequency-Ion-Thruster)« bekannt und wird z. B. im AIAA Paper Nr. 73-1146, AIAA 10th Electric Propulsion Conference, Lake Tahoe, 1973, beschrieben.

Derartige Ionentriebwerke erzeugen einen Schub durch Ausnutzung des Rückstoßprinzips, indem ein sog. Stützmasse durch elektrische Energie ionisiert und die positiv geladenen Ionen in einem elektrostatischen Feld beschleunigt werden. Als Stützmasse wird vorzugsweise gasförmiges Quecksilber, aber auch ein Edelgas wie z. B.

ίο Neon oder Xenon verwendet

Untersuchungen an einem solchen Ionentriebwerk haben gezeigt, daß die im Ionisierungsgefäß zur Verfügung stehende Ionendichte im Vergleich zu der zur Erzeugung des hochfrequenten Wechselfeldes aufgebrachten Leistung zu gering ist. Des weiteren treten bei Nennschub des Ionentriebwerkes extrem hohe Verlustströme an den Beschleunigungselektroden auf. Außerdem wird der stabile Betrieb des Ionentriebwerkes durch elektrische Überschläge oft gestört

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Ionentriebwerk der oben genannten Art zu schaffen, dessen Wirkungfgrad und Betriebssicherheit gegenüber bekannten Ausführungen entscheidend verbessert ist; insbesondere soll die Ionenerzeugungsrate und die Ionendichte les Plasmas im Bereich vor dem Plasmagrenzanker erhöht werden.

Die Aufgabe wird bei einem Ionentriebwerk der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die Beziehung für die Eindringtiefe eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes in einen elektrischen Leiter als Funktion des Leitermaterials und der Frequenz des Wechselfeldes ist an sich bekannt vgl.

Vj z. B. H. Meinke und F. W. Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 2. Aufl., Berlin 1962, Springer-Verlag, s. 8 bis 10.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß durch die elektrisch leitende Kathode des Beschleunigungssystems ein dem Wechselfeld entgegengerichtetes Feld aufgebaut wird, wodurch das zur Ionisierung notwendige Wechselfeld stark gestört wird. Diese Störung beeinflußt wesentlich die Ionenerzeugungsrate und die Ionendichte des Plasmas im Bereich vor dem Piasmagrenzanker. Aufgrund der guten Leitfähigkeit des Plasmas führt dies auch zu Inhomogenitäten des elektrostatischen Beschleunigungsfeldes vor dem Plasmagrenzanker. Untersuchungen der Plasmagrenzschicht im kathodischen Extraktionsgebiet eines Hochfrequenz-Ionentriebwerks sind z. B. in dem Fachbuch H. Lob, J. Freisinger, lonenraketen, Friedrich Vieweg&Sohn, Braunschweig 1967, S. 135 bis 139, beschrieben. Da sowohl die Ionendichte als auch die Feldstärke und der Feldlinienverlauf des elektrischen

5> Beschleunigungsfeldes in dem Bereich vor dem Plasmagrenzanker die Leistungsfähigkeit des Ionentriebwerkes bestimmen, wirken sich Störungen in diesem Bereich besonders nachteilig aus. So wird an den Stellen des Beschleunigungssystems mit verminderter

Wi lonendichte der Schub entsprechend vermindert. Störungen des elektrostatischen Beschleunigungsfeldes bewirken einmal eine Verminderung der Beschleunigungskraft und zum anderen Abweichungen der Beschleunigungsrichtung, was zur Folge hat, daß ein

hi größerer Anteil der beschleunigten Ionen nicht mehr aus den öffnungen des Plasmagrenzankers und der Kathode heraustreten, sondern auf den Wandungen, insbesondere der Kathode, auftreffen. Zusätzlich zu dem

dadurch eintretenden Leistungsverlust wird durch das vermehrte Auftreffen der Ionen die Lebensdauer der Kathode erheblich reduziert.

Die erfindungsgemäße Festlegung des magnetischen Feldlinienverlaufs des elektromagnetischen Wechselfeldes durch Einstellung der Eindringtiefe des elektromagnetischen Wechselfeldes in die Kathode kann im wesentlichen durch zwei voneinander abhängige Maßnahmen erreicht werden. Einmal wird durch entsprechende Wahl der Materialien und des Aufbaus die ι ο effektive Leitfähigkeit der Kathode so weit reduziert, daß das hochfrequente Wechselfeld die Kathode durchdringen kann und somit kein wesentliches Gegenfeld aufgebaut wird.

Die Leitfähigkeit kann jedoch nur soweit vermindert werden, wie Potentialunterschiede zwischen den Austrittsöffnungen der Kathode noch vernachlässigbar klein bleiben.

Damit der Innenwiderstand der Kathode erhöht wird und das hochfrequente Wechselnd die Kathode weitgehend durchdringt, ist die elektrische Leitfähigkeit und Permeabilität der Kathode vorteilhafterweise so zu wählen, daß die Dicke der Kathode etwa gleich der Eindringtiefe

'/Ua μ,

des Wechselfeldes ist, wobei
π = 3,14,

/ = Frequenz des Wechselfeldes [Kz],
μο = 1,256 [μ H/m] = absolute Permeabilität,
μ_Γ = relative Permeabilität und
K = spezifische Leitfähigkeit

25

30

[ram

der Kathode ist.

Als vorteilhaft hat sich eine Kathode erwiesen, welche aus Graphit hergestellt ist Der spezifische elektrische Widerstand des verwendeten Graphits sollte bei einer Kathodendicke von beispielsweise 2 mm und einer relativen Permeabilität μ_Γ= 1 größer als 10 Ω mm²/msein.

Der Einfluß der Kathode auf das elektromagnetische Wechselfeld kann noch dadurch verringert werden, daß die Kathode aus einem Isolator hergestellt ist und daß die öffnungen der Kathoden Wände aus einem leitenden Material aufweisen und elektrisch leitend w miteinander verbunden sind.

Die Kathode weist dann nur an den Stellen ein elektrisch leitendes Material auf, die zur Erzeugung des elektrostatischen Seschleunigungsfeldes unbedingt notwendig sind. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, r, wenn in die öffnungen einer aus einem Isolator hergestellten Kathode Buchsen aus einem elektrisch leitenden Material eingesetzt sind, welche durch ein aufgedampftes Leitergeflecht elektrisch leitend miteinander verbunden werden. W)

Weiterhin wird der Abstand zwischen der Kathode und dem kathodenseitigen Ende der Feldwicklung so gewählt, daß die »Verbiegung« der magnetischen Feldlinien des Wechselfeldes an der Plasmagrenzc dem ungestörten Feldlinienverlauf qualitativ nahekommt, u; d. h. der Plasmagrerr^nker wird dann von dem Wechselfeld mit einem noch weitgehend ungestörten Feldlinienverlauf nahezu senkrecht durchdrungen.

Als besonders günstig hat sich ein Abstand zwischen dem kathodenseitigen Ende der Feldwicklung für das elektromagnetische Wechselfeld und der Kathode von mindestens 10% der Länge der Feldwicklung erwiesen.

Je geringer die Wirkung der Kathode auf den Feldlinienverlauf des Wechselfeldes ist, desto geringer kann der Abstand zwischen der Kathode und dem Ende der Feldwicklung sein.

Der Abstand zwischen der Kathode und dem Plasmagrenzanker beeinflußt die Divergenz des Ionenstrahles und den Kathodenverluststrom und ist entsprechend den gewünschten Werten auszulegen.

Vorteilhaft für den magnetischen Feldlinienverlauf des elektromagnetischen Wechselfeldes kann es auch sein, wenn die Feldwicklung außen in einem Abstand von einem Metallgehäuse umgeben ist

Diese Maßnahme ist besonders dar.n von Vorteil, wenn die Feldwicklung für das Wechselfeld relativ kurz im Vergleich zu seinem Durchmesser ist

Im weiteren soll die Erfindung ·...*& die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahmen anhpnd der Figuren näher beschrieben werden. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Ionentriebwerkes,

Fi£ 2 den Feldlinienverlauf bei einem Ionentriebwerk bekannter Art,

F i g. 3 den Feldlinienverlauf bei einem erfindungsgemäßen Ionentriebwerk.

In F i g. 1 ist in teilweise schematiacher Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Ionentriebwerkes dargestellt Ein solches Ionentriebwerk besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Ionisierungsgefäß 1, dessen Wandung 1.1 aus einem Isolator, z. B. Quarzglas, hergestellt ist Auf einer Stirnseite des Ionisierungsgefäßes ist ein Verdampfer 2 angeordnet, in dem eine Stützmasse, z. B. Quecksilber, verdampft wird. Die so erzeugten Gasteilchen treten an einer Anode 3 vorbei in das Ionisierungsgefäß 1. Hier geraten die Gaweilchen unter den Einfluß eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes von etwa 1 MHz, welches durch eine das Ionisierungsgefäß 1 konzentrisch umgebende Feldwicklung 4 erzeugt wird. Die Feldwicklung 4 bezieht ihre Energie aus einem nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator. Durch das hochfrequente Wechselfeld werden freie Elektronen, welche lediglich bei der Zündung des Triebwerkes in das Ionisierungsgefäß gesondert eingebracht werden müssen, rasch hin- und herbewegt. Dabei kollidieren die Elektronen mit den Gasteilchen und ionisieren diese, wodurch positiv geladene Gasteilchen und freie Elektronen entstehen. Die Elektronen wandern zur Anode und werden dort ständig abgesaugt. Das Plasma wird durch einen an der ■Jer Anode gegenüberliegenden Seite des lonisierungsgefäßes angeordneten Plasmagrenzanker 5 am Austritt aus dem Ionisierungsgefäß gehindert.

Parallel zum Plasmagrenzanker 5 ist mit einem gewissen Abstand eine lochscheibenähnliche Kathode 7 angeordnet, welche aus Graphit mit einem spezifischen Widerstand von mehr als lOfimmVm hergestellt ist. Zwischen der Anode 3 und der Kathode 7 liegt ein elektrostatisches Feld an. Der Plasm2grenzanker 5 ist aus einem Isolator, z. B. aus Quarzglas, hergestellt und weist eine Vielzahl von Öffnungen 6 auf, welche koaxial zu den Öffnungen H der Kathode 7 angeordnet sind. Durch diese öffnungen 6, 8 hindurch wird das Plasma durch das anliegende elektrostatische Feld beschleunigt, wodurch eine als Schub bezeichnete Gegenkraft entsieht. Durch eine weitere lochscheibenähnliche

Elektrode 9. die hinter der Kathode 7 angeordnet ist. werden aus Gründen der Energiebilanz die ausgestoßenen Ionen wieder etwas abgebremst.

Wie aus der F i g. I zu ersehen ist, ist die Feldwicklung 4 nicht bis zur Kathode 7 heruntergezogen, sondern endet in einem bestimmten Abstand c/vor der Kathode. Die Bedeutung dieser Maßnahme soll an den F i g. 2 :md 3 gezeigt werden.

F i g. 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Ionentriebwerk bekannter Art. Hierbei wurde ursprünglich davon ausgegangen, daß sich zur Erzeugung einer homogenen lonendichte im Inneren des lonisierungsgefäßes 1 auch die Feldwicklung 4 über die gesamte Länge des lonisierungsgefäßes erstrecken müßte. Entscheidend dabei war auch die Überlegung, daß ein homogener Feldlinienverlauf im Inneren des Entladungsgefäßes leichter durch eine größere Länge dcT Feldwicklung 4 /ü ciTciciicü iji. Züf VcfTiiciuüiig von Potentialunterschieden auf der Kathode wurde diese aus einem elektrisch gut leitenden Material, also aus Metall hergestellt.

Bei diesen Überlegungen wurde jedoch der Einfluß der Kathode auf den Feldlinienverlauf des Wechselfeldes und die daraus resultierende lonenverteilung in dem für die Funktionsweise des Triebwerkes entscheidenden Bereich vor dem Plasmagrenzanker nicht beachtet.

Durch den in der F i g. 2 gezeigten, stark gestörten -, magnetischen Feldlinienverlauf IO für das hochfrequente Wechselfeld im Bereich der dem lonisieningsgcfäß I zugewandten Seite des Plasmagrenzankers kommt es zu einer ungleichmäßigen lonenverteilung in diesem Bereich und damit auch zu den Störungen des

in elektrischen Beschleunigungsfeldes, dessen Auswirkungen eingangs beschrieben wurden.

Einen von dem in Fig. 2 dargestellten unterschiedlichen Feldlinienverlauf zeigt das in Fig. 3 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines Ionentriebwerks.

ii Die Feldwicklung 4 endet hier in einem bestimmten Abstand d vor der Kathode 7, die aus relativ schlecht leitendem Graphit hergestellt ist. Dadurch weicht der Feiuiinienveriauf des Wecnseiieides im Bereich vor dem Plasmagrenzanker 5 nur noch unwesentlich vom

:<> ungestörten Feldlinienverlauf ab. der an dem anderen Ende der Feldwicklung 4 angedeutet ist. Ein Gehäuse 11 aus metallischem Material, welches die Feldwicklung konzentrisch umgibt, trägt dazu ebenfalls bei.

Hier/u 2 lihitt Zcicliniipeen

Claims

Patentansprüche:

1. Ionentriebwerk mit einem zylindrischen, auf einer Seite durch einen Plasmagrenzanker abgeschlossenen Ionisierungsgefäß, einer zylindrischen, das Ionisierungsgefäß koaxial umgebenden Feldwicklung zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes, durch das im Innern des Ionisierungsgefäßes ein Gas ionisiert wird, und einer Anoden-Kathoden-Strecke zur Erzeugung eines parallel zur Zylinderachse des Ionisierungsgefäßes verlaufenden elektrischen Feldes, in dem das ionisierte Gas durch öffnungen des Plasmagrenzankers und der Kathode hindurch aus dem Ionisierungsgefäß heraus beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Feldlinien (10) des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes im Innern des Ionisierungsgefäßcs(l) durch die Einstellung der Eindringtiefe des elektromagnetischen Wechselfeldes in die Kathode (7) im wesentlichen senkrecht zu der dem Ionisierungsgefäß (1) zugewandten Oberfläche des Plasmagrenzankers (5) verlaufen.

2. Ionentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kathode (7) etwa gleich der Eindringtiefe