EP0978651B1

EP0978651B1 - Ionentriebwerk

Info

Publication number: EP0978651B1
Application number: EP99110818A
Authority: EP
Inventors: Stephan Dr. Walther
Original assignee: EADS Space Transportation GmbH
Current assignee: EADS Space Transportation GmbH
Priority date: 1998-08-06
Filing date: 1999-06-05
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2019-06-05
Also published as: DE19835512C1; JP2000054951A; CN1121553C; CN1245868A; EP0978651A1; US6195980B1; RU2243408C2; DE59913875D1

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 Vorratsbehälter 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 Hohlgaskathodenentladung 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 austretenden Elektronen aufgrund der angelegten Anodenspannung 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 lonisationseinrichtung für ein Treibstoffgas vorgesehen, wobei bekannt ist, daß eine Beschleunigungseinrichtung 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 vorgenannten 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 Zuverlässigkeit 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 Gasentladung 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 Hohlkathode angeordnet ist. Die Vorteile des erfindungsgemäßen 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 Heizenergie, 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 mitgeführtes Gas, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels 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 Extraktionskathode 8 und, im Abstand zu dieser, eine Brems- oder Abschirmelektrode 9 angeordnet sind. Ferner ist in diesem Bereich ein Neutralisator 10 in Form einer Elektronenquelle 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 eintretende Gas ionisiert, wobei die Elektronen von der Extraktionsanode 7 abgesaugt werden und die positiv geladenen Gasionen unter der Wirkung des zwischen der Extraktionsanode 7 und -kathode 8 bestehenden Beschleunigungsfeldes die Kammer 3 mit hoher Energie über die Austrittsöffnungen verlassen, wo sie mittels des von der Elektronenquelle 10 gelieferten Elektronenstrahles neutralisiert werden.
Bei dieser Elektronenquelle 10 ist im Inneren einer als Gehäuse 11 ausgebildeten Anode, auch als Keeper bezeichnet, ein Kathodenrohr 12 angeordnet, dessen im Gehäuse 11 befindlicher Austrittsbereich von der eigentlichen Kathode 13 begrenzt wird und von einer Heizwendel 14 umgeben ist. Im Inneren des Kathodenrohres 12, im Bereich seiner Längsache, ist eine stiftförmige Zuatzelektrode 15 an einer Halterung 16 angebracht, die über einen Isolationseinsatz 17 im Kathodenrohr 12 elektrisch isoliert ist. Die Eintrittsöffnung des Kathodenrohres 12 wird schließlich, in der Figur durch einen massiven Pfeil angedeutet, 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 U_ke anliegt. Zur Zündung der Anordnung wird nach dem erfolgten Aufheizen der Kathode 13 und Gasbeaufschlagung 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 e über eine Austrittsöffnung 20 der Anode 11 in den durch einen offenen Pfeil angedeuteten Ionenstrahl 21 eindringen und die darin befindlichen Ionen neutralisieren.

Claims

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 gekennzeichnet, 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.
Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzelektrode (15) im Inneren der als Kathodenrohr ausgebildeten Hohlkathode (12) angeordnet ist.
Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzelektrode (15) als in der Längsache des Kathodenrohres (12) gehalterter zylindrischer Stift ausgebildet ist.
Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode (12) von z. B. XENON durchströmt ist.