EP3662160A1 - Feldemissionsantriebssvstem sowie verfahren zum kalibrieren und betreiben eines feldemissionsantriebssvstems - Google Patents

Feldemissionsantriebssvstem sowie verfahren zum kalibrieren und betreiben eines feldemissionsantriebssvstems

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EP3662160A1
EP3662160A1 EP18742465.0A EP18742465A EP3662160A1 EP 3662160 A1 EP3662160 A1 EP 3662160A1 EP 18742465 A EP18742465 A EP 18742465A EP 3662160 A1 EP3662160 A1 EP 3662160A1
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EP
European Patent Office
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field emission
extractor
ion
emission drive
current
Prior art date
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Application number
EP18742465.0A
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English (en)
French (fr)
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EP3662160B1 (de
Inventor
Daniel Bock
Martin Tajmar
Philipp Laufer
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Morpheus Space GmbH
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
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Filing date
Publication date
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Application filed by Technische Universitaet Dresden filed Critical Technische Universitaet Dresden
Publication of EP3662160A1 publication Critical patent/EP3662160A1/de
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Publication of EP3662160B1 publication Critical patent/EP3662160B1/de
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/005—Electrostatic ion thrusters using field emission, e.g. Field Emission Electric Propulsion [FEEP]

Definitions

  • the invention relates to field emission drives for spacecraft. Furthermore, the present invention relates to methods for operating a field emission drive.
  • each of the liquid metal ion emitters does not fire simultaneously and in an uncontrolled order.
  • each of the liquid metal ion emitters has an individual emission behavior, so that the field arrangement of the liquid metal ion emitter generally sets an unpredictable thrust vector.
  • a variable thrust range is to be achieved by several orders of magnitude. It is another object of the present invention to control the firing order and to compensate for a varying thrust vector or to allow active control of the thrust vector to allow controlled operation of the propulsion system.
  • a spacecraft field emission drive system comprising:
  • an engine assembly having a plurality of field emission drive units comprising an ion source having a plurality of ion emitters and extractor electrodes associated with the ion emitters, respectively, and arranged in a field array;
  • Extractor electrodes are assigned to control these controlled by the control unit with an individual extractor electrode voltage.
  • the above field emission drive system comprises a field array of a plurality of ion emitters, each associated with an extractor electrode.
  • the ion emitter is connected to a common emitter voltage or a common Emitter voltage potential assignable, while the extractor electrodes are electrically isolated from each other and via Extratorelektrodenschreibs provoken with individually adjustable extractor electrode voltages or with individually adjustable
  • Extractor electrode potentials can be controlled.
  • control unit can be designed to set a field strength of an electric field between the ion emitters and the respectively associated extractor electrode to a specific extractor electrode voltage corresponding to a predetermined level of an ion current.
  • the determined extractor electrode voltage for at least one specific drive unit is determined in a calibration method by measuring a current-voltage characteristic of the relevant drive unit by measuring an emitter current through the ion emitter with simultaneously deactivated remaining drive units at different voltage differences between extractor electrode and ion emitters and the extractor electrode voltage or the extractor electrode voltage. Potential is adjusted so that adjusts an emitter current that corresponds to the predetermined level of the ion current.
  • the above calibration procedure provides for driving the extractor electrodes of the field emission drive units individually with varying voltage differences between the respective extractor electrode and the respective ion emitters and at the same time measuring a current flow from the emitter voltage source so as to measure a characteristic of the corresponding ion emitter.
  • a voltage-dependent ion current can be determined for each ion emitter, so that a desired level of the ion current can be adjusted in a targeted manner by adjusting the relevant extractor electrode voltage or the relevant extractor electrode voltage potential.
  • ion emitters in a field array can be occupied with the same emitter voltage (with the same emitter voltage potential) and the extractor electrodes associated with the ion emitters are individually driven to adjust the ion current of each individual ion emitter. Since the ion emitters are at the same voltage potential, they can be connected to the same emitter voltage source or to a common emitter voltage source
  • the extractor electrode voltage sources for each of the extractor electrodes may be connected to each other with their positive potential terminal and to the ion emitters.
  • the separate control of the extractor electrodes also allows a more precise adjustment of the thrust and the thrust direction of the
  • a current measuring unit may be provided which is designed to measure an electric current from one of the ion emitters, from several of the ion emitters or from all ion emitters and / or into the extractor electrode.
  • At least one of the extractor electrodes may be formed with two, three, four, or more than four extractor electrode segments electrically insulated from each other, which together form a particular annular extractor electrode, the extractor electrode voltage source being configured to provide the
  • Extractor electrode segments with individual segment voltages to be provided so that in operation a predetermined direction of the emitted ion beam is set, and / or wherein separate segment voltage sources are provided for a plurality of extractor electrode segments to the extractor electrode segments with individual
  • the extractor electrodes are each constructed from a plurality of electrically isolated from each other extractor electrode segments, which in turn can be driven with different segment voltages.
  • Segment tensions are based on one to be created
  • segment voltages can be separated by segment voltage sources, by voltage dividers, the segment voltages by division of the respective
  • Extractor electrode associated extractor electrode voltage or be set by adjustable series resistors of the extractor electrode segments.
  • a neutralizer may be provided to deliver an electron current of controllable strength.
  • the ion source of the engine assembly may comprise a fuel tank for a liquid or liquefiable electrically conductive fuel, wherein the fuel at the tips of the ion emitter facing the respective extractor electrode is expelled for field ionization.
  • the extractor electrodes are formed annularly with a central opening, which are arranged concentrically to an extension direction of the ion emitter.
  • the extractor electrodes may be held by an extractor plate and electrically isolated from each other, wherein the extractor plate is formed in particular of non-conductive material.
  • the extractor electrode voltage sources may each comprise an adjustable voltage divider to provide an adjustable extractor electrode voltage.
  • Extractor electrodes fully or partially circumferentially having a projecting toward the ion emitter electrically conductive first shielding structure, and / or one, at least one or each of the extractor electrodes fully or partially circumferentially protruding from the ion emitter facing away from the direction electrically conductive second
  • Shielding structure has.
  • the above method is based on a field emission drive system with a common emitter electrode and separate extractor electrodes which can be separately driven with individual extractor potentials.
  • Field emission drive system provided, wherein a field strength of an electric field between the ion emitters and the respectively associated extractor electrode for each of the plurality of field emission drive units is adjustable to an extractor electrode voltage corresponding to a predetermined ion current to be set, which is derived from a current-voltage characteristic of the field emission drive units and the
  • predetermined ion current to be set of a respective one of the plurality
  • measuring a current-voltage characteristic by measuring an emitter electric current through the ion emitter of the subject field emission drive unit with remaining field emission drive units simultaneously deactivated or at constant current at different extractor electrode voltages setting the extractor electrode voltages for each of the field emission drive units, respectively depending on the current-voltage characteristic and the predetermined ion current, so that adjusts an electrical emitter current of the respective field emission drive units, which corresponds to the predetermined ion current to be set.
  • a field emission drive system wherein an electric field strength between the ion emitters and the respective associated extractor electrode for each of the plurality of field emission drive units is adjustable to an extractor electrode voltage corresponding to a given ion current to be set, resulting from a current-voltage characteristic of the field emission drive units and the field
  • predetermined ion current to be set of a respective one of the plurality
  • a predetermined thrust vector of the field emission drive system is adjusted by driving each of the field emission drive units with an individual extractor electrode voltage such that the predetermined thrust vector results as the sum of the ion currents from the field emission drive units.
  • Figure 1 is a schematic representation of a field emission drive system with multiple drive units;
  • Figure 2 is a cross-sectional view of juxtaposed drive units;
  • Figure 3 is a detailed cross-sectional view of a drive unit
  • Figure 4 is an illustration of a possible arrangement of the drive units of the drive system of Figure 1;
  • FIG. 5 shows a flowchart for illustrating a method for
  • FIG. 6 shows an exemplary current-voltage characteristic of a drive unit
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a field emission drive system 1 with an engine assembly 2, a neutralizer 3 and a control unit 4.
  • FIG. 2 shows a detailed view of a detail of the engine assembly 2.
  • a heating unit 21 for an ion source 22 which includes a fuel tank 221 with fuel 223 and thus electrically and fluidly connected ion emitter 222.
  • the heating unit 21 serves to make the fuel in the fuel tank 221 in a liquid state and keep it liquid.
  • the heating unit 21 is supplied with power via a heating controller 41 as part of the control unit 4 and can be temperature-controlled by this.
  • the fuel tank 221 is formed of an electrically conductive material, such as tantalum, rhenium, tungsten, graphite or titanium.
  • the ion emitters 222 are formed with a tip, in particular acicular, conically or pyramidally protruding, and have a device or configuration for surrounding the liquid electrically conductive fuel 223 from the fuel tank 221 for field ionization from the ion emitter 222 to promote.
  • a fluid line 224 extending inside the tip can be provided, which is the liquid electrically conductive
  • the ion emitters 222 may also be formed porous with a plurality of conduits, wherein the open porosity of the fuel 223 may be promoted to the top of the ion emitter 222.
  • the ion emitters 222 may be, for example, tantalum, tungsten, rhenium, titanium or others
  • the fuel is guided by means of a capillary effect through the fluid lines 224 of the ion emitter 222.
  • the material for the fuel is an electrically conductive liquid or a low-melting metal into consideration, such as. Gallium, indium, bismuth, lead, gold or the like.
  • each of the ion emitters 222 Arranged over the tip of each of the ion emitters 222 is a respective extractor electrode 24 having a central opening 241 that is substantially coaxial with the tip of the ion emitter 222.
  • the extractor electrodes 24 are preferably held by an extractor plate 25 and electrically isolated from each other, e.g. B. by a
  • Extractor plate 25 made of non-conductive material.
  • the fuel tank 221 is electrically connected to the ion emitters 222 and receives a high voltage potential from an emitter voltage supply source 42
  • Emitter voltage supply source 42 may be adjustable and sets the emitter voltage or the emitter voltage potential to a predetermined value.
  • the extractor electrodes 24 are each with a controllable
  • Extractor electrode voltage source 43 individually connected, which forms part of the control unit 4.
  • the extractor electrode voltage sources 43 are individually variably adjustable in order to be able to set an individual extractor electrode voltage and thus an individual electric field strength between the ion emitter 222 and the extractor electrode 24 for each of the drive units 23.
  • Extractor electrode voltage sources 43 for each of the extractor electrodes 24, a common extractor electrode voltage source 43 may be provided, the
  • different voltages for the extractor electrodes 24 can be adjusted by respectively associated voltage divider. Also other options, individual To be able to set extractor electrode voltages for the extractor electrodes 24 are conceivable.
  • the control unit 4 is in particular designed to individually control the extractor electrode voltage or the extractor electrode potential of the extractor electrodes 24 so that the times of ignition and the levels of ion emission can be controlled from the individual correspondingly assigned ion emitters 222.
  • individual ion emitters 222 can be switched on or off and different levels of emission currents can be controlled for each one of the ion emitters 222.
  • the potential difference between the emitter voltage potential and the extractor voltage potential is usually several +1000 volts.
  • the neutralizer 3 may be formed, for example, as a field emission electron source or thermal electron source in a conventional manner.
  • the control unit 4 has for this purpose a neutralizer control device 45 which controls the drive and
  • Power supply of the neutralizer 3 can make in a conventional manner, e.g. to keep the charge of the entire drive system 1 as neutral as possible.
  • FIG. 4 shows an arrangement of extractor electrodes 24 in a plan view.
  • the extractor electrodes 24 are arranged, for example, round and concentric with the ion emitter 222. At the center of the extractor electrodes 24 are approximately circular openings 241 concentric with the ion emitters 222 to discharge the ion beam from the ion emitter 222.
  • the arrangement of the extractor electrodes 24 can be described as
  • Field arrangement may be provided, wherein the extractor electrodes 24 are arranged in rows and are offset from each other in order to achieve the highest possible arrangement density.
  • the extractor electrodes 24 are interconnected on the extractor plate 25 which hold the extractor electrodes 24 in position.
  • the extractor plate 25 may be formed of electrically non-conductive material or the extractor electrodes 24 may be isolated on the
  • Extractor plate 25 may be attached.
  • One, at least one or each of the extractor electrodes 24 has circumferentially on the ion emitter 222 protruding electrically conductive first shielding structure 242, which attaches the continuous coating of one of the ion emitters facing side of the extractor 25 with it
  • Fuel material prevented by the principle of shading This prevents that during operation an electrically conductive path between the individual extractor electrodes 24 with each other and between them and the fuel tank 221 can form and thereby an electrical short circuit is formed.
  • Extractor electrodes 24 have a circumferentially in the direction of the ion beam to be emitted, the extractor plate 25 protruding electrically conductive second shielding structure 245, the continuous coating of one of the ion emitters 222nd
  • the second shielding structure 245 may be bead-shaped. This prevents an electrically conductive path between the individual extractor electrodes 24 from forming with one another and between them and the fuel tank 221 during operation, thereby producing an electrical short circuit.
  • the extractor plate 25 between the extractor electrodes 24 may be labyrinthine or meandering. perpendicular to the surface direction of the extractor plate 25th
  • a holder between the heating unit 21 and extractor plate 25 may have a corresponding labyrinth-like or meandering shape or shoulders, which also prevent a continuous coating by shading.
  • an electrically conductive cover plate 27 may be mounted parallel to the extractor plate 25 on the side facing away from the ion emitter side of the extractor 25.
  • the cover plate 27 has in particular circular openings 271, which in
  • Extractor electrodes 24 are located and in particular have the same or larger dimensions (eg radii) than the extractor electrodes 25 in the surface direction of the extractor plate 25.
  • the cover plate 27 may be electrically insulated from the extractor electrodes 24.
  • the electrical insulation between the cover plate 27 and the extractor electrodes 24 can be ensured with an electrically insulating spacer 28, which has labyrinth or meandering structures to protect them in the long-term operation against a continuous conductive coating by deposition of fuel.
  • the provision of a cover plate 27 is advantageous because by applying a Voltage potential can be prevented that located in the surrounding particles can reach the ion emitters 222. In addition, deposition of sputter particles or reflected fuel on top of the extractor plate 25 during prolonged use can be prevented.
  • Voltage potential of the cover plate 27 prevents the measurement of an incorrect emitter current by such a secondary electron current.
  • the control unit 4 further comprises a current measuring unit 44 for measuring a current flow in the extractor electrode voltage sources or from the neutralizer 3.
  • Extractor electrode 24 by varying the extractor electrode voltage or the extractor electrode voltage potential or the voltage difference between the
  • Extractor electrodes 24 and the associated ion emitters 222 are set by set the extractor electrode voltage. To set the extractor electrode voltage, a method is carried out, as shown in the flowchart of Figure 5.
  • step S1 one of the drive units 23 is selected.
  • step S2 a current-voltage characteristic is measured for the selected drive unit 23.
  • the current-voltage characteristic gives a characteristic of a current flow over one
  • Drive unit 23 sets. The measurement is carried out at deactivated or with constant (known) power operated (ie activated) remaining drive units 23 and using the current measuring unit 44, which measures the height of the ion current of all activated drive units 23 in this case.
  • the measurement of the magnitude of the ion current is accomplished by measuring the electrical current from the emitter voltage supply source 42 and the electrical current flowing into the ion source, respectively.
  • the ion current of the drive unit 23 to be measured corresponds essentially to the measured electrical current flowing into the ion source minus the known ion currents of the others
  • Drive units 23 (i.e., with the remaining drive units 23 activated). If, in other words, the remaining drive units 23 are operated with a known current, then the ion current of the relevant drive unit 23 can be determined by subtracting the currents of the remaining drive units 23 from the detected current. If only the drive unit 23 to be measured is active for each measurement, the detected electric current corresponds to the ion current at the applied field strength or at the applied
  • Extraktorelektrodenschreibspotenzial a current-voltage characteristic can be determined for each of the drive units 23.
  • Such a current-voltage characteristic is shown by way of example in FIG.
  • step S3 it is checked whether all drive units 23 have been measured. If this is the case (alternative: yes), the method is continued with step S4, otherwise it jumps back to step S1 and measures a next not yet measured drive unit 23. In this way, a current-voltage characteristic is recorded for each of the drive units 23.
  • step S4 the extractor electrode voltages are adjusted so as to set, for each of the drive units 23, a field strength corresponding to a desired intensity of the ion current.
  • the extractor electrodes 24 may be segmented, with extractor electrode segments 243 e.g. are electrically isolated from each other by spacing, and when assembled, form the circular extractor electrode 24.
  • extractor electrode segments 243 There are possibilities of arranging the extractor electrode segments 243 according to the embodiments of FIGS. 7a to 7c, wherein the extractor electrodes 24 are divided into four equal extractor electrode segments 243 (FIG. 7a), two equal extractor electrode segments 243 (FIG. 7b) and three
  • Extractor electrode segments 243 are segmented.
  • Segment voltages at the individual extractor electrode segments 243 a Extractor electrode 24 can be an asymmetry of the ion beam emitted from the ion emitter 222, ie a slope of the ion beam with respect to the
  • Extractor electrode voltages are performed on each of the extractor electrode segments.
  • each of the extractor electrode segments 243 can be provided with a separate possibility of current measurement. While each of the drive units 23 are successively measured to determine the current-voltage characteristic so that an ion beam is formed, at one or more particular extractor electrode voltages, a parasitic current is passed through each of
  • Extractor electrode segments 243 measured.
  • Extractor electrode segment 243 which deflects the ion beam most in its direction and which is correspondingly arranged closest to the ion beam. Starting from the desired extractor electrode voltage (or from the desired field strength), the individual segment voltages can now be adjusted.
  • the direction of the ion beam can be varied. For example, by iteratively adjusting the segment voltages at the portion of the extractor electrode segments 243, the direction of the ion beam may be aligned with a desired direction, particularly the direction parallel to the array direction between ion emitter 222 and extractor electrode 24.
  • a desired direction particularly the direction parallel to the array direction between ion emitter 222 and extractor electrode 24.
  • Manufacturing tolerances of the drive unit 23 can be compensated.
  • all segment voltages can be adjusted by the
  • Extractor electrode voltage can be varied so that the mean of the individual
  • segment voltages or the direction of the ion beam can be carried out in particular by means of voltage dividers, the segment voltage in question being generated from the extractor electrode voltage.
  • segment voltages can be controlled by voltage dividers, also adjustable
  • Voltage dividers are generated by the extractor electrode voltage source. It is also a separate control with individual voltage sources for each
  • Extractor electrode segments 243a measured, so by adjusting an adjustable electrical Vorwiderstandes or by adjusting an adjustable voltage divider, the corresponding segment voltage can be reduced from the extractor electrode voltage, so as to achieve a higher attraction of the fuel ions of the ion beam through the remaining extractor electrode segments 243. Thereby, the ion beam is directed away from the respective extractor electrode segment 243a, as it is attracted more by the remaining extractor electrode segments 243.
  • a calibration of the respective drive unit 23 can be carried out. In this way, component tolerances of the extractor electrode 24 and alignment errors can be compensated, and the precision in fabrication and assembly of the extractor electrode segments 243 and the ion emitter 222 can be reduced.
  • the ion currents of the individual drive units 23 are determined according to a thrust vector control by specifying a thrust vector.
  • the individual ion currents are respectively set by specifying a corresponding extractor electrode voltage resulting from the current / voltage characteristic, so that in addition to one resulting from the sum of the ion beams
  • Total thrust strength is also exerted a predetermined moment on the field emission drive system, resulting from the arrangement of the individual drive units and the respective shear forces resulting from the respective ion beams.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Feldemissionsantriebssystem (1) f ü r Raumfahrzeuge, umfassend: eine Steuereinheit (4); eine Triebwerksbaugruppe (2) mit mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten (23), die eine lonenquelle mit mehreren lonenemittern (222) und den lonenemittern (222) zugeordneten in einer Feldanordnung angeordneten Extraktorelektroden (24) aufweisen; mehrere Extraktorelektrodenspannungsquellen (43), die jeweils den Extraktorelektroden (24) zugeordnet sind, um diese gesteuert durch die Steuereinheit (4) mit einer individuellen Extraktorelektrodenspannung anzusteuern.

Description

Feldemissionsantriebssvstem sowie Verfahren zum Kalibrieren und Betreiben eines
Feldemissionsantriebssvstems
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Feldemissionsantriebe für Raumfahrzeuge. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Betreiben eines Feldemissionsantriebs.
Technischer Hintergrund
Für Raumfahrzeuge sind eine Reihe verschiedener Antriebstechnologien bekannt, wie z. B. chemische Antriebe, Kaltgasantriebe, Gasionenantriebe, Plasmaantriebe und dergleichen. Diese Antriebstechnologien haben den Nachteil, dass sich diese für kleinere Satelliten aus physikalischen Gründen oder aus Gründen der Effizienz nicht zufriedenstellend
miniaturisieren lassen. Der zunehmende Einsatz von Kleinstsatelliten erfordert jedoch die Bereitstellung von geeigneten Antriebstechnologien mit hoher Effizienz. Insbesondere sind Feldemissionsantriebe aufgrund ihres sehr hohen spezifischen Impulses von mehreren 1.000 s besonders geeignet, in Kleinstsatelliten verwendet zu werden.
Beispielsweise ist aus der Druckschrift AMR Propulsions Innovations,„IFM Nano Truster", Datenblatt, 26.7.2017, http://www.propulsion.at ein Feldemissionsantrieb bekannt, der eine Flüssigmetall-Ionenquelle mit mehreren Flüssigmetall-Ionenemittern verwendet. Da nur eine gemeinsame Extraktorelektrode für alle Flüssigmetall-Ionenemitter verwendet wird, können die einzelnen Emitter nicht einzeln angesteuert werden.
Auch zünden die einzelnen Emitter aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht gleichzeitig und in einer nicht kontrollierten Reihenfolge. Zudem hat jeder der Flüssigmetall-Ionenemitter ein individuelles Emissionsverhalten, sodass sich durch die Feldanordnung der Flüssigmetall- Ionenemitter in der Regel ein nicht vorhersagbarer Schubvektor einstellt. Weiterhin ist aus Bock, D., Tajmar, M.,„Highly Miniaturized FEEP Propulsion System (NanoFEEP) for Attitüde and Orbit Control of CubeSats", Proceedings of the 67th
International Astronautical Congress (IAC), IAC-16-C4.6.5, 26-30 September 2016
Guadalajara, Mexico, ein Feldemissionsantrieb für einen Kleinstsatelliten bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Feldemissionsantriebssystem sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb zur Verfügung zu stellen, das sich für den Einsatz in
Kleinstsatelliten eignet, eine hohe Effizienz erreicht und verlustarm arbeitet. Zudem soll ein variabler Schubbereich um mehrere Größenordnungen erreicht werden. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zündreihenfolge zu kontrollieren und einen variierenden Schubvektor zu kompensieren bzw. eine aktive Steuerung des Schubvektors zu ermöglichen, um einen kontrollierten Betrieb des Antriebssystems zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines
Feldemissionsantriebssystems gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum
Kalibrieren eines Feldemissionsantriebssystems und ein Verfahren zum Betreiben eines Feldemissionsantriebssystems gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Feldemissionsantriebssystem für Raumfahrzeuge vorgesehen, umfassend:
eine Steuereinheit;
eine Triebwerksbaugruppe mit mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten, die eine lonenquelle mit mehreren lonenemittern und den lonenemittern jeweils zugeordneten, in einer Feldanordnung angeordneten Extraktorelektroden aufweisen; und
mehrere Extraktorelektrodenspannungsquellen, die jeweils den
Extraktorelektroden zugeordnet sind, um diese gesteuert durch die Steuereinheit mit einer individuellen Extraktorelektrodenspannung anzusteuern.
Das obige Feldemissionsantriebssystem weist eine Feldanordnung von mehreren lonenemittern auf, denen jeweils eine Extraktorelektrode zugeordnet ist. Der lonenemitter ist mit einer gemeinsamen Emitterspannung bzw. einem gemeinsamen Emitterspannungspotenzial belegbar, während die Extraktorelektroden voneinander elektrisch isoliert sind und über Extratorelektrodenspannungsquellen mit individuell einstellbaren Extraktorelektrodenspannungen bzw. mit individuell einstellbaren
Extraktorelektrodenspannungspotenzialen angesteuert werden können.
Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um eine Feldstärke eines elektrischen Felds zwischen den lonenemittern und der jeweils zugeordneten Extraktorelektrode auf eine bestimmte, einer vorgegebenen Höhe eines lonenstroms entsprechende Extraktorelek- trodenspannung einzustellen. Die bestimmte Extraktorelektrodenspannung für mindestens eine bestimmte Antriebseinheit wird in einem Kalibrierverfahren ermittelt, indem eine Strom- Spannungscharakteristik der betreffenden Antriebseinheit durch Messen eines Emitterstroms durch den lonenemitter bei gleichzeitig deaktivierten übrigen Antriebseinheiten bei verschiedenen Spannungsdifferenzen zwischen Extraktorelektrode und lonenemittern gemessen und die Extraktorelektrodenspannung bzw. das Extraktorelektrodenspannungs- potenzial so eingestellt wird, dass sich ein Emitterstrom einstellt, der der vorgegebenen Höhe des lonenstroms entspricht.
Der obige Kalibriervorgang sieht also vor, die Extraktorelektroden der Feldemissions- Antriebseinheiten einzeln mit variierenden Spannungsdifferenzen zwischen der betreffenden Extraktorelektrode und den betreffenden lonenemittern anzusteuern und gleichzeitig einen Stromfluss aus der Emitterspannungsquelle zu messen, um so eine Charakteristik des entsprechenden lonenemitters zu messen. Somit kann ein spannungsabhängiger lonenstrom für jeden lonenemitter bestimmt werden, so dass eine gewünschte Höhe des lonenstroms durch Einstellen der betreffenden Extraktorelektrodenspannung bzw. des betreffenden Extraktorelektrodenspannungspotenzials gezielt eingestellt werden kann. Somit können lonenemitter in einer Feldanordnung mit derselben Emitterspannung (mit demselben Emitterspannungspotenzial) belegt sein und die den lonenemittern jeweils zugeordneten Extraktorelektroden individuell angesteuert werden, um den lonenstrom jedes einzelnen lonenemitters einzustellen. Da die lonenemitter auf demselben Spannungspotenzial liegen, können diese mit der gleichen Emitterspannungsquelle bzw. mit einer gemeinsamen
Potenzialquelle betrieben werden und dadurch die Verluste bei der
Hochspannungserzeugung verringert und der Bauraum und die Masse des Gesamtsystems reduziert werden. Alternativ können die Extraktorelektrodenspannungsquellen für jede der Extraktorelektroden mit ihrem positiven Potenzialanschluss miteinander und mit den lonenemittern verbunden sein. Die separate Ansteuerung der Extraktorelektroden ermöglicht zudem eine präzisere Einstellung des Schubs und der Schubrichtung der
Triebwerksbaugruppe. Weiterhin kann eine Strommesseinheit vorgesehen sein, die ausgebildet ist, um einen elektrischen Strom aus einem der lonenemitter, aus mehreren der lonenemitter oder aus allen lonenemittern und/oder in die Extraktorelektrode zu messen.
Gemäß einer Ausführungsform kann mindestens eine der Extraktorelektroden mit zwei, drei, vier oder mehr als vier voneinander elektrisch isolierten Extraktorelektrodensegmenten ausgebildet sein, die gemeinsam eine insbesondere ringförmige Extraktorelektrode bilden, wobei die Extraktorelektrodenspannungsquelle ausgebildet ist, um die
Extraktorelektrodensegmente mit individuellen Segmentspannungen so zu versehen, dass im Betrieb eine vorbestimmte Richtung des emittierten lonenstrahls eingestellt wird, und/oder wobei separate Segmentspannungsquellen für mehrere der Extraktorelektrodensegmente vorgesehen sind, um die Extraktorelektrodensegmente mit individuellen
Segmentspannungen so zu versehen, dass im Betrieb eine vorbestimmte Richtung des lonenstrahls eingestellt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Extraktorelektroden jeweils aus mehreren elektrisch voneinander isolierten Extraktorelektrodensegmenten aufgebaut sind, die wiederum mit unterschiedlichen Segmentspannungen ansteuerbar sind. Die Höhen der einzelnen
Segmentspannungen orientieren sich dabei an einer anzulegenden
Extraktorelektrodenspannung bzw. einem anzulegenden
Extraktorelektrodenspannungspotenzial.
Insbesondere können die Segmentspannungen durch separate Segmentspannungsquellen, durch Spannungsteiler, die Segmentspannungen durch Teilung der der betreffenden
Extraktorelektrode zugeordneten Extraktorelektrodenspannung erzeugen, oder durch einstellbare Vorwiderstände der Extraktorelektrodensegmente eingestellt werden.
Dadurch können mögliche Ausrichtungsfehler eines resultierenden Schubstrahls im Betrieb aufgrund von Bauteiltoleranzen oder dergleichen ausgeglichen werden. Durch die
Möglichkeit der Wahl verschiedener Segmentspannungen können die Anforderungen an die Bauteiltoleranzen für die Antriebseinheiten stark verringert werden, da Ausrichtungsfehler des resultierenden Schubstrahls bzw. geometrische Anordnungsfehler der lonenemitter zu den Extraktorelektroden aktiv kompensiert werden können. Durch die Wiederholung des Kalibrierungsprozesses in regelmäßigen Zeitabständen können unerwünschte Änderungen des lonenemissionsverhaltens der einzelnen lonenemitter im Langzeitbetrieb detektiert und gegebenenfalls kompensiert werden.
Es kann weiterhin ein Neutralisator vorgesehen sein, um einen Elektronenstrom steuerbarer Stärke abzugeben.
Gemäß einer Ausführungsform kann die lonenquelle der Triebwerksbaugruppe einen Treibstofftank für einen flüssigen oder verflüssigbaren elektrisch leitfähigen Treibstoff umfassen, wobei der Treibstoff an den der jeweiligen Extraktorelektrode zugewandten Spitzen der lonenemitter zur Feldionisation ausstoßbar ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Extraktorelektroden ringförmig mit einer Mittenöffnung ausgebildet sind, die konzentrisch zu einer Erstreckungsrichtung der lonenemitter angeordnet sind.
Gemäß einer Ausführungsform können die Extraktorelektroden durch eine Extraktorplatte gehalten und voneinander elektrisch isoliert sein, wobei die Extraktorplatte insbesondere aus nichtleitendem Material gebildet ist.
Weiterhin können die Extraktorelektrodenspannungsquellen jeweils einen einstellbaren Spannungsteiler aufweisen, um eine einstellbare Extraktorelektrodenspannung vorzugeben.
Es kann vorgesehen sein, dass eine, mindestens eine, mehrere oder jede der
Extraktorelektroden voll oder teilweise umfänglich einen in Richtung der lonenemitter hervorstehende elektrisch leitende erste Abschirmungsstruktur aufweist, und/oder eine, mindestens eine oder jede der Extraktorelektroden voll oder teilweise umfänglich eine zu den lonenemittern abgewandten Richtung hervorstehende elektrisch leitende zweite
Abschirmungsstruktur aufweist.
Das obige Verfahren basiert auf einem Feldemissionsantriebssystem mit einer gemeinsamen Emitterelektrode und voneinander getrennten Extraktorelektroden, die separat mit individuellen Extraktorpotenzialen angesteuert werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Kalibrieren des obigen
Feldemissionsantriebssystems vorgesehen, wobei eine Feldstärke eines elektrischen Felds zwischen den lonenemittern und der jeweils zugeordneten Extraktorelektrode für jede der mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten auf eine einem vorgegebenen einzustellenden lonenstrom entsprechende Extraktorelektrodenspannung einstellbar ist, die sich aus einer Strom-Spannungscharakteristik der Feldemissions-Antriebseinheiten und dem
vorgegebenen einzustellenden lonenstrom einer betreffenden der mehreren
Antriebseinheiten ergibt, mit folgenden Schritten:
für jede der Feldemissions-Antriebseinheiten, Messen einer Strom- Spannungscharakteristik durch Messen eines elektrischen Emitterstroms durch den lonenemitter der betreffenden Feldemissions-Antriebseinheit bei gleichzeitig deaktivierten oder mit konstantem Strom betriebenen übrigen Feldemissions- Antriebseinheiten bei verschiedenen Extraktorelektrodenspannungen Einstellen der Extraktorelektrodenspannungen für jede der Feldemissions- Antriebseinheiten jeweils abhängig von der Strom-Spannungscharakteristik und dem vorgegebenen lonenstrom, so dass sich ein elektrischer Emitterstrom der betreffenden Feldemissions-Antriebseinheiten einstellt, der dem vorgegebenen einzustellenden lonenstroms entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben des obigen
Feldemissionsantriebssystems vorgesehen, wobei eine Feldstärke eines elektrischen Felds zwischen den lonenemittern und der jeweils zugeordneten Extraktorelektrode für jede der mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten auf eine einem vorgegebenen einzustellenden lonenstrom entsprechende Extraktorelektrodenspannung einstellbar ist, die sich aus einer Strom-Spannungscharakteristik der Feldemissions-Antriebseinheiten und dem
vorgegebenen einzustellenden lonenstrom einer betreffenden der mehreren
Antriebseinheiten ergibt. Ein vorgegebener Schubvektor des Feldemissionsantriebssystems wird eingestellt, indem jede der Feldemissions-Antriebseinheiten mit einer individuellen Extraktorelektrodenspannung angesteuert wird, so dass sich der vorgegebene Schubvektor als Summe der lonenströme aus den Feldemissions-Antriebseinheiten resultiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Feldemissionsantriebssystems mit mehreren Antriebseinheiten; Figur 2 eine Querschnittsdarstellung von nebeneinander angeordneten Antriebseinheiten;
Figur 3 eine detaillierte Querschnittsdarstellung einer Antriebseinheit;
Figur 4 eine Darstellung einer möglichen Anordnung der Antriebseinheiten des Antriebssystems der Figur 1 ;
Figur 5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum
Kalibrieren der Antriebseinheiten;
Figur 6 eine beispielhafte Strom-Spannungs-Kennlinie einer Antriebseinheit;
Figur 7a bis 7c verschiedene perspektivische Ansichten von Varianten einer
Segmentierung der Extraktorelektroden.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Feldemissionsantriebssystems 1 mit einer Triebwerksbaugruppe 2, einem Neutralisator 3 und einer Steuereinheit 4. Figur 2 zeigt eine detaillierte Ansicht eines Ausschnitts aus der Triebwerksbaugruppe 2.
Wie in der Querschnittsansicht der Figur 2 detaillierter dargestellt, umfasst die
Triebwerksbaugruppe 2 eine Heizeinheit 21 für eine lonenquelle 22, die einen Treibstoff tank 221 mit Treibstoff 223 und damit elektrisch und fluidisch verbundene lonenemitter 222 umfasst. Die Heizeinheit 21 dient dazu, den Treibstoff in dem Treibstofftank 221 in einen flüssigen Zustand zu versetzen und flüssig zu halten. Die Heizeinheit 21 wird über eine Heizsteuerung 41 als Teil der Steuereinheit 4 mit Leistung versorgt und kann durch diese temperaturgeregelt werden.
Der Treibstofftank 221 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist, wie beispielsweise Tantal, Rhenium, Wolfram, Graphit oder Titan. Wie in der detaillierteren Querschnittsansicht der Antriebseinheiten 23 in Figuren 2 und 3 gezeigt, sind die lonenemitter 222 mit einer Spitze, insbesondere nadeiförmig, kegel- oder pyramidenförmig hervorstehend, ausgebildet und weisen eine Einrichtung oder Ausgestaltung auf, um den flüssigen elektrisch leitenden Treibstoff 223 aus dem Treibstofftank 221 zur Feldionisation aus dem lonenemitter 222 zu fördern. Insbesondere kann eine im Inneren zur Spitze verlaufende Fluidleitung 224 vorgesehen sein, die den flüssigen elektrisch leitenden
Treibstoff aus dem Treibstofftank 221 zur Feldionisation aus dem lonenemitter 222 z.B. gefördert durch den Kapillareffekt ausstößt. Alternativ können die lonenemitter 222 auch porös mit einer Vielzahl von Leitungen ausgebildet sein, wobei durch die offene Porosität der Treibstoff 223 zur Spitze des lonenemitters 222 gefördert werden kann. Die lonenemitter 222 können beispielsweise aus Tantal, Wolfram, Rhenium, Titan oder anderen
hochschmelzenden Metallen ausgebildet sein.
Der Treibstoff wird dabei mithilfe eines Kapillareffekts durch die Fluidleitungen 224 der lonenemitter 222 geführt. Als Material für den Treibstoff kommt eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit oder ein niedrigschmelzendes Metall in Betracht, wie z. B. Gallium, Indium, Bismut, Blei, Gold oder dergleichen.
Über der Spitze jedes der lonenemitter 222 ist eine jeweilige Extraktorelektrode 24 angeordnet, die eine Mittenöffnung 241 aufweist, die im Wesentlichen koaxial über der Spitze des lonenemitters 222 liegt. Die Extraktorelektroden 24 sind vorzugsweise durch eine Extraktorplatte 25 gehalten und voneinander elektrisch isoliert, z. B. durch eine
Extraktorplatte 25 aus nichtleitendem Material.
Der Treibstofftank 221 ist elektrisch mit den lonenemittern 222 verbunden und erhält ein Hochspannungspotenzial von einer Emitterspannungs-Versorgungsquelle 42. Die
Emitterspannungs-Versorgungsquelle 42 kann einstellbar sein und legt die Emitterspannung bzw. das Emitterspannungspotenzial auf einen festgelegten Wert fest.
Die Extraktorelektroden 24 sind jeweils mit einer steuerbaren
Extraktorelektrodenspannungsquelle 43 individuell verbunden, die Teil der Steuereinheit 4 darstellt. Die Extraktorelektrodenspannungsquellen 43 sind individuell variabel einstellbar, um für jede der Antriebseinheiten 23 eine individuelle Extraktorelektrodenspannung und somit eine individuelle elektrische Feldstärke zwischen dem lonenemitter 222 und der Extraktorelektrode 24 einstellen zu können. Alternativ zu separaten
Extraktorelektrodenspannungsquellen 43 für jede der Extraktorelektroden 24 kann eine gemeinsame Extraktorelektrodenspannungsquelle 43 vorgesehen sein, wobei die
unterschiedlichen Spannungen für die Extraktorelektroden 24 durch jeweils zugeordnete Spannungsteiler eingestellt werden können. Auch andere Möglichkeiten, individuell Extraktorelektrodenspannungen für die Extraktorelektroden 24 einstellen zu können, sind denkbar.
Die Steuereinheit 4 ist insbesondere ausgebildet, die Extraktorelektrodenspannung bzw. das Extraktorelektrodenpotenzial der Extraktorelektroden 24 individuell zu steuern, so dass die Zeitpunkte des Zündens und die Höhen der lonenemission aus den einzelnen entsprechend zugeordneten lonenemittern 222 gesteuert werden können. So können einzelne lonenemitter 222 ein- oder ausgeschaltet werden sowie unterschiedlich hohe Emissionsströme für jeden einzelnen der lonenemitter 222 gesteuert werden. Die Potenzialdifferenz zwischen dem Emitterspannungspotenzial und dem Extraktorspannungspotenzial beträgt üblicherweise mehrere +1000 Volt.
Da durch den Emitterionenstrom aus positiv geladenen Treibstoffionen, der im Betrieb aus den Antriebseinheiten 23 emittiert wird, das Antriebssystem 1 negativ aufgeladen wird, wird üblicherweise mithilfe des Neutralisators 3 ein Elektronstrom erzeugt und abgegeben. Der Neutralisator 3 kann beispielsweise als Feldemissions-Elektronenquelle oder thermische Elektronenquelle in an sich bekannter Weise ausgebildet sein. Die Steuereinheit 4 weist dazu eine Neutralisator-Steuereinrichtung 45 auf, die die Ansteuerung und
Leistungsversorgung des Neutralisators 3 in an sich bekannter Weise vornehmen kann, z.B. um die Ladung des gesamten Antriebssystem 1 möglichst neutral zu halten.
In Figur 4 ist eine Anordnung von Extraktorelektroden 24 in einer Draufsicht dargestellt. Die Extraktorelektroden 24 sind beispielsweise rund und konzentrisch zu dem lonenemitter 222 angeordnet. Mittig der Extraktorelektroden 24 befinden sich etwa runde Öffnungen 241 , die konzentrisch zu den lonenemittern 222 angeordnet sind, um den lonenstrahl von dem lonenemitter 222 auszulassen. Die Anordnung der Extraktorelektroden 24 kann als
Feldanordnung vorgesehen sein, wobei die Extraktorelektroden 24 in Reihen angeordnet sind und zueinander versetzt sind, um eine möglichst hohe Anordnungsdichte zu erreichen.
Die Extraktorelektroden 24 sind auf der Extraktorplatte 25 miteinander verbunden, welche die Extraktorelektroden 24 in Position halten. Die Extraktorplatte 25 kann aus elektrisch nichtleitendem Material ausgebildet oder die Extraktorelektroden 24 isoliert auf der
Extraktorplatte 25 angebracht sein. Eine, mindestens eine oder jede der Extraktorelektroden 24 weist umfänglich eine in Richtung der lonenemitter 222 hervorstehende elektrisch leitende erste Abschirmungsstruktur 242 auf, der die durchgehende Beschichtung einer der den lonenemittern zugewandten Seite der Extraktorplatte 25 mit sich anlagerndem
Treibstoffmaterial durch das Prinzip der Abschattung verhindert. Dadurch wird verhindert, dass sich während des Betriebs ein elektrisch leitfähiger Pfad zwischen den einzelnen Extraktorelektroden 24 untereinander und zwischen diesen und dem Treibstofftank 221 ausbilden kann und dadurch ein elektrischer Kurzschluss entsteht.
Alternativ oder zusätzlich kann eine, mindestens eine, mehrere oder jede der
Extraktorelektroden 24 eine umfänglich in Richtung des zu emittierenden lonenstrahls die Extraktorplatte 25 hervorstehende elektrisch leitende zweite Abschirmungsstruktur 245 aufweisen, der die durchgehende Beschichtung einer der den lonenemittern 222
abgewandten Seite der Extraktorplatte 25 mit sich anlagerndem Treibstoffmaterial durch das Prinzip der Abschattung verhindert. Die zweite Abschirmungsstruktur 245 kann wulstartig ausgebildet sein. Dadurch wird verhindert, dass sich während des Betriebs ein elektrisch leitfähiger Pfad zwischen den einzelnen Extraktorelektroden 24 untereinander und zwischen diesen und dem Treibstofftank 221 ausbilden kann und dadurch ein elektrischer Kurzschluss entsteht.
Weiterhin kann die Extraktorplatte 25 zwischen den Extraktorelektroden 24 labyrinthartige bzw. mäanderförmige d.h. senkrecht zur Flächenrichtung der Extraktorplatte 25
herausragende Strukturen und/oder Vertiefungsstrukturen aufweisen, die sich entlang der Flächenrichtung der Extraktorlatte 25 erstrecken und dadurch eine durchgehende leitende Beschichtung im Langzeitbetrieb durch Ablagerung des Treibstoffmaterials durch das Prinzip der Abschattung verhindern. Beispielsweise kann eine Halterung zwischen der Heizeinheit 21 und Extraktorplatte 25 eine entsprechende labyrinthartige bzw. mäanderförmige Form oder Absätze aufweisen, die auch eine durchgehende Beschichtung durch Abschattung verhindern.
Zudem kann optional eine elektrisch leitfähige Deckelplatte 27 parallel zur Extraktorplatte 25 auf der den lonenemittern abgewandten Seite der Extraktorplatte 25 angebracht sein. Die Deckelplatte 27 weist insbesondere kreisförmige Öffnungen 271 auf, die in
Anordnungsrichtung der lonenemitter 222 und der Extraktorelektroden 25 über den
Extraktorelektroden 24 liegen und insbesondere gleiche oder größere Abmessungen (z.B. Radien) als die Extraktorelektroden 25 in Flächenrichtung der Extraktorplatte 25 aufweisen. Die Deckelplatte 27 kann elektrisch isoliert zu den Extraktorelektroden 24 sein. Die elektrische Isolierung zwischen der Deckelplatte 27 und den Extraktorelektroden 24 kann mit einem elektrisch isolierenden Abstandshalters 28 gewährleistet sein, der labyrinthartige bzw. mäanderförmige Strukturen aufweist, um auch diese im Langzeitbetrieb gegen eine durchgehende leitende Beschichtung durch Ablagerung von Treibstoff zu schützen. Das Vorsehen einer Deckelplatte 27 ist vorteilhaft, da durch Beaufschlagung mit einem Spannungspotenzial verhindert werden kann, dass sich in der Umgebung befindliche Teilchen zu den lonenemittern 222 gelangen können. Zudem kann eine Ablagerung von Sputterteilchen oder reflektierten Treibstoff auf der Oberseite der Extraktorplatte 25 bei längerem Betrieb verhindert werden.
Im Raumfahrtbetrieb kann die Deckelplatte 27 den Einfluss eines lokalen
Umgebungsplasmas auf die Antriebseinheiten 23 unterbinden. So wird eine Anziehung von z.B. freien/thermischen Elektronen aus dem Umgebungsplasma zu den lonenemittern 222 unterbunden, die diese beschädigen könnten. Außerdem wird durch das
Spannungspotenzial der Deckelplatte 27 das Messen eines inkorrekten Emitterstroms durch einen solchen Sekundärelektronenstrom verhindert.
Die Steuereinheit 4 weist weiterhin eine Strommesseinheit 44 auf, um einen Stromfluss in die Extraktorelektrodenspannungsquellen oder aus dem Neutralisator 3 zu messen.
Zum Betreiben des Antriebsystems 1 ist es wünschenswert, gleiche bzw. definierte
Schubvektoren des lonenstrahls aus den lonenemittern 222 einzustellen. Aufgrund von Bauteil- und Aufbautoleranzen treten bei Anlegen gleicher Extraktorelektrodenspannungen unterschiedliche Schubvektoren auf.
Es wird daher ein Verfahren vorgeschlagen, um die Stärke des lonenstrahls definiert einzustellen. Dies erfolgt über die definierte individuelle Einstellung der Feldstärke des elektrischen Felds zwischen den lonenemittern 222 und der jeweils zugeordneten
Extraktorelektrode 24 durch Variation der Extraktorelektrodenspannung bzw. der dem Extraktorelektrodenspannungspotenzial bzw. der Spannungsdifferenz zwischen den
Extraktorelektroden 24 und den zugehörigen lonenemittern 222. Zur Einstellung der Extraktorelektrodenspannung wird ein Verfahren ausgeführt, wie es in dem Flussdiagramm der Figur 5 dargestellt ist.
In Schritt S1 wird eine der Antriebseinheiten 23 ausgewählt. In Schritt S2 wird für die ausgewählte Antriebseinheit 23 eine Strom-Spannungskennlinie vermessen. Die Strom- Spannungskennlinie gibt eine Charakteristik eines Stromflusses über einer
Spannungsdifferenz zwischen dem Extraktorelektrodenspannungspotenzial und dem
Emitterspannungspotenzial der betreffenden Antriebseinheit 23 an, der sich bei einem durch die Extraktorelektrodenspannung einstellenden Feldstärke in der betreffenden
Antriebseinheit 23 einstellt. Das Vermessen erfolgt bei deaktivierten oder mit konstantem (bekanntem) Strom betriebenen (d.h. aktivierten) übrigen Antriebseinheiten 23 und mithilfe der Strommesseinheit 44, die in diesem Fall die Höhe des lonenstroms aller aktivierten Antriebseinheiten 23 misst. Das Messen der Höhe des lonenstroms erfolgt durch Messen des elektrischen Stroms aus der Emitterspannungs-Versorgungsquelle 42 bzw. des elektrischen Stroms, der in die lonenquelle fließt. Der lonenstrom der zu vermessenden Antriebseinheit 23 entspricht im Wesentlichen dem gemessenen in die lonenquelle fließenden elektrischen Strom abzüglich der bekannten lonenströme der übrigen
Antriebseinheiten 23 (d.h. bei aktivierten übrigen Antriebseinheiten 23). Werden mit anderen Worten die übrigen Antriebseinheiten 23 mit einem bekannten Strom betrieben, so lässt sich der lonenstrom der betreffenden Antriebseinheit 23 durch Subtraktion der Ströme der übrigen Antriebseinheiten 23 von dem erfassten Strom ermitteln. Wenn für jede Vermessung lediglich die zu vermessende Antriebseinheit 23 aktiv ist, entspricht der erfasste elektrische Strom dem lonenstrom bei der angelegten Feldstärke bzw. bei der angelegten
Spannungsdifferenz zwischen dem Emitterspannungspotenzial und dem
Extraktorelektrodenspannungspotenzial. Somit kann eine Strom-Spannungs-Charakteristik für jede der Antriebseinheiten 23 bestimmt werden. In Figur 6 ist eine solche Strom- Spannungskennlinie beispielhaft dargestellt.
In Schritt S3 wird überprüft, ob alle Antriebseinheiten 23 vermessen worden sind. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt, andernfalls wird zu Schritt S1 zurückgesprungen und eine nächste noch nicht vermessene Antriebseinheit 23 vermessen. Auf diese Weise wird für jede der Antriebseinheiten 23 eine Strom- Spannungscharakteristik aufgezeichnet.
In Schritt S4 werden die Extraktorelektrodenspannungen so eingestellt, um für jedes der Antriebseinheiten 23 eine Feldstärke einzustellen, die einer gewünschten Stärke des lonenstroms entspricht.
Wie weiterhin mit Bezug zu Figur 4 und in Verbindung mit den jeweils verschiedenen
Ansichten der Figuren 7a - 7c gezeigt, können die Extraktorelektroden 24 segmentiert ausgebildet sein, wobei Extraktorelektrodensegmente 243 z.B. durch Beabstandung voneinander elektrisch voneinander isoliert sind und in zusammengesetztem Zustand die kreisförmige Extraktorelektrode 24 ausbilden. Es bestehen Möglichkeiten der Anordnung der Extraktorelektrodensegmente 243 entsprechend den Ausführungsformen der Fig. 7a bis 7c, wobei die Extraktorelektroden 24 in vier gleiche Extraktorelektrodensegmente 243 (Figur 7a), in zwei gleiche Extraktorelektrodensegmente 243 (Figur 7b) und in drei
Extraktorelektrodensegmente 243 (Figur 7c) segmentiert sind. Durch Variation der
Segmentspannungen an den einzelnen Extraktorelektrodensegmenten 243 einer Extraktorelektrode 24 lässt sich eine Asymmetrie des lonenstrahls, der von dem lonenemitter 222 emittiert wird, d. h. eine Neigung des Verlaufs des lonenstrahls bezüglich der
Ausrichtung zwischen lonenemitter 222 und Extraktorelektrode 24 kompensieren. Eine solche Asymmetrie ergibt sich durch Bauteiltoleranzen und Fertigungstoleranzen der Antriebseinheiten 23.
Sind die Extraktorelektroden segmentiert ausgebildet, so kann das obige
Kalibrierungsverfahren zunächst durch Anlegen der für die Vermessung benötigten
Extraktorelektrodenspannungen an jedes der Extraktorelektrodensegmente durchgeführt werden.
Eine Asymmetrie kann beispielsweise während des Kalibrierverfahrens oder in einem separaten Verfahren festgestellt werden. Dazu kann jedes der Extraktorelektrodensegmente 243 mit einer separaten Möglichkeit einer Strommessung versehen werden. Während jede der Antriebseinheiten 23 nacheinander zur Ermittlung der Strom-Spannungscharakteristik vermessen werden, so dass sich ein lonenstrahl ausbildet, wird bei einer oder mehreren bestimmten Extraktorelektrodenspannungen ein parasitärer Strom durch jedes der
Extraktorelektrodensegmente 243 gemessen. Dasjenige Extraktorelektrodensegment 243, durch das der höchste Stromfluss gemessen wird, entspricht beispielsweise dem
Extraktorelektrodensegment 243, der den lonenstrahl am stärksten in seine Richtung ablenkt und der entsprechend am nächsten an dem lonenstrahl angeordnet ist. Ausgehend von der gewünschten Extraktorelektrodenspannung (bzw. von der gewünschten Feldstärke) können nun die einzelnen Segmentspannungen angepasst werden.
Durch eine Variation einer an einem Teil der einzelnen Extraktorelektrodensegmente 243 der Antriebseinheit 23 anliegenden Segmentspannungen kann zusätzlich zum Anlegen der Extraktorelektrodenspannung an die übrigen Extraktorelektrodensegmente 243 noch die Richtung des lonenstrahls variiert werden. Beispielsweise kann durch iterative Anpassung der Segmentspannungen an dem Teil der Extraktorelektrodensegmente 243 die Richtung des lonenstrahls an eine gewünschte Richtung, insbesondere die Richtung parallel zur Anordnungsrichtung zwischen lonenemitter 222 und Extraktorelektrode 24 ausgerichtet werden. Durch die iterative Anpassung eines Teils der Segmentspannungen ausgehend von der zuvor bestimmten und eingestellten Extraktorelektrodenspannung können sowohl die Stärke des lonenstrahls genau angepasst werden als auch die Bauteil- und
Fertigungstoleranzen der Antriebseinheit 23 ausgeglichen werden. Alternativ können alle Segmentspannungen so um die einzustellende
Extraktorelektrodenspannung variiert werden, so dass der Mittelwert der einzelnen
Segmentspannungen etwa der Extraktorelektrodenspannung entspricht.
Beispielsweise kann die Anpassung der einzelnen Segmentspannungen bzw. der Richtung des lonenstrahls insbesondere mithilfe von Spannungsteilern durchgeführt werden, wobei die betreffende Segmentspannung aus der Extraktorelektrodenspannung generiert wird. Somit können Segmentspannungen durch Spannungsteiler, auch einstellbare
Spannungsteiler, durch die Extraktorelektrodenspannungsquelle erzeugt werden. Es ist auch eine separate Ansteuerung mit einzelnen Spannungsquellen für jedes
Extraktorelektrodensegment möglich.
Wird beispielsweise in der Ausführungsform der Fig. 7a ein im Vergleich zu den Strömen in die übrigen Extraktorelektrodensegmente 243 hoher Stromfluss durch eines der
Extraktorelektrodensegmente 243a gemessen, so kann durch Anpassen eines einstellbaren elektrischen Vorwiderstandes bzw. durch Anpassen eines einstellbaren Spannungsteilers die entsprechende Segmentspannung aus der Extraktorelektrodenspannung reduziert werden, um so eine höhere Anziehung der Treibstoffionen des lonenstrahls durch die übrigen Extraktorelektrodensegmente 243 zu erreichen. Dadurch wird der lonenstrahl von dem betreffenden Extraktorelektrodensegment 243a weggelenkt, da dieser mehr von den übrigen Extraktorelektrodensegmenten 243 angezogen wird. Durch entsprechendes Kalibrieren der den Extraktorelektrodensegmenten 243 zugeordneten, veränderbaren Vorwiderstände bzw. der den Extraktorelektrodensegmenten 243 zugeordneten Spannungsteiler kann so eine Kalibrierung der betreffenden Antriebseinheit 23 vorgenommen werden. Auf diese Weise lassen sich Bauteiltoleranzen der Extraktorelektrode 24 und Ausrichtungsfehler ausgleichen, und die Präzision bei der Fertigung und Montage der Extraktorelektrodensegmente 243 und der lonenemitter 222 kann reduziert werden.
Das obige Feldemissionsantriebssystem kann durch separate Ansteuerung der
Antriebseinheiten 23 betrieben werden. Dabei werden die lonenströme der einzelnen Antriebseinheiten 23 gemäß einer Schubvektorsteuerung durch Vorgabe eines Schubvektors bestimmt. Die einzelnen lonenströme werden durch Vorgabe einer entsprechenden sich aus der Strom-/Spannungscharakteristik ergebenden Extraktorelektrodenspannung jeweils eingestellt, so dass neben einer sich aus der Summe der lonenstrahlen ergebenden
Gesamtschubstärke auch ein vorgegebenes Moment auf das Feldemissionsantriebssystem ausgeübt wird, das sich aus der Anordnung der einzelnen Antriebseinheiten und den jeweiligen durch die betreffenden lonenstrahlen ergebenden Schubstärken resultiert.

Claims

Ansprüche
Feldemissionsantriebssystem (1 ) für Raumfahrzeuge, umfassend:
eine Steuereinheit (4);
eine Triebwerksbaugruppe (2) mit mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten (23), die eine lonenquelle mit mehreren lonenemittern (222) und den
lonenemittern (222) zugeordneten in einer Feldanordnung angeordneten
Extraktorelektroden (24) aufweisen;
mehrere Extraktorelektrodenspannungsquellen (43), die jeweils den
Extraktorelektroden (24) zugeordnet sind, um diese gesteuert durch die
Steuereinheit (4) mit einer individuellen Extraktorelektrodenspannung
anzusteuern.
Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach Anspruch 1 , mit einer Strommesseinheit (44), die ausgebildet ist, um einen elektrischen Strom aus den lonenemittern (222) und/oder in die Extraktorelektroden (24) zu messen.
Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (4) ausgebildet ist, um eine Feldstärke eines elektrischen Felds zwischen den lonenemittern (222) und der jeweils zugeordneten Extraktorelektrode (24) auf eine bestimmte, einer vorgegebenen Höhe eines lonenstroms
entsprechende Extraktorelektrodenspannung einzustellen, wobei die bestimmte Extraktorelektrodenspannung für eine bestimmte Feldemissions-Antriebseinheit (23) ermittelt wird, indem eine Strom-Spannungscharakteristik der betreffenden
Feldemissions-Antriebseinheit (23) durch Messen eines Emitterstroms durch den lonenemitter (222) bei gleichzeitig deaktivierten oder mit konstantem Strom betriebenen übrigen Feldemissions-Antriebseinheiten (23) bei verschiedenen Spannungen gemessen wird und die Extraktorelektrodenspannung so eingestellt wird, dass sich ein Emitterstrom der bestimmten Feldemissions-Antriebseinheit (23) einstellt, der der vorgegebenen Höhe des lonenstroms entspricht.
Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Extraktorelektroden (24) mit zwei, drei, vier oder mehr als vier voneinander elektrisch isolierten Extraktorelektrodensegmenten (243) ausgebildet ist, die gemeinsam eine insbesondere ringförmige Extraktorelektrode (24) bilden, wobei die Extraktorelektrodenspannungsquelle (43) ausgebildet ist, um die
Extraktorelektrodensegmente (243) mit individuellen Segmentspannungen so zu versehen, dass im Betrieb eine vorbestimmte Richtung des lonenstrahls eingestellt wird, und/oder wobei separate Segmentspannungsquellen für mehrere der
Extraktorelektrodensegmente (243) vorgesehen sind, um die
Extraktorelektrodensegmente (243) mit individuellen Segmentspannungen so zu versehen, dass im Betrieb eine vorbestimmte Richtung des lonenstrahls eingestellt wird.
5. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach Anspruch 4, wobei einem Teil der
Extraktorelektrodensegmente (243) oder allen Extraktorelektrodensegmenten (243) jeweils ein einstellbarer Vorwiderstand oder jeweils ein einstellbarer Spannungsteiler zugeordnet sind, um aus der der betreffenden Extraktorelektrode (24) zugeordneten Extraktorelektrodenspannung oder einer sonstigen vorgegebenen Spannung die individuellen Segmentspannungen zu erzeugen.
6. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Neutralisator (3) vorgesehen ist, um einen Elektronenstrom steuerbarer Stärke abzugeben.
7. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Triebwerksbaugruppe (2) eine lonenquelle mit einem Treibstofftank (221 ) für einen flüssigen oder verflüssigbaren elektrisch leitfähigen Treibstoff (223) umfasst, wobei der Treibstoff (223) an der jeweiligen Extraktorelektrode (24) zugewandten Spitze der lonenemitter (222) zur Feldionisation ausstoßbar ist.
8. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Extraktorelektroden (24) insbesondere ringförmig mit einer Mittenöffnung ausgebildet sind, die konzentrisch zu einer Erstreckungsrichtung der lonenemitter (222) angeordnet sind.
9. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Extraktorelektroden (24) durch eine Extraktorplatte (25) gehalten und voneinander elektrisch isoliert sind, wobei die Extraktorplatte (25) insbesondere aus
nichtleitendem Material gebildet ist.
10. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Extraktorelektrodenspannungsquellen (43) jeweils einen einstellbaren
Spannungsteiler aufweisen, um eine einstellbare Extraktorelektrodenspannung vorzugeben.
1 1. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine, mindestens eine oder jede der Extraktorelektroden (24) voll oder teilweise umfänglich einen in Richtung der lonenemitter (222) hervorstehende elektrisch leitende erste Abschirmungsstruktur (242) aufweist, und/oder wobei eine, mindestens eine oder jede der Extraktorelektroden (24) voll oder teilweise umfänglich eine zu den lonenemittern (222) abgewandten Richtung hervorstehende elektrisch leitende zweite Abschirmungsstruktur (245) aufweist.
12. Verfahren zum Kalibrieren des Feldemissionsantriebssystems (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Feldstärke eines elektrischen Felds zwischen den lonenemittern (222) und der jeweils zugeordneten Extraktorelektrode (24) für jede der mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten (23) auf eine einem
vorgegebenen einzustellenden lonenstrom entsprechende
Extraktorelektrodenspannung einstellbar ist, die sich aus einer Strom- Spannungscharakteristik und dem vorgegebenen einzustellenden lonenstrom einer betreffenden der mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten (23) ergibt, mit folgenden Schritten:
für jede der Feldemissions-Antriebseinheiten (23), Messen einer Strom- Spannungscharakteristik durch Messen eines Emitterstroms durch den lonenemitter (222) der betreffenden Feldemissions-Antriebseinheit (23) bei gleichzeitig deaktivierten oder mit konstantem Strom betriebenen übrigen
Feldemissions-Antriebseinheiten (23) bei verschiedenen
Extraktorelektrodenspannungen
Einstellen der Extraktorelektrodenspannungen für jede der Feldemissions- Antriebseinheiten (23) jeweils abhängig von der Strom-Spannungscharakteristik und dem vorgegebenen lonenstrom, so dass sich ein Emitterstrom der betreffenden Feldemissions-Antriebseinheiten (23) einstellt, der dem
vorgegebenen einzustellenden lonenstroms entspricht.
13. Verfahren zum Betreiben eines Feldemissionsantriebssystems (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei eine Feldstärke eines elektrischen Felds zwischen den lonenemittern (222) und der jeweils zugeordneten Extraktorelektrode (24) für jede der mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten (23) auf eine einem vorgegebenen einzustellenden lonenstrom entsprechende Extraktorelektrodenspannung einstellbar ist, die sich aus einer Strom-Spannungscharakteristik und dem vorgegebenen einzustellenden lonenstrom einer betreffenden der mehreren der Feldemissions- Antriebseinheiten (23) ergibt,
wobei ein vorgegebener Schubvektor des Feldemissionsantriebssystems (1 ) eingestellt wird, indem jede der Feldemissions-Antriebseinheiten (23) mit einer individuellen Extraktorelektrodenspannung angesteuert wird, so dass sich der vorgegebene Schubvektor als Summe der lonenstrome aus den Feldemissions- Antriebseinheiten (23) resultiert.
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