EP3662160B1

EP3662160B1 - Feldemissionsantriebssystem sowie verfahren zum kalibrieren und betreiben eines feldemissionsantriebssystems

Info

Publication number: EP3662160B1
Application number: EP18742465.0A
Authority: EP
Inventors: Daniel Bock; Martin Tajmar; Philipp Laufer
Original assignee: Morpheus Space GmbH
Current assignee: Morpheus Space GmbH
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2038-07-16
Also published as: AU2018312508A1; DE102017117316B4; JP2020532671A; AU2018312508B2; LT3662160T; CA3071022A1; DK3662160T3; WO2019025174A1; DE102017117316A1; WO2019025174A8; JP7171699B2; EP3662160A1

Description

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 Attitude 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.
Aus der Druckschrift IVANHOE VASILJEVECH et al., "Development of an Indium mN-FEEP Thruster", 44TH AIAA/ASME/SAE/ASEE JOINT PROPULSION CONFERENCE AND EXHIBIT, AMERICAN INSTETUTE OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS, USA, Bd. 44th, Nr. AIAA 20084584, 1. Januar 2008, Seiten 1-9, ISBN: 978-1-56347-943-4 ist ein Feldemissionsantriebssystem für Raumfahrzeuge bekannt, umfassend eine Steuereinheit, eine Triebwerksbaugruppe mit mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten, die eine lonenquelle mit mehreren lonenemittern und den lonenemittern zugeordneten in einer Feldanordnung angeordneten Extraktorelektroden aufweisen; und mehrere Extrakterelektrodenspannungsquellen, die ieweils den Extraktorelektroden zugeordnet sind.
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 Extraktorelektrodenspannung 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 Extraktorelektrodenspannungspotenzial 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 Ionenemitter, 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 Treibstofftank 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 nadelförmig, 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

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.
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.
Feldemissionsantriebssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Neutralisator (3) vorgesehen ist, um einen Elektronenstrom steuerbarer Stärke abzugeben.
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.
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.
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.
Feldemissionsantriebssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Extraktorelektrodenspannungsquellen (43) jeweils einen einstellbaren Spannungsteiler aufweisen, um eine einstellbare Extraktorelektrodenspannung vorzugeben.
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.
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.
Verfahren zum Betreiben eines Feldemissionsantriebssystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, 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 lonenströme aus den Feldemissions-Antriebseinheiten (23) resultiert.