ES2272909T3

ES2272909T3 - Propulsor para vehiculo espacial.

Info

Publication number: ES2272909T3
Application number: ES03290712T
Authority: ES
Inventors: Gregory Emsellem
Original assignee: ELWING LLC
Current assignee: ELWING LLC
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2007-05-01
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: EP1460267A1; IL170820A; KR101075218B1; EP1604111A4; CA2519701A1; CN1761816A; DE60307418D1; AU2004274389B2; RU2330181C2; EP1460267B1; RU2005132306A; JP4977459B2; BRPI0409043A; JP2007524784A; AU2004274389A1; KR20050120762A; CN1761816B; ATE335928T1; EP1604111A2; WO2005028310A2

Abstract

Un propulsor, que tiene - una cámara (6) que define un eje (4) de empuje; - un inyector (8) adaptado para inyectar gas ionizable dentro de la cámara; - un generador de campo magnético (12, 14) adaptado para generar un campo magnético, teniendo dicho campo magnético al menos un máximo a lo largo del eje (4); - un generador de campo electromagnético (16, 18) adaptado para generar - un campo de ionización por microondas en la cámara (6), a un lado de dicho máximo; y - un campo de aceleración ponderomotriz magnetizado al otro lado de dicho máximo.

Description

Propulsor para vehículo espacial.

La invención se refiere al campo de los propulsores. Para propulsar vehículos espaciales se usan propulsores, con una velocidad de escape típica que oscila de 2 km/s a más de 50 km/s, y una densidad de empuje por debajo de o en torno a 1 N/m^{2}. En ausencia de cualquier material sobre el que el propulsor podría empujarse o apoyarse, los propulsores dependen de la eyección de parte de la masa del vehículo espacial. La velocidad de eyección es un factor clave para evaluar la eficiencia de un propulsor y típicamente debería maximizarse.

Para los propulsores espaciales se han propuesto varias soluciones. El documento US-A-5 241 244 describe un denominado propulsor iónico de rejillas. En este dispositivo, en primer lugar se ioniza el gas propulsor, y los iones resultantes son acelerados mediante un campo electromagnético estático creado entre rejillas. Los iones acelerados son neutralizados con un flujo de electrones. Este documento sugiere, para ionizar el gas propulsor, usar simultáneamente un campo de acondicionamiento y confinamiento magnético y un campo electromagnético en la frecuencia de ECR (resonancia ciclotrónica de los electrones) del campo magnético. En el documento FR-A-2 799 576 se describe un propulsor similar, usándose la inducción para ionizar el gas. Este tipo de propulsor tiene una velocidad de eyección de unos 30 km/s, y una densidad de empuje de menos de 1 N/m^{2} para una potencia eléctrica de 2,5 kW.

Uno de los problemas de este tipo de dispositivo es la necesidad de una tensión muy alta entre las rejillas de aceleración. Otro problema es la erosión de las rejillas debido al impacto de iones. Por último, los neutralizadores y rejillas son, por regla general, dispositivos muy sensibles.

El documento US-A-5 581 155 describe un propulsor por efecto Hall. Este propulsor también usa un campo electromagnético para acelerar partículas cargadas positivamente. La velocidad de eyección de este tipo de propulsor está en torno a 15 km/s, con una densidad de empuje de menos de 5 N/m^{2} para una potencia de 1,3 kW. De forma similar al propulsor iónico de rejillas, existe un problema de erosión, y la presencia del neutralizador hace que el propulsor sea propenso a los fallos.

El documento US-A-6 205 769 o D.J. Sullivan y col., Development of a microwave resonant cavity electrothermal thruster prototype, IEPC 1993, nº 36, pp. 337-354 examina propulsores electrotérmicos por microondas. Estos propulsores dependen del calentamiento del gas propulsor mediante un campo de microondas. El gas calentado se eyecta a través de una tobera para producir empuje. Este tipo de propulsor tiene una velocidad de eyección de unos 9-12 km/s, y un empuje desde 200 hasta 2000 N.

Los documentos de D.A. Kaufman y col., Plume characteristic of an ECR plasma thruster, IEPC 1993, nº 37, pp. 355-360 y H. Tabara y col., Performance characteristic of a space plasma simulator using an electron cyclotron resonance plasma accelerator and its application to material and plasma interaction research, IEPC 1997, nº 163, pp. 994-1000, examinan propulsores de plasma de ECR. En tal propulsor, se crea un plasma usando resonancia ciclotrónica de electrones en una tobera magnética. Los electrones son acelerados axialmente por la fuerza del momento dipolar magnético, creando un campo eléctrico que acelera los iones y produce empuje. En otras palabras, el plasma fluye de forma natural a lo largo de las líneas de campo del campo magnético decreciente. Este tipo de propulsor tiene una velocidad de eyección de hasta 35 km/s. El documento US-B-6 293 090 examina un propulsor de plasma por radiofrecuencia; este funciona según el mismo principio, con la principal diferencia de que el plasma se crea mediante una onda híbrida inferior, en lugar de usar un campo de ECR.

El documento US-B-6 334 302 y F. R. Chang-Diaz, Design characteristic of the variable l_{SP} plasma rocket, IEPC 1991, nº 128, describen un propulsor de magnetoplasma de impulso específico variable (abreviado como VaSIMR). Este propulsor usa un procedimiento de tres etapas de inyección de plasma, calentamiento y escape controlado en una configuración de espejos magnéticos en tándem. La fuente de plasma es un generador de helicón y el calentador de plasma es un generador ciclotrónico. La tobera es un campo magnético radialmente divergente. Como en el propulsor de plasma de ECR o por radiofrecuencia, las partículas ionizadas no se aceleran, sino que fluyen a lo largo de las líneas del campo magnético decreciente. Este tipo de propulsor tiene una velocidad de eyección de unos 10 a 300 km/s, y un empuje de 50 a 1000 N.

En un campo diferente, los documentos US-A-4 641 060 y US-A-5 442 185 examinan generadores de plasma de ECR, que se usan para el bombeo de vacío o para la implantación de iones. El documento US-A-3 160 566 da otro ejemplo de un generador de plasma similar.

El documento US-A-3 571 734 examina un procedimiento y un dispositivo para la aceleración de partículas. La finalidad es crear un haz de partículas destinado a las reacciones de fusión. El gas se inyecta en una cavidad resonante cilíndrica sometida a campos magnéticos axiales y radiales superpuestos. Con el fin de ionizar el gas se aplica un campo electromagnético en la frecuencia de ECR. La intensidad del campo magnético disminuye a lo largo del eje de la cavidad, de modo que las partículas ionizadas fluyen a lo largo de este eje. Este dispositivo de aceleración también está descrito en la publicación Compte Rendu de I'Académie des Sciences, 4 de noviembre de 1963, Vol. 257, pp. 2804-2807. La finalidad de estos dispositivos es crear un haz de partículas destinado a reacciones de fusión: así, la velocidad de eyección está en torno a 60 km/s, pero la densidad de empuje es muy baja, típicamente por debajo de 1,5 N/m^{2}.

El documento US-A-3 425 902 describe un dispositivo para producir y confinar gases ionizados. El campo magnético es máximo en ambos extremos de la cámara en la que se ionizan los gases.

El documento US-A-4 893 470 describe un propulsor que funciona con una porción de plasma del penacho de escape que tiene una alta temperatura y un flujo de fluido de plasma de alta energía que se caracteriza por una temperatura relativamente alta.

El documento US-B1-6 193 194 describe un sistema de propulsión magnética, de campo progresivo, basado en diseñar el vehículo en forma de una superficie sustentadora circular toroidal fuselada en una única etapa conteniendo un solenoide superconductor delgado.

El artículo "Comparing experiments with modelling for light ion helicon plasma sources" en el volumen 9, número 12, p. 5097 en Physics of plasmas, de Carter y col. se ocupa de los efectos ponderomotores, examinados y hallados significativos sólo a muy baja densidad y regiones marginales de una descarga en una Mini-RFTF (instalación de prueba de radio frecuencia).

Así, existe la necesidad de un propulsor, con una buena velocidad de eyección, que pueda fabricarse fácilmente, sea robusto y resistente a los fallos. Esto define un dispositivo sin electrodos que acelera ambas partículas a alta velocidad mediante aplicaciones de una fuerza dirigida ejercida sobre la masa.

Por lo tanto, en una forma de realización, la invención proporciona un propulsor, que tiene

-: una cámara que define un eje de empuje;

-: un inyector adaptado para inyectar gas ionizable dentro de la cámara;

-: un generador de campo magnético adaptado para generar un campo magnético, teniendo al menos dicho campo magnético un máximo a lo largo del eje;

-: un generador de campo electromagnético adaptado para generar

-: un campo de ionización por microondas en la cámara (6), a un lado de dicho máximo; y

-: un campo de aceleración ponderomotor magnetizado al otro lado de dicho máximo.

El propulsor también puede presentar una o más de las siguientes características:

-: el ángulo del campo magnético con el eje es menor de 45º, preferentemente menor de 20º;

-: la frecuencia del campo electromagnético está dentro del 10% de la frecuencia de resonancia ciclotrónica de electrones en la ubicación en la que se genera el campo electromagnético;

-: la proporción del valor máximo al valor mínimo del campo magnético está entre 1,1 y 20;

-: el ángulo de la componente eléctrica del campo electromagnético con la dirección ortorradial es menor de 45º, preferentemente menor de 20º;

-: el ángulo local entre la componente eléctrica del campo electromagnético y el campo magnético en el propulsor está entre 60 y 90º;

-: el período de resonancia ciclotrónica de iones en el propulsor es al menos dos veces superior al tiempo de colisión característico de los iones en los propulsores;

-: el campo de ionización por microondas y el campo magnético están adaptados para ionizar al menos el 50% del gas inyectado en la cámara;

-: el generador de campo magnético comprende al menos una bobina ubicada a lo largo del eje sustancialmente en el máximo del campo magnético;

-: el generador de campo magnético comprende una segunda bobina ubicada entre dicha al menos una bobina y dicho inyector;

-: el generador de campo magnético está adaptado para variar el valor de dicho máximo;

-: el generador de campo magnético está adaptado para variar la dirección de dicho campo magnético, al menos a dicho otro lado de dicho máximo;

-: el generador de campo electromagnético comprende al menos una cavidad resonante;

-: el generador de campo electromagnético comprende al menos una cavidad resonante a dicho un lado de dicho máximo;

-: el generador de campo electromagnético comprende al menos una cavidad resonante a dicho otro lado de dicho máximo;

-: la cámara está formada dentro de un tubo;

-: el tubo tiene un aumento de sección en su extremo opuesto al inyector;

-: los propulsores comprenden una cámara de estabilización entre el inyector y la cámara.

La invención proporciona además un procedimiento para generar empuje, que comprende:

-: inyectar un gas dentro de una cámara;

-: aplicar un primer campo magnético y un primer campo electromagnético para ionizar al menos parte del gas;

-: aplicar ulteriormente al gas un segundo campo magnético y un segundo campo electromagnético para acelerar el gas parcialmente ionizado debido a la fuerza ponderomotriz magnetizada.

El procedimiento puede caracterizarse además por una de las siguientes características:

-: el gas se ioniza mediante resonancia ciclotrónica de electrones y se acelera mediante fuerza ponderomotriz magnetizada;

-: los iones son mayoritariamente insensibles al primer campo magnético;

-: el ángulo local entre la primera componente eléctrica del campo electromagnético y el primer campo magnético está entre 60 y 90º;

-: el ángulo local entre la componente eléctrica del segundo campo electromagnético y el segundo campo magnético está entre 60 y 90º;

-: se ioniza al menos el 50% del gas;

-: la dirección del segundo campo magnético varía.

A continuación se describirá un propulsor que realiza la invención, con carácter de ejemplo no limitante y con referencia a los dibujos que se adjuntan, en los que:

- la figura 1 es una vista esquemática en sección transversal de un propulsor en una primera forma de realización de la invención;

- la figura 2 es un diagrama de la intensidad de los campos magnéticos y electromagnéticos a lo largo del eje del propulsor de la figura 1;

- la figura 3 es una vista esquemática en sección transversal de un propulsor en una segunda forma de realización de la invención;

- la figura 4 es una vista esquemática en sección transversal de un propulsor en una tercera forma de realización de la invención;

- la figura 5 es un diagrama de la intensidad de campo magnético a lo largo del eje del propulsor de la figura 4;

- la figura 6 es una vista esquemática en sección transversal de un propulsor en una cuarta forma de realización de la invención;

- la figura 7 es un diagrama de la intensidad de campo magnético a lo largo del eje del propulsor de la figura 6;

- la figura 8 es una vista esquemática en sección transversal de un propulsor en una quinta forma de realización de la invención;

- la figura 9 es un diagrama de la intensidad de campo magnético a lo largo del eje del propulsor de la figura 8;

- las figuras 10 a 13 son vistas esquemáticas de varias formas de realización del propulsor, que permiten que se cambie la dirección de empuje;

- la figura 14 es una vista esquemática en sección transversal que muestra varios cambios posibles en el tubo;

- la figura 15 es una vista esquemática en sección transversal de un propulsor en aún otra forma de realización de la invención;

- la figura 16 es un diagrama de la intensidad de los campos magnético y electromagnético a lo largo del eje del propulsor de la figura 15;

- la figura 17 es una vista esquemática en sección transversal de otro propulsor adicional.

La figura 1 es una vista esquemática en sección transversal de un propulsor según una primera forma de realización de la invención. El propulsor de la figura 1 depende de la resonancia ciclotrónica de electrones para producir un plasma, y de la fuerza ponderomotriz magnetizada para acelerar este plasma con el fin de producir empuje. La fuerza ponderomotriz es la fuerza ejercida sobre un plasma debido a un gradiente en la densidad de un campo electromagnético de alta frecuencia. Esta fuerza se examina en el documento H. Motz y C. J. H. Watson (1967), Advances in electronics and electron physics 23, pp. 153-302. En ausencia de campo magnético, esta fuerza se puede expresar como F = \frac{q^{2}}{4m\omega^{2}}\nabla E^{2} para una partícula F = \frac{\omega^{2}_{p}}{2\omega^{2}}\nabla\frac{\varepsilon_{0}E^{2}}{2} para el plasma con \omega^{2}_{p} = \frac{ne^{2}}{m_{e}\varepsilon_{0}}.

En presencia de un campo magnético no uniforme, esta fuerza se puede expresar como:

F = \frac{q^{2}}{4m\omega}\left(\frac{\nabla E^{2}}{(\omega - \Omega_{c})} - \frac{E}{(\omega - \Omega_{c})^{2}} \nabla \Omega_{c}\right) - \mu \nabla B

El dispositivo de la figura 1 comprende un tubo 2. El tubo tiene un eje longitudinal 4 que define un eje de empuje; de hecho, el empuje producido por el propulsor se dirige siguiendo este eje - aunque se puede guiar como se explica a continuación con referencia a las figuras 10 a 13. El interior del tubo define una cámara 6, en la que se ioniza y acelera el gas propulsor.

En el ejemplo de la figura 1, el tubo es un tubo cilíndrico. Está hecho de un material no conductor con el fin de permitir que se produzcan campos magnéticos y electromagnéticos dentro de la cámara; se pueden usar cerámicas de baja permitividad, cuarzo, vidrio o materiales similares. El tubo también puede ser de un material con una elevada tasa de emisión de electrones secundarios, tal como BN, Al_{2}O_{3}, B_{4}C. Esto incrementa la densidad electrónica en la cámara y mejora la ionización.

El tubo se extiende de forma continua a lo largo del propulsor, inyectándose gas en un extremo del tubo. Sin embargo, se contempla la posibilidad de que el tubo tenga varias formas. Por ejemplo, la forma de la sección transversal del tubo, que en este ejemplo es circular, podría se otra, de acuerdo con el flujo de plasma necesario en la salida del propulsor. Con referencia a la figura 14 se proporciona a continuación un ejemplo de otra sección transversal posible. Igualmente, no existe la necesidad de que el tubo se extienda de forma continua entre el inyector y la salida del propulsor (en cuyo caso el tubo puede hacerse de metales o aleaciones tales como acero, W, Mo, Al, Cu, Th-W o Cu-W, que también se pueden impregnar o revestir de óxido de bario u óxido de magnesio, o incluir isótopos radiactivos para potenciar la ionización): como se examina a continuación, el plasma no queda confinado por el tubo, sino por los campos magnéticos y electromagnéticos aplicados en el propulsor. Así, el tubo podría comprender dos secciones distintas, mientras que la cámara seguiría extendiéndose a lo largo del propulsor, entre las dos secciones
del tubo.

En un extremo del tubo está previsto un inyector 8. El inyector inyecta gas ionizable en el tubo, según se representa en la figura 1 mediante la flecha 10. El gas puede comprender gases inertes como Xe, Ar, Ne, Kr, He, sustancias químicas como H_{2}, N_{2}, NH_{3}, N_{2}H_{2}, H_{2}O o CH_{4} o incluso metales como Cs, Na, K o Li (metales alcalinos) o Hg. Los que más se usan comúnmente son Xe y H_{2}, que son los que necesitan menos energía para la ionización.

El propulsor comprende además un generador de campo magnético, que genera un campo magnético en la cámara 6. En el ejemplo de la figura 1, el generador de campo magnético comprende dos bobinas 12 y 14. Estas bobinas producen dentro de la cámara 6 un campo magnético B, cuya componente longitudinal se representa en la figura 2. Como se muestra en la figura 2, la componente longitudinal del campo magnético tiene dos máximos, cuyas posiciones corresponden a las bobinas. El primer máximo B_{max1}, que corresponde a la primera bobina 12, está ubicado próximo al inyector. Este sólo sirve para confinar el plasma, y no es necesario para el funcionamiento del propulsor. Sin embargo, tiene la ventaja de confinar longitudinalmente los electrones del plasma, de modo que la ionización es más fácil mediante un efecto de botella magnética; asimismo, el extremo del tubo y la boquilla del inyector quedan protegidos contra la erosión. El segundo máximo B_{max2}, correspondiente a la segunda bobina 14, hace posible confinar el plasma dentro de la cámara. Este también separa el volumen de ionización del propulsor - a un lado del máximo - del volumen de aceleración - al otro lado del máximo-. El valor de la componente longitudinal del campo magnético en este máximo se puede adaptar como se examina a continuación. Entre los dos máximos - o por el lado del segundo máximo en el que se inyecta el gas - el campo magnético tiene un valor inferior. En el ejemplo de la figura 1, el campo magnético tiene un valor mínimo B_{min} sustancialmente en el centro de la cámara.

En el volumen de ionización del propulsor - entre los dos máximos del campo magnético en el ejemplo de la figura 1 - las componentes radial y ortorradial del campo magnético - es decir, las componentes del campo magnético en un plano perpendicular al eje longitudinal del propulsor - no tienen relevancia para el funcionamiento del propulsor; estas tienen preferentemente una intensidad más pequeña que la componente longitudinal del campo magnético. De hecho, estas sólo pueden disminuir el rendimiento del propulsor, induciendo un movimiento innecesario hacia las paredes en los iones y electrones dentro de la cámara.

En el volumen de aceleración del propulsor - es decir, un lado derecho del segundo máximo B_{max2} del campo magnético en el ejemplo de la figura 1 - la dirección del campo magnético aporta sustancialmente la dirección del empuje. Así, el campo magnético sigue preferentemente el eje del empuje. Las componentes radial y ortorradial del campo magnético son preferentemente lo más pequeñas posible.

Así, tanto en el volumen de ionización como en el volumen de aceleración, el campo magnético es preferentemente sustancialmente paralelo al eje del propulsor. El ángulo entre el campo magnético y el eje 4 del propulsor es preferentemente menor de 45º, y más preferentemente menor de 20º. En el ejemplo de las figuras 1 y 2, este ángulo es sustancialmente 0º, de modo que el diagrama de la figura 2 corresponde no sólo a la intensidad del campo magnético trazado a lo largo del eje del propulsor, sino también a la componente axial del campo magnético.

La intensidad del campo magnético generado por el generador de campo magnético - es decir, los valores B_{max1} B_{max2}, y B_{min} - se seleccionan preferentemente del siguiente modo. Los valores máximos se seleccionan para permitir que se confinen en la cámara los electrones del plasma; cuanto más elevado sea el valor de la proporción de espejo B_{max}/B_{min}, mejor se confinarán los electrones en la cámara. El valor puede seleccionarse de acuerdo con la densidad de empuje (del caudal másico) deseada y con la potencia del campo de ionización electromagnético (o la potencia para un caudal dado), de modo que el 90% o más del gas se ioniza tras pasar el segundo pico del campo magnético. El valor inferior B_{min} depende de la posición de las bobinas. Este no tiene mucha relevancia, salvo en la forma de realización de las figuras 4 y 5. La fracción de electrón perdido a partir de la botella en porcentaje se puede expresar como:

\alpha_{perdida} = 1 - \sqrt{1 - \frac{B_{min}}{B_{max}}} \hskip0.5cm o \hskip0.5cm \frac{B_{max}}{B_{min}} = \frac{1}{1 - (1 - \alpha_{perdida})^{2}}

Para un flujo de masa dado, y para un empuje dado, una menor \alpha_{perdida} permite reducir el poder ionizante para el mismo caudal y la misma fracción de ionización.

Asimismo, el campo magnético se selecciona preferentemente de modo que los iones sean mayoritariamente insensibles al campo magnético. En otras palabras, el valor del campo magnético es lo suficientemente bajo para que los iones del gas propulsor no sean o no sean sustancialmente desviados por el campo magnético. Esta condición permite que los iones del gas propulsor crucen el tubo sustancialmente en línea recta y mejora el empuje. Definiendo la frecuencia ciclotrónica de iones como

f_{ICR} = q \cdot B_{max}/2\pi M

los iones se definen como no magnetizados si la frecuencia ciclotrónica de iones es mucho más pequeña que la frecuencia de colisión de iones (o el parámetro de Hall en iones, que es su proporción, es inferior a 1)

f_{ICR} << f_{colisión-ión}

en la que q es la carga eléctrica y M es la masa de los iones y B_{max}, el valor máximo del campo magnético. En esta condición, F_{ICR} es la frecuencia de resonancia ciclotrónica de iones, y es la frecuencia a la que giran los iones en torno a líneas del campo magnético; la condición es representativa del hecho de que el tiempo de giro en la cámara es tan prolongado, comparado con el período de colisión, que el movimiento de los iones prácticamente no cambia debido al campo magnético. f_{colisión-ión} se define, según se conoce de por sí, como

f_{colisión-ión} = N \cdot \sigma \cdot V_{TH}

en la que N es la densidad de volumen de electrones, \sigma es la sección eficaz de colisión entre electrones e iones y V_{TH} es la velocidad térmica de electrones. La velocidad térmica se puede expresar como

V_{TH} = \sqrt{\frac{KT}{m_{e}}}

en la que k es la constante microscópica de Boltzmann, T la temperatura y m_{e} la masa del electrón. f_{colisión-ión} es representativa del número de colisiones por segundo que tiene un ión en una nube de electrones con la densidad N y la temperatura T.

Preferentemente, se podría seleccionar el valor máximo del campo magnético de modo que

f_{ICR} < f_{colisión-ión}/2

o incluso

f_{ICR} < f_{colisión-ión}/10

Así, el período de resonancia ciclotrónica de iones en el propulsor es al menos dos veces mayor que el período de colisión de los iones en la cámara, o en el propulsor.

Esto sigue siendo posible, mientras se tenga un confinamiento suficiente del gas en el seno del volumen de ionización del propulsor, como se evidencia mediante el ejemplo numérico dado a continuación. El hecho de que los iones sean mayoritariamente insensibles al campo magnético ayuda en primer lugar al enfocar el haz de iones y electrones en la salida del propulsor, incrementando así la cantidad de flujo. Asimismo, esto evita que los iones hayan permanecido ligados a líneas de campo magnético después de abandonar el propulsor; esto garantiza la producción de un empuje neto.

El propulsor comprende además un generador de campo electromagnético, que genera un campo electromagnético en la cámara 6. En el ejemplo de la figura 1, el generador de campo electromagnético comprende una primera cavidad resonante 16 y una segunda cavidad resonante 18, ubicadas respectivamente cerca de las bobinas 12 y 14. La primera cavidad resonante 16 está adaptada para generar en la cavidad un campo electromagnético oscilatorio, entre los dos máximos del campo magnético, o al menos por el lado del máximo B_{max2} que contiene el inyector. El campo oscilatorio es campo de ionización, con una frecuencia f_{E1} en la banda de microondas, que está entre 900 MHz y 80 GHz. La frecuencia del campo electromagnético está adaptada preferentemente al valor local del campo magnético, de modo que una parte importante o sustancial de la ionización se debe a la resonancia ciclotrónica de electrones. Específicamente, para un valor dado B_{res} del campo magnético, la frecuencia de resonancia ciclotrónica de electrones f_{ECR} está dada por la fórmula:

f_{ECR} = eB_{res}/2\pi m

siendo e la carga eléctrica y m la masa del electrón. Este valor de la frecuencia del campo electromagnético está adaptado para aumentar al máximo la ionización del gas propulsor mediante resonancia ciclotrónica de electrones. Es preferible que el valor de la frecuencia del campo electromagnético f_{E1} sea igual a la frecuencia de ECR calculada cuando sea máximo el campo electromagnético aplicado. Evidentemente esto no es más que una aproximación, puesto que la intensidad del campo magnético varía a lo largo del eje y puesto que el campo electromagnético se aplica de forma local y no sobre un único punto.

También se puede seleccionar un valor de la frecuencia que no sea precisamente igual a este valor preferido; se prefiere un intervalo de \pm10% respecto a la frecuencia de ECR. Un intervalo de \pm5% da mejores resultados. También se prefiere que al menos el 50% del gas propulsor se ionice mientras atraviesa el volumen de ionización o la cámara. Tal cantidad de gas ionizado sólo se hace posible usando ECR para la ionización; si la frecuencia del campo electromagnético varía más allá del intervalo de \pm10% dado anteriormente, probablemente el grado de ionización del gas propulsor disminuirá muy por debajo del valor preferido de 50%.

La dirección de la componente eléctrica del campo electromagnético en el volumen de ionización preferentemente es perpendicular a la dirección del campo magnético; en cualquier ubicación, el ángulo entre el campo magnético local y la componente eléctrica oscilatoria del campo electromagnético está preferentemente entre 60 y 90º, con preferencia entre 75 y 90º. Esto está adaptado para optimizar la ionización mediante la ECR. En el ejemplo de la figura 1, la componente eléctrica del campo electromagnético es ortorradial o radial: esta está contenida en un plano perpendicular al eje longitudinal y es ortogonal a una línea recta del plano que pasa a través del eje; esta se puede obtener sencillamente seleccionando el modo de resonancia dentro de la cavidad resonante. En el ejemplo de la figura 1, el campo electromagnético entra en resonancia en el modo TE_{111}. Un campo ortorradial también tiene la ventaja de mejorar el confinamiento del plasma en el volumen ionizante y de limitar el contacto con la pared de la cámara. La dirección de la componente eléctrica y del campo electromagnético puede variar con respecto a esta dirección ortorradial preferida; preferentemente, el ángulo entre el campo electromagnético y la dirección ortorradial es menor de 45º, con más preferencia menor de 20º.

En el volumen de aceleración, la frecuencia del campo electromagnético también se selecciona preferentemente de modo que sea cercana o igual a la frecuencia de ECR. Esto permitirá que la intensidad de la fuerza ponderomotriz magnetizada sea acelerante a ambos lados del máximo del campo electromagnético, como se muestra en la segunda ecuación dada anteriormente. Por otra parte, la frecuencia de la fuerza electromagnética no necesita ser exactamente idéntica a la frecuencia de ECR. Los mismos intervalos que los anteriores se aplican para la frecuencia y para los ángulos entre los campos magnético y electromagnético. Se puede señalar en este estadio que la frecuencia del campo electromagnético usada para la ionización y para la aceleración puede ser idéntica: esto simplifica el generador de campo electromagnético, puesto que se puede usar el mismo generador de microondas para accionar ambas cavidades resonantes.

Por otra parte, se prefiere que la componente eléctrica del campo electromagnético vaya en la dirección puramente radial u ortorradial, de manera que se aumente al máximo la fuerza ponderomotriz magnetizada. Asimismo, una componente eléctrica ortorradial del campo electromagnético enfocará el haz de plasma en la salida del propulsor. El ángulo entre la componente eléctrica del campo electromagnético y la dirección radial u ortorradial también es preferentemente menor de 45º o mejor aún, menor de 20º.

La figura 2 es un diagrama de la intensidad de los campos magnético y electromagnético a lo largo del eje del propulsor de la figura 1; la intensidad del campo magnético y del campo electromagnético está trazada sobre el eje vertical. La posición a lo largo del eje del propulsor está trazada sobre el eje horizontal. Como se ha examinado anteriormente, la intensidad del campo magnético - que en su mayor parte es paralelo al eje del propulsor - tiene dos máximos. La intensidad de la componente eléctrica del campo electromagnético tiene un primer máximo E_{max1} ubicado en el plano medio de la primera cavidad resonante y un segundo máximo E_{max2} ubicado en el plano medio de la segunda cavidad resonante. El valor de la intensidad del primer máximo se selecciona junto con el caudal másico dentro de la cámara de ionización. El valor del segundo máximo se puede adaptar a la I_{sp} necesaria en la salida del propulsor. En el ejemplo de la figura 2, las frecuencias del primer y segundo máximo del campo electromagnético son iguales: de hecho, las cavidades resonantes son idénticas y se accionan mediante el mismo generador de microondas. En el ejemplo de la figura 2, el origen a lo largo del eje del propulsor está en la boquilla del
inyector.

Los siguientes valores ejemplifican la invención. El flujo de gas es de 6 mg/s, la potencia total de microondas es aproximadamente 1550 W, que corresponden a \sim350 W para la ionización y \sim1200 W para la aceleración para un empuje de aproximadamente 120 mN. La frecuencia de microondas está en torno a 3 GHz. El campo magnético podría tener entonces una intensidad con un máximo de aproximadamente 180 mT y un mínimo de \sim 57 mT. La figura 2 también muestra el valor B_{res} del campo magnético, y la ubicación en la que están colocadas las cavidades resonantes. Como se ha examinado anteriormente, la frecuencia del campo electromagnético preferentemente es igual a la frecuencia de ECR pertinente eB_{res}/2\pim.

Los siguientes valores numéricos son ejemplares de un propulsor que proporciona una velocidad de eyección por encima de 20 km/s y una densidad de empuje superior a 100 N/m^{2}. El tubo es un tubo de nitruro de boro (BN), con un diámetro interior de 40 mm, un diámetro exterior de 48 mm y una longitud de 260 mm. El inyector proporciona Xe, a una velocidad de 130 m/s al entrar en el tubo, y con un caudal másico de \sim 6 mg/s.

El primer máximo de campo magnético B_{max1} está ubicado a x_{B1} = 20 mm desde la boquilla del inyector; la intensidad B_{max}_{1} del campo magnético es \sim180 mT. La primera cavidad resonante para el campo electromagnético está ubicada a x_{E1} = 125 mm desde la boquilla del inyector; la intensidad E_{1} del campo magnético es \sim41000 V/m. El segundo máximo de campo magnético B_{max2} está ubicado a x_{B2} = 170 mm desde la boquilla del inyector; la intensidad B_{max}_{2} de este campo magnético es \sim180 mT. La segunda cavidad resonante para el campo electromagnético está ubicada a x_{E2} = 205 mm desde la boquilla del inyector; la intensidad E_{2} del campo magnético es \sim77000 V/m.

\bullet: Aproximadamente el 90% del gas que pasa al interior del volumen de aceleración (x > x_{B2}) está ionizado.

\bullet: f_{ICR} es 15,9 MHz, puesto que q = e y M = 130 uma. Así, el parámetro de Hall en iones es 0,2, de modo que los iones son mayoritariamente insensibles al campo magnético.

Estos valores son ejemplares. Demuestran que el propulsor de la invención hace posible proporcionar al mismo tiempo una velocidad de eyección superior a 15 km/s y una densidad de empuje superior a 100 N/m^{2}. En cuanto al procedimiento, el propulsor de la figura 1 funciona del siguiente modo. El gas es inyectado dentro de una cámara. Entonces es sometido a un primer campo magnético y un primer campo electromagnético, y por consiguiente queda al menos parcialmente ionizado. El gas parcialmente ionizado sobrepasa entonces el valor de pico del campo magnético. Este es sometido entonces a un segundo campo magnético y un segundo campo electromagnético que lo aceleran debido a la fuerza ponderomotriz magnetizada. La ionización y la aceleración son independientes y se producen de forma subsiguiente y se pueden controlar de forma independiente.

El propulsor ejemplificado anteriormente es por lo tanto significativamente más eficaz que los dispositivos de la técnica anterior. Este tiene además las siguientes ventajas. En primer lugar, no tiene electrodos. Así, se evitan todos los problemas creados por tales electrodos -erosión, alto voltaje y similares-.

En segundo lugar, gracias a la fuerza ponderomotriz magnetizada, tanto electrones como iones son acelerados en la misma dirección. No es necesario prever un neutralizador en la salida del propulsor.

En tercer lugar, se usa la misma frecuencia de fuerza electromagnética para la ionización y la aceleración. Esto hace posible usar el mismo generador de microondas para accionar el generador electromagnético.

En cuarto lugar, la ionización y la aceleración son independientes, puesto que se producen a lados opuestos de un pico del campo magnético. Esto hace posible, como se ha explicado anteriormente, actuar por separado sobre la ionización y sobre la aceleración para adaptar las prestaciones del propulsor a las necesidades. Esto también aumenta el rendimiento de ionización y disminuye la energía necesaria para ionizar el gas propulsor.

En quinto lugar, los electrones se excitan y magnetizan en el volumen ionizante, pero los iones son sustancialmente insensibles al campo magnético. Esto mejora el rendimiento del propulsor, comparado con el propulsor VaSIMR de la técnica anterior o con las bombas de plasma de la técnica anterior. Igualmente, los electrones se excitan a la frecuencia de ECR o cerca de esta frecuencia; esto mejora el rendimiento de ionización.

La figura 3 es una vista esquemática en sección transversal de un propulsor en una segunda forma de realización de la invención. El ejemplo de la figura 3 difiere del ejemplo de la figura 1 en la posición de la primera cavidad resonante 16, que está ubicada cerca de la bobina 14 que produce el segundo máximo del campo magnético. La cavidad resonante está ubicada específicamente a lo largo del eje en una coordenada x = x_{E3} = 205 mm. Como se ha representado en la figura 2, esta posición se selecciona de modo que el valor del campo magnético en esta posición sea idéntico al valor del campo magnético en la posición x_{E1}. Esto hace posible usar la misma cavidad resonante, sin tener que adaptar el valor de la frecuencia del campo electromagnético. También se pueden usar dos cavidades resonantes en las coordenadas x_{E1} y x_{E2} para generar el campo electromagnético en el seno del volumen de ionización. Por otra parte, esto puede mejorar la proporción de gas ionizado en el seno del volumen de ionización. El hecho de tener la cavidad al lado derecho puede disminuir la erosión.

La figura 4 es una vista esquemática en sección de un propulsor en una tercera forma de realización de la invención; la figura 5 es un diagrama de la intensidad de campos magnéticos y electromagnéticos a lo largo del eje del propulsor de la figura 4. El propulsor de la figura 4 es similar al de la figura 1. Sin embargo, la primera cavidad resonante 16 está ubicada sustancialmente en el centro de las bobinas 12 y 14. La figura 5 es similar a la figura 2, pero muestra las intensidades del campo magnético en la forma de realización de la figura 4. Esta muestra que la primera cavidad resonante está ubicada sustancialmente en la coordenada X_{E}_{4}, que corresponde al valor mínimo B_{min} del campo magnético. La frecuencia del campo electromagnético se selecciona de modo que sea e.B_{min}/2\pim. La segunda cavidad resonante está ubicada en una posición en la que el campo magnético tiene el mismo valor. También esto hace posible usar el mismo generador de microondas para accionar ambas cavidades. La ventaja de la forma de realización de las figuras 4 y 5 es que el valor del campo magnético es sustancialmente idéntico sobre el volumen en el que se aplica el campo de ECR. Esto incrementa la proporción de gas ionizado, permaneciendo constante todo lo demás.

La figura 6 es una vista esquemática en sección de un propulsor en una cuarta forma de realización de la invención; la figura 7 es un diagrama de la intensidad de campo magnético a lo largo del eje del propulsor de la figura 6. En esta forma de realización, se pueden adaptar los valores de la proporción de espejo del campo magnético, de manera que varíe el grado de ionización en el seno del volumen de ionización del propulsor. De forma más específica, el incremento del grado de ionización producirá iones con una carga más elevada, debido al incremento de confinamientos de los electrones en el seno del volumen de ionización. Estos iones obtendrán una velocidad más alta, aumentado así el empuje total.

El propulsor de la figura 6 es similar al de la figura 3. Sin embargo, el generador de campo magnético está provisto de tres bobinas suplementarias 22, 24 y 26. La primera y tercera bobinas suplementarias 22 y 26 están ubicadas dentro de las bobinas 12 y 14, mientras que la segunda bobina suplementaria 24 está ubicada sustancialmente próxima al centro de las bobinas 12 y 14. La primera y tercera bobinas suplementarias producen un campo magnético que refuerza el campo producido por las bobinas 12 y 14. Esto hace posible incrementar la intensidad de los máximos B_{max1} y B_{max2} del campo magnético. La segunda bobina suplementaria produce un campo magnético opuesto al campo magnético proporcionado por las bobinas 12 y 14. Esto reduce el valor B_{min} del campo magnético, luego incrementa la proporción de espejo.

La figura 7 muestra una representación gráfica de la intensidad del campo magnético para varios valores de la corriente aplicada a las bobinas suplementarias. La representación gráfica 28 corresponde al caso en el que las bobinas suplementarias no producen ningún campo magnético. La representación gráfica 30 corresponde a un primer valor de corriente a través de bobinas suplementarias, mientras que la representación gráfica 32 corresponde a un valor de corriente sustancialmente superior. Debido a la presencia de la segunda bobina suplementaria, el valor del campo magnético permanece sustancialmente idéntico en coordenadas x_{E3} y x_{E2}, en las que están ubicadas las cavidades resonantes. Esto evita tener que cambiar la frecuencia del campo electromagnético, o la posición de las cavidades, y garantiza que se obtenga la ionización de ECR requerida, sea cual sea el valor del campo magnético. En otras palabras, el valor máximo del campo magnético varía, pero el valor del campo magnético permanece sustancialmente constante en la ubicación de las cavidades resonantes. Gracias a estas bobinas, el valor del campo magnético varía en un intervalo del 100%; esto induce un cambio de hasta el 90% en el grado de ionización. Esto causa un cambio de hasta el 90% en el empuje. En este ejemplo, se pueden usar bobinas suplementarias en la salida de los propulsores para modificar el perfil y la dirección del material expulsado. La figura 8 es una vista esquemática en sección de un propulsor en una quinta forma de realización de la invención; la figura 9 es un diagrama de la intensidad de campo magnético a lo largo del eje del propulsor de la figura 9. En esta forma de realización, se puede adaptar el gradiente del campo magnético en el volumen de aceleración, de manera que varíe la intensidad de la fuerza ponderomotriz magnetizada. De hecho, como se examinó anteriormente, la componente de la fuerza ponderomotriz magnetizada es proporcional al gradiente del campo magnético.

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El propulsor de la figura 8 es similar al de la figura 4; sin embargo, este comprende además bobinas suplementarias de control de gradiente 34, 36, ubicadas a ambos lados de la segunda cavidad resonante 18. La primera bobina de gradiente 34, que está ubicada entre la segunda bobina 14 y la segunda cavidad resonante 18, genera un campo magnético paralelo al generado por la segunda bobina. La segunda bobina de gradiente 36, que está ubicada por el lado de la segunda cavidad resonante 18 enfrente de la segunda bobina 14, genera un campo magnético opuesto al generado por la segunda bobina. Así se adaptan estas bobinas de control de gradiente para variar el gradiente de campo magnético en el volumen de aceleración del propulsor; asimismo, se pueden usar para incrementar el valor máximo del campo magnético producido por la segunda bobina, al tiempo que mantienen la posición del campo de resonancia próxima al plano medio de la cavidad. La presencia de las bobinas de control de gradiente cambiará ligeramente la posición de la cavidad resonante en el volumen de aceleración del propulsor.

La figura 9 muestra una representación gráfica de la intensidad del campo magnético en el ejemplo de la figura 8. La representación gráfica 38 corresponde al caso en el que las bobinas de control de gradiente no están excitadas. La representación gráfica 40 muestra el valor de campo magnético cuando se excitan las bobinas de control de gradiente. El valor del gradiente en la segunda cavidad resonante 18 varía desde 2,3 T/m hasta 4,5 T/m, es decir, un cambio relativo de hasta el 100%. Como en el ejemplo de la figura 6, el valor del campo magnético en las cavidades resonantes permanece constante y no hay necesidad de cambiar la frecuencia de la potencia eléctrica que acciona las cavidades resonantes.

La figura 9 evidencia además que la posición en la que se alcanza el valor máximo B_{max2} del campo magnético se desvía ligeramente cuando se excitan las bobinas de control de gradiente. La desviación \deltax está representada gráficamente en la figura 9. Esto cambiará la longitud de la cámara de ionización y, junto con el aumento del valor máximo, contribuirá a ionizar más el gas propulsor. Tal ionización adicional, como se ha explicado con referencia a las figuras 6 y 7, incrementa el empuje.

Las bobinas de control de gradiente como las de la figura 8 también se podrían usar en los ejemplos de las figuras 1 y 4 - siendo la única restricción el volumen usado por las bobinas-. La figura 8 también es un buen ejemplo de un generador de campo magnético que se extiende más allá del extremo del tubo. Esta muestra que el tubo no necesita extenderse de forma continua desde el inyector hasta el extremo del propulsor. Las bobinas de control de gradiente también se pueden usar en combinación en el ejemplo de la figura 7, también sometidas a la misma restricción de volumen.

Las figuras 10 a 13 son vistas esquemáticas de varias formas de realización del propulsor, que permiten que se cambie la dirección de empuje. Como se ha examinado anteriormente, la fuerza ponderomotriz está dirigida a lo largo de las líneas del campo magnético. Así, el cambio de las líneas de este campo en el volumen de aceleración del propulsor hace posible cambiar la dirección de empuje. La figura 10 es una vista en sección transversal de otra forma de realización del propulsor. El propulsor es similar al de la figura 4. Sin embargo, en el ejemplo de la figura 10, el propulsor está provisto además de tres bobinas suplementarias de control de dirección 42, 44 y 46 ubicadas aguas abajo de la segunda cavidad resonante 18. Estas bobinas están desviadas con respecto al eje del propulsor, de manera que cambien la dirección del campo magnético aguas abajo de la segunda bobina 14. La figura 11 es una vista desde un lado que muestra las tres bobinas y el tubo 2; esta muestra además los distintos campos magnéticos que se pueden crear mediante la excitación de una o varias de estas bobinas, que están representados simbólicamente mediante flechas dentro del tubo 2. Las bobinas generan preferentemente un campo magnético con una dirección contraria al creado por las bobinas 12 y 14; esto incrementa adicionalmente el gradiente de campo magnético y, por lo tanto, el empuje. Por otra parte, la excitación de las bobinas con una corriente reversible hace posible variar la dirección de empuje sobre una extensión más amplia y usar menos bobinas (2 ó 3 en lugar de 4) pero usa una fuente de alimentación más compleja para accionar la bobina.

La figura 12 es una vista desde un lado similar a la de la figura 11, pero en un propulsor que sólo tiene dos bobinas suplementarias; en comparación con la figura 11, esta también muestra el diámetro externo de los elementos 14 y 18. La figura 13 es una vista desde un lado similar a la de la figura 11, pero en un propulsor que sólo tiene cuatro bobinas suplementarias.

En los ejemplos de las figuras 10 a 13, las bobinas de control de dirección están ubicadas tan próximas a la segunda cavidad como sea posible, de manera que actúen sobre el campo magnético en el volumen de aceleración. Resulta ventajoso que la intensidad del campo magnético en las bobinas de control de dirección se seleccione de modo que el campo magnético siga disminuyendo de forma continua aguas abajo del propulsor; esto evita cualquier efecto de espejo que podría capturar los electrones del plasma. También se pueden usar bobinas cuyo eje esté inclinado con respecto al eje del propulsor. Esto puede incrementar el intervalo posible de direcciones para el vector de
empuje.

El valor del campo magnético creado por las bobinas de control de dirección va preferentemente desde el 20% hasta el 80% del campo principal, de modo que este no invierta en ninguna parte la dirección del campo magnético.

La figura 14 es una vista esquemática en sección transversal que muestra varios cambios posibles en el tubo. Estos cambios están combinados en el ejemplo de la figura 14, pero podrían usarse por separado en cualquiera de las formas de realización de las figuras 1 a 13 o en las formas de realización de las figuras 15 y 17. En primer lugar, comparada con las formas de realización examinadas anteriormente, la cámara 6 de la figura 14 tiene una sección transversal más pequeña. Esto aumenta la densidad del gas en la cámara al mismo caudal másico y, por consiguiente, la frecuencia de colisión ionizante en el volumen de ionización. Esto mejora la ionización.

En segundo lugar, el tubo puede estar provisto de una cámara de estabilización 48, ubicada en posición anterior a la cámara 6. Esta cámara tiene la ventaja de proteger la boquilla del inyector de los electrones de alta energía, que pueden sobrepasar la barrera creada por el primer máximo B_{max1} de campo magnético. Asimismo, tal cámara de estabilización mejorará la uniformidad del flujo en la cámara y limitará el gradiente de densidad en la cámara.

En tercer lugar, el tubo está provisto además de un inyector suplementario de gas 50 en el interior de la cámara de aceleración. Este protege la pared del tubo de la erosión por los electrones de alta energía acelerados por el propulsor.

La figura 15 es una vista esquemática en sección transversal de un propulsor en otra forma de realización adicional de la invención; en el ejemplo de la figura 15, la cámara 52 tiene forma de anillo. Asimismo, el propulsor de la figura 15 usa imanes permanentes en lugar de bobinas. La figura muestra la cámara 52, con la inyección de gas en un extremo (flechas 54 y 56). El tubo comprende de este modo un cilindro interno 58 y un cilindro externo 59 dispuestos alrededor del mismo eje. La inyección de gas puede llevarse a cabo realmente alrededor del anillo que forma el extremo de la cámara, con uno o varios inyectores (no representados en la figura 15). La primera y segunda cavidades resonantes 60 y 62 están previstas a lo largo del tubo; cada una de las cavidades está formada de una parte interna ubicada en el interior del tubo 58 y de una parte externa ubicada al exterior del tubo. El propulsor de la figura 15 usa imanes permanentes. En el interior del cilindro 58 están previstos dos imanes en forma anular 64 y 66; al exterior del cilindro externo 59 se encuentran imanes en forma anular correspondientes 68 y 70, de cara a los imanes en forma anular internos. Un tercer imán 72 está previsto a la izquierda de la cámara 52. Este es de forma circular y se extiende sustancialmente con el mismo diámetro externo que el diámetro externo de los imanes externos en forma anular. Para guiar las líneas de campo magnético, al exterior de los imanes externos en forma anular está previsto un primer tubo circular de un material tal como hierro dulce, que se conecta con la periferia externa del imán circular 72. Un segundo tubo circular 76, de un material similar, está previsto en el interior del primer imán interno en forma anular 64 y se conecta cerca del centro del imán circular 72. Una varilla 78 guía las líneas de campo magnético desde la periferia interna del segundo imán interno en forma anular 66 hasta el centro del imán circular 78. Evidentemente, son posibles otras estructuras de las guías de líneas de campo.

La figura 16 es un diagrama de la intensidad de los campos magnéticos y electromagnéticos a lo largo del eje del propulsor de la figura 15. Este es sustancialmente idéntico al diagrama de la figura 2, salvo que en este el campo magnético es en su mayor parte radial.

La figura 17 es una vista esquemática de un propulsor con una cámara 52 similar a la de la figura 15. Sin embargo, el propulsor de la figura 17 usa bobinas para generar el campo magnético. La estructura es similar a la de la figura 15, con la salvedad de que

-: los imanes 64, 66, 68, 70 y 72 están sustituidos por medios de guía de líneas de campo sustancialmente con la misma forma;

-: una primera bobina en forma anular 80 está prevista sobre el diámetro externo de la varilla 78, cerca del elemento 66;

-: una segunda bobina en forma anular 82 está prevista sobre el diámetro externo del tubo 76, cerca del elemento 64.

El campo magnético y electromagnético son también similares a los de la figura 16. Con una cámara en forma anular tal como la de las figuras 15 y 17, se puede variar con facilidad la posición de los generadores de campo magnético y de campo electromagnético.

Las siguientes tablas proporcionan cierto número de ejemplos de formas de realización de la invención, numerados desde 1 a 33. En estas tablas,

-: Potencia es representativa de la potencia relativa del propulsor, comparada con los otros ejemplos de la tabla;

-: Banda es la banda de frecuencia de microondas;

-: Ptotal es la potencia total del propulsor, en W;

-: Pempuje es la potencia de empuje, en W;

-: Pion es la potencia usada para la ionización, en W;

-: Empuje es el empuje obtenido, en mN;

-: Mdot es el caudal másico, en mg/s;

-: Isp es el impulso específico, es decir, la proporción entre la velocidad de escape y la aceleración de gravedad a nivel del mar, en s;

-: Rendimiento es el rendimiento del propulsor, es decir, la proporción entre la potencia usada en el propulsor y la potencia mecánica de empuje;

-: B es el campo magnético resonante, en mT;

-: Fce es la frecuencia ciclotrónica de electrones, en GHz;

-: Bmax/Bmin es la proporción entre los valores máximo y mínimo del campo magnético;

-: T/S es la densidad de empuje, en N/m^{2}:

-: Rsalida es el radio del propulsor en la salida, en cm;

-: Rin es el radio interno de las bobinas magnéticas, en cm;

-: L es la longitud total de la cavidad, en cm;

-: Dbob es la distancia entre las bobinas magnéticas, en cm;

-: Ibob es la intensidad en las bobinas magnéticas, en A;

-: Nbob es el número de espiras en las bobinas.

Los distintos ejemplos proporcionan intervalos para cada uno de los valores ejemplificados. Por ejemplo, el valor de la proporción Bmax/Bmin está entre 1,69 (ejemplos 18 y 24) y 17,61 (ejemplo 5). El valor debería estar comprendido preferentemente entre 1,2 y 20. Aunque los distintos intervalos que pueden derivarse de la tabla están relacionados con ejemplos específicos, la invención es explotable dentro del intervalo total proporcionado en la tabla. Así, los distintos intervalos derivados de la tabla son en realidad independientes entre sí.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 1

1

TABLA 2

2

TABLA 3

3

Los ejemplos dados anteriormente se pueden adaptar y variar. Por ejemplo, se pueden usar medios distintos de las bobinas para generar el campo magnético, tales como imanes permanentes, como se ha ejemplificado en la figura 15; esto también se aplica a los otros propulsores. El número de cavidades resonantes o bobinas se puede variar según las necesidades. Por ejemplo, se puede usar una única cavidad resonante para generar el campo electromagnético a ambos lados del máximo del campo magnético, sujeto a restricciones de volumen. En el ejemplo de las figuras 6 y 7, se usan tres bobinas suplementarias: el número de bobinas suplementarias así como sus posiciones podrían ser diferentes; se podría, por ejemplo, añadir una bobina suplementaria en el volumen de aceleración del propulsor. También se podrían usar tales bobinas suplementarias en las formas de realización de las figuras 1, 3, 4, 8, 10, 14, 15 ó 16. De modo similar, el número de bobinas de control de gradiente así como sus posiciones podrían ser diferentes del ejemplo de la figura 8; se pueden usar bobinas de gradiente en los otros ejemplos. También se podría crear de forma permanente un gradiente de campo magnético más elevado - como en la representación gráfica 40 de la figura 9. Las bobinas de control de dirección tales como las de las figuras 10-13 también se podrían usar en las formas de realización de las figuras 1 a 9 ó 15 y 17. En todos los ejemplos, se puede usar la misma frecuencia para los campos electromagnéticos de ionización y de aceleración; esto simplifica la generación del campo electromagnético; sin embargo, también se podrían usar frecuencias diferentes a partir de generadores diferentes.

Claims

1. Un propulsor, que tiene

-: una cámara (6) que define un eje (4) de empuje;

-: un inyector (8) adaptado para inyectar gas ionizable dentro de la cámara;

-: un generador de campo magnético (12, 14) adaptado para generar un campo magnético, teniendo dicho campo magnético al menos un máximo a lo largo del eje (4);

-: un generador de campo electromagnético (16, 18) adaptado para generar

-: un campo de aceleración ponderomotriz magnetizado al otro lado de dicho máximo.

2. El propulsor de la reivindicación 1, en el que el ángulo del campo magnético con el eje es menor de 45º, preferentemente menor de 20º.

3. El propulsor de una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que la frecuencia del campo electromagnético está dentro del 10% de la frecuencia de resonancia ciclotrónica de electrones en la ubicación en la que se genera el campo electromagnético.

4. El propulsor de la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que la proporción del valor máximo al valor mínimo del campo magnético está entre 1,2 y 20.

5. El propulsor de una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el ángulo de la componente eléctrica del campo electromagnético con la dirección ortorradial es menor de 45º, preferentemente menor de 20º.

6. El propulsor de una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el ángulo local entre la componente eléctrica del campo electromagnético y el campo magnético en el propulsor está entre 60 y 90º.

7. El propulsor de la reivindicación 1 ó 6, en el que el período de resonancia ciclotrónica de iones en el propulsor es al menos dos veces mayor que el tiempo de colisión característico de los iones en el propulsor.

8. El propulsor de una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el campo de ionización por microondas y el campo magnético están adaptados para ionizar al menos el 50% del gas inyectado en la cámara.

9. El propulsor de una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el generador de campo magnético comprende al menos una bobina (14) ubicada a lo largo del eje sustancialmente en el máximo de campo magnético.

10. El propulsor de la reivindicación 9, en el que el generador de campo magnético comprende una segunda bobina (12) ubicada entre dicha al menos una bobina (14) y dicho inyector (8).

11. El propulsor de una de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el generador de campo magnético está adaptado para variar el valor de dicho máximo.

12. El propulsor de una de las reivindicaciones 1 a 11, en el que el generador de campo magnético está adaptado para variar la dirección de dicho campo magnético, al menos a dicho otro lado de dicho máximo.

13. El propulsor de una de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el generador de campo electromagnético comprende al menos una cavidad resonante.

14. El propulsor de una de las reivindicaciones 1 a 13, en el que el generador de campo electromagnético comprende al menos una cavidad resonante (16) a dicho un lado de dicho máximo.

15. El propulsor de una de las reivindicaciones 1 a 14, en el que el generador de campo electromagnético comprende al menos una cavidad resonante (18) a dicho otro lado de dicho máximo.

16. El propulsor de una de las reivindicaciones 1 a 15, en el que la cámara está formada dentro de un tubo (2).

17. El propulsor de la reivindicación 16, en el que el tubo tiene un aumento de sección en su extremo opuesto al inyector.

18. El propulsor de una de las reivindicaciones 1 a 17, que comprende además una cámara de estabilización (48) entre el inyector y la cámara (6).

19. Un procedimiento para generar empuje, que comprende:

-: inyectar un gas dentro de una cámara;

20. El procedimiento de la reivindicación 19, en el que el gas se ioniza mediante resonancia ciclotrónica de electrones.

21. El procedimiento de la reivindicación 19 ó 20, en el que los iones son mayoritariamente insensibles al primer campo magnético.

22. El procedimiento de la reivindicación 19, 20 ó 21, en el que el ángulo local entre la primera componente eléctrica de campo electromagnético y el primer campo magnético está entre 60 y 90º.

23. El procedimiento de una de las reivindicaciones 19 a 22, en el que el ángulo local entre la segunda componente eléctrica de campo electromagnético y el segundo campo magnético está entre 60 y 90º.

24. El procedimiento de una de las reivindicaciones 19 a 23, en el que se ioniza al menos el 50% del gas.

25. El procedimiento de una de las reivindicaciones 19 a 24, que comprende además la etapa de variar la dirección de dicho segundo campo magnético.