ES2984669T3 - Propulsor de iones para propulsión vectorial de empuje de una nave espacial - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un propulsor iónico (1) para la propulsión vectorial de empuje de una nave espacial, que comprende un depósito (2) para un propulsor (3), un emisor (4) que tiene una base (7) y, en un lado (71) de la base (7), al menos una salida (8) para emitir iones (3+) del propulsor (3), en donde la base (7) está conectada al depósito (2) para proporcionar flujo de propulsor (3) desde el depósito (2) a dicha al menos una salida (8), y un extractor (5) orientado hacia dicho lado (71) del emisor (4) para extraer y acelerar los iones (3+) desde el emisor (4), en donde el extractor (5) está dividido en sectores (5i) alrededor de un eje (T) que discurre ortogonalmente a través de dicho lado (71) del emisor (4), en donde dichos sectores (5i) están aislados eléctricamente entre sí. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Propulsor de iones para propulsión vectorial de empuje de una nave espacial

La presente invención se refiere a un propulsor de iones para la propulsión vectorial de empuje de una nave espacial, que comprende un depósito para un propelente, un emisor que tiene una base y, en un lado de la base, al menos una salida para emitir iones del propelente, en donde la base está conectada al depósito para proporcionar a dicha al menos una salida un flujo de propelente desde el depósito, y un extractor orientado hacia dicho un lado del emisor para extraer del emisor los iones y acelerar los mismos.

Los propulsores de iones crean empuje acelerando eléctricamente los iones como propelente; tales iones pueden generarse, por ejemplo, a partir de gas neutro (generalmente xenón) ionizado extrayendo electrones de los átomos, a partir de un metal líquido o a partir de un líquido iónico. Los sistemas de propulsión eléctrica de emisión de campo (FEEP) se basan en la ionización de campo de un metal líquido (normalmente cesio, indio, galio o mercurio). Los propulsores de iones coloidales, también conocidos como propulsores de electropulverización, usan líquido iónico (generalmente sales fundidas a temperatura ambiente) como propelente.

Las salidas de emisor de los propulsores de iones de FEEP o coloidales/de electropulverización son normalmente proyecciones con forma de conos, pirámides, prismas triangulares o similares. Para lograr un campo eléctrico fuerte para la extracción de iones, las proyecciones pueden tener una punta afilada o un borde afilado para utilizar el efecto de concentración de campo de la punta o el borde. En otros propulsores de iones tales como los propulsores de tipo Kaufman, las salidas de emisor pueden ser simplemente uno o más canales en la base seguidos de electrodos o rejillas de ionización. Los iones extraídos y acelerados por el extractor orientado hacia el emisor generan el empuje para la propulsión de la nave espacial. El empuje puede controlarse con precisión mediante la fuerza del campo eléctrico entre el emisor y el extractor.

Debido a la naturaleza y composición de los propulsores de iones, la dirección y orientación de los iones extraídos del emisor pueden variar temporalmente o desviarse permanentemente con respecto a un vector de empuje previsto. Para compensar tales irregularidades no intencionadas y/o para aumentar la eficiencia de propulsión de la nave espacial optimizando el vector de empuje, se ha introducido la vectorización de empuje, es decir, la acción de controlar intencionadamente el vector de empuje del propulsor de iones.

Un tipo de vectorización de empuje, descrito, por ejemplo, en los documentos US 6637701 o US 6032904, se logra montando el propulsor de iones sobre un cardán en la nave espacial y controlando la orientación del cardán. Sin embargo, un accionamiento de este tipo mediante cardán no solo añade peso a la nave espacial sino que, sobre todo, suele conllevar un mal funcionamiento mecánico, lo que no resulta aceptable ya que un funcionamiento fiable del propulsor de iones resulta fundamental para la misión de la nave espacial.

En el documento Development of an Indium mN-FEEP Thruster, American Institute of Aeronautics and Astronautics, EE. UU., vol. 44, n.° AIAA 2008-4534, 1 de enero de 2008, de I. Vasiljevich y col.,, se propone agrupar tres propulsores de FEEP y ajustar individualmente el empuje de cada propulsor mediante su fuente de alimentación. Como se describe en este documento, una configuración de este tipo es propensa a errores ya que requiere un funcionamiento completo de cada propulsor; de lo contrario, la vectorización de empuje se ve significativamente afectada o incluso resulta completamente inviable. Además, se triplica el espacio requerido.

Se introdujo un tipo alternativo de vectorización de empuje para los propulsores de plasma. Los propulsores de plasma tienen unos canales de plasma anulares, y en cada uno de los mismos se inyecta a través de boquillas un gas ionizable que se ioniza mediante campos eléctricos y magnéticos mutuamente cruzados; los iones se ven acelerados por el campo eléctrico mientras que los electrones se ven retenidos por el campo magnético, debido a su menor masa. En el documento US 6279314 se sugiere montar en una plataforma dos o más canales de plasma anulares, mutuamente inclinados, y controlar el vector de empuje regulando individualmente el caudal de gas ionizable a través de las boquillas en cada uno de los canales de plasma.

Se propuso una solución similar para los propulsores de efecto de tipo Hall y Kaufman en el documento US 9494 142, donde el propio canal de ionización anular está inclinado hacia fuera de modo que el canal emite los iones en la dirección de una envoltura de un cono. Además, el canal de ionización está dividido en varias cámaras separadas por paredes radiales; por lo tanto, cada cámara emite los iones en una sección diferente del cono. Al estrangular individualmente el caudal de propelente hacia el interior de cada una de las cámaras, puede lograrse la vectorización del par.

Sin embargo, estos tipos de vectorización de empuje adolecen del hecho de que la estrangulación del flujo de entrada de propelente hacia el interior de las cámaras resulta ineficaz y, en caso de excederse, conduce a un colapso repentino de la ionización en el respectivo canal o cámara y, por lo tanto, conduce a una vectorización de empuje incontrolable. Además, las válvulas que se usan para la regulación suponen una fuente adicional de defectos para los propulsores, específicamente cuando se usan válvulas mecánicas. Además, la inclinación de los canales de plasma perjudica permanentemente la eficiencia de masa de ambos sistemas mencionados anteriormente.

Por lo tanto, es un objeto de la presente invención proporcionar un propulsor de iones que facilite una vectorización de empuje eficiente y fiable.

Este objetivo se consigue mediante un propulsor de iones de acuerdo con la reivindicación 1.

De este modo, controlando la tensión de alimentación de cada sector por separado, puede variarse independientemente la intensidad del campo eléctrico entre el emisor y el respectivo sector del extractor. Cuando se generan campos eléctricos de diferentes intensidades, el empuje generado difiere de un sector a otro, lo que da como resultado una vectorización de empuje que puede controlarse con precisión. Sin embargo, el emisor y el extractor forman una cámara de aceleración común con todas las salidas de emisor en su interior; no es necesaria una estrangulación ineficaz del flujo de propelente a la cámara y, por lo tanto, no hay riesgo de colapso repentino de la ionización. Además, la eficiencia de masa del propulsor de iones no se ve afectada ya que no es necesaria la desviación permanente de los iones o la inclinación de los diferentes canales del propulsor de iones, sino que los iones se extraen y aceleran en la dirección del vector de empuje respectivamente previsto. Además, al no estar involucrada ninguna parte mecánicamente móvil, se mejora sustancialmente la fiabilidad del propulsor de iones.

Cabe señalar que el documento publicado posteriormente EP 3 662 160 A1 se refiere a electrodos circulares de extractor, cada uno de los cuales rodea una única proyección del emisor, estando así asignados a esta proyección, y el extractor se divide opcionalmente en sectores anulares.

Si bien el número de sectores se puede elegir arbitrariamente, comenzando desde solo dos sectores, que son suficientes para permitir la vectorización de empuje de un solo eje, particularmente resulta preferible dividir el extractor en tres sectores alrededor de dicho eje. De este modo, es posible la vectorización de empuje de dos ejes completa, al tiempo que se minimiza el número de campos eléctricos a controlar por separado.

Preferiblemente, aunque no necesariamente, las dos o más salidas se disponen simétricamente en dicho un lado del emisor. En una realización ventajosa, las dos o más salidas se disponen en simetría circular alrededor de dicho eje y todos los sectores abarcan un ángulo igual alrededor de dicho eje. Por lo tanto, el control del campo eléctrico tiene el mismo efecto sobre la vectorización de empuje para cada sector ya que hay el mismo número de salidas relacionadas con cada sector.

En una variante preferida de la misma, el emisor presenta una multitud de salidas dispuestas en un único círculo en la base alrededor de dicho eje. De este modo, se puede proporcionar una única ventana circular en el extractor para generar los respectivos campos eléctricos para las salidas, es decir, el extractor es un anillo con sectores alrededor de dicho eje en el centro. Esto resulta más fácil de fabricar y de alinear con las salidas que proporcionar una ventana separada en el extractor para cada salida, para la penetración de los iones extraídos desde esta salida.

Mientras que las salidas pueden ser simplemente aberturas de canales en la base del emisor, para los propulsores de iones de FEEP o coloidales las salidas son preferentemente proyecciones en dicho lado de la base del emisor, por ejemplo, prismas triangulares de bordes afilados o pirámides de punta afilada. En una realización ventajosa, las proyecciones tienen forma de aguja, es decir, de cono puntiagudo estrecho. Esta forma logra una punta afilada según sea deseable y la sección transversal circular de las agujas facilita un flujo homogéneo de propelente.

El emisor puede estar fabricado, por ejemplo, con un material impermeable al propelente, que puede humectar las superficies del mismo, de modo que el flujo de propelente se proporcione debido al efecto humectante de las respectivas superficies de la base y las proyecciones. Como alternativa, las proyecciones son de tipo boquilla, es decir, en ellas penetran canales capilares que se usan para el flujo de propelente debido a las fuerzas capilares. Sin embargo, en una realización particularmente preferida el emisor está fabricado con un material poroso que es humectante con respecto al propelente. Los emisores porosos de este tipo, así como sus proyecciones porosas, transportan un gran volumen de propelente tanto por dentro como sobre sus superficies exteriores, y permiten puntas o bordes afilados. Las proyecciones porosas ofrecen un impulso específico elevado, es decir, empuje por masa propelente, así como robustez frente a la contaminación. Además, el empuje puede controlarse con precisión.

Se explicará ahora la invención con más detalle, basándose en realizaciones ilustrativas de la misma y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

Las Figs. 1a y 1b muestran una primera realización del propulsor de iones de acuerdo con la presente invención en una vista superior (Fig. 1a) y en un detalle de una sección longitudinal a lo largo de la línea A-A de la Fig. 1a (Fig. 1b), respectivamente; y

las Figs. 2a a 2c muestran una segunda realización del propulsor de iones de acuerdo con la presente invención en una vista superior (Fig. 2a), en un detalle de una sección longitudinal a lo largo de la línea B-B de la Fig. 2a (Fig. 2b), y en un detalle C de la Fig. 2b (Fig. 2c), respectivamente.

Ambos ejemplos, el de las Figs. 1a y 1b y el de las Figs. 2a a 2c, muestran un propulsor 1 de iones para la propulsión de una nave espacial, particularmente un satélite. El propulsor 1 de iones comprende un depósito 2 para un propelente 3 (Fig. 2c). El propulsor 1 de iones comprende además un emisor 4 para emitir iones 3+ del propelente 3, y un extractor 5 para extraer del emisor 4 los iones 3+ y acelerar los mismos. El extractor 5 es, por lo tanto, permeable al propelente 3, por ejemplo, por medio de unas aberturas P.

El propulsor 1 de iones representado es del tipo de propulsión eléctrica de emisión de campo (FEEP). Los propulsores 1 de iones de este tipo usan un metal líquido como propelente 3, p. ej., cesio, indio, galio o mercurio, que se calienta en el depósito 2 por encima de la temperatura de licuefacción, se alimenta desde el depósito 2 hacia el emisor 4, y se ioniza por emisión de campo como se explicará con mayor detalle a continuación. El extractor 5 extrae y acelera los iones 3+ generados (en este caso: positivos) del propelente 3, generando de este modo un empuje para la propulsión de la nave espacial. Además, el propulsor 1 de iones también comprende opcionalmente una o más (en los ejemplos de las Figs. 1a y 2a: dos y cuatro, respectivamente) fuentes 6 de electrones (también conocidas en la técnica como "neutralizadores") a los lados del emisor 4 para equilibrar una carga del propulsor 1 de iones (y, por lo tanto, de la nave espacial) debido a la emisión de iones 3+ cargados positivamente.

Como alternativa, el propulsor 1 de iones puede ser de tipo coloide y usar como propelente 3 un líquido iónico, p. ej., sales fundidas a temperatura ambiente. En este caso, pueden no ser necesarias las fuentes 6 de electrones, ya que los propulsores coloidales suelen cambiar la polaridad periódicamente de modo que no se produzca una autocarga continua del propulsor 1 de iones y la nave espacial. En una alternativa adicional, el propulsor 1 de iones puede usar como propelente 3 un gas, p. ej., xenón, que se ioniza de nuevo extrayendo electrones de los átomos.

El emisor 4 tiene una base 7 y una o más salidas para el propelente 3 en un ladohde la base 7 del emisor 4, estando dicho un lado 71 enfrentado al extractor 5. En el presente ejemplo, las salidas son proyecciones 8 que se proyectan desde el lado 71. Como alternativa, las salidas podrían ser simplemente canales en la base 7, tales como orificios o canales capilares, que desemboquen en dicho un lado 71. Por lo tanto, todo lo que se afirma a continuación con respecto a las proyecciones se aplica también a las salidas en forma de canales en la base.

Como se explicará en mayor detalle con referencia a la siguiente Fig. 2c, los iones 3+ se emiten desde dichas proyecciones 8 del emisor 4. Con este fin, cada proyección 8 tiene un forma de cono, pirámide, prisma triangular o similar, y tiene una punta afilada 9 o borde, respectivamente, opuesta a la base 7. En los presentes ejemplos, cada proyección 8 tiene forma de aguja, es decir, de cono puntiagudo estrecho.

Además, la base 7 está conectada al depósito 2 para proporcionar un flujo pasivo de propelente 3 desde el depósito 2 hasta las proyecciones 8. Como alternativa, el flujo podría ser un flujo activo si se presuriza el propelente 3 en el depósito 2.

En los presentes ejemplos, la base 7 está fabricada con un material poroso que se ve humectado por el propelente, proporcionando de este modo un flujo pasivo del propelente 3 por medio de fuerzas capilares, es decir, mediante una combinación de tensión superficial, geometría (de los poros) y humectabilidad de la respectiva superficie, a través de la base 7 hasta las proyecciones 8. Por lo tanto, la base 7 tiene otro lado 72 que es, por ejemplo, opuesto a dicho un lado 71 y está conectado al depósito 2 (Fig. 2b). En una realización alternativa, la base 7 puede ser impermeable al propelente 3 excepto por los canales (no mostrados) que proporcionan el flujo del propelente 3 desde dicho otro lado 72 hasta las proyecciones 8. En otra realización más, el flujo de propelente 3 puede proporcionarse sobre una superficie de la base 7 que se vea humectada por el propelente 3; en este caso, la base 7 puede conectarse al depósito 2, por ejemplo, en una cara lateral.

Para proporcionar un flujo del propelente 3 desde la base 7 de este modo porosa, canalizada y/o humectable hasta la punta 9 de la proyección 8, cada proyección 8 está fabricada con un material poroso o tiene un canal central que utiliza dichas fuerzas capilares, o la proyección 8 tiene una superficie humectable por el propelente 3 para proporcionar el flujo del propelente 3 sobre la superficie. En una realización opcional, el emisor 4, es decir, tanto la base 7 como las proyecciones 8, está fabricado con un material poroso que es humectable por el propelente 3.

Entre la proyección 8 del emisor 4 y el extractor 5 se aplica un fuerte campo eléctrico, en el intervalo de varios cientos a varios miles de voltios, por medio de electrodos unos E+, E-, de los cuales uno se conecta con el emisor 4 y el otro con el extractor 5. Al aplicar el campo eléctrico, el propelente 3 forma en la punta 9 de la proyección 8 (Fig. 2c) lo que se denomina cono de Taylor 10. En el fuerte campo eléctrico en la parte superior del cono de Taylor 10, uno o más electrones forman un túnel de regreso a la superficie de la proyección 8 debido a la emisión de campo en los propulsores 1 de iones de tipo FEEP, cambiando el átomo anteriormente neutro a un ion 3+ cargado positivamente. En el caso de propulsores 1 de iones coloidales con propelente 3 iónico, esta ionización no es necesaria.

Como se muestra en la Fig. 2c, una consecuencia adicional del fuerte campo eléctrico es que se forma un chorro 11 en el vértice del cono de Taylor 10, del cual se extraen los iones 3+ del propelente 3 para su posterior aceleración por parte del extractor 5, generando empuje. Debido a las fuerzas pasivas o activas anteriormente mencionadas, se repone nuevo propelente 3 desde un punto aguas abajo. Debido a la precisión con la que puede controlarse la tensión entre la aguja 3 y el electrodo de extracción E-, puede controlarse con alta precisión la fuerza del empuje generado.

En general, el empuje proporcionado por el propulsor 1 de iones, simbolizado por un vector V de empuje, es paralelo a un eje T que discurre ortogonalmente a través de dicho un lado 71 de la base 7 donde las proyecciones 8 están enfrentadas al extractor 5, cuando la disposición es perfectamente simétrica alrededor de ese eje T. Estrictamente hablando, aunque cada haz de iones individual que sale desde una proyección 8 del emisor 4 está ligeramente curvado hacia fuera, hacia el extractor 5, el vector V de empuje sumado de todos los haces de iones es paralelo al eje T en una disposición perfecta. Sin embargo, debido a las irregularidades en la naturaleza y la composición de los propulsores 1 de iones, el vector V de empuje sumado de los iones 3+ extraído del emisor 4 puede variar temporalmente y/o desviarse permanentemente con respecto a la dirección prevista. Para compensar tales irregularidades no intencionadas y/o para desviar intencionalmente el vector V de empuje de dicho eje T, es decir, para la "vectorización de empuje", se divide el extractor 5 en unos sectores 51, 52,..., generalmente 5i, alrededor del eje T. Dichos sectores 5i están aislados eléctricamente entre sí, por ejemplo, por un material aislante o simplemente por unos huecos 12 entre sectores 5i colindantes. De este modo, puede suministrarse voltaje a cada sector 5i por separado y pueden aplicarse campos eléctricos de intensidades individuales.

Cada sector 5i se asigna a (en este caso: ubicándose cerca de) al menos una proyección 8, como se muestra. En consecuencia, aquellos sectores 5i del extractor 5 donde se aplica un campo eléctrico más fuerte extraerán y acelerarán más iones 3+ de las proyecciones 8 asignadas a los mismos que otros; por lo tanto, el vector V' de empuje resultante se desvía, por ejemplo, en un ángulo 8, hacia o desde dicho eje T, por ejemplo, hacia o desde el vector V de empuje original.

El emisor 4 mostrado en el ejemplo de las Figs. 1a y 1b presenta multitud de proyecciones 8 en forma de aguja que están dispuestas simétricamente alrededor del eje T en un solo círculo (Fig. 1a) en dicho un lado 71 de la base 7. También, la base 7 tiene forma de anillo de modo que se forme un emisor 4 en forma de corona. Además, el extractor 5 tiene una única abertura P para la emisión de los iones 3+ del propelente 3 desde todas las proyecciones 8 del emisor 4 en forma de corona. De este modo,entre el emisor 4 y el extractor 5 se forma una cámara 13 de aceleración común para los iones 3+.

El extractor 5 de este ejemplo se divide en tres sectores 5i (en este caso: anulares) alrededor del eje T. Cada sector 5i se asigna a las proyecciones 8 respectivamente más cercanas. Los sectores 5i pueden ser simétricos, es decir, abarcando cada sector 5i el mismo ángulo a alrededor del eje T (como en el ejemplo de la Fig. 1a) o difiriendo entre sí cada uno de ellos, es decir, abarcando un ángulo a diferente cada uno o algunos de los sectores 5i.

Como se muestra en los ejemplos de las Figs. 1a y 1b, dicho otro lado 72 de la base 7 que está conectado al depósito 2 puede ser, opcionalmente, una cara lateral de la base 7 del emisor 4 (en este caso: en forma de corona).

En el ejemplo de las Figs. 2a y 2b, las formas del emisor 4 y del extractor 5, así como la disposición de las proyecciones 8, son diferentes: Las proyecciones 8 están dispuestas sobre la base 7 en filas y columnas rectas. Por lo tanto, las proyecciones 8 en este ejemplo son simétricas alrededor del eje T. Específicamente, las proyecciones 8 podrían disponerse en una simetría circular alrededor del eje T (no se muestra). Sin embargo, no es necesario que haya simetría. Todos los sectores 5i del extractor 5 abarcan opcionalmente el mismo ángulo a alrededor del eje T, como se ha explicado anteriormente con respecto al ejemplo de la Fig. 1a.

Además, en el ejemplo de las Figs. 2a y 2b el extractor 5 tiene una abertura P separada para cada proyección 8, en cuya abertura P penetran los iones 3+ extraídos y acelerados desde esta proyección 8. Sin embargo, el emisor 4 y el extractor 5 forman una cámara 13 de aceleración común para los iones 3+ sin paredes intermedias o segmentación. En este ejemplo el extractor 5 se divide ortogonalmente en cuatro sectores 5i iguales, cada uno de los cuales se asigna al mismo número de (en este caso: nueve) proyecciones 8.

Sin embargo, se entiende que los extractores 5 de los ejemplos de las Figs. 1a y 2a (y de cualquier otra realización) pueden dividirse alternativamente en dos o más de tres o cuatro sectores 5i, respectivamente, y/o que los sectores 5i de los extractores 5 podrían asignarse opcionalmente a diferentes números de proyecciones 8, por ejemplo, abarcando diferentes ángulos a.

La invención no se limita a estas realizaciones específicas que se han descrito en detalle en el presente documento, sino que abarca todas las variantes, combinaciones y modificaciones de las mismas que están dentro del marco de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Un propulsor de iones para la propulsión vectorial de empuje de una nave espacial, que comprende:

un depósito (2) para un propelente (3),

un emisor (4) que tiene una base (7) y, en un lado (71) de la base (7), dos o más salidas (8) para emitir iones (3+) del propulsor (3), en donde la base (7) está conectada al depósito (2) para proporcionar un flujo de propelente (3) desde el depósito (2) hasta dichas salidas (8), y

un extractor (5) orientado hacia dicho un lado (7i) del emisor (4) para extraer y acelerar los iones (3+) desde el emisor (4), en donde el emisor (4) y el extractor (5) forman una cámara (13) de aceleración común con todas las salidas (8) en la misma,

caracterizado por que

el extractor (5) se divide en sectores (5i) alrededor de un eje (T) que discurre ortogonalmente a través de dicho un lado (7i) del emisor (4), en donde dichos sectores (5i) están aislados eléctricamente entre sí, y en donde el extractor (5) tiene una única abertura (P) para la emisión de iones (3+) desde todas las salidas (8), o bien el extractor (5) tiene una abertura (P) separada para cada salida (8) y cada sector (5i) se asigna a un número de salidas (8) cuyo número es superior a uno.

2. El propulsor de iones de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el extractor (5) está dividido en tres sectores (5 )

3. El propulsor de iones de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde las dos o más salidas (8) están dispuestas en una simetría circular alrededor de dicho eje (T) y todos los sectores (5i) abarcan un ángulo (a) igual alrededor de dicho eje (T).

4. El propulsor de iones de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el emisor (4) tiene una multitud de salidas (8) dispuestas en un único círculo sobre la base (7) alrededor de dicho eje (7).

5. El propulsor de iones de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde cada una de dichas salidas (8) es una proyección en dicho un lado (71) de la base (7).

6. El propulsor de iones de acuerdo con la reivindicación 5, en donde las proyecciones (8) tienen forma de aguja.

7. El propulsor de iones de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el emisor (4) está fabricado con un material poroso que es humectante con respecto al propelente (3).