KR101524641B1

KR101524641B1 - 우주선의 구동 장치

Info

Publication number: KR101524641B1
Application number: KR1020107008165A
Authority: KR
Inventors: 한스-페터 하만; 노베르트 코흐; 귄터 코른펠트
Original assignee: 탈레스 일렉트로닉 시스템즈 게엠베하
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2015-06-01
Also published as: US9769915B2; WO2009037196A1; CN101855138A; US20110073713A1; JP5391490B2; EP2188180B1; DE102007044071A1; KR20100102582A; CN101855138B; RU2010114725A; JP2010539374A; EP2188180A1

Abstract

본 발명은 다수의 구동 장치((TW1, TW2, TW3)을 포함하는 우주선의 구동 장치 배열에 관한 것으로,이 구동 장치 배열은 각각의 구동 유닛의 플라즈마 발생이 개별적으로 제어됨으로써 개별적으로 제어가능한 다수의 구동 유닛에 공동의 일정한 고압 전위(HV)가 지속적으로 제공되고 각각의 구동 유닛에서 축방향 추력의 제어가 가능하다. 특히, 플라스마 발생의 시간 변수 제어는 이온화 챔버(IK)로 유입되는 중성 작업 가스(AG)의 유량의 시간 변수 제어에 의하여 실해된다.

Description

우주선의 구동 장치{DRIVE ARRANGEMENT IN A SPACECRAFT}

본 발명은 우주선의 구동 장치 배열에 관한 것이다.

특히 위성 또는 탐사용 로켓과 같은 우주선의 구동 장치 배열로는 화학적 구동 장치와 함께 또한 전기적 구동 장치가 공지되어 있다. 전기적 구동 장치는 특히 이온화 챔버에서 이온화된 작업 가스의 양이온을 가속하고 이를 플라스마 빔으로서 이온화 챔버의 개구를 통해 분사하기 위해 고압을 사용한다. 이에 의해, 우주선은 반동 원리에 따라 반대 방향으로 가속된다. 바람직하게는, 특히 제논과 같은 비활성 희가스가 작업 가스로 이용된다.

우주선을 상이한 비행위치로 이동시키고 상이한 방향으로 가속력을 제공하기 위해, 특히 상이한 방향 및/또는 조절 가능한 방향을 가지는 다수의 구동 유닛이 제공된다. 우주선에서 고장난 구동 유닛은 일반적으로 수리되거나 교체될 수 없기 때문에 보통 추가 구동 유닛이 우주선에 배열되어 있다.

상기 전기적 구동 장치의 구동력 발생은 중성 작업 가스를 이온화 챔버로 공급하여, 작업 가스를 이온화하고 및 가스 양이온을 정전기 가속하여 가속된 플라스마 빔으로서 빔 배출구에서 분사함으로써 이루어진다. 구동력의 변화는 고압의 변화, 가장 단순하게는 고압의 개폐(on/off)를 통해 이루어진다. 각각의 구동 유닛을 서로 독립적으로 제어하기 위해 구동 유닛에 배열된 고압 공급 장치의 고압 전위가 제어 장치에 의해 제어되어야 한다. 이를 위하여, 상기 고압 공급 장치는 일반적으로 다수의 고압 발전기를 구비한다. 그러나, 고압 발전기는 고가이고 우주선의 무게를 증가시키기 때문에 가능하면 고압 발전기의 수량을 줄일 필요가 있지만, 또한 고압 발전기 고장에 대한 예비 조치가 있어야 하기 때문에 우주선에는 하나 또는 일반적으로 다수의 예비 고압 발전기가 구비된다.

EP 0 550 250 B1에 우주선용 구동 장치 시스템이 공지되어 있다. 이 구동 장치 시스템의 경우 다수의 정전기 격자-엔진이 공동의 에너지 공급원으로부터 에너지가 공급된다. 여기서, 각 엔진에는 서로 다른 필요한 고압을 위한 별도의 고압 발전기가 배열된다. 고압 발전기에 에너지가 동시에 공급되고 고압은 모든 엔진에 동시에 적용된다. 배열된 가스 밸브를 개방함으로써 각각의 엔진에 작업 가스가 공급되고 이러한 방식으로 선택적으로 작동될 수 있다. 1차 전자 발생원의 음극 히터는 스위치를 통해 선택적으로 온/오프(on/off)될 수 있다. 유사한 시스템이 EP 0 890 739 B1에 공지되어 있다.

특히 많은 수의 구동 유닛이 서로 독립적으로 제어되는 경우, 각각의 구동 장치를 위해 개별 고압 발전기 및 대체 발전기를 제공하지 않기 위해, 고압 발전기의 첫 번째 특정 수의 발전기 및 두 번째 특정 수의 구동 유닛은 전기 스위치를 구비한 스위칭 매트릭스(switch matrix)를 통해 연결될 수 있다. 우주선 조작을 위해 필요한 구동 유닛은 스위칭 매트릭스를 통해 다른 구동 유닛을 위해 지금은 필요하지 않은 고압 발전기와 연결된다. 그러나, 매트릭스 연결의 스위칭은 전자 매트릭스-스위칭 요소의 부하 때문에 전압이 차단된 경우에만 허용된다. 상기 매트릭스-스위칭 요소는 자주 고장이 발생하며, 이는 우주선의 제어에 있어 기능 제한을 야기한다. 또한, 불필요하게 제공 및 배열된 스위칭 요소로 인해 배열이 더 복잡하게 된다.

본 발명은 우주선에서 더 단순하고 고장을 방지할 수 있는 구동 장치 배열을 제공하는 것을 목적으로 한다.

구동 유닛의 가변 제어를 위하여 고압을 조절하는 것으로부터 플라스마 발생을 조절하는 것으로의 이동 및 고압 공급 장치의 공동 고압 전위로부터 다수의 구동 장치의 동시적 공급은, 가변적 제어 및 전체 배열의 구성에 있어 상당히 유리하다. 특히, 많은 적용예에서, 고압 공급 장치의 고압 발전기의 수가 현격히 감소하며 이로 인해 비용이 절감되고 무게가 경감될 수 있다. 특히 구동 장치 배열의 모든 또는 하나 이상의 모든 작동하는 구동 유닛은 공동 고압 전위로 공급될 수 있다. EP 0 550 250 B1의 선행기술과는 반대로 다수의 구동 유닛을 위해 하나의 고압 발전기만 필요하고, 하나의 고압 발전기의 출력은 공동 고압 전위를 형성하고, 다수의 구동 유닛의 고압 전극으로 분기된다. 고압 발전기는 다수의 발전기 스테이지를 병렬로 구비할 수 있으나, 상기 발전기 스테이지는 공동 고압 발전기의 출력부에서 모든 구동 유닛을 위한 공동의 고압 전위를 발생시킨다.

플라스마 발생의 조절에 의한 가변 조절은 특히 플라스마가 새롭게 발생되는 비율을 포함한다. 이를 위해, 구동 유닛으로서 고주파 엔진의 경우 이온화율은 이온화가 실행되는 이온화 챔버의 고주파 장을 스위칭 또는 변화시킴으로써 이온화 비 율 변화가능하게 조절될 수 있다. 특히 바람직한 실시 형태에서, 구동 유닛의 구동력 가변 조절은 구동 유닛의 이온화 챔버로의 가스 유량을 가변 조절함으로써 실행되며, 여기서 가스 유량은 시간 단위당 이온화 챔버로 유입되는 가스의 양을 의미한다. 더 큰 가스 유량은 더 높은 비율로 이온 및 플라스마를 발생시킨다. 이때, 바람직하게는 고압 값은 일정할 수 있다.

바람직하게는 가스 유량의 가변 조절은 각각의 구동 유닛에 개별적으로 연결된 제어가능한 가스 밸브를 통해 이루어진다. 가스 기류는 연속적으로 또는 밸브의 폐쇄 조건과 최대 개방 조건 사이의 중간 단계들을 통해 조절될 수 있는 것이 바람직하다. 첫 번째 바람직한 실시 형태에서,가스 밸브는 미터링 밸브(metering valve)이며, 제어 장치에 의하여 적어도 하나의 가스 유동 영역에서 가스 유량을 지속적으로 변화시킬 수 있다. 다른 바람직한 실시 형태에서 가스 밸브는 스위칭 밸브이며, 이는 단순하고 고장이 적은 구조 때문에 특히 바람직하며, 개폐 상태 사이에서 스위칭 될 수 있다. 이러한 스위칭은 이온화 챔버에 작업 가스가 없는 아이들 상태(idle state)와 균일한 최대 구동력을 가진 구동 상태 사이에서 구동 유닛의 상태를 작동시킨다. 이는 특히 구동 유닛이 특정 작동 지점을 가지는 경우 유리한데, 이 작동 지점은 예를 들어 구동 추력과 가스 유량의 관계와 관련하여 특히 바람직하다.

아이들 상태와 최대 구동력 사이의 평균 구동력은 주기적 작동에 의해 조절될 수 있다. 이때, 가스 유동의 순환 중 일정한 고압이 적용되는 것이 고압의 스위칭이 방지되기 때문에 특히 바람직하다.

바람직한 실시 형태에서, 최대 가스 유량과 가스 공급 폐쇄 사이의 가스 유량을 조절하기 위해, 제어 장치는 가스 유동-스위칭 밸브의 주기적 작동이 설정되고 유동 가스 저항체가 가스 밸브와 이온화 챔버 사이의 가스 공급 라인에 배열될 수 있으며, 상기 저항체는 이온화 챔버 전방에서 밸브의 주기적 작동에 따라 서지(surge)가 발생하는 가스 유동을 잔잔하게 하고, 요동하는 스위칭 상태들 사이에서 낮은 변화 스트로크를 가지는 가스 기류로 전환한다. 상기 유동 저항체(flow resistor)는 예를 들어 노즐 또는 우회 라인일 수 있다. 바람직한 실시 형태에서 유동 저항체는 가스가 통하는 다공성 바디, 특히 세라믹 재료로 구성된 바디로 형성된다. 아이들 상태와 최대 가스 유동 사이의 중간값은 구동 유닛에 연결되는 가스 공급 라인의 두 개 또는 그 이상의 스위칭 밸브를 사용하여 설정될 수 있으며, 상기 스위칭 밸브들은 가스 기류에 평행하게 배열되고 개별적으로 스위칭될 수 있으며, 상기 밸브에 의해 발생되는 부분적 가스 유량에서, 예컨대 2진 방식으로, 서로 다르게 단계가 형성될 수 있다. 상기 가스 밸브는 바람직하게는 구동 장치 바로 곁에 배열된다. 바람직하게는 각각의 구동 유닛은 가스 공급이 없는 아이들 상태에서 음극 사이에서 이온화 챔버를 통해 양극으로 고압 회로에서 높은 옴(Ohm) 상태에 있으며, 특히 저항이 100 kOhm 이상이다.

바람직하게는, 작동에 불필요한 구동 유닛은 작동 구동 유닛과 동일한 고압이 적용되고, 구동력을 형성하기 위한 구동 유닛의 작동은, 전기 시스템의 변경 없이, 이온화 챔버에 작업 가스의 공급만으로 실행될 수 있고, 필요하다면 중화장치(neutralizer)가 작동된다. 또한 아이들에서 고압이 적용된 전극 배열의 정전기장이 통과하는 이온화 챔버에서의 이온화 및 플라스마 발생은, 이온화 챔버에 작업 가스가 유입됨으로써 시작된다. 구동 유닛의 차단은 고압 차단 없이 단순히 가스 공급 스트림을 차단함으로써 실행될 수 있다. 고압은 차단된 구동 유닛에 계속해서 제공되며, 따라서 고압 전기 회로의 차단 또는 재스위칭이 필요하지 않고, 고압 전기 회로는 스위칭 요소 없이, 특히 각각의 구동 유닛에 배열된 스위칭 요소 없이 구성될 수 있다. 동일한 고압 전위가 제공되는 모든 구동 장치가 긴 시간 동안 정지되는 동안에는 고압 발전기 또한 차단될 수 있다.

WO 03/000550 A1에 개시되어 있는 이온 가속기의 구성에서는, 자석 배열이 이온화 챔버에 종방향으로 이격된 적어도 두 개의 첨단 구조(cusp structures)를 갖는 자기장을 생성한다. 자석 배열은 종방향으로 서로 이어서 교대로 배치되고 극이 반대되게 배치된 다수의 자석 링을 포함한다. 음극은 이온화 챔버의 빔 배출구 영역에, 바람직하게는 빔 배출구에 대해 측면으로 떨어져 챔버 외부에 배열되고, 양극은 이온화 챔버의 종방향으로 빔 배출구 맞은편에 배열된다. 음극에 의해 발생되고 음극과 양극 사이의 정전기장에 의해 음극 방향으로 가속된 전극은 오랜 시간 동안 첨단 구조에 머물러 있으며, 따라서 아이들 구동에서 음극과 양극 사이에 흐르는 전류 및 이와 함께 구동 유닛의 아이들-소비 전력이 낮고, 특히 홀-이온 엔진의 경우보다 상당히 낮다.

또한, 이러한 구성을 가지는 이온 가속기는, EP 0 550 250 B1 및 EP 0 890 739 B1에 공지된 격자-엔진과 비교하고, 인접한 격자 간에 플레임 아웃(flame-out)으로 알려진 종종 발생하는 전압 플새시오버가 발생하지 않는 장점이 있으며, 따라서 하나 또는 다수의 구동 유닛의 작동에 의해 발생하는 고압 전위의 변화가 적다. 또한, 격자-엔진은 전형적으로 가스 유량과 고압 간의 조절이 필요한 반면, 상기한 구성의 이온 가속기는 음극과 양극 사이에 단지 하나의 고압만 필요하고, 작업 가스의 상이한 유량에 대해 이러한 고압이 동일하게 유지될 수 있다는 장점이 있다.

또한, 다수의 구동 유닛, 특히 고압 공급 장치로부터 공동 고압 전위가 동시에 공급되는 다수의 구동 유닛은 바람직하게는 우주선에서 상이한 방향으로 배치된다. 바람직하게는, 다수의 구동 유닛이, 예컨대 전술된 방식에 따라, 상이한 추력 벡터 및 개별적으로 제어가능한 구동력으로 동시에 구동력을 발생할 수 있기 때문에, 제어 장치는 각각의 구동 유닛의 구동력을 가변 조절하여 최종 추력 벡터를 각각의 구동 유닛들의 방향 사이의 중간 방향으로 필요한 방식으로 광범위하게 설정할 수 있다. 이때, 비교적 낮은 전압 및 전류가 적용되는 가스 밸브만 조절될 필요가 있으며, 구동 유닛들에는 고압이 일정하고 지속적으로 연결된다.

고압 발전기 및 다수의 구동 유닛으로 구성된 구동 시스템의 고장시에도 우주선을 조작가능하게 하기 위하여, 여분의 구성 요소들이 제공될 수 있다. 첫 번째 실시 형태에서 고압 발전기는 전기적으로 평행하게 놓이는 적어도 두 개의 발전기 스테이지를 포함할 수 있고, 이 발전기들은 고압 발전기의 공동 고압 출력으로 스위칭 되는데, 이러한 공동 고압 출력으로의 스위칭은 바람직하게는 스위치 없이, 환류 차단 장치, 특히 다이오드를 통해 실행된다. 평행한 발전기 스테이지는 바람직하게는 부하에 따라 개별적으로 또는 두 개가 동시에 작동할 수 있다. 바람직한 또 다른 실시 형태에서는, 추가 고압 발전기가 제공될 수 있으며, 이 발전기는 첫 번째 고압 발전기 고장시, 바람직하게는 서로 영구적으로 전기 연결된 분배 라인의 네트 워크에 앞서 스위칭되는 중앙 스위칭 수단에 의해, 첫 번째 고압 발전기 대신에 고압 공급 라인의 네트워크에 연결된다. 이러한 일회적 재스위칭은 바람직하게는 고압 발전기가 꺼질때 실행된다. 또 다른 바람직한 실시 형태에서는, 고장에 대비한 여분으로, 또는 첫 번째 고압 발전기 및 다수 구동 유닛을 구비한 구동 시스템을 서포트하기 위하여, 두 번째 고압 발전기 및 이 발전기에서만 고압이 제공되는 다수의 구동 유닛을 구비한 두 번째 구동 시스템이 제공된다. 이러한 방식으로, 고압 전기 회로에서 고장 나기 쉬운 스위칭 요소는 바람직하게도 완전히 제거될 수 있다.

이온화, 특히 이온 빔의 중화를 위한 전자 소스로 이용되는 중화 장치의 작동을 위해, 상이한 스위칭 시스템 및 배열이 전술한 선행 기술에 공지되어 있으며, 이들은 고압 부품에 대하여 필요한 방식으로 광범위하게 본 발명에 결합될 수 있다.

본 발명의 이하 첨부된 도면을 참조한 바람직한 실시예를 통하여 더 상세히 설명될 것이다.

도 1은 우주선의 다수의 구동 유닛의 개략적 배열을 도시한 것이고,
도 2는 구동 유닛의 바람직한 구성을 도시한 것이고,
도 3은 스위칭 밸브를 구비한 구동 유닛을 도시한 것이고,
도 4는 병렬의 발전기 스테이지들을 구비한 고압 발전기를 도시한 것이다.

도 1은 본 발명의 설명 및 그 전개에 있어 중요한 우주선(RF)의 구성 요소들의 조합을 개략적으로 도시한 것이다. 우주선에는 다수의 구동 유닛들(TW1, TW2, TW3)이 배열되어 있으며, 상기 구동 유닛은 이온 가속기 배열로 구성되고 각각 구동 추력을 발생시키기 위해 플라스마 빔(PB)을 분사할 수 있다. 각각의 구동 유닛(TW1, TW2, TW3)은 빔 방향(SR1, SR2 및 SR3)으로 서로 다른 방향으로 설치되어 있다. 각 구동 유닛의 빔 방향은 구동 유닛의 피봇 마운팅을 통해 변경될 수 있다. 각각의 구동 장치는 이온화 챔버(IK)를 구비하며, 공급된 작업 가스가 상기 챔버에서 이온화되고 정전기적으로 가속화되며 빔 배출구를 통해 플라스마 빔(PB)으로 분사된다. 각각의 이온화 챔버에는 각 빔 방향으로 빔 배출구의 맞은편에 양극 배열(AN)이 배치된다.

고압 공급 장치는 우주선의 접지 전위(M)에 대한 고압(HV)의 발생시키도록 형성된 제1 고압 발전기(HG0) 및 예비 고압 발전기(HGR)를 구비한다. 스위칭 장치를 통해 두 개의 고압 발전기 사이에서 스위칭 될 수 있다. 도면에서는, 고압 발전기(HG0)는 고압(HV)을 공급하는 액티브(active) 발전기로서 고압 공급 라인(VL)의 시스템에 연결되어 있으며, 상기 공급 라인을 통해 개별 이온 가속기 배열의 양극 배열(AN)이 지속적으로 고압 발전기와 연결되고 접지 전위에 대해 고압에 놓인다.

도시되지 않은 다른 바람직한 실시예에서는, 스위칭 요소 없이, 고압 발전기(HG0)가 고압 라인(VL)을 통해 영구적으로 구동 장치(TW1, TW2, TW3)와 연결되고, 다른 고압 발전기를 구비하고 자체 연결 라인을 통해 영구적으로 상기 발전기와 연결된 두 번째 구동 시스템이 제공될 수 있다. 두 구동 시스템의 고압 전기 회로는 공동 접지 전위에서도 서로 독립적이다. 두 구동 시스템의 가스 공급은 공동의 가스 공급 탱크로부터 이루어질 수 있다. 두 구동 시스템은 택일적으로 또한 공동으로 작동될 수 있다. 특히, 두 구동 시스템은 개별 구동 유닛의 고장시 서로 보완할 수 있다는 장점을 갖는다.

가스 공급 탱크(GQ)로부터 나온 가스 공급 라인(GL)은 각각 개별 이온 가속기 배열(TW1, TW2, TW3)에 할당된 가스 밸브(GV)로 이어진다. 각각의 가스 밸브(GV)는 제어 라인(SL)을 통해 제어 장치(SE)에 의해 개별적으로 제어될 수 있다.

편의상, 상기한 개별 구성 요소들은 하나의 이온 가속기 배열(TW1)에 관해서만 상세히 기술한다. 지시부호들은 유사한 방식으로 다른 이온 가속기 배열(TW2, TW3)에 배열된 구성 요소에 참조될 수 있다.

모든 양극 배열(AN)에 동시에 적용되는 고압을 통해서, 그리고 각각의 가스 밸브(GV)를 통한 각각의 이온 가속기 배열의 이온화 챔버로 유동 가스의 개별적인 조절가능성에 의해, 상기 이온 가속기 배열은 개별적으로 또는 다수가 동시에 이온 가속기 배열의 각 빔 방향과 반대로 구동 추력을 제공할 수 있다. 도시된 실시예어서 구동 유닛의 수 및 그 방향은 다수의 구동 유닛이 상이한 방향으로 제공될 수 있다는 것을 보여주기 위한 예시로 이해되어야 할 것이다. 실제로는 우주선이 3차원으로 측면 조절될 수 있고, 나아가 회전 운동을 통해 방향이 변경될 수 있는 것이다. 구동 유닛의 빔 반대 방향으로 추력을 발생시키기 위해, 이 구동 유닛에서 추력을 생성하는 것으로 충분하다. 구동 유닛의 빔 방향에 정확히 반대 방향이 아닌 힘 방향의 구동 추력을 위해서는, 다수의 구동 유닛이 동시에, 또는 예컨대 반복적인 경우, 거의 동시에 구동 추력을 공급하면서 구동 유닛들의 구동 추력이 다를 수 있으며, 따라서 최종 추력 벡터는 거의 원하는 방향으로 설정될 수 있다. 최종 구동 추력의 방향 및 강도는 각각 필요한 구동 추력에 적합한 가스 밸브의 작동 신호에 의해 제어 장치에 의해 실행되며, 필요에 따라 반복될 수 있다.

가스 밸브는 바람직하게는 구동 유닛 바로 곁에 배치된다. 구동 유닛의 가스 밸브와 이온화 챔버 사이에 가스 유동 저항 장치(FW)가 삽입될 수 있으며, 이 장치는 가스 밸브의 반복적 작동시 이에 의해 발생되는 가스 유동의 변화를 감소시키고 가스 유동을 균일하게 한다. 상기 저항 장치(FW)의 유체 저항은 바람직하게는 가스 밸브의 입구로부터 이온화 챔버에 이르는 가스 기류의 다른 모듈의 누적된 유체 저항보다 크며, 특히 두 배이다.

도 2는 이온 가속기 배열로서 구동 유닛의 바람직한 구조를 도시한 것으로, 그 기본적인 작동 방법은 WO 03/000550 A1에도 기술되어 있다. 도 2는 이온화 챔버(IK)의 중앙 종축(LA)을 통한 단면과 함께 이온 가속기 배열을 통한 단면을 도시하고 있다. 이온 가속기 배열은 회전-대칭으로 추정될 수 있고, 따라서 도 2는 중앙 종축(LA)의 한 편에 놓이는 이온 가속기 배열의 절반만 개략적으로 도시하고 있다.

도시된 이온 가속기 배열은 중앙 종축(LA)의 둘레에서 챔버 벽(KW)에 의해 측면으로 한정되는 이온화 챔버(IK)를 포함한다. 이온화 챔버는 종방향(LR)으로 한쪽이 개방되어 있다. 여기 있는 빔 배출구(AO)를 통해 이온 가속기 배열의 작동 중, 즉 작업 가스가 이온화 챔버로 공급될 때 가속된 플라스마 빔(PB)이 종 방향(LR)으로 분사된다. 이온화 챔버 외부에, 빔 배출구(AO)에 대해 측면으로 떨어져서 음극(KA)이 배치된다. 양극 배열(AN)은 이온화 챔버에서 종 방향(LR)으로 빔 배출구(AO)의 맞은편에 배치된다. 음극(KA)과 양극(AN) 사이에는 고압(HV)이 부가되며, 일반적으로 음극은 우주선의 접지 전위(M)에 놓인다.

방사상 방향(R)으로, 챔버 벽의 이온화 챔버(IK) 반대쪽에, 이온화 챔버를 둘러싸는 자석 배열(MA)이 제공되며, 이는 특히 종 방향(LR)으로 다단계 형태이며, 종 방향으로 서로 이격된 적어도 두 개의 자석 링(MR)을 포함하고, 자석 링의 자극(S, N)은 종 방향으로 서로 반대 방향으로 놓이며, 종방향으로 서로 인접한 자석 링들의 방향이 서로 반대로 놓이므로, 같은 종류의 극, 즉 인접한 자석 링들의 두 남극(S)은 서로 반대로 놓인다. 바람직하게는, 자석 링(MR) 사이 및/또는 상기 자석 링에 측면이 인접하여 종방향으로, 연자석 폴 슈(pole shoe)(PR)가 배치된다. 상기 자석 배열의 구조는 전술된 선행 기술에 공지되어 있다. 상기 자석 배열은 플라스마 챔버에서 자기장(MF)를 생성하고, 상기 자기장은 종방향으로 이격된 적어도 두 개의 첨단 구조를 가진다. 상기 첨단 구조에서 자기장 라인은 종축(LA)으로부터 챔버 벽 방향으로 만곡되어 뻗어 있거나 챔버 벽을 지나 폴 슈(PR) 방향으로 뻗어 있으며, 큰 장 기울기가 발생한다. 상기와 같은 이온 가속기 배열은 이미 여러 번 문헌에서 HEMP 명칭으로 기재되었다. 이온 가속기 배열은, 전압이 적용되나 이온화 챔버로 가스 유입이 없을때, 아이들 상태에서 매우 높은 옴(Ohm) 상태이며, 특히 저항이 1 MOhm 이상이므로, 음극과 양극 사이의 전류는 일반적인 고압 값인 1 kV에서 1 mA 이하를 유지하기 때문에 특히 유리하다.

도 3은 특히 도 2에 상세하게 도시된 유형의 구동 유닛으로서 가스 밸브(GV)를 구비한 구동 유닛을 도시하고 있으며, 상기 밸브는 특히 스위칭 밸브로 형성될 수 있다. 가스 소스(GQ)의 작업 가스(AG)는 가스 공급 라인(GL)을 통해 가스 밸브(GV)에 공급된다. 특히, 제논 같은 중 희가스(heavy noble gas)가 작업 가스로 사용될 수 있다.

가스 밸브는 제어 라인(SL)을 통해 제어 장치(SE)에 의해 제어되고, 제어 라인의 제어 신호에 따라 개폐된다. 상기 제어 신호는 특히 반복 스위칭 신호일 수 있다.

가스 밸브(GV)의 배출구에서는 제어 라인(SL)의 제어 신호에 따라 조절된 가스 기류가 발생한다. 열린 가스 밸브 및 그 밖의 이온화 챔버에 이르는 유동 경로에 비해 보다 큰 유체 저항을 가진 유체 저항 장치(FW)로서 유체 저항체가 조절된 가스 유동의 변화를 매끄럽게 할 수 있다. 유체 저항체(FW)는 예를 들어 다공체, 특히 다공성 세라믹체로 형성될 수 있다.

도시된 배열에서, 유동 방향으로 유체 저항체를 떠난 작업 가스는 양극 배열(AN)의 이온화 챔버(IK) 반대쪽 후면에 있는 조리개를 통해 흐르며, 측면으로 양극 배열을 지나 이온화 챔버로 흐른다.

작업 가스가 이온화 챔버로 유입되면, 이온화 과정 및 플라스마 형성이 진행되며, 구동 유닛(TW)은 플라스마 빔(PB)을 분사함으로써 구동 추력을 생성한다.

도 4는 전기 병렬 접속의 두 개의 발전기 스테이지(GS1, GS2)를 구비한 고압 발전기(HGP)를 개략적으로 도시하고 있다. 두 개의 발전기 스테이지는 공동의 에너지 소스(EQ)(도시되지 않음)로부터 전기 에너지를 공급한다. 두 개의 발전기 스테이지에 의해 발생된 고압은 환류 차단 장치로서 다이오드 배열(D1, D2)를 통해 공동 배출구(GA)로 가이드 되고 상기 배출구에서 다수의 구동 장치를 위한 공동 고압 전위(HV)를 발생시킨다. 두 개의 발전기 스테이지는 스위치 심볼(SG)로 표시된 바와 같이, 예를 들어 가스 밸브를 제어하는 제어 장치(SE)에 의해 발생 되는 제어 신호(SH)를 통해 개별적 또는 공동으로 작동된다. 이러한 방법으로, 바람직하게는 높은 추력에서, 특히 다수의 구동 유닛의 동시적 작동의 경우, 두 개의 발전기 스테이지의 병행 작동이 효과적이고, 낮은 추력에서는 한 개의 발전기 스테이지의 작동이 더 효과적일 수 있다는 것이 고려될 수 있다.

상기된 특징들, 청구항 기재의 특징들 및 도면에서 유추될 수 있는 특징들은 독립적으로 또는 다양하게 조합되어 유리하게 구현될 수 있다. 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진자의 능력 범위 내에서 여러 다른 방식으로 변형될 수 있다.

Claims

제어 장치에 의해 개별적이고 서로 독립적으로 구동력을 가변 제어할 수 있는 다수의 구동 유닛을 포함하고, 상기 구동 유닛은 각각 이온화 챔버, 가스 공급 라인 및 전극 배열을 가지며, 상기 구동 유닛에 각각 고압을 제공하는 고압 공급 장치를 구비하며, 상기 이온화 챔버로 공급되어 이온화되는 작업 가스에 존재하는 플라스마를 위해 각각의 구동 유닛의 상기 고압은 정전기 가속 장(field)을 형성하는 우주선의 구동 장치에 있어서,
상기 전극 배열에는 음극과 양극이 제공되고,
서로 독립적으로 제어될 수 있는 다수의 구동 유닛은 상기 고압 공급 장치의 공동 고압 전위로부터 동시에 공동 고압이 공급되며, 상기 제어 장치는 각각의 구동 유닛의 구동력을 가변적으로 제어하기 위하여 상기 이온화 챔버의 플라스마의 발생을 가변적으로 제어하고,
구동 유닛의 구동력을 가변 제어하기 위한 상기 제어 장치는 상기 구동 유닛의 이온화 챔버로 중성 작업 가스의 유입을 가변적으로 조절하고,
각각의 상기 구동 유닛으로 연결된 가스 라인에 조절 가능한 가스 밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제1항에 있어서,
하나 또는 다수의 구동 유닛의 이온화 챔버로 작업 가스의 유입을 가변 조절하는 것과 무관하게, 고압이 일정하게 다수의 구동 유닛 전체의 전극 배열에 제공되는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제1항에 있어서,
가스 기류가 연속적으로 또는 밸브의 폐쇄 조건과 최대 개방 조건 사이의 중간 단계들을 통해 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
다수의 가스 밸브 중 적어도 일부는 스위칭 밸브로 형성되는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
구동 유닛에 배열된 상기 조절 가능한 가스 밸브는 구동 유닛에 직접적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스 공급 라인에 유체 저항 배열이 제공되는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동 유닛은, 이온화 챔버에 플라스마가 없을 때, 고압 전기 회로에서 높은 옴(Ohm) 상태인 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동 유닛은, 이온화 챔버에 플라스마가 없을 때, 고압 전기 회로에서 적어도 100 kOhm의 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
구동 유닛은 이온화 챔버의 배출구 영역에 배열된 음극 및 이온화 챔버의 배출구 반대쪽에 배열된 양극을 구비하며, 고압은 이온화 챔버를 관통하는 정전기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제9항에 있어서,
상기 이온화 챔버는 측면이 자석 배열로 둘러싸여 있고, 상기 자석 배열은 이온화 챔버에 자기장을 발생시키며, 상기 자기장은 종방향으로 이격된 적어도 두 개의 첨단 구조(cusp structures)를 갖는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
공동 고압 전위가 공급되는 다수의 구동 유닛은 우주선에서 서로 다른 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
서로 다른 구동 유닛은 우주선에서 서로 다른 고정된 방향에서 배열되는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
구동 추력을 발생시키기 위해 구동 장치 방향과 일치하지 않는 추력 방향으로 조절 장치가 동시에 구동 추력을 발생시키기 위해 다수의 구동 장치를 조절하는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
고압 발전기가 전기적으로 평행하게 배열되는 다수의 발전기 스테이지를 포함하고, 상기 발전기 스테이지는 공동 고압 출력으로 가이드 되는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
추가 구동 유닛을 구비한 추가 고압 발전기가 제공되며, 두 개의 고압 발전기는 스위칭 요소가 없는 연결에 의해 각각의 구동 유닛에만 고정적으로 연결되고 다른 고압 발전기의 구동 유닛에는 연결될 수 없는 것을 특징으로 하는 우주선의 구동 장치.
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