TWI813471B - 多磁極推進器陣列系統 - Google Patents

Abstract

一種多磁極推進器陣列系統，應用於至少一外部電子源。該多磁極推進器陣列系統包含有兩兩相鄰連結的複數個多磁極推進器。每一個多磁極推進器包含有一氣體配置腔、一放電腔、一陽極以及複數個磁性元件。該氣體配置腔用來輸送推進劑。該放電腔連結該氣體配置腔以容置該推進劑。該陽極設置在該放電腔內以產生一電場。該複數個磁性元件分別設置在該放電腔之複數個側邊。該複數個側邊的其中一側邊係作為另一個多磁極推進器之一放電腔的其中一側邊。

Description

多磁極推進器陣列系統

本發明係提供一種推進器陣列系統，尤指一種具有高推力、高耐用度與低質量的多磁極推進器陣列系統。

電漿推進器因其高效率與推力小之特性，廣泛應用在衛星的推進系統與姿態控制系統。傳統電漿推進器為了精確控制電漿，所需零件繁多，增加了推進系統的質量與製造成本。電漿推進器需要長時間運作才能控制衛星的軌道，若電漿推進器失效或已達使用壽命，衛星任務即等同失敗或結束。為了提高電漿推進器的使用壽命，傳統改善技術係放大電漿推進器之尺寸，但電漿推進器內的磁場會因尺寸增大而衰減，磁場強度不足難以控制電漿行為而造成效率低落。因此，如何設計一種具有高推力、低質量與高使用年限的推進器系統，即為相關衛星產業的重點發展課題。

本發明係提供一種具有高推力、高耐用度與低質量的多磁極推進器陣列系統，以解決上述之問題。

本發明之申請專利範圍係揭露一種多磁極推進器陣列系統，應用於至少一外部電子源。該多磁極推進器陣列系統包含有兩兩相鄰連結的複數個多 磁極推進器。每一個多磁極推進器包含有一氣體配置腔、一放電腔、一陽極以及複數個磁性元件。該氣體配置腔用來輸送推進劑。該放電腔連結該氣體配置腔以容置該推進劑。該陽極設置在該放電腔內以產生一電場。該複數個磁性元件分別設置在該放電腔之複數個側邊。該複數個側邊的其中一側邊係作為另一個多磁極推進器之一放電腔的其中一側邊。

本發明之申請專利範圍另揭露該多磁極推進器陣列系統進一步包含六個多磁極推進器，該六個多磁極推進器係兩兩相鄰連結，並且圍繞於該至少一外部電子源。該複數個磁性元件之一磁性元件設置在該複數個多磁極推進器之兩相鄰多磁極推進器之間的一共用側邊。該複數個磁性元件之每一磁性元件具有一第一磁極與一第二磁極，該複數個磁性元件之一磁性元件以該第一磁極朝向該放電腔內，且該複數個磁性元件之相鄰於該磁性元件之另一磁性元件則以該第二磁極朝向該放電腔內。

本發明之多磁極推進器陣列系統可應用在衛星的推進系統或姿態控制系統。多磁極推進器陣列系統將多磁極推進器以兩兩相鄰方式連結排列且圍繞於外部電子源，可以視設計需求相應調整陣列規模。多磁極推進器較佳可設計為六磁極推進器，其陣列排列時可提供最大的通道容積；六磁極推進器之相鄰磁性元件的夾角較大，可以提供較佳的磁場迴路。放電腔之形狀則不限於多磁極推進器的側邊數量。再者，每一個多磁極推進器與相鄰的多磁極推進器係可共用部分的磁性元件及其磁場迴路，除了大幅度降低多磁極推進器陣列系統的重量與製造成本，衛星的發射與入軌成本也能隨之降低。相比於先前技術，本發明的多磁極推進器陣列系統在部分推進器或電子源損壞時仍可正常運作，可顯著地延長衛星之使用壽命及降低任務風險。

10:多磁極推進器陣列系統

12:多磁極推進器

14:外部電子源

16:氣體配置腔

18:放電腔

20:推進器陽極

22:磁性元件

24:氣體噴出孔

B:磁性元件產生之磁場迴路

E:推進器陽極產生之電場

e:外部電子源提供的電子

n:中性氣體原子

i:中性氣體原子解離生成之離子

F1,F2:標記框

第1圖與第2圖為本發明實施例之多磁極推進器陣列系統在不同實施態樣之示意圖。

第3圖為本發明實施例之多磁極推進器之外觀示意圖。

第4圖為本發明實施例之多磁極推進器之結構剖視圖。

第5圖為本發明實施例之多磁極推進器之共用磁場迴路的示意圖。

第6圖為本發明實施例之多磁極推進器陣列系統之作動示意圖。

第7圖與第8圖為本發明實施例之多磁極推進器陣列系統在不同使用狀態之示意圖。

請參閱第1圖與第2圖，第1圖與第2圖為本發明實施例之多磁極推進器陣列系統10在不同實施態樣之示意圖。多磁極推進器陣列系統10可包含兩兩相鄰連結的複數個多磁極推進器12。本實施例中，多磁極推進器12可具有六個磁極，意即多磁極推進器陣列系統10的最小規模係包含六個多磁極推進器12，並且搭配應用於至少一個外部電子源14，如第1圖所示；多磁極推進器陣列系統10還可視需求進一步擴展其規模，應用於多個外部電子源14，且每一個外部電子源14的周邊係圍繞六個多磁極推進器12，如第2圖所示。

除此之外，多磁極推進器12也可選擇性包含其他數量的磁極。舉例來說，多磁極推進器12可能具有三個磁極，此時多磁極推進器陣列系統10的最小規模即是三個多磁極推進器12兩兩相鄰連結以圍繞應用於一個外部電子源 14；或者，多磁極推進器12也可能具有四個磁極，此時多磁極推進器陣列系統10的最小規模則是四個多磁極推進器12兩兩相鄰連結以圍繞應用於一個外部電子源14。多磁極推進器12之磁極數量和多磁極推進器陣列系統10之最小規模不限於前揭實施態樣，端視設計需求而定。

請參閱第1圖至第4圖，第3圖為本發明實施例之多磁極推進器12之外觀示意圖，第4圖為本發明實施例之多磁極推進器12之結構剖視圖。多磁極推進器12可包含氣體配置腔16、放電腔18、推進器陽極20以及磁性元件22。氣體配置腔16可連結於放電腔18，用來輸送推進劑，讓推進劑通過氣體噴出孔24而進入放電腔18。放電腔18則可用來容置氣體配置腔16提供的推進劑。推進劑係為中性氣體原子。推進器陽極20可設置在放電腔18內底部，用來產生電場E；電場E之方向係垂直於推進器陽極20(或謂實質平行於陽極20之表面法向量)，並且均勻覆蓋整個放電腔18。第3圖所示之電場E僅為方向標註，非其涵蓋範圍。

磁性元件22之數量可對應於多磁極推進器陣列系統10之最小規模所包含的多磁極推進器12之數量。本實施例中，多磁極推進器12可包含六個磁性元件22，分別設置在放電腔18的六個側邊。如第1圖與第2圖所示，可知兩個相鄰多磁極推進器12的放電腔18會共用同一個側邊，而設置在此共用側邊上的磁性元件22則可提供共用磁場迴路給予兩個相鄰的多磁極推進器12。如此一來，本發明的多磁極推進器陣列系統10就能利用共用磁場之設計大幅減少推進器所需的零件數量，從而有效降低推進系統的質量且維持整體耐用度。

請參閱第5圖，第5圖為本發明實施例之多磁極推進器12之磁極排列所形成之共用磁場迴路的示意圖。設置在共用側邊的磁性元件22，其兩磁極可 分別朝向兩個相鄰的多磁極推進器12，如虛線框F1標記之磁性元件22；設置在非共用側邊的磁性元件22，其兩磁極則可分別指向外部電子源14、以及指向相反於外部電子源14之方向，如虛線框F2標記之磁性元件22。或者，本發明還可選擇性地將第5圖所示磁性元件22旋轉九十度以應用在其它可能的變化態樣中，意即設置在共用側邊的磁性元件22的兩磁極分別指向共用側邊的兩相對端；此變化態樣未揭露於圖示。

磁性元件22的兩磁極可定義為分別屬於N極與S極的第一磁極以及第二磁極。如第5圖所示，六個磁性元件22的其中一個磁性元件22以第一磁極朝向放電腔18內的方式擺放，而相鄰於此磁性元件22的其它兩個磁性元件22則以第二磁極朝向放電腔18內的方式擺放。換句話說，同一個多磁極推進器12內的複數個磁性元件22係以磁極交錯之方式排列，其形成之磁場迴路B可實質垂直於電場E，用來將外部電子源14提供的電子e束縛在放電腔18內。而電場E係可實質平行於外部電子源14之電子噴射方向，用來吸引外部電子源14提供的電子e往放電腔18內移動。

本發明中，磁性元件22可為永磁鐵或電磁鐵。以永磁鐵製作的磁性元件22不須額外的供電模組，具有體積輕巧之優點，可以長期維持預定的磁場迴路B。以電磁鐵製作的磁性元件22則會搭配供電模組來提供能源，並可利用偵測器(未示於附圖)偵測外部電子源14之噴射電子流，再依據偵測結果調整供電模組的電流強度來改變磁性元件22的磁場強度，具有更多的應用可能變化。

請參閱第6圖，第6圖為本發明實施例之多磁極推進器陣列系統10之作動示意圖。首先，開啟推進器陽極20以產生電場E，並且同時間啟動氣體配置 腔16以噴射推進劑進入放電腔18。接著，外部電子源14提供噴射電子流；此時，永磁鐵組成的磁性元件22可提供穩定磁場迴路B，或是電磁鐵組成的磁性元件22會依據噴射電子流之強度提供適配的磁場迴路B。外部電子源14提供的電子e受到電場E之影響往放電腔18內移動，並且被磁場迴路B束縛在放電腔18的前段。高速移動的電子e撞擊中性氣體原子n產生電子e與離子i。磁場迴路B束縛電子e以延長其停留在放電腔18內的時間，從而提高中性氣體原子n被電子e撞擊激發出離子i的機率。推進器陽極20與電子團產生的電場E則可用來加速離子i噴出多磁極推進器12來產生推力，同時外部電子源14也會中和離開多磁極推進器12的離子i以維持系統整體的電中性。

請參閱第7圖與第8圖，第7圖與第8圖為本發明實施例之多磁極推進器陣列系統10在不同使用狀態之示意圖。如第7圖所示，若多磁極推進器陣列系統10有一個或少量的多磁極推進器12失效，意即以虛線繪製的多磁極推進器12，周圍仍有多個正常運作的多磁極推進器12，故不會影響多磁極推進器陣列系統10的整體運作。如第8圖所示，若多磁極推進器陣列系統10有一個或少量的外部電子源14失效，意即以虛線繪製的外部電子源14，這個外部電子源14雖然無法提供電子e，但是周圍的多磁極推進器12仍可透過其它外部電子源14取得所需電子e，也不會影響多磁極推進器陣列系統10的整體運作。

綜上所述，本發明的多磁極推進器陣列系統可應用在衛星的推進系統或姿態控制系統。多磁極推進器陣列系統將多磁極推進器以兩兩相鄰方式連結排列且圍繞於外部電子源，可以視設計需求相應調整陣列規模。多磁極推進器較佳可設計為六磁極推進器，其陣列排列時可提供最大的通道容積；六磁極推進器之相鄰磁性元件的夾角較大，可以提供較佳的磁場迴路。放電腔之形狀 則不限於多磁極推進器的側邊數量。再者，每一個多磁極推進器與相鄰的多磁極推進器係可共用部分的磁性元件及其磁場迴路，除了大幅度降低多磁極推進器陣列系統的重量與製造成本，衛星的發射與入軌成本也能隨之降低。相比於先前技術，本發明的多磁極推進器陣列系統在部分推進器或電子源損壞時仍可正常運作，可顯著地延長衛星之使用壽命及降低任務風險。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10:多磁極推進器陣列系統

12:多磁極推進器

14:外部電子源

20:推進器陽極

22:磁性元件

F1,F2:標記框

Claims (10)

1. 一種多磁極推進器陣列系統，應用於至少一外部電子源，該多磁極推進器陣列系統包含有：複數個多磁極推進器，兩兩相鄰連結並且圍繞於該至少一外部電子源，該複數個多磁極推進器的其中一個多磁極推進器包含有：一氣體配置腔，用來輸送推進劑；一放電腔，連結該氣體配置腔以容置該推進劑；一陽極，設置在該放電腔內以產生一電場；以及複數個磁性元件，分別設置在該放電腔之複數個側邊，該複數個側邊的其中一側邊係作為該複數個多磁極推進器之另一個多磁極推進器之一放電腔的其中一側邊。
2. 如請求項1所述之多磁極推進器陣列系統，其中該多磁極推進器陣列系統進一步包含六個多磁極推進器。
3. 如請求項1所述之多磁極推進器陣列系統，其中該複數個磁性元件之一磁性元件設置在該複數個多磁極推進器之兩相鄰多磁極推進器之間的一共用側邊。
4. 如請求項3所述之多磁極推進器陣列系統，其中該磁性元件之兩磁極分別朝向該兩相鄰多磁極推進器。
5. 如請求項3所述之多磁極推進器陣列系統，其中該磁性元件之兩磁 極分別指向該至少一外部電子源、以及指向相反於該至少一外部電子源之一方向。
6. 如請求項3所述之多磁極推進器陣列系統，其中該磁性元件之兩磁極分別指向該共用側邊之兩相對端。
7. 如請求項1所述之多磁極推進器陣列系統，其中該複數個磁性元件之每一磁性元件具有一第一磁極與一第二磁極，該複數個磁性元件之一磁性元件以該第一磁極朝向該放電腔內，且該複數個磁性元件之相鄰於該磁性元件之另一磁性元件則以該第二磁極朝向該放電腔內。
8. 如請求項1所述之多磁極推進器陣列系統，其中該複數個磁性元件所形成之一磁場迴路將該至少一外部電子源提供的電子束縛在該放電腔內。
9. 如請求項1所述之多磁極推進器陣列系統，其中該陽極所產生之該電場之一場方向實質平行於該至少一外部電子源之一電子噴射方向，吸引該至少一外部電子源提供的電子往該放電腔內移動。
10. 如請求項1所述之多磁極推進器陣列系統，其中該複數個磁性元件之任一磁性元件係為一永磁鐵或一電磁鐵，該電磁鐵之一磁場強度依照該至少一外部電子源之一噴射電子流而相應變化。

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