WO2019025174A1 - Field emission propulsion system and method for calibrating and operating a field emission propulsion system - Google Patents

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WO2019025174A1
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extractor
ion
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Daniel Bock
Martin Tajmar
Philipp Laufer
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Technische Universität Dresden
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/005—Electrostatic ion thrusters using field emission, e.g. Field Emission Electric Propulsion [FEEP]

Definitions

  • the invention relates to field emission drives for spacecraft. Furthermore, the present invention relates to methods for operating a field emission drive.
  • each of the liquid metal ion emitters does not fire simultaneously and in an uncontrolled order.
  • each of the liquid metal ion emitters has an individual emission behavior, so that the field arrangement of the liquid metal ion emitter generally sets an unpredictable thrust vector.
  • a variable thrust range is to be achieved by several orders of magnitude. It is another object of the present invention to control the firing order and to compensate for a varying thrust vector or to allow active control of the thrust vector to allow controlled operation of the propulsion system.
  • a spacecraft field emission drive system comprising:
  • an engine assembly having a plurality of field emission drive units comprising an ion source having a plurality of ion emitters and extractor electrodes associated with the ion emitters, respectively, and arranged in a field array;
  • Extractor electrodes are assigned to control these controlled by the control unit with an individual extractor electrode voltage.
  • the above field emission drive system comprises a field array of a plurality of ion emitters, each associated with an extractor electrode.
  • the ion emitter is connected to a common emitter voltage or a common Emitter voltage potential assignable, while the extractor electrodes are electrically isolated from each other and via Extratorelektrodenschreibs provoken with individually adjustable extractor electrode voltages or with individually adjustable
  • Extractor electrode potentials can be controlled.
  • control unit can be designed to set a field strength of an electric field between the ion emitters and the respectively associated extractor electrode to a specific extractor electrode voltage corresponding to a predetermined level of an ion current.
  • the determined extractor electrode voltage for at least one specific drive unit is determined in a calibration method by measuring a current-voltage characteristic of the relevant drive unit by measuring an emitter current through the ion emitter with simultaneously deactivated remaining drive units at different voltage differences between extractor electrode and ion emitters and the extractor electrode voltage or the extractor electrode voltage. Potential is adjusted so that adjusts an emitter current that corresponds to the predetermined level of the ion current.
  • the above calibration procedure provides for driving the extractor electrodes of the field emission drive units individually with varying voltage differences between the respective extractor electrode and the respective ion emitters and at the same time measuring a current flow from the emitter voltage source so as to measure a characteristic of the corresponding ion emitter.
  • a voltage-dependent ion current can be determined for each ion emitter, so that a desired level of the ion current can be adjusted in a targeted manner by adjusting the relevant extractor electrode voltage or the relevant extractor electrode voltage potential.
  • ion emitters in a field array can be occupied with the same emitter voltage (with the same emitter voltage potential) and the extractor electrodes associated with the ion emitters are individually driven to adjust the ion current of each individual ion emitter. Since the ion emitters are at the same voltage potential, they can be connected to the same emitter voltage source or to a common emitter voltage source
  • the extractor electrode voltage sources for each of the extractor electrodes may be connected to each other with their positive potential terminal and to the ion emitters.
  • the separate control of the extractor electrodes also allows a more precise adjustment of the thrust and the thrust direction of the
  • a current measuring unit may be provided which is designed to measure an electric current from one of the ion emitters, from several of the ion emitters or from all ion emitters and / or into the extractor electrode.
  • At least one of the extractor electrodes may be formed with two, three, four, or more than four extractor electrode segments electrically insulated from each other, which together form a particular annular extractor electrode, the extractor electrode voltage source being configured to provide the
  • Extractor electrode segments with individual segment voltages to be provided so that in operation a predetermined direction of the emitted ion beam is set, and / or wherein separate segment voltage sources are provided for a plurality of extractor electrode segments to the extractor electrode segments with individual
  • the extractor electrodes are each constructed from a plurality of electrically isolated from each other extractor electrode segments, which in turn can be driven with different segment voltages.
  • Segment tensions are based on one to be created
  • segment voltages can be separated by segment voltage sources, by voltage dividers, the segment voltages by division of the respective
  • Extractor electrode associated extractor electrode voltage or be set by adjustable series resistors of the extractor electrode segments.
  • a neutralizer may be provided to deliver an electron current of controllable strength.
  • the ion source of the engine assembly may comprise a fuel tank for a liquid or liquefiable electrically conductive fuel, wherein the fuel at the tips of the ion emitter facing the respective extractor electrode is expelled for field ionization.
  • the extractor electrodes are formed annularly with a central opening, which are arranged concentrically to an extension direction of the ion emitter.
  • the extractor electrodes may be held by an extractor plate and electrically isolated from each other, wherein the extractor plate is formed in particular of non-conductive material.
  • the extractor electrode voltage sources may each comprise an adjustable voltage divider to provide an adjustable extractor electrode voltage.
  • Extractor electrodes fully or partially circumferentially having a projecting toward the ion emitter electrically conductive first shielding structure, and / or one, at least one or each of the extractor electrodes fully or partially circumferentially protruding from the ion emitter facing away from the direction electrically conductive second
  • Shielding structure has.
  • the above method is based on a field emission drive system with a common emitter electrode and separate extractor electrodes which can be separately driven with individual extractor potentials.
  • Field emission drive system provided, wherein a field strength of an electric field between the ion emitters and the respectively associated extractor electrode for each of the plurality of field emission drive units is adjustable to an extractor electrode voltage corresponding to a predetermined ion current to be set, which is derived from a current-voltage characteristic of the field emission drive units and the
  • predetermined ion current to be set of a respective one of the plurality
  • measuring a current-voltage characteristic by measuring an emitter electric current through the ion emitter of the subject field emission drive unit with remaining field emission drive units simultaneously deactivated or at constant current at different extractor electrode voltages setting the extractor electrode voltages for each of the field emission drive units, respectively depending on the current-voltage characteristic and the predetermined ion current, so that adjusts an electrical emitter current of the respective field emission drive units, which corresponds to the predetermined ion current to be set.
  • a field emission drive system wherein an electric field strength between the ion emitters and the respective associated extractor electrode for each of the plurality of field emission drive units is adjustable to an extractor electrode voltage corresponding to a given ion current to be set, resulting from a current-voltage characteristic of the field emission drive units and the field
  • predetermined ion current to be set of a respective one of the plurality
  • a predetermined thrust vector of the field emission drive system is adjusted by driving each of the field emission drive units with an individual extractor electrode voltage such that the predetermined thrust vector results as the sum of the ion currents from the field emission drive units.
  • Figure 1 is a schematic representation of a field emission drive system with multiple drive units;
  • Figure 2 is a cross-sectional view of juxtaposed drive units;
  • Figure 3 is a detailed cross-sectional view of a drive unit
  • Figure 4 is an illustration of a possible arrangement of the drive units of the drive system of Figure 1;
  • FIG. 5 shows a flowchart for illustrating a method for
  • FIG. 6 shows an exemplary current-voltage characteristic of a drive unit
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a field emission drive system 1 with an engine assembly 2, a neutralizer 3 and a control unit 4.
  • FIG. 2 shows a detailed view of a detail of the engine assembly 2.
  • a heating unit 21 for an ion source 22 which includes a fuel tank 221 with fuel 223 and thus electrically and fluidly connected ion emitter 222.
  • the heating unit 21 serves to make the fuel in the fuel tank 221 in a liquid state and keep it liquid.
  • the heating unit 21 is supplied with power via a heating controller 41 as part of the control unit 4 and can be temperature-controlled by this.
  • the fuel tank 221 is formed of an electrically conductive material, such as tantalum, rhenium, tungsten, graphite or titanium.
  • the ion emitters 222 are formed with a tip, in particular acicular, conically or pyramidally protruding, and have a device or configuration for surrounding the liquid electrically conductive fuel 223 from the fuel tank 221 for field ionization from the ion emitter 222 to promote.
  • a fluid line 224 extending inside the tip can be provided, which is the liquid electrically conductive
  • the ion emitters 222 may also be formed porous with a plurality of conduits, wherein the open porosity of the fuel 223 may be promoted to the top of the ion emitter 222.
  • the ion emitters 222 may be, for example, tantalum, tungsten, rhenium, titanium or others
  • the fuel is guided by means of a capillary effect through the fluid lines 224 of the ion emitter 222.
  • the material for the fuel is an electrically conductive liquid or a low-melting metal into consideration, such as. Gallium, indium, bismuth, lead, gold or the like.
  • each of the ion emitters 222 Arranged over the tip of each of the ion emitters 222 is a respective extractor electrode 24 having a central opening 241 that is substantially coaxial with the tip of the ion emitter 222.
  • the extractor electrodes 24 are preferably held by an extractor plate 25 and electrically isolated from each other, e.g. B. by a
  • Extractor plate 25 made of non-conductive material.
  • the fuel tank 221 is electrically connected to the ion emitters 222 and receives a high voltage potential from an emitter voltage supply source 42
  • Emitter voltage supply source 42 may be adjustable and sets the emitter voltage or the emitter voltage potential to a predetermined value.
  • the extractor electrodes 24 are each with a controllable
  • Extractor electrode voltage source 43 individually connected, which forms part of the control unit 4.
  • the extractor electrode voltage sources 43 are individually variably adjustable in order to be able to set an individual extractor electrode voltage and thus an individual electric field strength between the ion emitter 222 and the extractor electrode 24 for each of the drive units 23.
  • Extractor electrode voltage sources 43 for each of the extractor electrodes 24, a common extractor electrode voltage source 43 may be provided, the
  • different voltages for the extractor electrodes 24 can be adjusted by respectively associated voltage divider. Also other options, individual To be able to set extractor electrode voltages for the extractor electrodes 24 are conceivable.
  • the control unit 4 is in particular designed to individually control the extractor electrode voltage or the extractor electrode potential of the extractor electrodes 24 so that the times of ignition and the levels of ion emission can be controlled from the individual correspondingly assigned ion emitters 222.
  • individual ion emitters 222 can be switched on or off and different levels of emission currents can be controlled for each one of the ion emitters 222.
  • the potential difference between the emitter voltage potential and the extractor voltage potential is usually several +1000 volts.
  • the neutralizer 3 may be formed, for example, as a field emission electron source or thermal electron source in a conventional manner.
  • the control unit 4 has for this purpose a neutralizer control device 45 which controls the drive and
  • Power supply of the neutralizer 3 can make in a conventional manner, e.g. to keep the charge of the entire drive system 1 as neutral as possible.
  • FIG. 4 shows an arrangement of extractor electrodes 24 in a plan view.
  • the extractor electrodes 24 are arranged, for example, round and concentric with the ion emitter 222. At the center of the extractor electrodes 24 are approximately circular openings 241 concentric with the ion emitters 222 to discharge the ion beam from the ion emitter 222.
  • the arrangement of the extractor electrodes 24 can be described as
  • Field arrangement may be provided, wherein the extractor electrodes 24 are arranged in rows and are offset from each other in order to achieve the highest possible arrangement density.
  • the extractor electrodes 24 are interconnected on the extractor plate 25 which hold the extractor electrodes 24 in position.
  • the extractor plate 25 may be formed of electrically non-conductive material or the extractor electrodes 24 may be isolated on the
  • Extractor plate 25 may be attached.
  • One, at least one or each of the extractor electrodes 24 has circumferentially on the ion emitter 222 protruding electrically conductive first shielding structure 242, which attaches the continuous coating of one of the ion emitters facing side of the extractor 25 with it
  • Fuel material prevented by the principle of shading This prevents that during operation an electrically conductive path between the individual extractor electrodes 24 with each other and between them and the fuel tank 221 can form and thereby an electrical short circuit is formed.
  • Extractor electrodes 24 have a circumferentially in the direction of the ion beam to be emitted, the extractor plate 25 protruding electrically conductive second shielding structure 245, the continuous coating of one of the ion emitters 222nd
  • the second shielding structure 245 may be bead-shaped. This prevents an electrically conductive path between the individual extractor electrodes 24 from forming with one another and between them and the fuel tank 221 during operation, thereby producing an electrical short circuit.
  • the extractor plate 25 between the extractor electrodes 24 may be labyrinthine or meandering. perpendicular to the surface direction of the extractor plate 25th
  • a holder between the heating unit 21 and extractor plate 25 may have a corresponding labyrinth-like or meandering shape or shoulders, which also prevent a continuous coating by shading.
  • an electrically conductive cover plate 27 may be mounted parallel to the extractor plate 25 on the side facing away from the ion emitter side of the extractor 25.
  • the cover plate 27 has in particular circular openings 271, which in
  • Extractor electrodes 24 are located and in particular have the same or larger dimensions (eg radii) than the extractor electrodes 25 in the surface direction of the extractor plate 25.
  • the cover plate 27 may be electrically insulated from the extractor electrodes 24.
  • the electrical insulation between the cover plate 27 and the extractor electrodes 24 can be ensured with an electrically insulating spacer 28, which has labyrinth or meandering structures to protect them in the long-term operation against a continuous conductive coating by deposition of fuel.
  • the provision of a cover plate 27 is advantageous because by applying a Voltage potential can be prevented that located in the surrounding particles can reach the ion emitters 222. In addition, deposition of sputter particles or reflected fuel on top of the extractor plate 25 during prolonged use can be prevented.
  • Voltage potential of the cover plate 27 prevents the measurement of an incorrect emitter current by such a secondary electron current.
  • the control unit 4 further comprises a current measuring unit 44 for measuring a current flow in the extractor electrode voltage sources or from the neutralizer 3.
  • Extractor electrode 24 by varying the extractor electrode voltage or the extractor electrode voltage potential or the voltage difference between the
  • Extractor electrodes 24 and the associated ion emitters 222 are set by set the extractor electrode voltage. To set the extractor electrode voltage, a method is carried out, as shown in the flowchart of Figure 5.
  • step S1 one of the drive units 23 is selected.
  • step S2 a current-voltage characteristic is measured for the selected drive unit 23.
  • the current-voltage characteristic gives a characteristic of a current flow over one
  • Drive unit 23 sets. The measurement is carried out at deactivated or with constant (known) power operated (ie activated) remaining drive units 23 and using the current measuring unit 44, which measures the height of the ion current of all activated drive units 23 in this case.
  • the measurement of the magnitude of the ion current is accomplished by measuring the electrical current from the emitter voltage supply source 42 and the electrical current flowing into the ion source, respectively.
  • the ion current of the drive unit 23 to be measured corresponds essentially to the measured electrical current flowing into the ion source minus the known ion currents of the others
  • Drive units 23 (i.e., with the remaining drive units 23 activated). If, in other words, the remaining drive units 23 are operated with a known current, then the ion current of the relevant drive unit 23 can be determined by subtracting the currents of the remaining drive units 23 from the detected current. If only the drive unit 23 to be measured is active for each measurement, the detected electric current corresponds to the ion current at the applied field strength or at the applied
  • Extraktorelektrodenschreibspotenzial a current-voltage characteristic can be determined for each of the drive units 23.
  • Such a current-voltage characteristic is shown by way of example in FIG.
  • step S3 it is checked whether all drive units 23 have been measured. If this is the case (alternative: yes), the method is continued with step S4, otherwise it jumps back to step S1 and measures a next not yet measured drive unit 23. In this way, a current-voltage characteristic is recorded for each of the drive units 23.
  • step S4 the extractor electrode voltages are adjusted so as to set, for each of the drive units 23, a field strength corresponding to a desired intensity of the ion current.
  • the extractor electrodes 24 may be segmented, with extractor electrode segments 243 e.g. are electrically isolated from each other by spacing, and when assembled, form the circular extractor electrode 24.
  • extractor electrode segments 243 There are possibilities of arranging the extractor electrode segments 243 according to the embodiments of FIGS. 7a to 7c, wherein the extractor electrodes 24 are divided into four equal extractor electrode segments 243 (FIG. 7a), two equal extractor electrode segments 243 (FIG. 7b) and three
  • Extractor electrode segments 243 are segmented.
  • Segment voltages at the individual extractor electrode segments 243 a Extractor electrode 24 can be an asymmetry of the ion beam emitted from the ion emitter 222, ie a slope of the ion beam with respect to the
  • Extractor electrode voltages are performed on each of the extractor electrode segments.
  • each of the extractor electrode segments 243 can be provided with a separate possibility of current measurement. While each of the drive units 23 are successively measured to determine the current-voltage characteristic so that an ion beam is formed, at one or more particular extractor electrode voltages, a parasitic current is passed through each of
  • Extractor electrode segments 243 measured.
  • Extractor electrode segment 243 which deflects the ion beam most in its direction and which is correspondingly arranged closest to the ion beam. Starting from the desired extractor electrode voltage (or from the desired field strength), the individual segment voltages can now be adjusted.
  • the direction of the ion beam can be varied. For example, by iteratively adjusting the segment voltages at the portion of the extractor electrode segments 243, the direction of the ion beam may be aligned with a desired direction, particularly the direction parallel to the array direction between ion emitter 222 and extractor electrode 24.
  • a desired direction particularly the direction parallel to the array direction between ion emitter 222 and extractor electrode 24.
  • Manufacturing tolerances of the drive unit 23 can be compensated.
  • all segment voltages can be adjusted by the
  • Extractor electrode voltage can be varied so that the mean of the individual
  • segment voltages or the direction of the ion beam can be carried out in particular by means of voltage dividers, the segment voltage in question being generated from the extractor electrode voltage.
  • segment voltages can be controlled by voltage dividers, also adjustable
  • Voltage dividers are generated by the extractor electrode voltage source. It is also a separate control with individual voltage sources for each
  • Extractor electrode segments 243a measured, so by adjusting an adjustable electrical Vorwiderstandes or by adjusting an adjustable voltage divider, the corresponding segment voltage can be reduced from the extractor electrode voltage, so as to achieve a higher attraction of the fuel ions of the ion beam through the remaining extractor electrode segments 243. Thereby, the ion beam is directed away from the respective extractor electrode segment 243a, as it is attracted more by the remaining extractor electrode segments 243.
  • a calibration of the respective drive unit 23 can be carried out. In this way, component tolerances of the extractor electrode 24 and alignment errors can be compensated, and the precision in fabrication and assembly of the extractor electrode segments 243 and the ion emitter 222 can be reduced.
  • the ion currents of the individual drive units 23 are determined according to a thrust vector control by specifying a thrust vector.
  • the individual ion currents are respectively set by specifying a corresponding extractor electrode voltage resulting from the current / voltage characteristic, so that in addition to one resulting from the sum of the ion beams
  • Total thrust strength is also exerted a predetermined moment on the field emission drive system, resulting from the arrangement of the individual drive units and the respective shear forces resulting from the respective ion beams.

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Abstract

The invention relates to a field emission propulsion system (1) for spacecraft, comprising: a control unit (4); a propulsion assembly (2) with a plurality of field emission propulsion units (23) that comprise an ion source with a plurality of ion emitters (222) and extraction electrodes (24), associated with said ion emitters (222) and arranged in a field arrangement; and a plurality of extraction electrode voltage sources (43), each associated with the extraction electrodes (24) to operate same, controlled by the control unit (4), using an individual extraction electrode voltage.

Description

Feldemissionsantriebssvstem sowie Verfahren zum Kalibrieren und Betreiben eines  Feldemissionsantriebssvstem and method for calibrating and operating a
Feldemissionsantriebssvstems  Feldemissionsantriebssvstems
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft Feldemissionsantriebe für Raumfahrzeuge. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Betreiben eines Feldemissionsantriebs. The invention relates to field emission drives for spacecraft. Furthermore, the present invention relates to methods for operating a field emission drive.
Technischer Hintergrund Technical background
Für Raumfahrzeuge sind eine Reihe verschiedener Antriebstechnologien bekannt, wie z. B. chemische Antriebe, Kaltgasantriebe, Gasionenantriebe, Plasmaantriebe und dergleichen. Diese Antriebstechnologien haben den Nachteil, dass sich diese für kleinere Satelliten aus physikalischen Gründen oder aus Gründen der Effizienz nicht zufriedenstellend For spacecraft, a number of different drive technologies are known, such. As chemical drives, cold gas, gas ion, plasma and the like. These drive technologies have the disadvantage of being unsatisfactory for smaller satellites for physical or efficiency reasons
miniaturisieren lassen. Der zunehmende Einsatz von Kleinstsatelliten erfordert jedoch die Bereitstellung von geeigneten Antriebstechnologien mit hoher Effizienz. Insbesondere sind Feldemissionsantriebe aufgrund ihres sehr hohen spezifischen Impulses von mehreren 1.000 s besonders geeignet, in Kleinstsatelliten verwendet zu werden. miniaturize. However, the increasing use of micro satellites requires the provision of suitable drive technologies with high efficiency. In particular field emission drives are particularly suitable to be used in micro satellites due to their very high specific pulse of several 1,000 s.
Beispielsweise ist aus der Druckschrift AMR Propulsions Innovations,„IFM Nano Truster", Datenblatt, 26.7.2017, http://www.propulsion.at ein Feldemissionsantrieb bekannt, der eine Flüssigmetall-Ionenquelle mit mehreren Flüssigmetall-Ionenemittern verwendet. Da nur eine gemeinsame Extraktorelektrode für alle Flüssigmetall-Ionenemitter verwendet wird, können die einzelnen Emitter nicht einzeln angesteuert werden. For example, from AMR Propulsions Innovations, "IFM Nano Truster", data sheet, 26.7.2017, http://www.propulsion.at a field emission drive is known which uses a liquid metal ion source with multiple liquid metal ion emitters Extractor electrode is used for all liquid metal ion emitter, the individual emitters can not be controlled individually.
Auch zünden die einzelnen Emitter aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht gleichzeitig und in einer nicht kontrollierten Reihenfolge. Zudem hat jeder der Flüssigmetall-Ionenemitter ein individuelles Emissionsverhalten, sodass sich durch die Feldanordnung der Flüssigmetall- Ionenemitter in der Regel ein nicht vorhersagbarer Schubvektor einstellt. Weiterhin ist aus Bock, D., Tajmar, M.,„Highly Miniaturized FEEP Propulsion System (NanoFEEP) for Attitüde and Orbit Control of CubeSats", Proceedings of the 67th Also, due to manufacturing tolerances, the individual emitters do not fire simultaneously and in an uncontrolled order. In addition, each of the liquid metal ion emitters has an individual emission behavior, so that the field arrangement of the liquid metal ion emitter generally sets an unpredictable thrust vector. Further, Bock, D., Tajmar, M .; "Highly Miniaturized FEEP Propulsion System (NanoFEEP) for Attitude and Orbit Control of CubeSats", Proceedings of the 67th
International Astronautical Congress (IAC), IAC-16-C4.6.5, 26-30 September 2016 International Astronautical Congress (IAC), IAC-16-C4.6.5, 26-30 September 2016
Guadalajara, Mexico, ein Feldemissionsantrieb für einen Kleinstsatelliten bekannt. Guadalajara, Mexico, a field emission engine for a micro-satellite known.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Feldemissionsantriebssystem sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb zur Verfügung zu stellen, das sich für den Einsatz in It is an object of the present invention to provide a field emission drive system and a method for its operation, which is suitable for use in
Kleinstsatelliten eignet, eine hohe Effizienz erreicht und verlustarm arbeitet. Zudem soll ein variabler Schubbereich um mehrere Größenordnungen erreicht werden. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zündreihenfolge zu kontrollieren und einen variierenden Schubvektor zu kompensieren bzw. eine aktive Steuerung des Schubvektors zu ermöglichen, um einen kontrollierten Betrieb des Antriebssystems zu ermöglichen. Micro satellites, high efficiency and low loss. In addition, a variable thrust range is to be achieved by several orders of magnitude. It is another object of the present invention to control the firing order and to compensate for a varying thrust vector or to allow active control of the thrust vector to allow controlled operation of the propulsion system.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines This object is achieved by the method of operating a
Feldemissionsantriebssystems gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Field emission drive system according to claim 1 and by a method for
Kalibrieren eines Feldemissionsantriebssystems und ein Verfahren zum Betreiben eines Feldemissionsantriebssystems gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Calibrating a field emission drive system and a method of operating a field emission drive system according to the independent claims.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Further embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Feldemissionsantriebssystem für Raumfahrzeuge vorgesehen, umfassend: According to one embodiment, there is provided a spacecraft field emission drive system comprising:
eine Steuereinheit;  a control unit;
eine Triebwerksbaugruppe mit mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten, die eine lonenquelle mit mehreren lonenemittern und den lonenemittern jeweils zugeordneten, in einer Feldanordnung angeordneten Extraktorelektroden aufweisen; und  an engine assembly having a plurality of field emission drive units comprising an ion source having a plurality of ion emitters and extractor electrodes associated with the ion emitters, respectively, and arranged in a field array; and
mehrere Extraktorelektrodenspannungsquellen, die jeweils den  a plurality of extractor electrode voltage sources, each of the
Extraktorelektroden zugeordnet sind, um diese gesteuert durch die Steuereinheit mit einer individuellen Extraktorelektrodenspannung anzusteuern.  Extractor electrodes are assigned to control these controlled by the control unit with an individual extractor electrode voltage.
Das obige Feldemissionsantriebssystem weist eine Feldanordnung von mehreren lonenemittern auf, denen jeweils eine Extraktorelektrode zugeordnet ist. Der lonenemitter ist mit einer gemeinsamen Emitterspannung bzw. einem gemeinsamen Emitterspannungspotenzial belegbar, während die Extraktorelektroden voneinander elektrisch isoliert sind und über Extratorelektrodenspannungsquellen mit individuell einstellbaren Extraktorelektrodenspannungen bzw. mit individuell einstellbaren The above field emission drive system comprises a field array of a plurality of ion emitters, each associated with an extractor electrode. The ion emitter is connected to a common emitter voltage or a common Emitter voltage potential assignable, while the extractor electrodes are electrically isolated from each other and via Extratorelektrodenspannungsquellen with individually adjustable extractor electrode voltages or with individually adjustable
Extraktorelektrodenspannungspotenzialen angesteuert werden können. Extractor electrode potentials can be controlled.
Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um eine Feldstärke eines elektrischen Felds zwischen den lonenemittern und der jeweils zugeordneten Extraktorelektrode auf eine bestimmte, einer vorgegebenen Höhe eines lonenstroms entsprechende Extraktorelek- trodenspannung einzustellen. Die bestimmte Extraktorelektrodenspannung für mindestens eine bestimmte Antriebseinheit wird in einem Kalibrierverfahren ermittelt, indem eine Strom- Spannungscharakteristik der betreffenden Antriebseinheit durch Messen eines Emitterstroms durch den lonenemitter bei gleichzeitig deaktivierten übrigen Antriebseinheiten bei verschiedenen Spannungsdifferenzen zwischen Extraktorelektrode und lonenemittern gemessen und die Extraktorelektrodenspannung bzw. das Extraktorelektrodenspannungs- potenzial so eingestellt wird, dass sich ein Emitterstrom einstellt, der der vorgegebenen Höhe des lonenstroms entspricht. Furthermore, the control unit can be designed to set a field strength of an electric field between the ion emitters and the respectively associated extractor electrode to a specific extractor electrode voltage corresponding to a predetermined level of an ion current. The determined extractor electrode voltage for at least one specific drive unit is determined in a calibration method by measuring a current-voltage characteristic of the relevant drive unit by measuring an emitter current through the ion emitter with simultaneously deactivated remaining drive units at different voltage differences between extractor electrode and ion emitters and the extractor electrode voltage or the extractor electrode voltage. Potential is adjusted so that adjusts an emitter current that corresponds to the predetermined level of the ion current.
Der obige Kalibriervorgang sieht also vor, die Extraktorelektroden der Feldemissions- Antriebseinheiten einzeln mit variierenden Spannungsdifferenzen zwischen der betreffenden Extraktorelektrode und den betreffenden lonenemittern anzusteuern und gleichzeitig einen Stromfluss aus der Emitterspannungsquelle zu messen, um so eine Charakteristik des entsprechenden lonenemitters zu messen. Somit kann ein spannungsabhängiger lonenstrom für jeden lonenemitter bestimmt werden, so dass eine gewünschte Höhe des lonenstroms durch Einstellen der betreffenden Extraktorelektrodenspannung bzw. des betreffenden Extraktorelektrodenspannungspotenzials gezielt eingestellt werden kann. Somit können lonenemitter in einer Feldanordnung mit derselben Emitterspannung (mit demselben Emitterspannungspotenzial) belegt sein und die den lonenemittern jeweils zugeordneten Extraktorelektroden individuell angesteuert werden, um den lonenstrom jedes einzelnen lonenemitters einzustellen. Da die lonenemitter auf demselben Spannungspotenzial liegen, können diese mit der gleichen Emitterspannungsquelle bzw. mit einer gemeinsamen Thus, the above calibration procedure provides for driving the extractor electrodes of the field emission drive units individually with varying voltage differences between the respective extractor electrode and the respective ion emitters and at the same time measuring a current flow from the emitter voltage source so as to measure a characteristic of the corresponding ion emitter. Thus, a voltage-dependent ion current can be determined for each ion emitter, so that a desired level of the ion current can be adjusted in a targeted manner by adjusting the relevant extractor electrode voltage or the relevant extractor electrode voltage potential. Thus, ion emitters in a field array can be occupied with the same emitter voltage (with the same emitter voltage potential) and the extractor electrodes associated with the ion emitters are individually driven to adjust the ion current of each individual ion emitter. Since the ion emitters are at the same voltage potential, they can be connected to the same emitter voltage source or to a common emitter voltage source
Potenzialquelle betrieben werden und dadurch die Verluste bei der Be operated potential source and thereby the losses in the
Hochspannungserzeugung verringert und der Bauraum und die Masse des Gesamtsystems reduziert werden. Alternativ können die Extraktorelektrodenspannungsquellen für jede der Extraktorelektroden mit ihrem positiven Potenzialanschluss miteinander und mit den lonenemittern verbunden sein. Die separate Ansteuerung der Extraktorelektroden ermöglicht zudem eine präzisere Einstellung des Schubs und der Schubrichtung der  High voltage generation is reduced and the space and the mass of the entire system can be reduced. Alternatively, the extractor electrode voltage sources for each of the extractor electrodes may be connected to each other with their positive potential terminal and to the ion emitters. The separate control of the extractor electrodes also allows a more precise adjustment of the thrust and the thrust direction of the
Triebwerksbaugruppe. Weiterhin kann eine Strommesseinheit vorgesehen sein, die ausgebildet ist, um einen elektrischen Strom aus einem der lonenemitter, aus mehreren der lonenemitter oder aus allen lonenemittern und/oder in die Extraktorelektrode zu messen. Engine assembly. Furthermore, a current measuring unit may be provided which is designed to measure an electric current from one of the ion emitters, from several of the ion emitters or from all ion emitters and / or into the extractor electrode.
Gemäß einer Ausführungsform kann mindestens eine der Extraktorelektroden mit zwei, drei, vier oder mehr als vier voneinander elektrisch isolierten Extraktorelektrodensegmenten ausgebildet sein, die gemeinsam eine insbesondere ringförmige Extraktorelektrode bilden, wobei die Extraktorelektrodenspannungsquelle ausgebildet ist, um die According to one embodiment, at least one of the extractor electrodes may be formed with two, three, four, or more than four extractor electrode segments electrically insulated from each other, which together form a particular annular extractor electrode, the extractor electrode voltage source being configured to provide the
Extraktorelektrodensegmente mit individuellen Segmentspannungen so zu versehen, dass im Betrieb eine vorbestimmte Richtung des emittierten lonenstrahls eingestellt wird, und/oder wobei separate Segmentspannungsquellen für mehrere der Extraktorelektrodensegmente vorgesehen sind, um die Extraktorelektrodensegmente mit individuellen Extractor electrode segments with individual segment voltages to be provided so that in operation a predetermined direction of the emitted ion beam is set, and / or wherein separate segment voltage sources are provided for a plurality of extractor electrode segments to the extractor electrode segments with individual
Segmentspannungen so zu versehen, dass im Betrieb eine vorbestimmte Richtung des lonenstrahls eingestellt wird. Segment voltages to be provided so that in operation a predetermined direction of the ion beam is set.
Es kann vorgesehen sein, dass die Extraktorelektroden jeweils aus mehreren elektrisch voneinander isolierten Extraktorelektrodensegmenten aufgebaut sind, die wiederum mit unterschiedlichen Segmentspannungen ansteuerbar sind. Die Höhen der einzelnen It can be provided that the extractor electrodes are each constructed from a plurality of electrically isolated from each other extractor electrode segments, which in turn can be driven with different segment voltages. The heights of each
Segmentspannungen orientieren sich dabei an einer anzulegenden Segment tensions are based on one to be created
Extraktorelektrodenspannung bzw. einem anzulegenden Extractor electrode voltage or one to be applied
Extraktorelektrodenspannungspotenzial. Extraktorelektrodenspannungspotenzial.
Insbesondere können die Segmentspannungen durch separate Segmentspannungsquellen, durch Spannungsteiler, die Segmentspannungen durch Teilung der der betreffenden In particular, the segment voltages can be separated by segment voltage sources, by voltage dividers, the segment voltages by division of the respective
Extraktorelektrode zugeordneten Extraktorelektrodenspannung erzeugen, oder durch einstellbare Vorwiderstände der Extraktorelektrodensegmente eingestellt werden. Extractor electrode associated extractor electrode voltage, or be set by adjustable series resistors of the extractor electrode segments.
Dadurch können mögliche Ausrichtungsfehler eines resultierenden Schubstrahls im Betrieb aufgrund von Bauteiltoleranzen oder dergleichen ausgeglichen werden. Durch die As a result, possible alignment errors of a resulting thrust jet during operation due to component tolerances or the like can be compensated. By the
Möglichkeit der Wahl verschiedener Segmentspannungen können die Anforderungen an die Bauteiltoleranzen für die Antriebseinheiten stark verringert werden, da Ausrichtungsfehler des resultierenden Schubstrahls bzw. geometrische Anordnungsfehler der lonenemitter zu den Extraktorelektroden aktiv kompensiert werden können. Durch die Wiederholung des Kalibrierungsprozesses in regelmäßigen Zeitabständen können unerwünschte Änderungen des lonenemissionsverhaltens der einzelnen lonenemitter im Langzeitbetrieb detektiert und gegebenenfalls kompensiert werden. Possibility of selecting different segment voltages, the requirements for the component tolerances for the drive units can be greatly reduced, since alignment errors of the resulting thrust jet or geometrical arrangement errors of the ion emitter to the extractor electrodes can be actively compensated. By repeating the calibration process at regular intervals, undesired changes in the ion emission behavior of the individual ion emitters in the long-term mode can be detected and optionally compensated.
Es kann weiterhin ein Neutralisator vorgesehen sein, um einen Elektronenstrom steuerbarer Stärke abzugeben. Furthermore, a neutralizer may be provided to deliver an electron current of controllable strength.
Gemäß einer Ausführungsform kann die lonenquelle der Triebwerksbaugruppe einen Treibstofftank für einen flüssigen oder verflüssigbaren elektrisch leitfähigen Treibstoff umfassen, wobei der Treibstoff an den der jeweiligen Extraktorelektrode zugewandten Spitzen der lonenemitter zur Feldionisation ausstoßbar ist. According to one embodiment, the ion source of the engine assembly may comprise a fuel tank for a liquid or liquefiable electrically conductive fuel, wherein the fuel at the tips of the ion emitter facing the respective extractor electrode is expelled for field ionization.
Es kann vorgesehen sein, dass die Extraktorelektroden ringförmig mit einer Mittenöffnung ausgebildet sind, die konzentrisch zu einer Erstreckungsrichtung der lonenemitter angeordnet sind. It may be provided that the extractor electrodes are formed annularly with a central opening, which are arranged concentrically to an extension direction of the ion emitter.
Gemäß einer Ausführungsform können die Extraktorelektroden durch eine Extraktorplatte gehalten und voneinander elektrisch isoliert sein, wobei die Extraktorplatte insbesondere aus nichtleitendem Material gebildet ist. According to one embodiment, the extractor electrodes may be held by an extractor plate and electrically isolated from each other, wherein the extractor plate is formed in particular of non-conductive material.
Weiterhin können die Extraktorelektrodenspannungsquellen jeweils einen einstellbaren Spannungsteiler aufweisen, um eine einstellbare Extraktorelektrodenspannung vorzugeben. Furthermore, the extractor electrode voltage sources may each comprise an adjustable voltage divider to provide an adjustable extractor electrode voltage.
Es kann vorgesehen sein, dass eine, mindestens eine, mehrere oder jede der It can be provided that one, at least one, several or each of the
Extraktorelektroden voll oder teilweise umfänglich einen in Richtung der lonenemitter hervorstehende elektrisch leitende erste Abschirmungsstruktur aufweist, und/oder eine, mindestens eine oder jede der Extraktorelektroden voll oder teilweise umfänglich eine zu den lonenemittern abgewandten Richtung hervorstehende elektrisch leitende zweite Extractor electrodes fully or partially circumferentially having a projecting toward the ion emitter electrically conductive first shielding structure, and / or one, at least one or each of the extractor electrodes fully or partially circumferentially protruding from the ion emitter facing away from the direction electrically conductive second
Abschirmungsstruktur aufweist. Shielding structure has.
Das obige Verfahren basiert auf einem Feldemissionsantriebssystem mit einer gemeinsamen Emitterelektrode und voneinander getrennten Extraktorelektroden, die separat mit individuellen Extraktorpotenzialen angesteuert werden können. The above method is based on a field emission drive system with a common emitter electrode and separate extractor electrodes which can be separately driven with individual extractor potentials.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Kalibrieren des obigen In another aspect, a method of calibrating the above is
Feldemissionsantriebssystems vorgesehen, wobei eine Feldstärke eines elektrischen Felds zwischen den lonenemittern und der jeweils zugeordneten Extraktorelektrode für jede der mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten auf eine einem vorgegebenen einzustellenden lonenstrom entsprechende Extraktorelektrodenspannung einstellbar ist, die sich aus einer Strom-Spannungscharakteristik der Feldemissions-Antriebseinheiten und dem Field emission drive system provided, wherein a field strength of an electric field between the ion emitters and the respectively associated extractor electrode for each of the plurality of field emission drive units is adjustable to an extractor electrode voltage corresponding to a predetermined ion current to be set, which is derived from a current-voltage characteristic of the field emission drive units and the
vorgegebenen einzustellenden lonenstrom einer betreffenden der mehreren predetermined ion current to be set of a respective one of the plurality
Antriebseinheiten ergibt, mit folgenden Schritten: Drive units results, with the following steps:
für jede der Feldemissions-Antriebseinheiten, Messen einer Strom- Spannungscharakteristik durch Messen eines elektrischen Emitterstroms durch den lonenemitter der betreffenden Feldemissions-Antriebseinheit bei gleichzeitig deaktivierten oder mit konstantem Strom betriebenen übrigen Feldemissions- Antriebseinheiten bei verschiedenen Extraktorelektrodenspannungen Einstellen der Extraktorelektrodenspannungen für jede der Feldemissions- Antriebseinheiten jeweils abhängig von der Strom-Spannungscharakteristik und dem vorgegebenen lonenstrom, so dass sich ein elektrischer Emitterstrom der betreffenden Feldemissions-Antriebseinheiten einstellt, der dem vorgegebenen einzustellenden lonenstroms entspricht.  for each of the field emission drive units, measuring a current-voltage characteristic by measuring an emitter electric current through the ion emitter of the subject field emission drive unit with remaining field emission drive units simultaneously deactivated or at constant current at different extractor electrode voltages setting the extractor electrode voltages for each of the field emission drive units, respectively depending on the current-voltage characteristic and the predetermined ion current, so that adjusts an electrical emitter current of the respective field emission drive units, which corresponds to the predetermined ion current to be set.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben des obigen In another aspect, a method of operating the above is
Feldemissionsantriebssystems vorgesehen, wobei eine Feldstärke eines elektrischen Felds zwischen den lonenemittern und der jeweils zugeordneten Extraktorelektrode für jede der mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten auf eine einem vorgegebenen einzustellenden lonenstrom entsprechende Extraktorelektrodenspannung einstellbar ist, die sich aus einer Strom-Spannungscharakteristik der Feldemissions-Antriebseinheiten und dem A field emission drive system is provided, wherein an electric field strength between the ion emitters and the respective associated extractor electrode for each of the plurality of field emission drive units is adjustable to an extractor electrode voltage corresponding to a given ion current to be set, resulting from a current-voltage characteristic of the field emission drive units and the field
vorgegebenen einzustellenden lonenstrom einer betreffenden der mehreren predetermined ion current to be set of a respective one of the plurality
Antriebseinheiten ergibt. Ein vorgegebener Schubvektor des Feldemissionsantriebssystems wird eingestellt, indem jede der Feldemissions-Antriebseinheiten mit einer individuellen Extraktorelektrodenspannung angesteuert wird, so dass sich der vorgegebene Schubvektor als Summe der lonenströme aus den Feldemissions-Antriebseinheiten resultiert. Drive units results. A predetermined thrust vector of the field emission drive system is adjusted by driving each of the field emission drive units with an individual extractor electrode voltage such that the predetermined thrust vector results as the sum of the ion currents from the field emission drive units.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Feldemissionsantriebssystems mit mehreren Antriebseinheiten; Figur 2 eine Querschnittsdarstellung von nebeneinander angeordneten Antriebseinheiten; Figure 1 is a schematic representation of a field emission drive system with multiple drive units; Figure 2 is a cross-sectional view of juxtaposed drive units;
Figur 3 eine detaillierte Querschnittsdarstellung einer Antriebseinheit; Figure 3 is a detailed cross-sectional view of a drive unit;
Figur 4 eine Darstellung einer möglichen Anordnung der Antriebseinheiten des Antriebssystems der Figur 1 ; Figure 4 is an illustration of a possible arrangement of the drive units of the drive system of Figure 1;
Figur 5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum FIG. 5 shows a flowchart for illustrating a method for
Kalibrieren der Antriebseinheiten;  Calibrating the drive units;
Figur 6 eine beispielhafte Strom-Spannungs-Kennlinie einer Antriebseinheit; FIG. 6 shows an exemplary current-voltage characteristic of a drive unit;
Figur 7a bis 7c verschiedene perspektivische Ansichten von Varianten einer Figure 7a to 7c different perspective views of variants of a
Segmentierung der Extraktorelektroden.  Segmentation of extractor electrodes.
Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Feldemissionsantriebssystems 1 mit einer Triebwerksbaugruppe 2, einem Neutralisator 3 und einer Steuereinheit 4. Figur 2 zeigt eine detaillierte Ansicht eines Ausschnitts aus der Triebwerksbaugruppe 2. 1 shows schematically the structure of a field emission drive system 1 with an engine assembly 2, a neutralizer 3 and a control unit 4. FIG. 2 shows a detailed view of a detail of the engine assembly 2.
Wie in der Querschnittsansicht der Figur 2 detaillierter dargestellt, umfasst die As shown in more detail in the cross-sectional view of Figure 2, the
Triebwerksbaugruppe 2 eine Heizeinheit 21 für eine lonenquelle 22, die einen Treibstoff tank 221 mit Treibstoff 223 und damit elektrisch und fluidisch verbundene lonenemitter 222 umfasst. Die Heizeinheit 21 dient dazu, den Treibstoff in dem Treibstofftank 221 in einen flüssigen Zustand zu versetzen und flüssig zu halten. Die Heizeinheit 21 wird über eine Heizsteuerung 41 als Teil der Steuereinheit 4 mit Leistung versorgt und kann durch diese temperaturgeregelt werden. Engine assembly 2, a heating unit 21 for an ion source 22, which includes a fuel tank 221 with fuel 223 and thus electrically and fluidly connected ion emitter 222. The heating unit 21 serves to make the fuel in the fuel tank 221 in a liquid state and keep it liquid. The heating unit 21 is supplied with power via a heating controller 41 as part of the control unit 4 and can be temperature-controlled by this.
Der Treibstofftank 221 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist, wie beispielsweise Tantal, Rhenium, Wolfram, Graphit oder Titan. Wie in der detaillierteren Querschnittsansicht der Antriebseinheiten 23 in Figuren 2 und 3 gezeigt, sind die lonenemitter 222 mit einer Spitze, insbesondere nadeiförmig, kegel- oder pyramidenförmig hervorstehend, ausgebildet und weisen eine Einrichtung oder Ausgestaltung auf, um den flüssigen elektrisch leitenden Treibstoff 223 aus dem Treibstofftank 221 zur Feldionisation aus dem lonenemitter 222 zu fördern. Insbesondere kann eine im Inneren zur Spitze verlaufende Fluidleitung 224 vorgesehen sein, die den flüssigen elektrisch leitenden The fuel tank 221 is formed of an electrically conductive material, such as tantalum, rhenium, tungsten, graphite or titanium. As shown in the more detailed cross-sectional view of the drive units 23 in FIGS. 2 and 3, the ion emitters 222 are formed with a tip, in particular acicular, conically or pyramidally protruding, and have a device or configuration for surrounding the liquid electrically conductive fuel 223 from the fuel tank 221 for field ionization from the ion emitter 222 to promote. In particular, a fluid line 224 extending inside the tip can be provided, which is the liquid electrically conductive
Treibstoff aus dem Treibstofftank 221 zur Feldionisation aus dem lonenemitter 222 z.B. gefördert durch den Kapillareffekt ausstößt. Alternativ können die lonenemitter 222 auch porös mit einer Vielzahl von Leitungen ausgebildet sein, wobei durch die offene Porosität der Treibstoff 223 zur Spitze des lonenemitters 222 gefördert werden kann. Die lonenemitter 222 können beispielsweise aus Tantal, Wolfram, Rhenium, Titan oder anderen Fuel from the fuel tank 221 for field ionization from the ion emitter 222 e.g. promoted by the capillary ejects. Alternatively, the ion emitters 222 may also be formed porous with a plurality of conduits, wherein the open porosity of the fuel 223 may be promoted to the top of the ion emitter 222. The ion emitters 222 may be, for example, tantalum, tungsten, rhenium, titanium or others
hochschmelzenden Metallen ausgebildet sein. be formed refractory metals.
Der Treibstoff wird dabei mithilfe eines Kapillareffekts durch die Fluidleitungen 224 der lonenemitter 222 geführt. Als Material für den Treibstoff kommt eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit oder ein niedrigschmelzendes Metall in Betracht, wie z. B. Gallium, Indium, Bismut, Blei, Gold oder dergleichen. The fuel is guided by means of a capillary effect through the fluid lines 224 of the ion emitter 222. As the material for the fuel is an electrically conductive liquid or a low-melting metal into consideration, such as. Gallium, indium, bismuth, lead, gold or the like.
Über der Spitze jedes der lonenemitter 222 ist eine jeweilige Extraktorelektrode 24 angeordnet, die eine Mittenöffnung 241 aufweist, die im Wesentlichen koaxial über der Spitze des lonenemitters 222 liegt. Die Extraktorelektroden 24 sind vorzugsweise durch eine Extraktorplatte 25 gehalten und voneinander elektrisch isoliert, z. B. durch eine Arranged over the tip of each of the ion emitters 222 is a respective extractor electrode 24 having a central opening 241 that is substantially coaxial with the tip of the ion emitter 222. The extractor electrodes 24 are preferably held by an extractor plate 25 and electrically isolated from each other, e.g. B. by a
Extraktorplatte 25 aus nichtleitendem Material. Extractor plate 25 made of non-conductive material.
Der Treibstofftank 221 ist elektrisch mit den lonenemittern 222 verbunden und erhält ein Hochspannungspotenzial von einer Emitterspannungs-Versorgungsquelle 42. Die The fuel tank 221 is electrically connected to the ion emitters 222 and receives a high voltage potential from an emitter voltage supply source 42
Emitterspannungs-Versorgungsquelle 42 kann einstellbar sein und legt die Emitterspannung bzw. das Emitterspannungspotenzial auf einen festgelegten Wert fest. Emitter voltage supply source 42 may be adjustable and sets the emitter voltage or the emitter voltage potential to a predetermined value.
Die Extraktorelektroden 24 sind jeweils mit einer steuerbaren The extractor electrodes 24 are each with a controllable
Extraktorelektrodenspannungsquelle 43 individuell verbunden, die Teil der Steuereinheit 4 darstellt. Die Extraktorelektrodenspannungsquellen 43 sind individuell variabel einstellbar, um für jede der Antriebseinheiten 23 eine individuelle Extraktorelektrodenspannung und somit eine individuelle elektrische Feldstärke zwischen dem lonenemitter 222 und der Extraktorelektrode 24 einstellen zu können. Alternativ zu separaten  Extractor electrode voltage source 43 individually connected, which forms part of the control unit 4. The extractor electrode voltage sources 43 are individually variably adjustable in order to be able to set an individual extractor electrode voltage and thus an individual electric field strength between the ion emitter 222 and the extractor electrode 24 for each of the drive units 23. Alternative to separate
Extraktorelektrodenspannungsquellen 43 für jede der Extraktorelektroden 24 kann eine gemeinsame Extraktorelektrodenspannungsquelle 43 vorgesehen sein, wobei die Extractor electrode voltage sources 43 for each of the extractor electrodes 24, a common extractor electrode voltage source 43 may be provided, the
unterschiedlichen Spannungen für die Extraktorelektroden 24 durch jeweils zugeordnete Spannungsteiler eingestellt werden können. Auch andere Möglichkeiten, individuell Extraktorelektrodenspannungen für die Extraktorelektroden 24 einstellen zu können, sind denkbar. different voltages for the extractor electrodes 24 can be adjusted by respectively associated voltage divider. Also other options, individual To be able to set extractor electrode voltages for the extractor electrodes 24 are conceivable.
Die Steuereinheit 4 ist insbesondere ausgebildet, die Extraktorelektrodenspannung bzw. das Extraktorelektrodenpotenzial der Extraktorelektroden 24 individuell zu steuern, so dass die Zeitpunkte des Zündens und die Höhen der lonenemission aus den einzelnen entsprechend zugeordneten lonenemittern 222 gesteuert werden können. So können einzelne lonenemitter 222 ein- oder ausgeschaltet werden sowie unterschiedlich hohe Emissionsströme für jeden einzelnen der lonenemitter 222 gesteuert werden. Die Potenzialdifferenz zwischen dem Emitterspannungspotenzial und dem Extraktorspannungspotenzial beträgt üblicherweise mehrere +1000 Volt. The control unit 4 is in particular designed to individually control the extractor electrode voltage or the extractor electrode potential of the extractor electrodes 24 so that the times of ignition and the levels of ion emission can be controlled from the individual correspondingly assigned ion emitters 222. Thus, individual ion emitters 222 can be switched on or off and different levels of emission currents can be controlled for each one of the ion emitters 222. The potential difference between the emitter voltage potential and the extractor voltage potential is usually several +1000 volts.
Da durch den Emitterionenstrom aus positiv geladenen Treibstoffionen, der im Betrieb aus den Antriebseinheiten 23 emittiert wird, das Antriebssystem 1 negativ aufgeladen wird, wird üblicherweise mithilfe des Neutralisators 3 ein Elektronstrom erzeugt und abgegeben. Der Neutralisator 3 kann beispielsweise als Feldemissions-Elektronenquelle oder thermische Elektronenquelle in an sich bekannter Weise ausgebildet sein. Die Steuereinheit 4 weist dazu eine Neutralisator-Steuereinrichtung 45 auf, die die Ansteuerung und Since the drive system 1 is charged negatively by the emitter ion current of positively charged fuel ions which is emitted during operation from the drive units 23, an electron current is usually generated and emitted by means of the neutralizer 3. The neutralizer 3 may be formed, for example, as a field emission electron source or thermal electron source in a conventional manner. The control unit 4 has for this purpose a neutralizer control device 45 which controls the drive and
Leistungsversorgung des Neutralisators 3 in an sich bekannter Weise vornehmen kann, z.B. um die Ladung des gesamten Antriebssystem 1 möglichst neutral zu halten. Power supply of the neutralizer 3 can make in a conventional manner, e.g. to keep the charge of the entire drive system 1 as neutral as possible.
In Figur 4 ist eine Anordnung von Extraktorelektroden 24 in einer Draufsicht dargestellt. Die Extraktorelektroden 24 sind beispielsweise rund und konzentrisch zu dem lonenemitter 222 angeordnet. Mittig der Extraktorelektroden 24 befinden sich etwa runde Öffnungen 241 , die konzentrisch zu den lonenemittern 222 angeordnet sind, um den lonenstrahl von dem lonenemitter 222 auszulassen. Die Anordnung der Extraktorelektroden 24 kann als FIG. 4 shows an arrangement of extractor electrodes 24 in a plan view. The extractor electrodes 24 are arranged, for example, round and concentric with the ion emitter 222. At the center of the extractor electrodes 24 are approximately circular openings 241 concentric with the ion emitters 222 to discharge the ion beam from the ion emitter 222. The arrangement of the extractor electrodes 24 can be described as
Feldanordnung vorgesehen sein, wobei die Extraktorelektroden 24 in Reihen angeordnet sind und zueinander versetzt sind, um eine möglichst hohe Anordnungsdichte zu erreichen. Field arrangement may be provided, wherein the extractor electrodes 24 are arranged in rows and are offset from each other in order to achieve the highest possible arrangement density.
Die Extraktorelektroden 24 sind auf der Extraktorplatte 25 miteinander verbunden, welche die Extraktorelektroden 24 in Position halten. Die Extraktorplatte 25 kann aus elektrisch nichtleitendem Material ausgebildet oder die Extraktorelektroden 24 isoliert auf der The extractor electrodes 24 are interconnected on the extractor plate 25 which hold the extractor electrodes 24 in position. The extractor plate 25 may be formed of electrically non-conductive material or the extractor electrodes 24 may be isolated on the
Extraktorplatte 25 angebracht sein. Eine, mindestens eine oder jede der Extraktorelektroden 24 weist umfänglich eine in Richtung der lonenemitter 222 hervorstehende elektrisch leitende erste Abschirmungsstruktur 242 auf, der die durchgehende Beschichtung einer der den lonenemittern zugewandten Seite der Extraktorplatte 25 mit sich anlagerndem Extractor plate 25 may be attached. One, at least one or each of the extractor electrodes 24 has circumferentially on the ion emitter 222 protruding electrically conductive first shielding structure 242, which attaches the continuous coating of one of the ion emitters facing side of the extractor 25 with it
Treibstoffmaterial durch das Prinzip der Abschattung verhindert. Dadurch wird verhindert, dass sich während des Betriebs ein elektrisch leitfähiger Pfad zwischen den einzelnen Extraktorelektroden 24 untereinander und zwischen diesen und dem Treibstofftank 221 ausbilden kann und dadurch ein elektrischer Kurzschluss entsteht. Fuel material prevented by the principle of shading. This prevents that during operation an electrically conductive path between the individual extractor electrodes 24 with each other and between them and the fuel tank 221 can form and thereby an electrical short circuit is formed.
Alternativ oder zusätzlich kann eine, mindestens eine, mehrere oder jede der Alternatively or additionally, one, at least one, several or each of the
Extraktorelektroden 24 eine umfänglich in Richtung des zu emittierenden lonenstrahls die Extraktorplatte 25 hervorstehende elektrisch leitende zweite Abschirmungsstruktur 245 aufweisen, der die durchgehende Beschichtung einer der den lonenemittern 222 Extractor electrodes 24 have a circumferentially in the direction of the ion beam to be emitted, the extractor plate 25 protruding electrically conductive second shielding structure 245, the continuous coating of one of the ion emitters 222nd
abgewandten Seite der Extraktorplatte 25 mit sich anlagerndem Treibstoffmaterial durch das Prinzip der Abschattung verhindert. Die zweite Abschirmungsstruktur 245 kann wulstartig ausgebildet sein. Dadurch wird verhindert, dass sich während des Betriebs ein elektrisch leitfähiger Pfad zwischen den einzelnen Extraktorelektroden 24 untereinander und zwischen diesen und dem Treibstofftank 221 ausbilden kann und dadurch ein elektrischer Kurzschluss entsteht. side facing away from the extractor plate 25 with attaching fuel material prevented by the principle of shading. The second shielding structure 245 may be bead-shaped. This prevents an electrically conductive path between the individual extractor electrodes 24 from forming with one another and between them and the fuel tank 221 during operation, thereby producing an electrical short circuit.
Weiterhin kann die Extraktorplatte 25 zwischen den Extraktorelektroden 24 labyrinthartige bzw. mäanderförmige d.h. senkrecht zur Flächenrichtung der Extraktorplatte 25 Furthermore, the extractor plate 25 between the extractor electrodes 24 may be labyrinthine or meandering. perpendicular to the surface direction of the extractor plate 25th
herausragende Strukturen und/oder Vertiefungsstrukturen aufweisen, die sich entlang der Flächenrichtung der Extraktorlatte 25 erstrecken und dadurch eine durchgehende leitende Beschichtung im Langzeitbetrieb durch Ablagerung des Treibstoffmaterials durch das Prinzip der Abschattung verhindern. Beispielsweise kann eine Halterung zwischen der Heizeinheit 21 und Extraktorplatte 25 eine entsprechende labyrinthartige bzw. mäanderförmige Form oder Absätze aufweisen, die auch eine durchgehende Beschichtung durch Abschattung verhindern. have outstanding structures and / or recess structures that extend along the surface direction of the extractor bar 25 and thereby prevent a continuous conductive coating in long-term operation by deposition of the fuel material by the principle of shading. For example, a holder between the heating unit 21 and extractor plate 25 may have a corresponding labyrinth-like or meandering shape or shoulders, which also prevent a continuous coating by shading.
Zudem kann optional eine elektrisch leitfähige Deckelplatte 27 parallel zur Extraktorplatte 25 auf der den lonenemittern abgewandten Seite der Extraktorplatte 25 angebracht sein. Die Deckelplatte 27 weist insbesondere kreisförmige Öffnungen 271 auf, die in In addition, optionally an electrically conductive cover plate 27 may be mounted parallel to the extractor plate 25 on the side facing away from the ion emitter side of the extractor 25. The cover plate 27 has in particular circular openings 271, which in
Anordnungsrichtung der lonenemitter 222 und der Extraktorelektroden 25 über den Arrangement direction of the ion emitter 222 and the extractor electrodes 25 via the
Extraktorelektroden 24 liegen und insbesondere gleiche oder größere Abmessungen (z.B. Radien) als die Extraktorelektroden 25 in Flächenrichtung der Extraktorplatte 25 aufweisen. Die Deckelplatte 27 kann elektrisch isoliert zu den Extraktorelektroden 24 sein. Die elektrische Isolierung zwischen der Deckelplatte 27 und den Extraktorelektroden 24 kann mit einem elektrisch isolierenden Abstandshalters 28 gewährleistet sein, der labyrinthartige bzw. mäanderförmige Strukturen aufweist, um auch diese im Langzeitbetrieb gegen eine durchgehende leitende Beschichtung durch Ablagerung von Treibstoff zu schützen. Das Vorsehen einer Deckelplatte 27 ist vorteilhaft, da durch Beaufschlagung mit einem Spannungspotenzial verhindert werden kann, dass sich in der Umgebung befindliche Teilchen zu den lonenemittern 222 gelangen können. Zudem kann eine Ablagerung von Sputterteilchen oder reflektierten Treibstoff auf der Oberseite der Extraktorplatte 25 bei längerem Betrieb verhindert werden. Extractor electrodes 24 are located and in particular have the same or larger dimensions (eg radii) than the extractor electrodes 25 in the surface direction of the extractor plate 25. The cover plate 27 may be electrically insulated from the extractor electrodes 24. The electrical insulation between the cover plate 27 and the extractor electrodes 24 can be ensured with an electrically insulating spacer 28, which has labyrinth or meandering structures to protect them in the long-term operation against a continuous conductive coating by deposition of fuel. The provision of a cover plate 27 is advantageous because by applying a Voltage potential can be prevented that located in the surrounding particles can reach the ion emitters 222. In addition, deposition of sputter particles or reflected fuel on top of the extractor plate 25 during prolonged use can be prevented.
Im Raumfahrtbetrieb kann die Deckelplatte 27 den Einfluss eines lokalen In aerospace operation, the cover plate 27, the influence of a local
Umgebungsplasmas auf die Antriebseinheiten 23 unterbinden. So wird eine Anziehung von z.B. freien/thermischen Elektronen aus dem Umgebungsplasma zu den lonenemittern 222 unterbunden, die diese beschädigen könnten. Außerdem wird durch das Prevent ambient plasma on the drive units 23. Thus, an attraction of e.g. free / thermal electrons from the ambient plasma to the ion emitters 222 prevented, which could damage them. In addition, by the
Spannungspotenzial der Deckelplatte 27 das Messen eines inkorrekten Emitterstroms durch einen solchen Sekundärelektronenstrom verhindert. Voltage potential of the cover plate 27 prevents the measurement of an incorrect emitter current by such a secondary electron current.
Die Steuereinheit 4 weist weiterhin eine Strommesseinheit 44 auf, um einen Stromfluss in die Extraktorelektrodenspannungsquellen oder aus dem Neutralisator 3 zu messen. The control unit 4 further comprises a current measuring unit 44 for measuring a current flow in the extractor electrode voltage sources or from the neutralizer 3.
Zum Betreiben des Antriebsystems 1 ist es wünschenswert, gleiche bzw. definierte To operate the drive system 1, it is desirable to have the same or defined
Schubvektoren des lonenstrahls aus den lonenemittern 222 einzustellen. Aufgrund von Bauteil- und Aufbautoleranzen treten bei Anlegen gleicher Extraktorelektrodenspannungen unterschiedliche Schubvektoren auf. Adjust thrust vectors of the ion beam from the ion emitters 222. Due to component and assembly tolerances occur when applying the same extractor electrode voltages different thrust vectors.
Es wird daher ein Verfahren vorgeschlagen, um die Stärke des lonenstrahls definiert einzustellen. Dies erfolgt über die definierte individuelle Einstellung der Feldstärke des elektrischen Felds zwischen den lonenemittern 222 und der jeweils zugeordneten It is therefore proposed a method to set the strength of the ion beam defined. This is done via the defined individual setting of the field strength of the electric field between the ion emitters 222 and the respectively associated ones
Extraktorelektrode 24 durch Variation der Extraktorelektrodenspannung bzw. der dem Extraktorelektrodenspannungspotenzial bzw. der Spannungsdifferenz zwischen den Extractor electrode 24 by varying the extractor electrode voltage or the extractor electrode voltage potential or the voltage difference between the
Extraktorelektroden 24 und den zugehörigen lonenemittern 222. Zur Einstellung der Extraktorelektrodenspannung wird ein Verfahren ausgeführt, wie es in dem Flussdiagramm der Figur 5 dargestellt ist. Extractor electrodes 24 and the associated ion emitters 222. To set the extractor electrode voltage, a method is carried out, as shown in the flowchart of Figure 5.
In Schritt S1 wird eine der Antriebseinheiten 23 ausgewählt. In Schritt S2 wird für die ausgewählte Antriebseinheit 23 eine Strom-Spannungskennlinie vermessen. Die Strom- Spannungskennlinie gibt eine Charakteristik eines Stromflusses über einer In step S1, one of the drive units 23 is selected. In step S2, a current-voltage characteristic is measured for the selected drive unit 23. The current-voltage characteristic gives a characteristic of a current flow over one
Spannungsdifferenz zwischen dem Extraktorelektrodenspannungspotenzial und dem Voltage difference between the extractor electrode voltage potential and the
Emitterspannungspotenzial der betreffenden Antriebseinheit 23 an, der sich bei einem durch die Extraktorelektrodenspannung einstellenden Feldstärke in der betreffenden Emitter voltage potential of the respective drive unit 23, which at a setting by the extractor electrode voltage field strength in the relevant
Antriebseinheit 23 einstellt. Das Vermessen erfolgt bei deaktivierten oder mit konstantem (bekanntem) Strom betriebenen (d.h. aktivierten) übrigen Antriebseinheiten 23 und mithilfe der Strommesseinheit 44, die in diesem Fall die Höhe des lonenstroms aller aktivierten Antriebseinheiten 23 misst. Das Messen der Höhe des lonenstroms erfolgt durch Messen des elektrischen Stroms aus der Emitterspannungs-Versorgungsquelle 42 bzw. des elektrischen Stroms, der in die lonenquelle fließt. Der lonenstrom der zu vermessenden Antriebseinheit 23 entspricht im Wesentlichen dem gemessenen in die lonenquelle fließenden elektrischen Strom abzüglich der bekannten lonenströme der übrigen Drive unit 23 sets. The measurement is carried out at deactivated or with constant (known) power operated (ie activated) remaining drive units 23 and using the current measuring unit 44, which measures the height of the ion current of all activated drive units 23 in this case. The measurement of the magnitude of the ion current is accomplished by measuring the electrical current from the emitter voltage supply source 42 and the electrical current flowing into the ion source, respectively. The ion current of the drive unit 23 to be measured corresponds essentially to the measured electrical current flowing into the ion source minus the known ion currents of the others
Antriebseinheiten 23 (d.h. bei aktivierten übrigen Antriebseinheiten 23). Werden mit anderen Worten die übrigen Antriebseinheiten 23 mit einem bekannten Strom betrieben, so lässt sich der lonenstrom der betreffenden Antriebseinheit 23 durch Subtraktion der Ströme der übrigen Antriebseinheiten 23 von dem erfassten Strom ermitteln. Wenn für jede Vermessung lediglich die zu vermessende Antriebseinheit 23 aktiv ist, entspricht der erfasste elektrische Strom dem lonenstrom bei der angelegten Feldstärke bzw. bei der angelegten Drive units 23 (i.e., with the remaining drive units 23 activated). If, in other words, the remaining drive units 23 are operated with a known current, then the ion current of the relevant drive unit 23 can be determined by subtracting the currents of the remaining drive units 23 from the detected current. If only the drive unit 23 to be measured is active for each measurement, the detected electric current corresponds to the ion current at the applied field strength or at the applied
Spannungsdifferenz zwischen dem Emitterspannungspotenzial und dem Voltage difference between the emitter voltage potential and the
Extraktorelektrodenspannungspotenzial. Somit kann eine Strom-Spannungs-Charakteristik für jede der Antriebseinheiten 23 bestimmt werden. In Figur 6 ist eine solche Strom- Spannungskennlinie beispielhaft dargestellt. Extraktorelektrodenspannungspotenzial. Thus, a current-voltage characteristic can be determined for each of the drive units 23. Such a current-voltage characteristic is shown by way of example in FIG.
In Schritt S3 wird überprüft, ob alle Antriebseinheiten 23 vermessen worden sind. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt, andernfalls wird zu Schritt S1 zurückgesprungen und eine nächste noch nicht vermessene Antriebseinheit 23 vermessen. Auf diese Weise wird für jede der Antriebseinheiten 23 eine Strom- Spannungscharakteristik aufgezeichnet. In step S3 it is checked whether all drive units 23 have been measured. If this is the case (alternative: yes), the method is continued with step S4, otherwise it jumps back to step S1 and measures a next not yet measured drive unit 23. In this way, a current-voltage characteristic is recorded for each of the drive units 23.
In Schritt S4 werden die Extraktorelektrodenspannungen so eingestellt, um für jedes der Antriebseinheiten 23 eine Feldstärke einzustellen, die einer gewünschten Stärke des lonenstroms entspricht. In step S4, the extractor electrode voltages are adjusted so as to set, for each of the drive units 23, a field strength corresponding to a desired intensity of the ion current.
Wie weiterhin mit Bezug zu Figur 4 und in Verbindung mit den jeweils verschiedenen As further with reference to Figure 4 and in conjunction with the respective different
Ansichten der Figuren 7a - 7c gezeigt, können die Extraktorelektroden 24 segmentiert ausgebildet sein, wobei Extraktorelektrodensegmente 243 z.B. durch Beabstandung voneinander elektrisch voneinander isoliert sind und in zusammengesetztem Zustand die kreisförmige Extraktorelektrode 24 ausbilden. Es bestehen Möglichkeiten der Anordnung der Extraktorelektrodensegmente 243 entsprechend den Ausführungsformen der Fig. 7a bis 7c, wobei die Extraktorelektroden 24 in vier gleiche Extraktorelektrodensegmente 243 (Figur 7a), in zwei gleiche Extraktorelektrodensegmente 243 (Figur 7b) und in drei As shown in Figs. 7a-7c, the extractor electrodes 24 may be segmented, with extractor electrode segments 243 e.g. are electrically isolated from each other by spacing, and when assembled, form the circular extractor electrode 24. There are possibilities of arranging the extractor electrode segments 243 according to the embodiments of FIGS. 7a to 7c, wherein the extractor electrodes 24 are divided into four equal extractor electrode segments 243 (FIG. 7a), two equal extractor electrode segments 243 (FIG. 7b) and three
Extraktorelektrodensegmente 243 (Figur 7c) segmentiert sind. Durch Variation der Extractor electrode segments 243 (Figure 7c) are segmented. By variation of the
Segmentspannungen an den einzelnen Extraktorelektrodensegmenten 243 einer Extraktorelektrode 24 lässt sich eine Asymmetrie des lonenstrahls, der von dem lonenemitter 222 emittiert wird, d. h. eine Neigung des Verlaufs des lonenstrahls bezüglich der Segment voltages at the individual extractor electrode segments 243 a Extractor electrode 24 can be an asymmetry of the ion beam emitted from the ion emitter 222, ie a slope of the ion beam with respect to the
Ausrichtung zwischen lonenemitter 222 und Extraktorelektrode 24 kompensieren. Eine solche Asymmetrie ergibt sich durch Bauteiltoleranzen und Fertigungstoleranzen der Antriebseinheiten 23. Compensate alignment between ion emitter 222 and extractor electrode 24. Such an asymmetry results from component tolerances and manufacturing tolerances of the drive units 23.
Sind die Extraktorelektroden segmentiert ausgebildet, so kann das obige If the extractor electrodes are segmented, then the above
Kalibrierungsverfahren zunächst durch Anlegen der für die Vermessung benötigten Calibration procedure first by applying the required for the survey
Extraktorelektrodenspannungen an jedes der Extraktorelektrodensegmente durchgeführt werden. Extractor electrode voltages are performed on each of the extractor electrode segments.
Eine Asymmetrie kann beispielsweise während des Kalibrierverfahrens oder in einem separaten Verfahren festgestellt werden. Dazu kann jedes der Extraktorelektrodensegmente 243 mit einer separaten Möglichkeit einer Strommessung versehen werden. Während jede der Antriebseinheiten 23 nacheinander zur Ermittlung der Strom-Spannungscharakteristik vermessen werden, so dass sich ein lonenstrahl ausbildet, wird bei einer oder mehreren bestimmten Extraktorelektrodenspannungen ein parasitärer Strom durch jedes der An asymmetry can be detected, for example, during the calibration procedure or in a separate procedure. For this purpose, each of the extractor electrode segments 243 can be provided with a separate possibility of current measurement. While each of the drive units 23 are successively measured to determine the current-voltage characteristic so that an ion beam is formed, at one or more particular extractor electrode voltages, a parasitic current is passed through each of
Extraktorelektrodensegmente 243 gemessen. Dasjenige Extraktorelektrodensegment 243, durch das der höchste Stromfluss gemessen wird, entspricht beispielsweise dem Extractor electrode segments 243 measured. The extractor electrode segment 243, by which the highest current flow is measured, corresponds to the example
Extraktorelektrodensegment 243, der den lonenstrahl am stärksten in seine Richtung ablenkt und der entsprechend am nächsten an dem lonenstrahl angeordnet ist. Ausgehend von der gewünschten Extraktorelektrodenspannung (bzw. von der gewünschten Feldstärke) können nun die einzelnen Segmentspannungen angepasst werden. Extractor electrode segment 243, which deflects the ion beam most in its direction and which is correspondingly arranged closest to the ion beam. Starting from the desired extractor electrode voltage (or from the desired field strength), the individual segment voltages can now be adjusted.
Durch eine Variation einer an einem Teil der einzelnen Extraktorelektrodensegmente 243 der Antriebseinheit 23 anliegenden Segmentspannungen kann zusätzlich zum Anlegen der Extraktorelektrodenspannung an die übrigen Extraktorelektrodensegmente 243 noch die Richtung des lonenstrahls variiert werden. Beispielsweise kann durch iterative Anpassung der Segmentspannungen an dem Teil der Extraktorelektrodensegmente 243 die Richtung des lonenstrahls an eine gewünschte Richtung, insbesondere die Richtung parallel zur Anordnungsrichtung zwischen lonenemitter 222 und Extraktorelektrode 24 ausgerichtet werden. Durch die iterative Anpassung eines Teils der Segmentspannungen ausgehend von der zuvor bestimmten und eingestellten Extraktorelektrodenspannung können sowohl die Stärke des lonenstrahls genau angepasst werden als auch die Bauteil- und By varying a segment voltage applied to a part of the individual extractor electrode segments 243 of the drive unit 23, in addition to applying the extractor electrode voltage to the remaining extractor electrode segments 243, the direction of the ion beam can be varied. For example, by iteratively adjusting the segment voltages at the portion of the extractor electrode segments 243, the direction of the ion beam may be aligned with a desired direction, particularly the direction parallel to the array direction between ion emitter 222 and extractor electrode 24. Through the iterative adaptation of a portion of the segment voltages, starting from the previously determined and set extractor electrode voltage, both the strength of the ion beam can be exactly adjusted, as well as the component and
Fertigungstoleranzen der Antriebseinheit 23 ausgeglichen werden. Alternativ können alle Segmentspannungen so um die einzustellende Manufacturing tolerances of the drive unit 23 can be compensated. Alternatively, all segment voltages can be adjusted by the
Extraktorelektrodenspannung variiert werden, so dass der Mittelwert der einzelnen Extractor electrode voltage can be varied so that the mean of the individual
Segmentspannungen etwa der Extraktorelektrodenspannung entspricht. Segment voltages about the extractor electrode voltage corresponds.
Beispielsweise kann die Anpassung der einzelnen Segmentspannungen bzw. der Richtung des lonenstrahls insbesondere mithilfe von Spannungsteilern durchgeführt werden, wobei die betreffende Segmentspannung aus der Extraktorelektrodenspannung generiert wird. Somit können Segmentspannungen durch Spannungsteiler, auch einstellbare For example, the adaptation of the individual segment voltages or the direction of the ion beam can be carried out in particular by means of voltage dividers, the segment voltage in question being generated from the extractor electrode voltage. Thus, segment voltages can be controlled by voltage dividers, also adjustable
Spannungsteiler, durch die Extraktorelektrodenspannungsquelle erzeugt werden. Es ist auch eine separate Ansteuerung mit einzelnen Spannungsquellen für jedes Voltage dividers are generated by the extractor electrode voltage source. It is also a separate control with individual voltage sources for each
Extraktorelektrodensegment möglich. Extractor electrode segment possible.
Wird beispielsweise in der Ausführungsform der Fig. 7a ein im Vergleich zu den Strömen in die übrigen Extraktorelektrodensegmente 243 hoher Stromfluss durch eines der For example, in the embodiment of FIG. 7a, a high current flow through one of the high current fluxes compared to the currents in the remaining extractor electrode segments 243
Extraktorelektrodensegmente 243a gemessen, so kann durch Anpassen eines einstellbaren elektrischen Vorwiderstandes bzw. durch Anpassen eines einstellbaren Spannungsteilers die entsprechende Segmentspannung aus der Extraktorelektrodenspannung reduziert werden, um so eine höhere Anziehung der Treibstoffionen des lonenstrahls durch die übrigen Extraktorelektrodensegmente 243 zu erreichen. Dadurch wird der lonenstrahl von dem betreffenden Extraktorelektrodensegment 243a weggelenkt, da dieser mehr von den übrigen Extraktorelektrodensegmenten 243 angezogen wird. Durch entsprechendes Kalibrieren der den Extraktorelektrodensegmenten 243 zugeordneten, veränderbaren Vorwiderstände bzw. der den Extraktorelektrodensegmenten 243 zugeordneten Spannungsteiler kann so eine Kalibrierung der betreffenden Antriebseinheit 23 vorgenommen werden. Auf diese Weise lassen sich Bauteiltoleranzen der Extraktorelektrode 24 und Ausrichtungsfehler ausgleichen, und die Präzision bei der Fertigung und Montage der Extraktorelektrodensegmente 243 und der lonenemitter 222 kann reduziert werden. Extractor electrode segments 243a measured, so by adjusting an adjustable electrical Vorwiderstandes or by adjusting an adjustable voltage divider, the corresponding segment voltage can be reduced from the extractor electrode voltage, so as to achieve a higher attraction of the fuel ions of the ion beam through the remaining extractor electrode segments 243. Thereby, the ion beam is directed away from the respective extractor electrode segment 243a, as it is attracted more by the remaining extractor electrode segments 243. By correspondingly calibrating the variable series resistors assigned to the extractor electrode segments 243 or the voltage dividers assigned to the extractor electrode segments 243, a calibration of the respective drive unit 23 can be carried out. In this way, component tolerances of the extractor electrode 24 and alignment errors can be compensated, and the precision in fabrication and assembly of the extractor electrode segments 243 and the ion emitter 222 can be reduced.
Das obige Feldemissionsantriebssystem kann durch separate Ansteuerung der The above field emission drive system can be controlled by separately controlling the
Antriebseinheiten 23 betrieben werden. Dabei werden die lonenströme der einzelnen Antriebseinheiten 23 gemäß einer Schubvektorsteuerung durch Vorgabe eines Schubvektors bestimmt. Die einzelnen lonenströme werden durch Vorgabe einer entsprechenden sich aus der Strom-/Spannungscharakteristik ergebenden Extraktorelektrodenspannung jeweils eingestellt, so dass neben einer sich aus der Summe der lonenstrahlen ergebenden Drive units 23 are operated. In this case, the ion currents of the individual drive units 23 are determined according to a thrust vector control by specifying a thrust vector. The individual ion currents are respectively set by specifying a corresponding extractor electrode voltage resulting from the current / voltage characteristic, so that in addition to one resulting from the sum of the ion beams
Gesamtschubstärke auch ein vorgegebenes Moment auf das Feldemissionsantriebssystem ausgeübt wird, das sich aus der Anordnung der einzelnen Antriebseinheiten und den jeweiligen durch die betreffenden lonenstrahlen ergebenden Schubstärken resultiert. Total thrust strength is also exerted a predetermined moment on the field emission drive system, resulting from the arrangement of the individual drive units and the respective shear forces resulting from the respective ion beams.

Claims

Ansprüche  claims
Feldemissionsantriebssystem (1 ) für Raumfahrzeuge, umfassend: Field emission drive system (1) for spacecraft, comprising:
eine Steuereinheit (4);  a control unit (4);
eine Triebwerksbaugruppe (2) mit mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten (23), die eine lonenquelle mit mehreren lonenemittern (222) und den  an engine assembly (2) having a plurality of field emission drive units (23) having an ion source with a plurality of ion emitters (222) and the
lonenemittern (222) zugeordneten in einer Feldanordnung angeordneten  Ion emitters (222) assigned arranged in a field array
Extraktorelektroden (24) aufweisen;  Extractor electrodes (24);
mehrere Extraktorelektrodenspannungsquellen (43), die jeweils den  a plurality of extractor electrode voltage sources (43), each of which
Extraktorelektroden (24) zugeordnet sind, um diese gesteuert durch die  Extractor electrodes (24) are assigned to these controlled by the
Steuereinheit (4) mit einer individuellen Extraktorelektrodenspannung  Control unit (4) with an individual extractor electrode voltage
anzusteuern.  driving.
Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach Anspruch 1 , mit einer Strommesseinheit (44), die ausgebildet ist, um einen elektrischen Strom aus den lonenemittern (222) und/oder in die Extraktorelektroden (24) zu messen. A field emission drive system (1) according to claim 1, comprising a current measuring unit (44) adapted to measure an electric current from the ion emitters (222) and / or into the extractor electrodes (24).
Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (4) ausgebildet ist, um eine Feldstärke eines elektrischen Felds zwischen den lonenemittern (222) und der jeweils zugeordneten Extraktorelektrode (24) auf eine bestimmte, einer vorgegebenen Höhe eines lonenstroms A field emission drive system (1) according to any one of the preceding claims, wherein the control unit (4) is adapted to provide a field strength of an electric field between the ion emitters (222) and the respective associated extractor electrodes (24) at a predetermined, predetermined level of ion current
entsprechende Extraktorelektrodenspannung einzustellen, wobei die bestimmte Extraktorelektrodenspannung für eine bestimmte Feldemissions-Antriebseinheit (23) ermittelt wird, indem eine Strom-Spannungscharakteristik der betreffenden set the appropriate extractor electrode voltage, wherein the determined extractor electrode voltage for a particular field emission drive unit (23) is determined by a current-voltage characteristic of the relevant
Feldemissions-Antriebseinheit (23) durch Messen eines Emitterstroms durch den lonenemitter (222) bei gleichzeitig deaktivierten oder mit konstantem Strom betriebenen übrigen Feldemissions-Antriebseinheiten (23) bei verschiedenen Spannungen gemessen wird und die Extraktorelektrodenspannung so eingestellt wird, dass sich ein Emitterstrom der bestimmten Feldemissions-Antriebseinheit (23) einstellt, der der vorgegebenen Höhe des lonenstroms entspricht. Field emission drive unit (23) is measured by measuring an emitter current through the ion emitter (222) with remaining field emission drive units (23) deactivated simultaneously or at constant current at different voltages, and adjusting the extractor electrode voltage such that an emitter current of the particular field emission Drive unit (23), which corresponds to the predetermined height of the ion current.
Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Extraktorelektroden (24) mit zwei, drei, vier oder mehr als vier voneinander elektrisch isolierten Extraktorelektrodensegmenten (243) ausgebildet ist, die gemeinsam eine insbesondere ringförmige Extraktorelektrode (24) bilden, wobei die Extraktorelektrodenspannungsquelle (43) ausgebildet ist, um die A field emission drive system (1) according to any one of the preceding claims, wherein at least one of the extractor electrodes (24) is two, three, four or more than four formed of electrically isolated extractor electrode segments (243), which together form a particular annular extractor electrode (24), wherein the extractor electrode voltage source (43) is adapted to the
Extraktorelektrodensegmente (243) mit individuellen Segmentspannungen so zu versehen, dass im Betrieb eine vorbestimmte Richtung des lonenstrahls eingestellt wird, und/oder wobei separate Segmentspannungsquellen für mehrere der  Extractor electrode segments (243) are provided with individual segment voltages such that in operation a predetermined direction of the ion beam is set, and / or wherein separate segment voltage sources for a plurality of
Extraktorelektrodensegmente (243) vorgesehen sind, um die  Extractor electrode segments (243) are provided to the
Extraktorelektrodensegmente (243) mit individuellen Segmentspannungen so zu versehen, dass im Betrieb eine vorbestimmte Richtung des lonenstrahls eingestellt wird.  Extractor electrode segments (243) to be provided with individual segment voltages so that in operation a predetermined direction of the ion beam is set.
5. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach Anspruch 4, wobei einem Teil der 5. field emission drive system (1) according to claim 4, wherein a part of
Extraktorelektrodensegmente (243) oder allen Extraktorelektrodensegmenten (243) jeweils ein einstellbarer Vorwiderstand oder jeweils ein einstellbarer Spannungsteiler zugeordnet sind, um aus der der betreffenden Extraktorelektrode (24) zugeordneten Extraktorelektrodenspannung oder einer sonstigen vorgegebenen Spannung die individuellen Segmentspannungen zu erzeugen.  Extractor electrode segments (243) or all extractor electrode segments (243) are each assigned an adjustable resistor or an adjustable voltage divider to generate from the respective extractor electrode (24) associated extractor electrode voltage or other predetermined voltage, the individual segment voltages.
6. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Neutralisator (3) vorgesehen ist, um einen Elektronenstrom steuerbarer Stärke abzugeben. 6. field emission drive system (1) according to any one of the preceding claims, wherein a neutralizer (3) is provided to deliver an electron current of controllable strength.
7. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Triebwerksbaugruppe (2) eine lonenquelle mit einem Treibstofftank (221 ) für einen flüssigen oder verflüssigbaren elektrisch leitfähigen Treibstoff (223) umfasst, wobei der Treibstoff (223) an der jeweiligen Extraktorelektrode (24) zugewandten Spitze der lonenemitter (222) zur Feldionisation ausstoßbar ist. 7. field emission drive system (1) according to any one of the preceding claims, wherein the engine assembly (2) comprises an ion source with a fuel tank (221) for a liquid or liquefiable electrically conductive fuel (223), wherein the fuel (223) on the respective extractor electrode (223) 24) facing the ion emitter (222) for field ionization is ejected.
8. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Extraktorelektroden (24) insbesondere ringförmig mit einer Mittenöffnung ausgebildet sind, die konzentrisch zu einer Erstreckungsrichtung der lonenemitter (222) angeordnet sind. 8. field emission drive system (1) according to any one of the preceding claims, wherein the extractor electrodes (24) are in particular formed annularly with a central opening, which are arranged concentrically to an extension direction of the ion emitter (222).
9. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Extraktorelektroden (24) durch eine Extraktorplatte (25) gehalten und voneinander elektrisch isoliert sind, wobei die Extraktorplatte (25) insbesondere aus 9. field emission drive system (1) according to any one of the preceding claims, wherein the extractor electrodes (24) by an extractor plate (25) are held and electrically isolated from each other, wherein the extractor plate (25) in particular from
nichtleitendem Material gebildet ist. is formed of non-conductive material.
10. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Extraktorelektrodenspannungsquellen (43) jeweils einen einstellbaren 10. field emission drive system (1) according to any one of the preceding claims, wherein the extractor electrode voltage sources (43) each having an adjustable
Spannungsteiler aufweisen, um eine einstellbare Extraktorelektrodenspannung vorzugeben.  Voltage divider to specify an adjustable extractor electrode voltage.
1 1. Feldemissionsantriebssystem (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine, mindestens eine oder jede der Extraktorelektroden (24) voll oder teilweise umfänglich einen in Richtung der lonenemitter (222) hervorstehende elektrisch leitende erste Abschirmungsstruktur (242) aufweist, und/oder wobei eine, mindestens eine oder jede der Extraktorelektroden (24) voll oder teilweise umfänglich eine zu den lonenemittern (222) abgewandten Richtung hervorstehende elektrisch leitende zweite Abschirmungsstruktur (245) aufweist. 1 1. A field emission drive system (1) according to any one of the preceding claims, wherein one, at least or each of the extractor electrodes (24) has fully or partially circumferentially in the direction of the ion emitter (222) protruding electrically conductive first shielding structure (242), and / or wherein one, at least one or each of the extractor electrodes (24) has fully or partially circumferentially an electrically conductive second shielding structure (245) protruding away from the ion emitters (222).
12. Verfahren zum Kalibrieren des Feldemissionsantriebssystems (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Feldstärke eines elektrischen Felds zwischen den lonenemittern (222) und der jeweils zugeordneten Extraktorelektrode (24) für jede der mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten (23) auf eine einem 12. A method for calibrating the field emission drive system (1) according to one of the preceding claims, wherein a field strength of an electric field between the ion emitters (222) and the respective associated extractor electrode (24) for each of the plurality of field emission drive units (23) on a
vorgegebenen einzustellenden lonenstrom entsprechende  corresponding preset ionic current corresponding
Extraktorelektrodenspannung einstellbar ist, die sich aus einer Strom- Spannungscharakteristik und dem vorgegebenen einzustellenden lonenstrom einer betreffenden der mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten (23) ergibt, mit folgenden Schritten:  Extractor electrode voltage is adjustable, which results from a current-voltage characteristic and the predetermined set ion current of a respective one of the plurality of field emission drive units (23), comprising the following steps:
für jede der Feldemissions-Antriebseinheiten (23), Messen einer Strom- Spannungscharakteristik durch Messen eines Emitterstroms durch den lonenemitter (222) der betreffenden Feldemissions-Antriebseinheit (23) bei gleichzeitig deaktivierten oder mit konstantem Strom betriebenen übrigen  for each of the field emission drive units (23), measuring a current-voltage characteristic by measuring an emitter current through the ion emitter (222) of the relevant field emission drive unit (23) with the other being deactivated or operated with constant current
Feldemissions-Antriebseinheiten (23) bei verschiedenen  Field emission drive units (23) at different
Extraktorelektrodenspannungen  Extraktorelektrodenspannungen
Einstellen der Extraktorelektrodenspannungen für jede der Feldemissions- Antriebseinheiten (23) jeweils abhängig von der Strom-Spannungscharakteristik und dem vorgegebenen lonenstrom, so dass sich ein Emitterstrom der betreffenden Feldemissions-Antriebseinheiten (23) einstellt, der dem  Setting the extractor electrode voltages for each of the field emission drive units (23) in each case depending on the current-voltage characteristic and the predetermined ion current, so that an emitter current of the relevant field emission drive units (23) adjusts to the
vorgegebenen einzustellenden lonenstroms entspricht.  corresponds preset ion stream corresponding.
13. Verfahren zum Betreiben eines Feldemissionsantriebssystems (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei eine Feldstärke eines elektrischen Felds zwischen den lonenemittern (222) und der jeweils zugeordneten Extraktorelektrode (24) für jede der mehreren Feldemissions-Antriebseinheiten (23) auf eine einem vorgegebenen einzustellenden lonenstrom entsprechende Extraktorelektrodenspannung einstellbar ist, die sich aus einer Strom-Spannungscharakteristik und dem vorgegebenen einzustellenden lonenstrom einer betreffenden der mehreren der Feldemissions- Antriebseinheiten (23) ergibt, A method of operating a field emission drive system (1) according to any one of claims 1 to 1 1, wherein a field strength of an electric field between the ion emitters (222) and the respective associated extractor electrode (24) for each of the plurality of field emission drive units (23) a given one can be set to the ion stream to be set corresponding to the extractor electrode voltage, which results from a current-voltage characteristic and the predetermined ion current to be set for a relevant one of the plurality of field-emission drive units (23),
wobei ein vorgegebener Schubvektor des Feldemissionsantriebssystems (1 ) eingestellt wird, indem jede der Feldemissions-Antriebseinheiten (23) mit einer individuellen Extraktorelektrodenspannung angesteuert wird, so dass sich der vorgegebene Schubvektor als Summe der lonenstrome aus den Feldemissions- Antriebseinheiten (23) resultiert. wherein a predetermined thrust vector of the field emission drive system (1) is adjusted by driving each of the field emission drive units (23) with an individual extractor electrode voltage such that the predetermined thrust vector results as the sum of the ion currents from the field emission drive units (23).
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