用于控制离子推进器的方法和离子推进器系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于控制离子推进器的方法(100)，该离子推进器包括发射电极、提取电极和沉积在发射电极上的导电液体，该离子推进器适于在将电场施加到导电液体时发射离子束，离子束适于向推进器提供推力，推力取决于发射电流I

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于控制离子推进器的方法和离子推进器系统


[0001]本专利技术涉及一种用于控制离子推进器的方法。本专利技术还涉及一种实现这种方法的离子推进器系统。
[0002]非限制性地，本专利技术的领域是航天器推进领域。

技术介绍

[0003]对于诸如卫星之类的航天器，已知各种推进技术，例如化学推进、冷气推进或电力推进。
[0004]诸如立方体卫星(CubeSats)之类的小型化卫星被越来越多地用于传输信息和太空探索。
[0005]与常规卫星不同的是，使用小型化卫星可以显著降低与部署卫星相关联的成本。这些卫星还具有机动性更高的优点。
[0006]对于这些微小卫星，适当的推进和控制系统是必需的。然而，已知的推进技术具有缺陷，出于技术或效率的原因，无法容易地适用于微小卫星。例如，所述化学推进器的排气速度受到燃烧释放的固有比能限制。此外，用于化学推进器或基于电离气体的推进器的燃料贮箱和供电系统体积大且重，这使得它们与小型化卫星和微小航空器的推进不兼容。
[0007]已经提出了一种基于电喷射的推进器，称为离子推进器。电喷射技术是一种电力推进方式，其通过在大约每米十亿伏的静电场中喷射和加速离子，从离子液体生成推力。一个示例是使用场发射电力推进的推进器。特别地，这种类型的推进器适合于需要微牛顿至几毫牛顿的推力值来控制重量为1kg至300kg的航空器的取向和位置的应用。
[0008]离子推进器基本上由发射电极(其包括一组发射器)、提取电极、推进剂贮箱和(在某些情况下)加速电极组成。
[0009]在P.C.Lozano的《Less in Space》(美国科学家，104卷，270页(2016))中描述了这类系统的示例。发射电极具有注入离子液体的多孔尖端形式的多个对齐的发射器，以及提取电极和加速电极，各自中的开口与尖端对齐。
[0010]在S.Dandavino等人的《Microfabricated electrospray emitter arrays with integrated extractor and accelerator electrodes for the propulsion of small spacecraft》(微机械微工程学报，24，075011(2014))中描述了离子推进器系统的另一示例，其中，发射器包括用于将推进剂液体供给到其端部的毛细微管，推进剂液体在该处被电离。
[0011]在I.Vasiljevich等人的《Development of an Indium mN
‑
FEEP Thruster》(第44届AIAA/ASME/SAE/ASEE联合推进会议及展览，2008年7月21
‑
23，Hartford，CT)中描述了离子推进器系统的另一示例，其中，通过加热使其达到熔点的液体铟膜在一组微孔结构中扩散，通过施加电场，达到熔点的液体铟膜在该处被电离。
[0012]施加大约1至10kV的电势差以在发射器的尖端处产生局部强电场。该电场使得位于发射器尖端处的液体推进剂膜变形成锥形结构，称为泰勒锥，并在锥顶点处提取带电颗
粒。然后，带电颗粒被所施加的电场加速到大约每秒数十千米的高速。
[0013]离子推进器的推力取决于通量或发射电流，以及由此喷射出的离子的速度。为了这种推进器有效运作，必须控制喷射出的离子的通量和速度。

技术实现思路

[0014]本专利技术的一个目的在于提出一种用于控制离子推进器的方法，其允许独立于发射电流对喷射出的离子的速度进行控制。
[0015]本专利技术的另一目的在于提出一种用于控制离子推进器的方法，其允许独立于发射的离子的极性，对推进器的推力进行控制。
[0016]本专利技术的另一目的在于提出一种用于控制离子推进器的方法，其允许长时间运作而不耗尽发射的离子物质，因此，在推进器中没有任何反离子积聚。
[0017]本专利技术的另一目的在于提出一种用于控制离子推进器的方法，其高效且适合用于纳米卫星(大约1kg至50kg)和微型卫星(大约50kg至300kg)。
[0018]通过用于控制离子推进器的方法，实现这些目的中的至少一个，离子推进器包括发射电极、提取电极和沉积在发射电极上的导电液体，离子推进器适于在将电场施加到导电液体时发射离子束，离子束适于向推进器提供推力，推力取决于发射电流I
em
和离子发射速度，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0019]‑
通过借助于电流发生器向发射电极施加阈值发射电势V
thresh
来将发射电流调整为设定值I
c
；以及
[0020]‑
当达到发射电流的设定值I
c
时，通过借助于电压发生器向提取电极施加提取电势V
ext
来调整发射速度，以使发射电势V
em
达到预定值V
em
＝V
thresh
+V
ext
。
[0021]推进器的推力以牛顿表示，定义如下：
[0022][等式1][0023][0024]其中含义分别为，q是喷射出的颗粒的电荷，m是其质量，I
em
是喷射出的电流或通量，V
em
是发射器的电势。
[0025]根据本专利技术的用于控制离子推进器的方法，提出了调整发射电流的步骤，其对应于激活推进器的阶段，以及调整发射速度的步骤，其对应于增加喷射出的离子的速度的阶段。
[0026]在激活阶段中，通过借助于电流源向发射电极施加发射电势来发起离子喷射。由此，在发射电极处创建了通过场蒸发喷射离子所需的大约例如109V/m的局部电场。通量或喷射出的离子的数量由发射电流的设定值确定，该值通过电流源传送并调整。利用阈值发射电势来达到发射电流的设定值。电流源例如由以“电流源”模式运作的高压电压源来构成，其适于快速传送所期望的离子流。
[0027]在增加离子的速度的阶段中，通过借助于电压源使提取电极达到提取电势来选择喷射出的离子的速度和因此具有的能量。因此，通过调整提取电势，可以选择、设置和维持离子的速度和因此具有的束流电势在期望的水平。在这种情况下，“束流电势”指代在分别
施加到发射电极和提取电极的发射电势和提取电势之间导致的电势。
[0028]当发射电势的阈值改变时，可以因此对束流电势进行设置，以长时间维持推进器的正常运行。例如，由于导电液体中的物质耗尽，同时反离子的积聚会影响感兴趣的离子物质的迁移率，因此阈值可能增大。因此，可以通过观察发射电势的阈值或设置的束流电势的值的改变来监测导电液体的劣化。此外，可以以自动方式采取对策，以便不超过发射的离子物质和推论(即反离子的积聚)的临界耗尽阈值，从而保护推进器免于免受由于这些相互关联、累积的积聚和耗尽机制而导致的具有劣化作用的化学反应。
[0029]借助于根据本专利技术的控制方法，彼此独立地控制离子的发射和加速，这允许更有效且更长时间地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于控制离子推进器(10)的方法(100)，所述离子推进器包括发射电极(11)、提取电极(12)和沉积在所述发射电极(11)上的导电液体，所述离子推进器(10)适于在将电场施加到所述导电液体时发射离子束，所述离子束适于向所述推进器(10)提供推力，所述推力取决于发射电流I
em
和离子发射速度，其特征在于，所述方法(100)包括以下步骤：
‑
通过借助于电流发生器向所述发射电极施加阈值发射电势V
thresh
来将所述发射电流调整(102)为设定值I
c
；以及
‑
在达到所述发射电流的设定值I
c
时，通过借助于电压发生器向所述提取电极施加提取电势V
ext
来调整(104)所述发射速度，以使所述发射电势V
em
达到预定值V
empr
＝V
thresh
+V
ext
。2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，调整所述发射电流的步骤(102)通过将施加到所述发射电极的电势的值从0逐渐增加到阈值V
thresh
来实现，所述发射电流I
em
在所述阈值处达到所述设定值I
c
。3.根据权利要求1或2所述的方法(100)，其特征在于，调整所述发射速度的步骤(104)通过以下步骤之一实现：
‑
施加0V的电势，
‑
施加与所述发射电势符号相同的电势，或者
‑
施加与所述发射电势符号相反的电势。4.根据任一前述权利要求所述的方法(100)，其特征在于，调整所述发射电流的步骤(102)包括自动控制所述发射电流的设定值I
c
的步骤。5.根据任一前述权利要求所述的方法(100)，其特征在于，调整所述发射电流的步骤(102)还包括设置所述发射电流的...

【专利技术属性】
技术研发人员：雅克，
申请(专利权)人：法国国家科学研究中心，
类型：发明
国别省市：