用于航天器的推进的同步多相交变电流静电离子推力器制造技术

一种同步多相交变电流静电离子推力器，其包括：具有中心轴线的电离室，其包括用于要在电离室中被电离的推进剂气体的推进剂气体进口端口、进口、出口和点火器；推进剂气体源，其与推进剂气体进口端口连接；离子加速器，其沿电离室的中心轴线的方向被布置在电离室的与推进剂气体进口端口相反的出口处，该离子加速器包括至少三个加速栅，至少三个加速栅在电离室的中心轴线方向上彼此间隔开并且它们均垂直于电离室的中心轴线而延伸；点火电路，其与点火器电连接；至少三个高频线圈，其围绕电离室的至少一部分；高频电离电力生成单元，其与至少三个高频线圈电连接；以及多相高压高频电力生成单元，其与离子加速器的至少三个加速栅电连接。电连接。电连接。

【技术实现步骤摘要】
用于航天器的推进的同步多相交变电流静电离子推力器


[0001]本申请涉及一种用于诸如例如卫星、微型火箭等的航天器的推进或者任何需要离子加速器的地方的同步多相交变电流静电离子推力器(SPACE
‑
IT)。具体地，本专利技术涉及一种“同步多相交变电流(AC)”的高频(优选地0.6MHz至10MHz)高压“静电离子推力器”(SPACE
‑
IT)，其可以用于例如航天器推进系统或者任何需要离子加速器的地方。

技术介绍

[0002]尽管化学推进式推力器被广泛用于航天器，但替代性技术的电推进式根据以下描述了典型的电推进式装置的文件是众所周知的，例如授予Davis等人的US3,052,088、授予Kaufman的US3,156,090、授予Blackman的US2,952,970、Langmuir等人的US2,880,337、授予R.Killinger等人的DE19948229C1、或授予M.Gianfranco等人的EP0560742A1。
[0003]众所周知，与化学推进式推力器相比，静电离子推力器分别提供了非常高的比冲和较高的排气速度，这意味着它们在同等推力水平下需要的推进剂质量要少得多。
[0004]但是，尽管如此，当今使用直流电流(DC)作为加速电压的静电离子推力器的技术/方法的性能是有限的。
[0005]由于这些推力器的性质，即，使用直流电流(DC)作为加速电压，它们需要非常特殊并因此非常昂贵的栅极材料，以克服在离子以非常高的速度撞击栅极时由于溅射现象造成的栅极腐蚀问题。当然，这一方面降低了离子推力器的寿命，另一方面因为可能积聚了栅极材料沉积物而造成栅极的电力不足，从而造成离子推力器的灾难性损失。
[0006]为了克服这个问题，在EP 2 722 278 A2中提供了一种栅极清除电路和方法。已知的方法使用足以电熔/烧毁沉积物的高电流。因此，推进系统需要额外的板载特定电路，并且当然还需要一定的恢复时间。
[0007]直流(DC)静电离子推力器的另一非常关键的现象是，由于从推进剂气体原子中提取的电子为了生成离子而被推力器本身同化，推力器和因此航天器开始被带上静电荷。如果不使用额外的方法，在最坏的情况下，推力器和航天器所带上的电荷将达相当高的水平以至于不能生成更多的推力，因为离子被带静电负电荷的航天器强烈吸引。
[0008]为了克服这个问题，需要附加的系统，该系统的功能是在推力器的出口处对离子进行中和，事实上，在一定水平上，通过将之前在电离室中提取出的电子归还给离子而使得大部分的离子被中和。通过这样的方式，当航天器带上静电负电荷时，由于离子被静电中和，这些离子不会被航天器吸引，并因此推力器可以生成期望的推力。
[0009]当然，这种附加的系统一方面使推力器的设计复杂，因此价格昂贵且对系统故障更加敏感，而另一方面，这种附加的系统需要附加的推进剂，从而生成期望数量的电子。
[0010]需要提到的另一缺点是，由于使用直流电流(DC)作为加速电压，根据其性质，被负极化加速栅加速的离子在离开推力器时会被吸引回到出口加速栅直到中和为止，因此这些离子会被减速，以这种方式失去一定水平的最大可实现离子速度，这又会造成最大可实现比冲的减少。

技术实现思路

[0011]因此，本专利技术的目的是提供一种静电离子推力器，该静电离子推力器能够提供下述中的至少一者：更高的离子速度、更高的比冲、更高的离子生成效率、以及不需要离子中和器。
[0012]该目的是通过一种用于航天器的推进的静电离子推力器来实现的，所述航天器为诸如例如卫星、微型火箭等，该静电离子推力器包括：具有中心轴线的电离室，该电离室包括：推进剂气体进口端口、进口、出口、以及点火器，所述推进剂气体进口端口用于要在电离室中被电离的推进剂气体，该点火器位于推进剂气体进口端口与电离室之间；用于待被电离的推进剂气体的推进剂气体源，该推进剂气体源与推进剂气体进口端口连接，并且该推进剂气体源适于将可电离的推进剂气体通过推进剂气体进口端口供应到电离室中；离子加速器，该离子加速器沿着电离室的中心轴线的方向被布置在电离室的与推进剂气体进口端口相反的出口处，该离子加速器包括至少三个加速栅，至少三个加速栅在电离室的中心轴线方向上彼此间隔开，并且至少三个加速栅均垂直于电离室的中心轴线而延伸；点火电路，该点火电路电连接至点火器，并且该点火电路适于与点火器一起生成静电场，该静电场能够生成所供应的推进剂气体的负离子，这些负离子通过标称推进剂气体流被输送到电离室的进口；至少三个高频HF线圈，至少三个HF线圈围绕电离室的至少一部分；高频电离电力生成单元，该高频电离电力生成单元电连接至至少三个HF线圈，从而生成从电离室的进口朝向出口行进的高频线性行进电磁场，并且所述高频线性行进电磁场能够对电离室中的推进剂气体进行电离；以及多相高压电力生成单元，该多相高压电力生成单元电连接至离子加速器的至少三个加速栅，并且该多相高压电力生成单元适于与加速栅一起将所生成的离子朝向离子加速器的出口加速。要注意的是，在最简单的形式下，推力器甚至不需要包括推进剂气体源。但它必须仅可以连接至推进剂气体源。
[0013]在特定实施方式中，多相高压高频电力生成单元适于生成多相高压高频交变电流，并且多相高压高频电力生成单元适于跨至少三个加速栅生成线性行进静电场，优选地其中，交变电流(19)在三个相位的情况下的各相位之间的相移为120
°
，或者所述交变电流(19)在六个相位的情况下的各相位之间的相移为60
°
。
[0014]优选地，至少三个加速栅电连接至多相高压高频电力生成单元，并且多相高压高频电力生成单元是至少3相高压电力生成单元，其中，多相高压高频电力生成单元的相序被设定为使得生成的线性行进静电场是从离子加速器的进口朝向出口的。
[0015]根据另一特定实施方式，各相位的相应的施加电压是相同的，并且相邻的加速栅之间的距离从离子加速器的进口/所述进口(第一栅)到离子加速器的出口/所述出口(最后的栅)进行增加。
[0016]特别地，在为三个相位并且从离子加速器的进口到出口按顺序对应于第一加速栅、第二加速栅和第三加速栅的情况下，第二加速栅与第三加速栅之间的距离d2对应于下述等式的解：
[0017]d2^2
‑
d1*d2
‑
3.3127*d1^2＝0，
[0018]其中，d1是第一加速栅与第二加速栅之间的距离，特别地其中，各相位的相应的施加电压是相同的，
[0019]‑
在为六个相位并且从离子加速器(4)的进口(39)到出口(40)按顺序对应于第一
加速栅、第二加速栅、第三加速栅、第四加速栅、第五加速栅和第六加速栅的情况下，距离d2、d3、d4、d5对应于下述等式的解：
[0020]d2^2
‑
d1*d2
‑
3.6506*d1^2＝0
[0021]d3^2
‑
d2*d3
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同步多相交变电流的静电离子推力器(SPACE
‑
IT)(100)，所述同步多相交变电流的静电离子推力器(100)用于航天器的推进，所述航天器为诸如例如卫星、微型火箭等，所述静电离子推力器(100)包括：具有中心轴线的电离室(3)，所述电离室(3)包括：推进剂气体进口端口(1)、进口(52)、出口(47)以及点火器(2)，所述推进剂气体进口端口(1)用于要在所述电离室(3)中被电离的推进剂气体，所述点火器(2)位于所述推进剂气体进口端口(1)与所述电离室(3)的所述进口(52)之间，用于待被电离的推进剂气体的推进剂气体源(22.1)，所述推进剂气体源(22.1)与所述推进剂气体进口端口(1)连接，并且所述推进剂气体源(22.1)适于将可电离的推进剂气体通过所述推进剂气体进口端口(1)供应到所述电离室(3)中，离子加速器(4)，所述离子加速器(4)沿着所述电离室(3)的中心轴线的方向被布置在所述电离室(3)的与所述推进气体进口端口(1)相反的出口(47)处，所述离子加速器(4)包括至少三个加速栅(5，6，7)，至少三个所述加速栅(5，6，7)在所述电离室(3)的中心轴线的方向上彼此间隔开，并且至少三个所述加速栅(5，6，7)均垂直于所述电离室(3)的中心轴线延伸，点火电路(13)，所述点火电路(13)电连接(21)至所述点火器(2)，并且所述点火电路(13)适于与所述点火器(2)一起生成静电场，所述静电场能够生成所供应的推进剂气体的负离子(23)，所述负离子(23)通过标称推进剂气体流被输送到所述电离室(3)的所述进口(52)，至少三个高频线圈(16)，所述至少三个高频线圈(16)围绕所述电离室(3)的至少一部分，高频电离电力生成单元(12)，所述高频电离电力生成单元(12)电连接(20)至所述至少三个高频线圈(16)，从而生成从所述电离室(3)的所述进口(52)朝向所述出口(47)行进的线性行进电磁场(24)，所述线性行进电磁场(24)能够对所述电离室(3)中的所述推进剂气体(25)进行电离，以及多相高压高频电力生成单元(11)，所述多相高压高频电力生成单元(11)电连接(19)至所述离子加速器(4)的至少三个所述加速栅(5，6，7)，并且所述多相高压高频电力生成单元(11)适于与所述加速栅(5，6，7)一起将所生成的离子(25)和自由电子(26)从所述离子加速器(4)的所述进口(39)朝向所述出口(40)同步加速。2.根据权利要求1所述的静电离子推力器(100)，其中，所述多相高压高频电力生成单元(11)适于生成多相高压高频交变电流(19)，并且所述多相高压高频电力生成单元(11)适于跨至少三个所述加速栅(5，6，7)生成线性行进静电场(29，30，31，48，49，50)，优选地其中，所述交变电流(19)的在三个相位的情况下的各相位之间的相移为120
°
，或者所述交变电流(19)的在六个相位的情况下的各相位之间的相移为60
°
。3.根据权利要求1或2所述的静电离子推力器(100)，其中，至少三个所述加速栅(5，6，7)电连接(19)至所述多相高压高频电力生成单元(11)，并且所述多相高压高频电力生成单元(11)是至少3相高压电力生成单元(11)，其中，所述多相高压高频电力生成单元(11)的相序被设定为使得线性行进静电场(29，30，31，48，49，50)或所生成的线性行进静电场(29，
30，31，48，49，50)是从所述离子加速器(4)的所述进口(39)朝向所述出口(40)的。4.根据前述权利要求中任一项所述的静电离子推力器(100)，其中，各相位的相应的施加电压是相同的，并且相邻的加速栅(5，6，7)之间的距离从所述离子加速器(4)的进口(39)/所述进口(39)到所述离子加速器(4)的出口(40)/所述出口(40)进行增加。5.根据权利要求4所述的静电离子推力器(100)，其中：
‑
在为三个相位并且从所述离子加速器(4)的所述进口(39)到...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦斯里奥斯，
申请(专利权)人：瓦斯里奥斯，
类型：发明
国别省市：