霍尔效应推进器 |
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| 申请号 | CN201280057438.2 | 申请日 | 2012-11-19 | 公开(公告)号 | CN103987964B | 公开(公告)日 | 2017-03-29 |
| 申请人 | 斯奈克玛公司; | 发明人 | F·R·J·玛彻德斯; 安东尼·克劳得·博纳德·洛兰; V·M·韦尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种霍尔效应 推进器 ，特别是一种具有可倾斜推 力 的霍尔效应推进器(1)，其中，磁路的末级包括内极(18)，该内极相对于外极对于推进器(1)的横断面倾斜。(15)在下游处轴向地偏移，使得所述 磁场 (M)相 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种可操纵推力的霍尔效应推进器(1)，包括： |
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| 说明书全文 | 霍尔效应推进器技术领域[0001] 本发明涉及霍尔效应推进器领域。 [0002] 本发明更具体地涉及可操纵推力的霍尔效应推进器，其具有环形通道、阳极、喷射回路、磁路和阴极。该环形通道由两个具有一中心轴线的同心壁限定，具有一开放端和一封闭端，并包括处于封闭端旁的上游段，该上游段被径向壁细分为多个分开的间隔区。该阳极位于环形通道的封闭端处。该喷射回路适用于将推进气体(例如诸如氙)喷射到该环形通道的间隔区中，并且包括至少一个独立的用于每个间隔区的流速调节器装置。该磁路适用于在该环形通道的开放端处形成磁场。该阴极位于该环形通道的开放端的外部。 [0003] 在本文中，术语“上游”和“下游”被定义为相对于推进气体沿着由所述环形通道的中心轴线限定的轴线的通常流动方向。 背景技术[0004] 通常，在这种霍尔效应推进器处于工作状态时，电子由阴极发射并朝向位于环形通道的底部的阳极被吸引，且在位于两壁之间的螺旋轨道中被磁场捕获，由此形成虚拟阴极栅。电子由这种磁罩朝向阳极逃逸，并与通过喷射回路被喷射至环形通道内的推进气体中的原子发生碰撞，从而形成离子化等离子体。 [0005] 等离子体中的正离子被存在于阳极和虚拟阴极栅之间的电场加速，该虚拟阴极栅由被位于环形通道的开放端处的磁场所捕获的电子云形成。因为这类正离子的质量远大于电子的质量，所以这些离子的轨迹很难被磁场影响。这种等离子流中的正离子最终会被阴极所发射的或是在等离子体电离过程中已经产生的电子在磁场的下游处中和。 [0006] 霍尔效应推进器已开始被应用于航天器的运行姿态和轨迹控制系统(AOCSs)中，尤其是被应用于地球同步卫星的AOCSs中。从上述功能上看，霍尔效应推进器的优点在于能够精确地控制运载工具(航天器)的运行姿态和/或位置，同时与传统系统相比(传统系统利用诸如像反作用轮之类的惯性器件且与用于减饱和目的的化学推进器结合)，明显地质量更小并且复杂程度更低。 [0007] 通常情况下霍尔效应推进器的推力是不可操纵的，必须要同时使用多个霍尔效应推进器以获得在期望方向上的推力，以便改变航天器的指向和/或位置。这尤其意味着用于推进器的电源供电电路相当复杂。可选地，也有文献表示可将霍尔效应推进器安装在枢轴座上，用于操纵推进器的推力，例如在2005年美国Princeton的29th International Electric Propulsion Conference(第29届国际电力推进会议)中H.Grey,S.Provost,M.Glogowski和A.Demaire 所发表的文献“Inmarsat4F1plasma propulsion system initial flight operations”(IECP-2005-282)所描述的。然而，这样的枢轴座却有相当可观的力学复杂性，且要求其运动部件在非常严苛的航天器环境中总是承受堵塞的风险。 [0008] 为了减少这些缺陷，美国专利第5845880号提出一种霍尔效应推进器，其可通过最后磁级(last magnetic stage)来操纵，该最后磁级被细分为多个可独立启动的区段。因此，推力的方位可通过改变磁场而被改变，其缺点是要围绕环形阴极的开放端的整个边界维持磁罩，并由此维持虚拟阴极栅。此外，电源为针对功率可变的最后磁级供电也在一定程度上增加了推进器的复杂性。 [0009] 2008年5月5日至8日在希腊Heraklion举办的Space Propulsion Conference(航天推进会议)上出版的由O.Duchemin,M.Saverdi与D.Estublier所著文献“Performance and lifetime assessment of a thrust steering device for the PPS1350Hall effect plasma thruster”中，以及2009年9月至10月第25卷第5期出版的“Journal of Propulsion and Power”中的文献“Performance modeling of a thrust vectoring device for Hall effect thrusters”中，描述了针对可操纵推力的霍尔效应推进器的实验；这种可操纵推力的霍尔效应推进器与美国专利第5845880号的霍尔效应推进器类似，但是除了被细分为多个可独立启动的区段的最后磁级之外，还额外包括多个推进气体喷射喷嘴；这些推进气体喷射喷嘴分布在环形通道中且流速调节独立，以便使喷射至环形通道内的气体发生改变和不均匀分配。然而，这些文献中所描述的通过喷射至环形通道内的气体的不均匀流速来操纵推力却相对无效，并且考虑到流速调节器装置带来的额外的复杂性，这甚至令人感到沮丧。 [0010] 欧洲的专利申请EP1021073A1同样也描述了一种可操纵推力的霍尔效应推进器，其具有分布在环形通道中并具有独立流速调节装置的多个推进气体喷射喷嘴。此外，在该推进器中，环形通道被径向壁分隔为多个间隔区。然而在该文献中提出，环形通道中气体流速不均匀分布的目的是为了横向地移动推进轴线而非改变其方向。磁路具有一带有内极的末级，该内极相对于外极在上游处轴向地偏移，由此使推进气体的离子流集中。与美国专利第5845880号相同，推力通过不均匀的磁场来操纵，最后磁级也同样会被细分为多个独立启动的区段。 发明内容[0011] 本发明的目的是提供一种霍尔效应推进器，其能够以一种更有效的方式操纵推力，而不必依赖于控制磁场或在以机械方式使推进器枢转。 [0012] 在至少一个实施例中，所述目的通过以下方式达成：在磁路的末级包括内极和对面的外极，内极相对于外极在下游处轴向地偏移，使得磁场相对于推进器的横断面倾斜。 [0013] 依靠这些配置，由被磁场捕获的电子形成的虚拟阴极栅也是倾斜的，并且以这种方式沿多个发散方向，对应于环形通道的多个间隔区中的每个间隔区，驱动多个推进气体射流。不同于会聚式射流，这些发散式射流不会表现出互相干涉的缺点，从而能够使每个间隔区的相联系的推进方向基本上与其它间隔区的方向不同，并因此能够控制来自推进器的整个推力的方向，以借助被喷射至每个间隔区中的气体的不均匀流速分配，使推进器更有效地被操纵。 [0014] 在第二方案中，该环形通道具有位于开放端旁的下游段，且子午面沿下游方向偏离，以限制被电离的推进气体的分散射流对所述壁(尤其是外壁)的腐蚀。 [0015] 在第三方案中，该环形通道为非轴对称的。具体地，该环形通道的横截面可具有一主对称轴线和一副对称轴线，该副对称轴线垂直于并短于该主对称轴线。因为与每个间隔区相关的推力的横向分量基本上垂直于该环形通道的边界，所以这样一种非对称的构造(比其它方向，较有利于在一些横向方向上的推进气流速且由此较有利于在一些横向方向上的推力)尤其适合应用于例如控制地球同步卫星的轨道，其推进器沿一特定横向方向的操纵能力需要被给予与相对于其它横向方向相比更高的优先权。然而，在替代的实施例中，也可设想使用对称形状。 [0016] 在第四方案中，至少一个独立的流速调节器装置连接至控制单元，由此使该流速调节器装置能够被控制、多个这类装置被一起控制、甚至多个霍尔效应推进器被一起控制(假若它们全部连接至同一控制单元的话)。 [0017] 在第五方案中，同心壁由陶瓷材料制成，因为陶瓷材料的电磁特性和抗腐蚀的能力，所以在此特别合适。 [0018] 本发明还提供了一种航天器，其整合有上述可操纵推力的霍尔效应推进器，该推进器用于控制航天器的运行姿态和/或轨道，并且本发明涉及一种借助霍尔效应推进器来产生可操纵推力的方法。 [0019] 实现该方法的至少一个实施方案包括如下步骤：由位于环形通道的开放端的外部的阴极发射电子，该环形通道由具有中心轴线的两个同心壁限定；借助磁路在该环形通道的开放端处形成磁场，以捕获从该阴极发射的电子，由此在该环形通道的开放端和处在封闭端处的阳极之间形成电场；经由喷射回路将推进气体喷射至该环形通道的上游段中，该上游段被径向壁细分为多个分开的间隔区，每个间隔区接收由调节器装置独立调节的气流；借助从该磁场朝向该阳极逃逸的电子来使推进气体电离；借助电场使被电离的推进气体沿着轴向朝向该环形通道的开放端加速；以及最终，借助虚拟阴极栅使被电离的推进气体向外径向地偏转，该虚拟阴极栅相对于该推进器的横断面倾斜并且是由被所述磁路的末级捕获的电子形成的，所述磁路的末级包括内极和对面的外极，且内极相对于外极在下游处轴向地偏移。 [0021] 通过阅读以非限定性示例的方式对实施例给出的详细描述，可良好地理解本发明及其优点。该描述涉及多个附图，其中： [0022] 图1示出了该实施例中可操纵推力的霍尔效应推进器的立体图； [0023] 图1A示出了图1中可操纵推力的霍尔效应推进器的俯视图； [0024] 图1B示出了在图1A中的IB-IB线上截取的可操纵推力的霍尔效应推进器的纵切面； [0025] 图2A、图2B、图2C示出了图1中推进器发生横向推进的示意性俯视图； [0026] 图3示出了装有如图1所示的可操纵推力的霍尔效应推进器的地球同步卫星的示意性立体图，该可操纵推力的霍尔效应推进器用于控制地球同步卫星的运行姿态和轨道。 具体实施方式[0027] 图1、图1A和图1B示出了一实施例中的同一霍尔效应推进器1的不同视图。推进器1具有环形通道2，该环形通道由围绕中心轴线Z'的两个同心壁3、4限定，这些同心壁由陶瓷材料制成。环形通道2具有一开放端5和一封闭端6。在封闭端6旁，径向壁7将环形通道2的上游段2a细分为分开的间隔区8。在封闭端6，环形通道2还有一阳极9和一喷嘴10，阳极9可从多个间隔区8中被分隔出来，喷嘴10则用于将推进气体喷射到每个间隔区8中。喷嘴10通过喷射回路11连接至推进气体源，喷射回路11包括独立的用于每一个喷嘴10的流速调节器装置12。例如，每一个装置12可为铅笔阀(pencil valve)或热力毛细管(thermo-capillary)；热力毛细管即带有加热装置从而能够主动控制自身温度、且由此主动控制其内部流速的毛细管。这些装置12也可与被动节流器结合。推进气体通常是氙，其具有分子量高和电离电势相对较低的优点。不过在其它的霍尔效应推进器中，许多种类的推进气体都可以使用。 [0028] 在环形通道2的开放端5旁，环形通道2具有向外侧向倾斜的下游段2b。因此，在该下游段2b中，内壁3和外壁4两者向外倾斜，从而使在内壁3和外壁之间限定出的子午面P同样地向外倾斜，并因此沿下游方向偏离。 [0029] 推进器1也有磁路。围绕着外壁4，磁路包括磁芯13，磁芯13被线圈14环绕并终结于外极15，外极15靠近环形通道2的开放端5。磁路还具有中央磁芯16，中央磁芯16位于推进器1的中心处，该磁芯被线圈17环绕并终结于内极18；内极18的极性与外极15相反，并位于环形通道2的开放端5附近面对外极15，由此在内极与外极之间产生径向磁场M。相对于中心轴线Z'，内极18对于外极15处在下游，使得磁场M相对于横断面倾斜，并基本上垂直于子午面P。最后，推进器1还有一空心阴极19，空心阴极19位于环形通道2的开放端5的下游。 [0030] 环形通道2并不是轴对称的。尤其是在所示实施例中，该环形通道2的横截面呈跑道形，其具有主对称轴线X'和较短的副对称轴线Y'。因此，该横截面呈现出两个直线段和两个使直线段相连的半圆段。因此子午面P在直线段中平坦，而在半圆段中则呈圆锥形。不过其它形状也可以作为选择，包括那些非轴对称的形状(例如椭圆形横截面)以及轴对称的形状。 [0031] 在操作中，在位于环形通道2的开放端5的下游的空心阴极19和位于环形通道2的封闭端的阳极9之间，会产生通常处于150V至800V的范围内的电压。因此，空心阴极19开始发射电子，这些电子大部分被捕获于由磁场M形成的磁罩中，磁场M典型地在100高斯至300高斯的量级。被捕获在这一磁罩中的电子由此形成虚拟阴极栅。因此在环形通道中，在阳极9和该虚拟阴极栅之间产生电场E。 [0032] 高能电子通常具有处于10电子伏(eV)至40eV的范围内的能量，高能电子从磁罩朝向阳极9逃逸，同时推进气体通过喷嘴10被喷射至间隔区8中。这些电子与该推进气体的原子碰撞以使推进气体电离，推进气体随后通过电场E而朝向环形通道2的开放端5被加速。由于推进气体的离子质量比电子质量大若干量级，所以磁场M无法以相同方式限制这些离子。然而，磁场M的倾斜，因此还有由该磁场M捕获的电子形成的虚拟阴极栅的倾斜，使得电场E的横向分量增大，从而使经过下游段2b以及环形通道2的开放端5的被电离的推进气体在向外方向上显著偏转。推进气体被喷射至每个间隔区8内，因此产生分推力Fc，分推力Fc具有一轴向分量Fc,ax以及一横向分量Fc,lat，该轴向分量平行于中心轴线Z'，该横向分量处在针对每一个间隔区并且垂直于环形通道2的轮廓线的方向上。 [0033] 来自推进器1的总推力F是对应于所有被推进气体喷射的间隔区8的多个分推力Fc之和。若这些分推力Fc对称，则它们的横向分量Fc,lat相互抵消，并且总推力基本上沿着中心轴线C的方向。但是若一个间隔区8由流速大于相对的间隔区8的推进气体来推动，则对应于流速大的推进气体的间隔区8的分推力Fc就会胜过对应于相对的间隔区8的分推力。因此，总推力F就会产生横向分量Flat。 [0034] 转向图2A至图2C，能够更清晰的看到，推进气体的总流速在各个间隔区8中的分配，是如何影响来自推进器1的总推力F的横向分量Flat的方向和模量的。因此一种情况示于图2A，其中，处在主对称轴线X'的一侧的间隔区8中的流速大于处在相对侧的间隔区中的流速。结果，位于主对称轴线X'的一侧的这些间隔区的分推力也同样地较大，且来自推进器1的总推力F存在垂直于该主对称轴线X'延伸的横向分量Flat。图2B示出了另一种情况，其中，处在副对称轴线Y'的一侧的间隔区8中的流速大于处在相对侧的间隔区中的流速。因此在这第二种情况下，推进器1的总推力F存在垂直于副对称轴线Y'延伸的横向分量Flat。但是由于推进器1的非轴对称形状，此方向上的横向分量Flat要小于前一种所述情况。最终，可以控制喷射到各个间隔区8的推进气体，以便在中心轴线Z'周围360°的范围上操纵推力的横向分量Flat。因此，图2C示出了第三种情形，其中，在推进器1的三个象限中喷射推进气体，以产生相对于对称轴线X'和Y'两者倾斜的横向分量Flat。 [0035] 图3示出了人造卫星20，其具有两个可操纵推力的霍尔效应推进器1，霍尔效应推进器1用于控制人造卫星的运行姿态和轨道。如图所示的人造卫星20是地球同步卫星，其运行姿态关于三个轴线被维持，并沿着轨道22(基本上是赤道线)相对于方位轴线Z和南-北轴线Y以基本上固定的方式运行。为此目的，第一推进器1被固定于人造卫星的底面20a，第二推进器1被固定于人造卫星的顶面20b。这两个推进器1被连接至至少一个推进气体箱(未示出)和至少一个电源(未示出)，推进气体箱和电源分别用以向推进器供给推进气体和电力。这两个推进器1还连接至一控制单元(未示出)；该控制单元连接至姿态与/或位置传感器，例如像行星传感器、太阳(恒星)传感器、地球或地平线传感器、惯性传感器、磁力计、重力计等等。因此该控制单元能够判断人造卫星20的运行轨迹和姿态，并能够应用事先记录的或从地面基站传输到人造卫星20的指令程序，来控制推进器1以修改或调整人造卫星20的运行轨迹与/或姿态。典型地，这样的地球同步卫星的太阳能板23被安装在沿着指向南-北轴线Y的臂上，以便通过在人造卫星20的运行轨道中关于南-北轴线Y旋转板面23，来更好地跟踪太阳。 [0036] 在如图示出的人造卫星20中，每一个推进器1的中心轴线Z'与方位轴线Z对准，主对称轴线X'与东-西轴线X平行，而且副对称轴线Y'与南-北轴线Y平行。因此两个推进器1的主推进方向与方位轴线Z对准，以保持运行轨道。同时，这两个推进器1能够沿南-北方向提供较大推力，沿东-西方向提供较小的横向推力。来自推进器1的沿南-北方向的横向推力用于控制轨道22的倾斜角，也用于为人造卫星20围绕其东-西轴线X提供操纵扭矩。来自推进器1的沿东-西方向的横向推力则主要用于围绕卫星的南-北轴线Y操纵人造卫星20。重要的是应看到，由于太阳能板23的位置，人造卫星20上围绕东-西轴X的惯量矩，通常大于其围绕南-北轴Y的惯量矩。推进器1的非对称形状也因此良好地适应于围绕轴X和Y操纵人造卫星20。 [0037] 虽然以上是参考特定实施例来描述本发明的，但很明显也可以尝试各种对实施例的修正和改变，并且其没有超越本发明的权利要求所限定的一般范围。特别地，各个示出的实施例的独立特征可以被结合起来形成补充的实施例。因此，以上的说明和附图更应该被看作是说明性质的而非限定性质的。 |
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