等离子推进器和用于产生等离子推进推力的方法 |
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| 申请号 | CN201280069755.6 | 申请日 | 2012-12-19 | 公开(公告)号 | CN104114862A | 公开(公告)日 | 2014-10-22 |
| 申请人 | 奥尼拉(国家宇航研究所); | 发明人 | 瑟吉·拉里格尔戴尔; | ||||
| 摘要 | 涉及可微型化的等离子 推进器 的本 发明 包括：-通过接近于出口并且位于用于注入推进剂气体的装置内部的微空心 阴极 放电对等离子进行点火，该注入装置为 磁性 体并且在其下游端处包括尖端；-在注入装置的排出端处使被磁化的等离子的 电子 进行旋磁旋转；-通过电子回旋谐振(ECR)维持等离子，注入装置为金属并且被用作用于电磁(EM)发射的天线，ECR等离子在注入装置的出口处的容积被用作EM波的 谐振腔 ；-通过反磁 力 在磁 流体 喷管中 加速 等离子，被喷射的等离子为电中性的。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种等离子推进器(2、120)，包括： |
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| 说明书全文 | 等离子推进器和用于产生等离子推进推力的方法[0001] 本发明涉及等离子推进器和通过该等离子推进器产生推进推力的方法。 [0002] 人造卫星通常使用辅助引擎或推进器执行轨道或姿态校正动作。以同样的方式，旨在用于太阳系勘探的航天探测器具有推进器，推进器允许它们将其自身非常精确地定位在行星周围或者甚至是着陆到小行星上以从其取得材料样品。 [0003] 通常，已知为化学或推力推进器的这些推进器通过使用如肼(N2H2)或过氧化氢(充氧水)的液体燃料最多提供几牛顿的推力。在这些推进剂的分解期间，化学能转换成热，然后在热气在喷嘴中的扩散期间转换成推力。化学推进器的主要缺点在于它们的比冲量受限制，而这使得推进剂需要操作它们表现卫星的总质量的一半而它们的高推进剂消耗量限制了卫星的使用寿命。 [0004] 为了能够使航天任务走的更远并且持续更久，近年来已可出现了具有相比于化学推进器的优点的等离子推进器，其提供更多特殊脉冲，相比于动力系统的质量显著地增加了工作负载以及卫星的使用寿命。如将看到的是，它们的主要缺点在于：缺乏点火的可靠性，特别是当推进剂气体压力低时；因某些元件的离子轰击导致它们有限的使用寿命；以及它们对于它们例如在微型卫星上的使用的小型化限制。尽管比化学推进器的能量产率更高，但是应注意如果改善它们的能量产率，甚至可以面对更远或更长的任务。 [0005] 等离子推进器可以根据考虑它们点火等离子的模式或者朝着喷嘴的出口加速等离子的模式而以不同的方式被分类。应注意，这两个标准相对与彼此独立并且彼此同样重要。事实上，点火模式确定推进剂气体的电离的完全性和点火的可靠性，由此确定推进器的可靠性，并且可以确定等离子放电腔室的大小、推进器的重量和能量产率。就加速等离子的模式而言，这确定了推力、比冲量和能量产率，并且可以确定推进器的空间要求、重量和使用寿命。 [0006] 如果它们的点火模式被考虑为分类标准，等离子推进器的第一种类是如专利申请US 5,640,843中所描述的、已知为“电弧喷射”推进器的推进器，其原理为通过电弧以推进器气体的喷射方式对等离子进行点火。推进器的这种种类的优点在于，所有都一样，除了其提供比其他类型的等离子推进器高的推力，但其具有以下主要缺点：这些推进器具有相比于其他等离子推进器的比冲量低的比冲量；消耗大量电流；因电极和放电腔室的内部被达到数千至数万度的量级的温度的离子和电子轰击而导致具有有限的使用寿命；要求余热被排出到空间，而这导致了可怜的能量产率。此外，当推进剂气体的局部压力低时等离子的点火缺乏可靠性。 [0007] 根据这种同样的标准，等离子推进器的第二种类是在包含待被电离的推进剂气体的放电腔室中通过电磁(EM)波的谐振，通常是通过微波的谐振单独地对它们的等离子进行点火的等离子推进器的类型。这种种类的推进器的主要缺点在于因只有小部分的EM能量被等离子吸收而导致相对低的能量产率。此外，推进剂气体的电离很少是完全的，特别是当推进剂气体流率高时，并且在推进剂气体的局部压力低时等离子的点火缺乏可靠性。 [0008] 根据这种同样的标准，等离子推进器的第三种类是使用等离子的被磁化的自由电子的“旋磁谐振”或者“电子回旋谐振”(ECR)的等离子推进器的种类。随着磁场对于等离子的施加导致了其自由电子以同一个确定方向在同一个确定频率处自旋，等离子理论上可以在哪里被点火，然后通过电磁波的总吸收维持等于1的能量产率，电磁波的磁场以与这些磁化电子相同的速度并且以相同的方向旋转。为了实际上最大化这种能量产率，放电腔室的长度实质上等于电磁波在真空中的半波长的整数，而这提出了放电腔室的小型化问题并由此提出了推进器的小型化问题。事实上，为了能够增加EM波的谐振频率同时仍具有ECR条件，必需相关地增加磁场的强度，这最初预料到了强力电磁感应圈的使用、但是这些线圈的空间要求和重量与小型化推进器的目的背道而驰。此外，由于需要发射至放电腔室中的许多源(如，推进剂气体源、EM波源和磁场源)这种小型化问题的复杂的。专利EP0505327描述了这种推进器。其他技术领域也使用ECR等离子源，例如集成电路的生产领域。专利申请US20050287描述了ECR离子源，装配有电磁感应圈，用于微电子学中的离子注入。因为作为适合于用作空间推进器的通病的焦耳效应导致的损失，电磁感应圈的使用导致了对于相对低能量产率的显著的重量和空间要求。此外，推进剂气体的电离很少是完全的，特别是当推进剂气体流率高时，并且在推进剂气体的局部压力低时等离子的点火缺乏可靠性。最终，这些推进器经常遭受在其名为离子泵效应下已知的指向上游的寄生等离子喷射的存在的影响。 [0009] 与它们如何对等离子点火的方式无关，等离子推进器还可以根据在喷嘴中加速等离子的模式的第二标准进行分类。 [0010] 根据这种第二标准，第一族群是已知为“静电式”的等离子推进器的族群，其通过朝着喷嘴的出口加速等离子的力的静电性质而被特征化。该族群进而可以被分类成三个种类：加速器格栅推进器、霍耳效应推进器和场效应推进器。 [0011] 加速器格栅推进器的种类通过来自放电腔室的离子通过被电极化的格栅的系统加速的事实特征化。应注意，所喷射的等离子并不是电中性的。加速器格栅推进器具有限制了它们的有效性和使用寿命的以下缺点：通过加速器格栅的正离子束腐蚀了推进器，这限制了这些推进器的使用寿命；被喷射的离子与被喷射的电子重组并且产生材料在固定有推进器的卫星的太阳电池板上的模糊沉淀；放电腔室必需具有大容积；因为在放电腔室的墙壁处和加速器格栅处的等离子泄漏导致了能量产率相对低；以及因次级电子导致推力受到格子内部的密度限制的约束。在专利申请JP01310179和US2004/161579A1中、专利US7,400,096B1中、以及在刊登在THIN SOLID FILMS(薄固体膜)，ELSEVIER-SEQUOIA S.A.LAUSANNE，CH，第337卷，第1-2号，1999年1月11日，第71-73页，XP004197099，ISSN：0040-6090，DOI：10.1016/S0040-6090(98)01187-0中的MORRISON N.A.等人所著的文章“High rate deposition of ta-C:Husing an electron cyclotron wave resonance plasma source(使用电子回旋谐振波等离子源的ta-C:H的高比例沉积)”和刊登在SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY(表面和涂覆技术)，ELSEVIER，AMSTERDAM，NL，第202卷，第22-23号，2008年8月30日(2008-08-30)，第5262-5265页，XP025875510，ISSN：0257-8972，DOI：10.1016/J SURFCOAT.2008.06.069中的NISHIYAMA K等人所著的文章“Microwave power absorption coefficient of an ECR Xenon ion thruster(ECR氙离子推进器的微波功率吸收系数)”中给出了加速器格栅推进器的例子。 [0012] 霍耳效应推进器的种类通过圆柱形阳极和待负电荷的等离子而被特征化。霍耳效应推进器使用带电粒子在交叉的磁场和电场中的漂流。它们的缺点在一方面为伴随有极化电极的连续的电场的存在，而在另一方面为对于与在这些电极周围形成外壳关联的等离子体密度的限制，与容易穿透到电离介质中而使得超高频(UHF)放电是有益的超高频场不同，这些电子与连续的电场对于等离子的穿透对置。US 2006/290287描述了这种推进器。 [0013] 场效应推进器的种类通过金属流体的电离、其加速、然后其电中和性而被特征化。 [0014] 根据这种第二标准，第二族群是已知为"电磁式"的等离子推进器的族群。该族群进而可以被分类成六个种类：脉冲感应式推进器、磁等离子体动力推力器、无电极式推进器、电热式推进器、螺旋双层推进器和μgradB推进器。 [0015] 脉冲感应式推进器的种类通过间断的时间间隔的加速而被特征化。 [0016] 磁等离子体动力推力器的种类通过使推进剂气体电离并且在其中产生电流并且电流转而产生通过洛伦兹力加速等离子的磁场的电极而被特征化。 [0017] 无电极式推进器的种类通过没有电极而被特征化，而这移除了对于等离子推进器的使用寿命的弱点。其中的推进剂气体在第一腔室中通过EM波电离，然后传送至供等离子通过用于产生已知为有质动力的力的不均匀且振动的电磁场加速的第二腔室中。专利US7,461,502描述了这种推进器。该种类的推进器的缺点在于它们使用电磁感应圈来产生振荡磁场，因为都是相对高的它们的空间要求、它们的重量和它们因娇儿效应的能量损失是适合于空间应用的通病。 [0018] 电热式推进器的种类通过等离子加热至百万度量级的温度，然后将该温度局部转换成轴向速度而被特征化。这些推进器要求高功率电磁感应圈以产生非常强的磁场以能够约束等离子，等离子的电子因它们的温度而具有非常高的速度。除了这些线圈的空间要求和重量以外，它们通过焦耳效应的散热也显著地降低了这些推进器的能量产率。专利US6,293,090描述了这种推进器，更确切地，其涉及使用等离子不通过其电子的谐振加热的、可变比冲量磁等离子体火箭(VASIMR)类型的较低混合谐振(经由等离子的离子与电子的结合振荡而通过超低频UHF波的耦合的能量吸收)射频(RF)推进器，这通常是这种种类的推进器的情况，但是其离子通过高功率EM波激励。 [0019] 螺旋双层推进器的种类通过将推进剂气体注入到周围缠绕有天线的管状腔室而被特征化，该天线用于发射高到足以电离气体然后以通过这种方式产生等离子的方式产生进一步增加等离子的温度的螺旋波的电力的电磁波。 [0020] “μgradB”推进器的种类还被称为“空间电荷场”推进器，其通过它们抗磁性质的力而被特征化。由J.-M.Rax所著的书“Physique des plasmas，cours et application；等离子体物理及其实施”的5.1章节彻底地解释了在讲台或缓慢可变的磁场中通过UHF电磁场激励的电子的运动原理。特别是在第152页上，描述了存在有被感应的长线的收敛或发散并因此存在有与μgradB磁矩成比例并且与磁场的坡度成比例的在该场的方向上的力。该力被称为“μgradB”或反磁力。形成本专利申请的主题的推进器有效地完全基于在本章节的课程中解释的“传统的”物理原理、在第153页提到的对于μ磁矩的不变性的绝热性假设大大满足本发明的情况。然而，这本书并未公开如何设计通过ECR维持等离子的等离子推进器，其大小可以相对于电磁波的半波长减小并且其点火的可靠性甚至是在推进剂气体的局部压力非常低的条件下改善。刊登在JOURNAL OF PROPULSION AND POWER(推进和动力期刊)1996年7-8月AIAA，第12卷，第4号，1996年7月(1996-07)，第814-816页，XP008133752中的由STALLARD B.W.等人所著的文章“Whistler-driver，electron-cyclotron-resonance-heated thruster:experimental status(惠斯勒驱动器，电子回旋谐振加热推进器：实验状态)”描述了反磁力推进器，该反磁力推进器的等离子通过由EM波产生的电子波点火并维持，EM波具有比旋磁频率低的频率，并且由两个螺旋形线圈天线并通过由电磁感应圈产生的磁场发射，并且具有比ECR强度大的强度。推进剂气体被注入到磁场已减小至低于ECR强度的区域中。其导致了该推进器的推进剂气体的不完全电离的问题。为了限制这种电离的这种不完全性，气体腔室被隔断。虽然其解释当气体流率减小时电离变得更加完全，但是尽管这种预防，仍需要甚至对于低流率的不完全性。也不是关于改善对于非常低流率的推进剂气体的点火的可靠性作出的任何公开或者减小该推进器大小的装置。 [0021] 目前工艺水平的等离子推进器并没有在所有电磁波功率和推进剂气体流率下，特别是对于非常低的流率和非常低的推进剂气体局部压力下同时结合可靠点火(系统性且瞬间性点火)与完全电离的优点；不存在导向上游的寄生等离子喷射；相对于用于维持等离子的EM波的半波长具有减小的大小的放电腔室；能够在允许永久磁铁的使用的磁场强度下操作由此避免电磁感应圈的空间要求、重量和因焦耳效应导致了损失；使推力和比冲量的受控制的变化变得可能；能够实现接近于1的能量产率；加速中性等离子，由此不需要被中和；以及其使用寿命不受因等离子的部分磨损的限制、也不受气体推进器沉淀在太阳电池板上的限制。 [0022] 本发明目的在于生产能够具有接近于1的能量产率的推进器，诸如使用通过ECR的点火并且具有比使用通过ECR的点火的目前工艺水平的推进器更小的尺寸的推进器。如可在下面的描述中可见，发明人将说明该推进器结合所有上述的优点，特别是由于通过与磁场线的特定集合配置、推进剂气体的注入和EM波发射一同产生的等离子的新型点火的实施。 [0023] 本发明的原理是在一方面通过减小放电腔室的长度并且另一方面通过由发射EM波的天线注入推进剂气体而减少ECR等离子推进器的大小，放电腔室的长度的减小是通过由磁场约束的、如EM波的谐振腔的电子谐振等离子区域的使用而实现的，因为ECR等离子的折射率比用于如EM波的谐振腔的本领域的等离子推进器中的放电腔室的折射率大5至10倍。 [0024] 更确切地，本发明涉及等离子推进器，包括：包括内腔和排出口的放电腔室；包括能够沿着预定义轴线将推进剂气体注入到放电腔室中的注入喷嘴的至少一个注入装置；所述注入喷嘴具有排出端；能够以旋磁旋转方式设定存在于放电腔室中的推进剂气体的电子的磁场发生器；以及能够通过产生至少一个电磁波来辐射存在于放电腔室中的推进剂气体的电磁波发生器，至少要一个电磁波的电场具有右手圆极化和与通过所述磁场发生器磁化的推进剂气体的电子的旋磁谐振的频率fECR相等的频率，其特征在于： [0025] -所述磁场发生器能够： [0026] ○在一方面，产生磁场，该磁场具有： [0027] ■位于注入喷嘴的内部和注入喷嘴的排出端处具有强度的第一局部最大值； [0028] ■场线，场线确定具有与允许电子在所述电磁波的作用下回旋谐振的强度相等的强度的、被称为“ECR表面”的等场表面(iso-field)，所述ECR表面包围所述注入喷嘴的排出端，通过ECR表面限定的容积为电磁波的谐振腔； [0029] ■位于注入喷嘴的内部的磁场强度的第二局部最大值，第二局部最大值以所述注入喷嘴的内部的磁场的强度的局部极小值与第一局部最大值分离； [0030] ○在另一方面，使所述场线具有喷嘴的形状以产生反磁推进力； [0031] -所述注入装置： [0032] ■由导电材料制成并且被电连接至所述电磁波发生器以使其也充当将电磁波发射到位于所述注入喷嘴的出口处的推进剂气体中的电磁天线； [0033] ■由磁性传导材料制成，从而使得在后者内部实现磁场强度的所述第二局部最大值变得可能； [0034] ■在所述注入喷嘴的下游端处包括具有小于几毫米的外径的注入通道。 [0036] 还应注意，导致ECR表面正确地定位在用于注入由微空心阴极放电电离的推进剂气体的喷嘴的出口(在数毫米量级的距离处)处的磁场线的形状的重要性。该定位有助于从注入喷嘴出来的所有中性气体通过ECR表面而被电离的事实。 [0037] 应注意，推进剂气体和电磁(EM)波通过相同装置的注入在一方面使具有更紧凑的放电腔室变得可能，在另一方面保证EM波照射使气体密度最大化的区域变得可能，这使得从注入喷嘴出来的中性气体的电离水平最大化，这是通过STALLARD B.W.等人描述的“μgradB”推进器的问题中的一个。 [0038] 最后，应注意，EM波发射天线的定位于ECR表面的结合使将照射集中至由供EM波返回以谐振的ECR表面限定的容积中，这使EM能量通过等离子的吸收最大化并因此使推进器的能量产率最大化。 [0039] 根据特定实施方式，等离子推进器包括以下特征中的一个或多个： [0040] -根据上述实施方式的等离子推进器，其中，磁场发生器作为磁场源包括与预定义轴线共轴地布置并且具有第一磁极和第二磁极的、具有圆环形状的至少一个永久磁铁、与第一磁极成整体的第一磁性元件以及与第二磁极成整体的第二磁性元件，所述第一磁极和所述第二磁极分别被布置在离预定义轴线第一距离处和第二距离处；第二距离比第一距离长，第一磁极和第二磁极分别被布置在注入喷嘴相对于推进剂气体的流动方向的上游和下游处，场线与注入喷嘴相交并且形成相对于所述预定义轴线位于10°与70°之间的角度。 [0041] -根据上述实施方式的等离子推进器，其中，沿着预定义轴线定义的放电腔室的内腔的长度比所述电磁波在真空中的半波长小5至10倍，放电腔室具有位于0.7平方厘米与30平方厘米之间的内部横截面积；其中，中央注入通道具有位于0.7平方毫米与3平方毫米之间的内部横截面积。 [0042] -根据上述实施方式的等离子推进器，其中，所述第一局部最大值、局部最小值和第二局部最大值的磁场强度分别为约0.18特斯拉、0.01特斯拉和0.05特斯拉。 [0043] -根据上述实施方式的等离子推进器，其中，所述电磁波能够沿着与预定义轴线平行的轴线传播，以及其中，在预定义轴线处，所述磁场梯度平行于预定义轴线；磁场梯度在由推进剂气体被喷射的方向定义的方向上从上游至下游是负的。 [0044] -根据上述实施方式的等离子推进器，包括用于调制电磁波的功率的装置和用于控制推进剂气体的流率的装置，电磁波的所述功率在第一操作模式中位于0.5瓦特与300瓦特之间，优选地位于0.5瓦特与30瓦特之间。 [0045] -根据上述实施方式的等离子推进器，包括在一方面布置在所述电磁波发生器的出口处的循环器，在另一方面，布置在由已知为等离子推进器的出口平面的排出口定义的平面的下游处的导电性圆柱形套，导电性圆柱形套的直径基本上等于电磁波的波长的四分之一并且导电性圆柱形套的长度基本上等于电磁波的波长的四分之三。 [0047] 此外，在不存在套的情况下，仅仅与右旋圆偏振对应的EM波的小部分将被用于在引擎内部具有等离子的ECR，而其余的EM波通过在排出孔中衍射而返回至EM发生器或者辐射至外侧。如上特征化的套的存在使到达套的所有EM功率能够朝着引擎的内侧反射，然后允许通过布置在所述EM发生器处的所述循环器使返回至发生器的部分被再次发送回推进器的腔。当其进入腔时，通过循环器反射的一小部分功率进而被右手圆极化并且通过ECR等离子吸收，在本阶段不被吸收的一小部分EM波再次经历相同的循环周期，直至所有EM能量被ECR等离子吸收。伴随这种循环器的这种套的组合能够在推进器的所有操作配置中实现接近于1的能量产率。应注意，套可以由精细金属网制成，并因此可以是轻的。 [0048] -根据上述实施方式的等离子推进器，包括与轴线共轴的两个注入装置，两个注入装置中的一个将待被电离的气体供给到ECR表面，另一个通过气体流率和电弧喷射操作增加推力。 [0049] 本发明还涉及通过等离子推进器产生推进推力的方法，包括以下步骤： [0050] ■使用包括被称为注入喷嘴的排出端的注入装置沿着预定义轴线将推进剂气体注入到包括内腔和排出口的放电腔室中； [0051] ■使用磁场发生器产生能够以旋磁旋转方式设定存在于放电腔室中的推进剂气体的电子的磁场； [0052] ■使用电磁波发生器将至少一个电磁波发射到存在于放电腔室中的推进剂气体中，其中至少一个电磁波的电场具有右手圆极化和与通过所述磁场发生器磁化的推进剂气体的电子的旋磁谐振频率fECR相等的频率； [0053] ■通过推进剂气体的电离点火等离子； [0054] ■通过电子的回旋谐振的维持等离子； [0055] 其特征在于： [0056] -等离子的点火通过注入装置的微空心阴极放电来实现，注入通道使用由磁性材料制成并且在其下游端处包括具有小于几毫米的外径的注入通道； [0057] -推进剂气体的注入和电磁波的发射由同一个注入装置并且在放电腔室中的同一个地点进行，所述注入装置由导电材料制成并且电连接至电磁波发生器以将电磁波从所述注入喷嘴发射到位于气体的出口处的推进剂气体中，以最小化推进剂气体在出口上电离的水平； [0058] -所述磁场的产生如下： [0059] ○在一方面，磁场具有： [0060] ■位于注入喷嘴的内部和注入喷嘴的排出端处的强度的第一局部最大值； [0061] ■场线，场线确定具有与允许电子在所述电磁波的作用下回旋谐振的强度相等的强度的、被称为“ECR表面”的等场表面，所述ECR表面包围所述注入喷嘴的排出端； [0062] ■在注入喷嘴的内部的磁场强度的第二局部最大值，第二局部最大值以所述注入喷嘴的内部的磁场强度的局部极小值与第一局部最大值分离； [0063] ○在另一方面，磁场使所述场线具有喷嘴的形状以产生反磁推进力； [0064] -等离子通过电子的回旋谐振的维持通过电磁波在由ECR表面限定的容积中的谐振来实现。 [0065] 应注意，等离子的点火并不通过ECR实现，这通常是在目前工艺水平的反磁力推进器的情况，而是通过微空心阴极放电实现。一旦等离子已被点火并且定位在位于注入喷嘴的出口处的已知为点火容积的容积中，该等离子通过电磁波设定在ECR中，这使其折射率乘上5至10的系数上然后能够将该容积用作电磁波的谐振腔，由此增加了能量产率。EM波的谐振介质的、比目前工艺水平的折射率高的该折射率在一方面因为对等离子的点火和维持不再需要放电腔室的长度与EM波在真空中的半波长的整数相等，所以能够减小放电腔室的长度，在另一方面因为可以使用较低频率的EM波，所以能够使用具有较低强度、能够通过简单地使用永久磁体实现的磁场。 [0066] 等离子通过微空心阴极放电的点火与工作条件无关地、特别是与气体流率和EM电离无关地提供了系统且几乎瞬时的点火，并因此明显地增加了推进器的可靠性。根据本发明的推进器因此属于新类型的等离子推进器。 [0067] 此外，有利地，根据上述实施方式的等离子推进器，其中，等离子推进器还包括用于调制电磁波的功率的装置、用于控制气体流率的装置、能够将推进剂气体注入到放电腔室中的外围注入通道；以及其中，方法包括以下步骤： [0068] -通过外围注入通道将推进剂气体注入到放电腔室中的注入步骤； [0069] -通过外围注入通道注入到放电腔室中的推进剂气体的流率的调节步骤； [0070] -电磁波的功率的调制步骤。 [0072] 图1是根据本发明的等离子推进器的轴向剖面图； [0073] 图2是图1的局部放大图，示出了通过根据本发明的等离子推进器的发生器产生的磁场的场线； [0074] 图3是根据本发明的方法的步骤的图表； [0075] 图4是根据本发明的变形实施方式的推进器的轴向剖面图；以及[0076] 图5是示出沿着推进器的轴线A-A的磁场的图表。 [0077] 参照图1，根据本发明的等离子推进器2包括支承体4，支承体4支承通向排出口48的排气腔室6。 [0079] 腔14包括与预定义轴线A-A共轴的中央注入通道10。中央注入通道10由例如磁性金属管构成。其具有比腔14的直径小的外径，以使得其与支承体4一同形成布置在支承体4的内壁与中央注入通道10的外壁之间的外围注入通道12。 [0080] 特别是，中央注入通道10具有0.5mm至2mm的内径，优选地具有在1mm与1.5mm的内径。外围注入通道12具有3mm至20mm的外径，优选地具有6mm至12mm的外径，外围注入通道12的内径是中央注入通道10的外径。 [0081] 换言之，中央注入通道10具有0.7平方毫米至3平方毫米的内部横截面积。作为变型，中央注入通道10和外围注入通道12具有方形截面。 [0082] 中央注入通道10通过绝缘块16和夹环20被固定到支承体4。特别是，中央注入通道10的一部分被固定到绝缘块16的通孔中。绝缘块16被布置和固定在位于支承体4的肩部18与夹环20的支承面21之间的腔14中。夹环20被旋入到支承体4的端部9的外缘上。 [0083] 第一O形环22被介入在绝缘块16与肩部18之间。第二O形环24被介入在绝缘块16与夹环20的支承面21之间。 [0084] 在本发明的内容中，中央注入通道10和外围注入通道12形成将推进剂气体注入到腔室6中的两个装置。 [0085] 为了实现这个目的，中央注入通道10的一个端部通过管28连接至推进剂气体源30。开口31被布置在支承体4中。该开口31通向外围注入通道12。该开口31通过管44连接至推进剂气体源30以在处于被称为“电弧喷射”操作模式的第二操作模式中的等离子推进器的操作期间向外围注入通道12供给推进剂气体。 [0086] 该源30装配有用于控制气体的流率的装置32。 [0087] 在被称为“传统”操作模式的第一操作模式中，推进剂气体的流率位于每小时0.1克与每小时40克之间。 [0088] 在被称为“电弧喷射”操作模式的第二操作模式中，推进剂气体的流率位于每小时1克与每小时400克之间，优选地位于每小时10克与每小时400克之间。 [0089] 中央注入通道10的另一个端部包括尖端36，例如，通过将通道的环形边缘磨成斜边而形成。 [0090] 尖端36从支承体4向外延伸至排放腔室6中。这通过被称为“尖端放电”的效果来帮助推进剂气体的电离。尖端放电使得能够将磁场集中成放电腔室的容积，又称为点火容积。这并不是通过集中电场的线的电晕电离放电，而是在注入喷嘴的出口的紧邻区域中的磁场的两个上述强度最大值之间的微空心阴极放电。 [0091] 应注意，有两个理由使得磁场的强度的局部最大值存在于点火容积中，并因此存在于注入管的内部是可能的。第一，因为本抗磁动力推进器构成用于磁场的开口腔、或在一个端部处更加精密地构成共轴系统开口。第二，因为推进器的复杂的磁路包括作用正是使大部分磁场特别是通过由磁性材料制成的注入通道10重要的是通过其尖端36进入到该容积中的部分。 [0092] 在本实施例中，点火容积位于在0.5mm3与5mm3之间。其被布置在中央注入通道10的尖端36的12mm至15mm下游处。 [0093] 此外，中央注入通道10适合于发射电磁波，特别是微波。为此，中央注入通道10由导电材料形成，并且通过连接器40被电连接至电磁波发生器38，连接器40例如通过旋入而被固定至支承体4。连接器40是例如SMA(注册商标)型连接器。 [0094] 电磁波发生器38能够使用电磁波照射存在于放电腔室6中的推进剂气体，电磁波的电场以与推进剂气体的磁化电子相同的方向和相同的频率旋转，以通过ECR电子实现电磁能的总吸收。更确切地说，电场具有右旋圆偏振和与通过磁场发生器磁化的推进剂气体的电子的旋磁谐振频率相等的频率。 [0095] 电磁发生器38装配有用于调制电磁功率的装置42。其适合于在被称为“传统”操作模式的第一操作模式中产生具有0.5瓦特至300瓦特功率的电磁波，优选地产生具有0.5瓦特至30瓦特功率的电磁波，并且在被称为“电弧喷射”操作模式的第二操作模式中产生具有50瓦特至500瓦特功率的电磁波，优选地产生具有200瓦特至500瓦特功率的电磁波。 [0096] 电磁波的功率大到足以实现ECR并且足以在它们有时间辐射前喷射电子，但不会太高，以防止这些电子在喷射前的任意辐射，这使得能够防止通过辐射的任意加热并且能够保存最佳能量产率。推进器能够在不使能量产率降级的情况下吸收的电磁功率被联系到等离子中的电子的拉莫尔半径Rb的大小。这必需保持基本小于腔的半径，以使得电子不在任何时候击打推进器的内壁(被称为“磁悬浮”等离子的等离子)。然而，对于具有电荷qe和质量me的电子而言，在约0.1特斯拉(1000高斯)量级的磁场B0中，1毫米的回转半径7 Rb将对应于电子的垂直于磁场的方向上的速度ve＝Rb.qe.B0/me＝1.76×10m/s。电子 5 伏特中的表述，与电子的自旋对应的动能然后将处于约.92×10eV的量级。与气体的例如约10eV至20eV的电离能相比，这种限制看上去将难以用此处所涉及的几十至几百瓦特的电磁功率来实现。 [0097] 还应注意，在绝热工艺中电子在喷嘴中的加速度保持μ磁矩＝qe2.Rb2.B0/2me。B0降低10的系数，例如因此将仅仅导致电子回转半径Rb增加约3的系数。 [0098] 最后，如果需要使用更大的电磁功率，则能够在不增加其尺寸的情况下通过相关地增加磁场B0和EM激励波的频率来增加引擎的操作上限。比在我们的实验中所使用的那些磁铁强大约10倍的磁铁在市面上已有售。 [0099] 放电腔室6包括通过旋入而被固定至支承体4的端部11的磁场发生器46。该发生器46包括具有两极的磁场源50、与构成磁场源50的磁极的端面成整体的垫圈52、与垫圈52接触的保持螺母54、和与构成磁场源50的另一磁极的端面成整体的垫圈58。 [0100] 此外，放电腔室6包括用于等离子的排出口48。 [0101] 磁场源50由例如具有与预定义轴线A-A共轴的、具有圆环形状的永久磁铁构成。为了简化描述，下文中将其称为磁铁50。 [0102] 通过磁铁50发射的磁场具有位于0.05特斯拉与1特斯拉之间的强度，优选地具有位于0.085特斯拉与0.2特斯拉之间的强度。 [0103] 在本发明的内容中，垫圈52和保持螺母54形成第一磁性元件，垫圈58形成第二磁性元件。 [0104] 垫圈52、58各自与磁铁50的环形面成整体。此外，垫圈52通过例如旋入而被固定在支承体的端部11的外周上。 [0105] 保持螺母54包括基本截断的突起62，截断的突起62的旋转轴线是预定义轴线A-A。突起62朝着中央注入通道10延伸。 [0107] 参照图2，垫圈52和保持螺母54适合于引导通过永久磁铁50发射的磁场，突起62的最靠近中央注入通道10的端面形成第一磁极64，第一磁极64相对于推进剂气体的流动方向F1布置在注入喷嘴65的上游并且位于离预定义轴线A-A第一距离D1处。 [0108] 因为垫圈58还适合于传导磁场，所以垫圈58的最靠近中央注入通道10的端面形成第二磁极66，第二磁极66相对于方向F1布置在中央注入通道的注入喷嘴65的下游并且位于离预定义轴线A-A第二距离D2处的；第二距离D2比第一距离D1。 [0109] 通过磁场发生器46发射的磁场的场线68具有喷嘴的形状。它们与中央注入通道10的注入喷嘴65相交并且相对于预定义轴线A-A形成10°至70°的角度。换言之，通过磁场发生器46发射的磁场是发散的。在预定义轴线A-A的水平处，磁场梯度与预定义轴线A-A平行。此外，磁场梯度相对于推进剂气体被喷射的方向从上游至下游是负极的。 [0110] 此外，磁场在中央注入通道的注入喷嘴65处具有磁场强度的第一局部最大值。该强度足以通过ECR完全电离从注入喷嘴65出来的推进剂气体。该强度例如包含在0.087特斯拉(用于2.45GHz的微波频率的ECR)与约0.5特斯拉(可以使用永久磁铁实现的上限)。场线68的特定形状使得ECR表面非常接近于强度的所述第一局部最大值并且使得该ECR表面包围注入喷嘴65的排出端165。对于2.45GHz的EM波频率而言，ECR表面位于与排出端165的下游距离毫米量级的位置处。 [0111] 在本专利申请中，使在局部磁场中的自由电子的回转频率实质上等于电磁激励波的频率的空间区域被称为“ECR表面”。 [0112] 此外，磁场发生器46能够通过反磁力促进注入喷嘴65处朝着排出口48点火的等离子，从所述推进器喷射的所述等离子是电中性的。应注意，ECR等离子源的主要优点中的一个在于能够仅仅作用在等离子的自由电子上而非离子上，而这在我们的例子中要求约0.1特斯拉(1000高斯)的、相对减少的磁场。通过立即出现在等离子内并且抵消正离子的量与电子的量之间的任何不平衡的空间电荷场、或双极电场非常有效地确保等离子的电中立性。因此，这并不是必需使用中和剂。在不存在通过可选加速器格栅施加的电场的情况下，双极电场并不分裂，并且只遭受反磁力的电子将然后产生它们非磁化正离子的运动(因此产生等离子的“反磁性化”性质)。相互地，在推进器的出口上，因为这些先前被加速的离子在推进器内部的惰性所以通过空间电荷连接至离子的电子将能够脱离残余磁场。与目前工艺水平的其他推进器相反，等离子在磁流体喷管中加速因此在如本实例中磁流体喷管通过简单的永久磁铁产生的情况下不要求附加电功率的消耗。这种电功率上的节省对于空间应用而言具有显著的优点。 [0113] 中央注入通道10在ECR区域的上游通向磁场的发散部分的开始处。 [0114] 有利地，中央注入通道10充当放电腔室6内的微波发射天线39和用于注入待被电离的气体的注入喷嘴65。注入喷嘴65包括排出端165。 [0115] 磁铁50、垫圈52、保持螺母54和垫圈58形成放电腔室6。这具有位于6mm与60mm之间的直径，优选地具有位于12mm与30mm之间的直径。放电腔室6由此具有位于0.7平方厘米与30平方厘米之间的内部横截面积。 [0116] 放电腔室6的内腔14的、沿着预定义轴线A-A定义的长度比通过电磁波发生器38发射的电磁波在真空中的半波长小5至10倍。 [0117] 有利地，放电腔室具有非常小的尺寸。 [0118] 此外，等离子推进器2包括安装夹70和旋入到支承体4的外缘上的锁紧螺帽72。此外，O形环74被布置在安装夹70与锁紧螺帽72之间。 [0119] 有利地，根据本发明的等离子推进器可以通过不消耗能量的永久磁铁来使用。 [0120] 有利地，放电腔室形成高频率的谐振腔具有厘米量级的尺寸和2.3GHz至2.8GHz量级的相对低频。因为ECR等离子的光学指数非常高，而这使其即使具有较低频率也能够具有较短波长，所以这是可能的。因为ECR频率与磁场成比例，所以即使具有0.08T至0.1T量级的磁场也使得这种尺寸的腔室可能的，而这可以通过具有小尺寸的环形永久磁铁容易地产生。 [0121] 通过如上所述的等离子推进器实现了根据本发明的用于产生推进推力的方法。在被称为“传统的”第一操作模式中，参照图3，该方法包括如下步骤： [0122] -磁场63的产生90； [0123] -微波通过电磁波发生器38的发射100； [0124] -推进剂气体经由中央注入通道10向放电腔室6中的注入104； [0125] -等离子的点火101； [0126] -等离子通过ECR的维持103； [0127] -通过电磁波发生器38发射的电磁波的功率通过调制设备42的调制102； [0128] -中央注入通道10中的推进剂气体流率通过控制装置32的调节106。 [0129] 有利地，当用于期望节省推进剂气体时发射步骤100在注入步骤104之前实施，并且当用户期望节省电力时注入步骤104在发射步骤100之前实施。 [0130] 此外，在被称为“电弧喷射”的第二操作模式中，该方法包括以下步骤： [0131] -附加推进剂气体经由外围注入通道12的注入108； [0132] -外围注入通道12中的推进剂气体流率通过控制装置32的调节110；以及[0133] -通过电磁波发生器38发射的微波的功率使用调制设备42的调制，以在被称为“电弧喷射”的第二操作模式中操作。 [0134] 有利地，推进剂气体的轴向注入在该操作模式中通过气体在中央注入管周围的注入来完成。这通常在此处被称为被称为“电弧喷射”的第二操作模式的、使用推进器的强劲推力的临时操作期间被使用。在这种情况下，放电腔室6的压力上升使其能够在其中点火电弧类型(在大功率微波(大于一百瓦特)的注入的效果下非常浓厚且非常热)的等离子。这使其能够使用更大的推力(约数百好毫牛顿量级)操作等离子推进器，但也带来了更大的热耗散和更低的能量产率。 [0135] 有利地，通过利用使得推进器的比冲量和推力不同地变化的、用于中央注入通道中的气体流率的调节范围和用于电磁波的功率的调节范围这两点、以及在适当情况下利用用于外围通道中的气体流率的调节范围和用于电磁波的功率的调节范围，能够在整个任务上优化气体和能量的消耗。 [0136] 有利地，能够独立地或者组合地使用每个推进模式，组合例如即使在对于这种推力的高振幅的情况下也能够实现对总推力的精调。 [0137] 此外，根据图4所示的变体实施方式，等离子推进器120一方面包括连接至电磁波发生器38和旋入到支承体4上的连接器40的循环器80，另一方面包括布置在等离子推进器120的出口平面的下游处的导电性圆柱形套85。 [0138] 循环器80是通常由铁酸盐制成的装置，其被放置在高频电路中以保护电磁式发电机38或者可选地保护放大器以防止例如通过等离子(对于EM波发生器而言，这是待被辐射的电荷)反射的EM波的返回。在等离子的方向上穿过循环器80的EM波的流动不被循环器吸收。在EM波发生器的方向上反射的流动在循环器80中旋转并且再次在等离子的方向上出发，以使得电磁发生器38得到保护，并且EM波不存在通过引向上游的反射导致的流动损失。 [0139] 套85具有比永久磁铁50和抵着磁场发生器46的垫圈58固定的缘86的直径更大的直径。特别是，套85是例如具有等于EM波在真空中的1/2波长的直径和等于1/4或3/4波长的长度的圆形波引导部。除非通过从推进器的排出口衍射而辐射到自由空间中，否则EM波的传播将被套85阻挡。作为被发射到自由空间中的替代，超高频的EM波的流动朝着整个推进器内的等离子被反射，并且其不被等离子吸收的部分被发送到循环器80。循环器80然后反过来将该反向流返送至等离子推进器120，并且重复如上操作直至完成EM波的流动被等离子的吸收。 [0140] 图5表示了通过发生器46产生的磁场关于与等离子推进器沿着预定义轴线A-A的出口平面D-D的距离的变化。在本附图中，X轴的零定义了出口平面D-D。如图2中可见，出口平面是与位于排出口48处的安装夹70的中心面平行的平面。 [0141] 如本附图中可见，磁场具有位于注入喷嘴65内部的第一局部最大值A和第二局部最大值C、以及位于第一局部最大值A与第二局部最大值C之间的局部最小值。第一局部最大值A位于注入喷嘴165的排出端165处。第一局部最大值A足以在电磁波的作用下通过推进剂气体的电子回旋谐振使从注入喷嘴65出来的推进剂气体电离。 [0142] 第一局部最大值A具有比实现通过以下公式定义的回旋谐振所需的阈值BECR大的强度，该公式为： [0143] BECR＝2*π*fECR*me/qe， [0144] 其中， [0145] -me是电子质量， [0146] -qe是电子的电荷， [0147] -fECR是旋磁谐振频。 [0148] 由于几乎立即出现在等离子内并且抵消正离子量与电子量之间的任何不平衡的双极电场或空间电荷场，磁场发生器50能够通过反磁力朝着排出口48加速在注入喷嘴65处被点火的等离子的自由电子、紧随这些自由电子的正的非磁化的离子，这种不被所施加的任何电场破坏的电场非常有效地确保了从推进器喷射的等离子的电中立性。 [0149] 通过将磁场线集中在其上，注入装置10的尖端36使得从磁场发生器50开始一方面实现强度的第一局部最大值A，并且另一方面实现磁场强度的第一局部最大值A与局部极小值B之间的微空心阴极放电变得可能。无论推进剂气体流率是多少，微放电都足以使存在于注入喷嘴65中的推进剂气体的至少一部分电离。磁场发生器50包括例如永久磁铁。 |
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