本发明涉及推进器。推进器用于推进航天器，其典型的排气速度 范围从2km/s至超过50km/s，且推力密度低于或在1N/m2左右。在 推进器没有任何物质可以推动或依靠时，推进器依靠喷射航天器的部 分质量来推进。喷射速度是衡量推进器效率的关键因素，通常应该使 之最大化。

已经提出了多种空间推进器的解决方案。US-A-5 241 244中公开 了一种称为离子栅极的推进器。在该装置中，首先电离推进气体，然 后用栅极之间产生的稳定电磁场加速所产生的离子。用电子流中和加 速离子。为了电离推进气体，该文献建议同时采用磁调节及约束场和 频率为磁场ECR(电磁回旋共振)频率的电磁场。FR-A-2 799 576中 公开了一种类似的推进器，采用电磁感应电离气体。这种推进器的喷 射速度大约为30km/s，2,5kw电功率下的推力密度小于1N/m2。

这种装置的一个问题是加速栅极之间需要非常高的电压。另一个 问题是由于离子撞击造成的栅极腐蚀。最后，中和器和栅极通常都是 易损坏的装置。

US-A-5 581 155公开了一种霍尔效应推进器。这种推进器也采用 电磁场加速带正电荷的粒子。这种推进器的喷射速度大约为15km/s， 1,3kw电功率下的推力密度小于5N/m2。与离子栅极推进器中一样， 腐蚀和中和器的存在使得该推进器易于产生故障。

US-A-6 205 769或D.J.Sullivan等人于IEPC 1993，第36卷， 第337-354页中发表的《微波空腔共振电热推进器原型开发》(D.J. Sullivan et al.，Development of a microwave resonant cavity thruster prototype，IEPC 1993，n°36，pp.337-354)中论述了微波电热推进器。 这些推进器依靠微波场加热推进气体。加热的气体通过一个喷嘴喷射 以产生推力。这种推进器的喷射速度大约为9-12m/s，推力为 200-2000N。

D.A.Kaufman等人于IEPC 1993，第37卷，第355-360页中发 表的《ECR等离子体推进器的卷流效应》(D.A.Kaufman et al.，Plume characteristic of an ECR plasma thruster，IEPC 1993，n°37，pp.355-360) 和H.Tabara等人于IEPC 1997，第163卷，第994-1000页中发表 的《使用电磁回旋共振等离子体加速器的空间等离子体模拟器工作特 性及其材料和等离子体应用互作用研究)》(H.Tabara et al.，Performance characteristic of a space plasma simulator using an electron cyclotron resonance plasma accelerator and its application to material and plasma interaction research，IEPC 1997，n°163，pp.994-1000)中论述了ECR等 离子体推进器。在这种推进器中，采用电磁回旋共振在磁喷嘴中产生 等离子体。电子在磁偶极矩力的作用下被轴向加速，产生一个加速离 子的电场，并产生推力。换句话说，等离子体沿着逐渐减小的磁场的 磁力线自由流动。这种推进器的喷射速度可达35km/s。US-B-6 293 090 中论述了一种RF等离子体推进器，其依据相同原理工作，主要区别 在于使用频率较低的混合波，代替ECR场产生等离子体。

US-B-6 334 302，US-A-4 893 470或Dr.Franklin R.Chang-Diaz 于IEPC 1991，第128卷中发表的《可变Isp等离子体火箭设计特性》 (Dr.Franklin R.Chang-Diaz，Design characteristic of the variable Isp plasma rocket，IEPC 1991，n°128)中公开了可改变具体推力的磁等离 子体推进器(缩写为VaSIMR)。该推进器的工作过程包括三个阶段： 等离子体喷射、加热和在串联式磁镜像结构中受控排气。等离子体源 为一个螺旋发生器或磁等离子体动力(MPD)推进器，而等离子体加 热器为一个在离子回旋频率工作的回旋发生器。“混合卷流”，由冷 气体环绕的热等离子体芯组成，包含在喷嘴中，该喷嘴由冷气体层与 热等离子体隔开。这种喷嘴中的热膨胀将部分内能转化为定向推力。 与ECR或RF等离子体推进器中一样，电离颗粒不被加速，而是首 先沿着逐渐减小的磁场磁力线流动，然后沿着压力梯度流动。这种推 进器的喷射速度大约为10-300km/s，推力为50-1000N。

在另一个不同的方面，US-A-4 641 060和US-A-5 442 185中论述 了ECR等离子体发生器，其用于抽真空或离子注入。US-A-3 160 566 中给出了另一种类似的等离子体发生器。

US-A-3 571 734中论述了一种加速微粒的方法和装置。目的是形 成一束聚变反应微粒。将气体喷射到一个提供轴向和径向磁场叠加的 柱形共振腔中。施加一个ECR频率的电磁场用以电离气体。磁场强 度沿着腔体轴线减小，从而电离微粒沿着该轴线流动。1963年11月 4日的Compte Rendu de l′Académie des Sciences第257卷，第 2804-2807页中也公开了该加速装置。这些装置的目的是形成一束聚变 反应微粒：从而，喷射速度大约为60km/s，但推力密度非常低，通常 低于1,5N/m2。

US-A-3 425 902中公开了一种产生并约束电离气体的装置。电磁 场在气体电离腔体的两端最大。

从而，需要一种具有很好的喷射速度、易于制造、坚固耐用的推 进器。这限定了一种少电极装置，通过施加定向质量力，将全部微粒 加速到高速。

从而，本发明的一个推进器实施方案中，包括：

-限定了推进器轴线的腔体；

-用于向腔体中喷射可电离气体的喷射器；

-用于产生磁场的磁场发生器，所述磁场沿着轴线至少具有一个 最大点；

-电磁场发生器，用于产生

◎腔体(6)中的微波电离场，位于所述最大点的一侧；以及

◎磁化有质动力加速场，位于所述最大点的另一侧。

该推进器还可能具有一个或多个下列特征：

-磁场与轴线的夹角小于45°，优选地小于20°；

-电磁场频率处于在电磁场产生位置处的电磁回旋共振频率的 10％范围内；

-电磁场最大值与最小值的比处于1,1-20之间；

-电磁场中的电场部分与直辐射方向的夹角小于45°，优选地小 于20°；

-推进器中电磁场中的电场部分与磁场的局部夹角介于60到 90°之间；

-推进器中的离子回旋共振周期至少比推进器中的本征碰撞时间 高两倍；

-微波电离场和磁场用于电离至少50％喷射入腔体的气体；

-磁场发生器在沿着轴线大致磁场最大点处包括至少一个线圈；

-磁场发生器在所述至少一个线圈与所述喷射器之间包括一个第 二线圈；

-磁场发生器用于改变所述最大点的值；

-磁场发生器用于至少在所述最大点的所述另一侧改变所述磁场 的方向；

-电磁场发生器包括至少一个共振腔；

-电磁场发生器在所述最大点的所述一侧包括至少一个共振腔；

-电磁场发生器在所述最大点的所述另一侧包括至少一个共振 腔；

-腔体在一个喷管中形成；

-喷管在对着喷射器的末端具有一个增大的部分；

-推进器在喷射器和腔体之间包括一个稳定腔。

本发明还提出一种产生推力的方法，包括：

-在腔体中喷射气体；

-施加第一磁场和第一电磁场，以电离至少部分气体；

-然后向气体施加第二磁场和第二电磁场，通过磁化有质动力来 加速空间电离气体。

该方法还可能具有下列特征之一：

-气体由电子回旋共振电离，并由磁化有质动力加速；

-大部分离子不受第一磁场影响；

-第一电磁场的电场部分与第一磁场之间的局部夹角介于60到 90°之间；

-第二电磁场的电场部分与第二磁场之间的局部夹角介于60到 90°之间；

-至少50％的气体被电离；

-第二电磁场的方向可变化。

下面参考附图，通过非限定性的例子，说明一种体现本发明的推 进器，其中：

-图1是一个根据本发明第一实施方案的推进器的剖视示意图；

-图2是沿着图1中推进器轴线的磁场和电磁场强度分布图；

-图3是一个根据本发明第二实施方案的推进器的剖视示意图；

-图4是一个根据本发明第三实施方案的推进器的剖视示意图；

-图5是沿着图4中推进器轴线的磁场强度分布图；

-图6是一个根据本发明第四实施方案的推进器的剖视示意图；

-图7是沿着图6中推进器轴线的磁场强度分布图；

-图8是一个根据本发明第五实施方案的推进器的剖视示意图；

-图9是沿着图8中推进器轴线的磁场强度分布图；

-图10-13是不同推进器实施方案的示意图，这些推进器的推力 方向可以改变；

-图14是一个表示喷管各种可能的变化的剖视示意图；

-图15是一个根据本发明另一个实施方案的推进器的剖视示意 图；

-图16是沿着图15中推进器轴线的磁场和电磁场强度分布 图；

-图17是另一种推进器的剖视示意图。

图1是一个根据本发明第一实施方案的推进器的剖视示意图。图 1中的推进器依靠电子回旋共振产生等离子体，并依靠磁化有质动力 来加速这些等离子体，以产生推力。磁化有质动力是由于高频电磁场 强度梯度而施加在等离子体上的力。在H.Motz和C.J.H.Watson (1967)，《电子学和电子物理学展望》(Advances in electronics and electron physics)23，第153-302页中，对这种力作了论述。当没有磁 场时，这种力可以表示为：

对于单个微粒    $F=-\frac{q^2}{4m{\omega }^2}▿E^2$

对于等离子体 $F=-\frac{{\omega }_p^2}{2{\omega }^2}▿\frac{{ϵ}_o{E}^2}{2},$ 其中 ${\omega }_p^2=\frac{n{e}^2}{m_e{ϵ}_o}$

当存在不一致的磁场时，这种力可以表示为：

$F=-\frac{q^2}{4\mathrm{m\omega }}(\frac{▿E^2}{(\omega -{\Omega }_C)}-\frac{E^2}{{(\omega -{\Omega }_C)}^2}▿{\Omega }_C)-\mu ▿B$

图1中的装置包括一个喷管2。该喷管具有一个纵向轴线4，该 轴线形成推进器的轴线；实际上，推进器产生的推力沿着该轴线—尽 管推力可以沿着下面参考图10-13中的方向。喷管内部形成一个腔体 6，在其中推进气体被电离并被加速。

在图1所示的实施方案中，喷管为一个柱形喷管。其由不导电的 材料制成，使得可以在腔体中形成磁场和电磁场；可以采用低电容率 陶瓷、石英、玻璃或类似的材料。喷管还可以采用二极电子发射率高 的材料，如BN、Al2O3、B4C。这增大了腔体中电子浓度，促进电离。

喷管沿着推进器连续延伸，气体在喷管一端喷入。可以使喷管具 有不同的形状。例如，根据推进器出口处所需要的等离子体流，在该 实施方案中为圆形的喷管截面也可以具有其它形状。另一种可能的截 面形状参考图14在下文中给出。同样，喷管不需要在喷射器和推进 器出口连续延伸(在这种情况中，喷管可以由金属或合金制成，如钢、 W、Mo、Al、Cu、Th-W或Cu-W，还可以浸渍或涂覆氧化钡或氧化 镁，或着包括放射性同位素，以促进电离)：如下文所述的，等离子 体不是用喷管来约束的，而是用施加在推进器中的磁场和电磁场来约 束的。从而，喷管可以包括两个单独的部分，而在喷管两部分之间， 腔体仍将沿着推进器延伸。

喷管的一端具有一个喷射器8。如图1中箭头10所示，喷射器 向喷管中喷射可电离的气体。该气体可以包括惰性气体Xe、Ar、Ne、 Kr、He，化合物如H2、N2、NH3、N2H2、H2O、或CH4，甚至金属如 Cs、Na、K或Li(碱金属)或Hg。最常使用的是Xe和H2，这两 者需要的电离能量较小。

推进器还包括一个磁场发生器，其在腔体6中产生一个磁场。在 图1所示的实施方案中，磁场发生器包括两个线圈12和14。这些 线圈在腔体6中产生磁场B，磁场B的纵向部分如图2中所示。如 图2所示，磁场纵向部分有两个最大点，其位置与线圈对应。与第一 线圈12对应的第一最大点Bmax1靠近喷射器。其仅用于约束等离子 体，而对于推进器操作不是必需的。然而，其具有径向约束等离子体 电子的优点，从而由于磁瓶效应电离更加容易；此外，喷管末端和喷 射器喷嘴受到保护而可免受腐蚀。第二最大点Bmax2，与第二线圈14 对应，使得能将等离子体约束在腔体中。其还将位于最大点一侧的推 进器电离空间与位于最大点另一侧的推进器加速空间分离开。该最大 点处磁场径向部分的值可以采用下文所述的值。在两个最大点之间， 或在第二最大点一侧的气体喷射处，磁场的值较小。在图1所示的实 例中，磁场大致在腔体中部具有一个最小值Bmin。

在推进器电离空间—即在图1所示的实施方案中，磁场两个最 大点之间的部分之中，磁场的径向和直辐射部分—也就是磁场在垂 直于推进器纵向轴线的平面中的部分，与推进器操作无关；这部分磁 场的强度优选地比磁场纵向部分小。实际上，使腔体中的离子和电子 感应出不必要的朝向腔壁的运动，只会降低推进器的效率。

在推进器加速空间中—即在图1所示的实施方案中，磁场第二 最大点Bmax2右侧的部分，磁场的方向基本上沿着推进的方向。从而， 磁场方向优选地沿着推进器轴线。磁场的径向和直辐射部分优选尽可 能地小。

因此，在电离空间和加速空间中，磁场优选地大致平行于推进器 轴线。磁场与推进器轴线4之间的夹角优选地小于45°，更优选地 小于20°。在图1和2所示的实施方案中，该角度大致为0°，从 而图2中的表不仅对应磁场沿着推进器轴线分布的强度，而且对应于 磁场的轴向部分。

由磁场发生器产生的磁场强度—即值Bmax1、Bmax2和Bmin，优 选地选择如下。最大值选择成使得等离子体的电子被约束在腔体中； 磁镜比Bmax/Bmin越大，电子约束在腔体中的效果越好。可以根据所期 望的(质量流速)推力密度和电磁电离场功率(或者指定流速的功率) 选择该值，使气体通过磁场第二峰值点后，90％或更多被电离。最小 值Bmin取决于线圈位置。除了图4和5中的实施方案，最小值没有 太大的相关性。从磁瓶效应中流失的电子百分比可以表示为：

${\alpha }_{\mathrm{lost}}=1-\sqrt{1-\frac{B_{\min }}{B_{\max }}}$ 或 $\frac{B_{\min }}{B_{\max }}=\frac{1}{1-{(1-{\alpha }_{\mathrm{lost}})}^2}$

对于指定的质量流动，及对于指定的推力，对于相同的流速和电 离百分比，较小的αlost可以降低电离功率。

此外，磁场优选地选择成使得大部分离子不受磁场影响。换句话 说，磁场的值小到推进气体离子不因为或基本上不因磁场而偏离。这 种情况使得推进气体离子大致直线飞过喷管，从而增大了推力。规定 离子回旋频率为：

fICR＝q.Bmax/2πM

如果离子回旋频率比离子碰撞频率(或离子霍尔参数，该参数为 它们的比，小于1)低很多，则该离子被定义成未磁化离子

fICR＜＜fion-collision 其中，q为电荷，M为离子质量，而Bmax为磁场最大值。在这种约 束条件下，fICR为离子回旋共振频率，并且是离子围绕磁场磁力线旋转 的频率；这种约束条件表示与碰撞时间相比，在腔体中的旋转时间如 此长，以至离子运动实施上不因磁场而改变。如我们已知的，fion-collision 定义成：

fion-collision＝N.σ.VTH 其中，N为电子强度值，σ为电子—离子碰撞横截面积，而VTH为 电子热运动速度。热运动速度可以表示为：

$V_{\mathrm{TH}}=\sqrt{\frac{\mathrm{KT}}{m_e}}$

其中，k为微观玻尔兹曼常量，T为温度，而me为电子质量。fion-collision 表示一个离子在强度为N，温度为T的电子云中每秒钟的碰撞次数。

优选地，电磁场最大值可以选择成：

fICR＜fion-collision/2

甚至是

fICR＜fion-collision/10 从而，推进器中的离子回旋共振周期至少比腔体或推进器中的离子碰 撞周期长两倍。

如下文中给出的一些实施方案所表明，这样仍然有可能将气体充 分约束在推进器电离空间内。大部分离子不受磁场影响的事实首先有 利于将离子和电子在推进器出口处聚集成束，从而增大了流量。另外， 避免了离子离开推进器后仍然依附于磁场磁力线，这确保了产生纯推 力。

推进器还包括一个电磁场发生器，其在腔体6中产生一个电磁 场。在图1所示的实施方案中，电磁场发生器包括一个第一共振腔16 和一个第二共振腔18，分别位于线圈12和14附近。第一共振腔16 用于在腔体中磁场两个最大点之间，或至少在最大点Bmax2包括喷射 器的一侧产生一个振荡电磁场。该振荡场为电离场，频率fEI处于微 波频率范围，即处于900MHz-80GHz之间。电磁场的频率优选地适 合局部磁场的频率值，从而电离的重要部分或者说实质部分是由于电 子回旋共振所引发。特别地，对于磁场指定的值Bres，电子回旋共振 频率fECR由下面的公式决定：

fECR＝eBres/2πm

其中，e为电荷，m为离子质量。电磁场的该频率值适于使由于电 子回旋共振引起的推进气体电离最大化。优选地，电磁场的频率值fEI 与在所施加电磁场的最大处所计算而得的ECR频率相等。当然，这 只是近似值，因为电磁场沿着轴线的强度会变化，还因为电磁场是局 部施加的，而不是施加在一个单一点上。

还可以选择不与优选值精确相等的频率值，优选地处于相对于 ECR频率±10％范围内，±5％范围内得到的结果更好。而且优选 的是，至少使50％的推进气体在通过电离空间或腔体时被电离。只能 通过使用ECR电离才能获得这样的气体电离量；如果电磁场频率变 化超过上面给出的±10％范围，推进气体的电离程度有可能大大低于 优选值50％。

电离空间中电磁场的电场部分的方向优选地垂直于磁场方向；在 任何位置，局部磁场和局部电磁场中振荡电场部分之间的夹角优选地 处于60到90°之间，更优选地处于75-90°之间。这样的角度适于使 ECR电离达到最优。在如图1所示的实施方案中，电磁场的电场部 分为直辐射的或径向：其包含在一个垂直于纵向轴线的平面内，并且 与该平面通过轴线的一条直线成直角；可以简单地通过选择共振腔中 的共振模式即可获得这种效果。在如图1所示的实施方案中，电磁场 以模式TE111共振。直辐射场还具有改善将等离子体约束在电离空间 中及限制与腔体壁接触的优点。电磁场的电场部分的方向可以相对于 该优选直辐射方向变化；优选地，电磁场与直辐射方向之间的夹角小 于45°，更优选地小于20°。

在加速空间中，电磁场频率也优选地接近或等于ECR频率。这 使得磁化有质动力强度在电磁场最大点两侧都被增加，如上文给出的 第二个公式所示。此外，电磁力的频率不需要精确地与ECR频率相 等。频率及磁场和电磁场之间夹角采用与上文所述相同的范围。应该 注意到，该阶段用于电离和加速的电磁场频率可以一致：由于可以采 用相同的微波发生器驱动两个共振腔，从而可以简化电磁场发生器。

此外，电磁场的电场部分优选地处于纯径向或直辐射方向，从而 使磁化有质动力最大。另外，直辐射方向的电磁场的电场部分将使等 离子体在推进器出口处聚集成束。电磁场的电场部分与径向或直辐射 方向的夹角仍然是优选小于45°，更优选小于20°。

图2是沿着图1中推进器轴线的磁场和电磁场强度分布图，磁 场和电磁场强度在图中用垂直轴表示，沿着推进器轴线的位置在图中 用水平轴表示。如上文所述的，基本上与推进器轴线平行的磁场强度 有两个最大点。电磁场电场部分的强度在第一共振腔的中间平面内有 一个第一最大值Emax1，在第二共振腔的中间平面内有一个第二最大值 Emax2。第一最大值的强度值与电离腔中的质量流动速度一起选择。第 二最大值可以与推进器出口处所需的Isp相适应。在图2所示的实施 方案中，电磁场的第一和第二最大值的频率是相等的：实际上，共振 腔是一样的，并且被同样的微波发生器来驱动。在图2所示的实例中， 推进器的轴线上的原点位于喷射器(iniector)的喷嘴处。

下述数值用于例示本发明。气体的流速为6mg/s，微波总功率大 约为1550W，相应地为：在一个大约120mN的推进器中，～350W用 于电离，～1200W用于加速。微波频率为3GHz左右。从而磁场强度 最大大约为180mT，最小为～57mT。图2还表示了位于共振腔所在 的位置上磁场Bres的值。如上文所述，电磁场频率优选地与相应的 ECR频率eBres/2πm相等。

下列数值示例性地用于具有大于20km/s的喷射速度和高于 100N/m2的推力密度的推进器。喷管为BN喷管，内径为40mm，外 径为48mm，长度为260mm。喷射器喷射Xe，进入喷管时的速度为 130m/s，质量流速为～6mg/s。

磁场的第一个最大点Bmax1位于距喷射器喷嘴XB1＝20mm处， 磁场Bmax1的强度为～180mT。电磁场的第一共振腔位于距喷射器喷 嘴XE1＝125mm处，磁场强度E1为～41000V/m。磁场的第二个最大 点Bmax2位于距喷射器喷嘴XB2＝170mm处，磁场Bmax2的强度为～ 180mT。电磁场的第二共振腔位于距喷射器喷嘴XE2＝205mm处，磁 场强度E2为～77000V/m。

.大约90％进入加速空间(X＞XB2)的气体被电离。

.由于q＝e而M＝130amu，fICR为15，9MHz。因此，离子霍尔 参数为0，2，从而大部分离子不受磁场影响。

这些值为示例性的，它们证明根据本发明的推进器能够同时具有 大于15km/s的喷射速度和高于100N/m2的推力密度。图1中的推 进器操作步骤如下所述。将气体喷射到一个腔体中；然后使气体通过 一个第一磁场和一个第一电磁场，以电离至少部分气体；然后该部分 电离气体通过磁场的峰值；接着使气体通过一个第二磁场和一个第二二 电磁场，以磁化有质动力加速气体。电离和加速分开并连续发生，且 可以独立控制。

上面作为例子的推进器明显比现有技术中的装置更加有效。它还 具有下列优点。首先，其没有电极。从而，所有由于这些电极而产生 的问题—腐蚀、高电压及其它问题都可以避免。

其次，由于磁化有质动力，电子和离子在相同方向上加速，从而 不需要在推进器出口提供一个中和器。

第三，用于电离和加速的电磁力频率相同。这使得可以使用相同 的微波发生器来驱动电磁发生器。

第四，由于电离和加速发生在磁场峰值的相对侧，因此将它们分 离。这使得如下文中说明的，分别作用于电离和加速，使推进器的性 能符合需要。还能提高电离效率并降低电离推进气体所需的能量。

第五，电子在电离空间被激励并被磁化，而离子基本上不受磁场 影响。这与现有技术中的VaSIMR推进器或等离子体泵相比，提高了 推进器效率。此外，电子在ECR频率或该频率左右被激励，这提高 了电离效率。

图3是一个根据本发明第二实施方案的推进器的剖视示意图。图 3中的实施方案与图1中的实施方案不同点在于第一共振腔16的 位置，其位于产生磁场第二最大点的线圈14附近。具体地说，共振 腔沿着轴线位于坐标X＝XE3＝205mm处。如图2所示，该位置选择 成使得该位置的磁场值与XE1处的磁场值相同。这使得可以使用相同 的共振腔，而不需要改变电磁场频率值。还可以使用两个位于坐标XE1 和XE2处的共振腔，以在电离空间中产生电磁场。此外，这样可以增 大在电离空间中电离的气体比例。使腔体位于右侧可以减小腐蚀。

图4是一个根据本发明第三实施方案的推进器的剖视示意图；图 5是沿着图4中推进器轴线的磁场和电磁场强度分布图。图4中的 推进器与图1中的推进器类似。然而，第一共振腔16大致位于线圈 12和14中间。图5与图2类似，但表示图4中的实施方案的磁 场强度。图中，第一共振腔大致位于坐标XE4处，其对应磁场最小值 Bmin。电磁场频率选择成eBmin/2πm。第二共振腔位于磁场具有相同值 的位置。同样，这使得可以使用相同的微波发生器驱动两个共振腔。 图4和5中的实施方案的优点在于，整个施加ECR场的部分中， 磁场的大小大致相同。这在其它条件相同的情况下，增大了气体电离 的比例。

图6是一个根据本发明第四实施方案的推进器的剖视示意图；图 7是沿着图6中推进器轴线的磁场强度分布图。在该实施方案中，磁 场磁镜比的值可以改变，从而能够改变推进器电离空间中的电离程度。 更具体地说，由于在电离空间中提高了对电子的约束，从而提高电离 程度将产生具有更高电荷的离子。这些粒子将获得更高的速度，从而 增大了总推力。

图6中的推进器与图3中的推进器类似。然而，磁场发生器具 有三个附加线圈22、24和26。第一和第三附加线圈22和26位于 线圈12和14内，而第二附加线圈24大致位于靠近线圈12和14 中间的位置。第一和第三附加线圈产生的磁场用以增强由线圈12和 14形成的磁场。这使得能够增加磁场最大点Bmaxl和Bmax2的强度。 第二附加线圈产生的磁场与由线圈12和14所提供的磁场相反。这减 小磁场Bmin值，从而增大了磁镜比。

图7表示向附加线圈施加不同电流值时，磁场强度的分布图。曲 线28对应附加线圈不产生任何磁场的情况。曲线30对应于第一种 流经附加线圈的电流，而曲线32对应于一个更高的电流。由于第二 附加线圈的存在，磁场在共振腔所位于的坐标XE3和XE2处大致保持 对应。这避免了改变电磁场频率，或腔体的位置，从而保证了获得所 需的ECR电离，与磁场值无关。换句话说，磁场最大值变化，但共 振腔处的磁场大致保持不变。由于这些线圈，磁场值在100％范围内 变化；这引起电离程度的变化可达90％，从而引起推力的变化可达 90％。在该实施方案中，可以在推进器出口处使用附加线圈以修正喷射 材料的形状和方向。图8是一个根据本发明第五实施方案的推进器的 剖视示意图；图9是沿着图8中推进器轴线的磁场强度分布图。在 该实施方案中，可以改变加速空间中的磁场梯度，从而改变磁化有质 动力的强度。实际上，如上文所述，磁化有质动力的分布与磁场梯度 成比例。

图8中的推进器与图4中的推进器相似；但是，它还包括附加 的梯度控制线圈34，36，位于第二共振腔18的两侧。第一梯度线圈 34，位于第二线圈14和第二共振腔18之间，产生一个与第二线圈 所产生磁场平行的磁场。第二梯度线圈36，位于第二共振腔18与第 二线圈14相背离的那一侧，产生一个与第二线圈所产生磁场相反的磁 场。从而，这些梯度控制线圈可以改变推进器加速空间中的磁场梯度； 此外，它们还可以用于增大由第二线圈产生的磁场最大值，同时使共 振场的位置靠近腔体中间平面。梯度控制线圈的存在将轻微改变共振 腔在推进器加速空间中的位置。

图9表示图8中实施方案的磁场强度分布图。曲线38对应于 梯度控制线圈未供电的情况。图40表示当梯度控制线圈通电时的磁 场值。第二共振腔中的梯度值从2，3T/m变化到4，5T/m，相对变化达 100％。如图6中的实例所示，共振腔中的磁场值保持不变，且不需要 改变驱动共振腔的电源频率。

图9还显示出当梯度控制线圈通电时，达到磁场最大值Bmax2的 位置略微偏移。图9中标出了偏移量δx。这将改变电离腔的长度， 并且会增大最大值，将有助于进一步电离推进气体。如参考图6和7 所说明的那样，这种进一步的电离增大了推力。

图8中的那些梯度控制线圈也可以用在图1和4所示的实施 方案中—唯一的限制是线圈所占据的空间。图8也是一个磁场发生 器延伸出喷管末端的很好的例子。这表明喷管不需要从喷射器连续延 伸到推进器末端。梯度控制线圈也可以结合到图7所示的实施方案 中，也要受到相同的空间约束。

图10-13是不同推进器实施方案的示意图，这些推进器的推力方 向可以改变。如上文所述，有质动力的方向沿着磁场的磁力线。从而， 改变推进器加速空间中的磁场磁力线可以改变推力的方向。图10是 推进器另一个实施方案的剖视图，该推进器与图4中的推进器类似。 然而，在图10所示的实施方案中，推进器还具有三个位于第二共振 腔18下游的附加方向控制线圈42、44和46。这些线圈偏离于推进 器轴线，从而改变第二线圈14下游的磁场方向。图11是一个表示 三个线圈和喷管2的侧视图；还表示了通过向这些线圈中的一个或多 个通电而产生的不同磁场，其象征性地由喷管2中的箭头表示。优选 地，这些线圈产生一个与线圈12和14产生的磁场方向相反的磁场； 这进一步增大了磁场梯度，从而增大了推力。另一方面，向线圈施加 可逆电流使得可以在更宽的范围内改变推力方向，并使用更少的线圈 (用2或3代替4)，但使用一个更复杂的电源来驱动线圈。

图12是一个与图11相似的侧视图，但推进器只有两个附加线 圈，与图11相比，还表示了元件14和18的外径。图13是一个 与图11相似的侧视图，但推进器只有四个附加线圈。

在图10-13中的实施方案中，方向控制线圈尽可能靠近第二腔体， 从而作用于加速空间中的磁场。有利的是，方向控制线圈中的磁场方 向选择成使磁场在推进器下游仍然连续减小，这避免了任何可能局部 约束等离子体电子的磁镜效应。还可以使用其轴线倾斜于推进器轴线 的线圈。这可以增大推力矢量方向的变化范围。

由方向控制线圈产生的磁场值优选地为主磁场的20％-80％，从而 在任何位置都不会使磁场方向发生逆转。

图14是一个表示喷管各种可能的变化的剖视示意图。这些变化 结合在图14所示的实例中，但它们可以单独使用在图1-13中所示的 任何一个实施方案或图15和17所示的实施方案中。首先，与上文 所述的实施方案相比，图14中的腔体6具有较小的横截面。这在相 同质量流速下，增大了腔体中的气体浓度，从而增大了电离空间的电 离碰撞频率。这改善了电离。

其次，喷管可以具有一个位于腔体6上游的稳定腔。该稳定腔具 有保护喷射器喷嘴免受高能电子损伤的优点，这些高能电子可以穿过 由磁场第一最大点Bmax1形成的屏障。此外，这样的稳定腔将改善腔 体中流动的均匀性，并限制腔体中的梯度强度。

第三，喷管还具有一个位于加速腔内部的附加气体喷射器50。其 保护喷管壁，避免由推进器加速的高能电子造成的腐蚀。

图15是一个根据本发明另一个实施方案的推进器的剖视示意 图；在图15所示的实施方案中，腔体52为环形。此外，图15中 的推进器采用永磁体代替线圈。图中显示了腔体52，气体在一端喷射 (箭头54和56)。从而喷管包括布置成围绕相同轴线的内圆筒58 和外圆筒59。气体的喷射实际上可以用一个或几个喷射器(图15中 未显示)来围绕形成在腔体末端的圆环进行。第一和第二共振腔60和 62沿着喷管布置，每个腔体都由位于喷管58内部的内部部分和位于 喷管外部的外部部分组成。图15中的推进器使用永磁体。圆筒58内 部具有两个环形磁体64和66；相应地外圆筒59外部具有两个环形 磁体68和70，对着内环形磁体。一个第三磁体72位于腔体52左 侧。它为圆形，并具有与外部环形磁体外径大致相同的外径。为了引 导磁场磁力线，一个用如软铁等材料制成的第一圆管位于外部环形磁 铁的外侧，并与圆形磁铁72的外圆周相连。一个用相似材料制成的 第二圆管76位于第一内部环形磁铁64的内侧，并连接至圆形磁铁 72的圆心附近。一个杆78将磁场磁力线从第二内部环形磁铁66的 内圆周引导至圆形磁铁78的圆心。当然，其它引导磁力线的结构也 是可以的。

图16是沿着图15中推进器轴线的磁场和电磁场强度分布图。 它基本与图2中的图一致，除了图16中的磁场大部分为径向。

图17是一个推进器的剖视示意图，该推进器具有与图15中推 进器相似的腔体52。然而，图17中的推进器使用线圈产生磁场。结 构与图15中的推进器相似，但

-磁体64、66、68、70和72被具有大致相同形状的磁力线引 导装置代替；

-一个第一环形线圈80位于杆78外径上，靠近元件66；

-一个第二环形线圈82位于管76外径上，靠近元件64。

此外，磁场和电磁场与图16中相似。采用如图15和17中的 环形腔体类似的腔体，磁场和电磁场发生器的位置可以很容易地改变。

下面的表给出了一些本发明的实施方案，编号为1-33。在这些表 中：

-Power表示与表中其它实施方案相比，推进器的相对功率；

-Band表示微波频段；

-Ptotal表示推进器的总功率，单位为W；

-Pthrust表示推进功率，单位为W；

-Pion表示用于电离的功率，单位为W；

-Thrust表示所获得的推力，单位为mN；

-Mdot表示质量流率，单位为mg/s；

-Isp表示具体冲量，也就是排出速度与海平面上的重力加速度g 之间的比值，单位为s；

-Efficiency表示推进器效率，也就是推进器消耗的功率和机械推 进功率之间的比值；

-B表示回旋磁场，单位为mT；

-Fce表示电子回旋频率，单位为GHz；

-Bmax/Bmin表示磁场最大值和最小值之间的比值；

-T/S表示推力密度，单位为N/m2

-Routput表示推进器在出口处的直径，单位为cm；

-Rin表示磁场线圈的直径，单位为cm；

-L表示腔体总长度，单位为cm；

-Dbob表示磁场线圈之间的距离，单位为cm；

-Ibob表示磁场线圈的强度，单位为A；

-Nbob表示磁场线圈匝数。

不同的实例对每个值或示意值给出各种范围。例如，Bmax/Bmin的 比值处于1.69(实施方案18和24)至17.61(实施方案5)之间。 该值优选地应该处于1,2-20之间。尽管从表中推导出的不同范围与 具体实施方案相关，但是在表中给出的全部范围内都可以使用本发明。 因此，从表中推导出的不同范围实际上彼此独立。

                           表1

  实例   Power   Band   Ptotal   Pthrust   Pion   Thrust   1   低   C   199   190   9   8,3   2   低   X   200   139   48   16,4   3   低   K   200   152   48   17,2   4   低   X   200   124   7   5,9   5   低   K   200   151   7   6,6   6   低   C   224   163   61   20,0   7   中等偏低   K   1500   968   382   122,1   8   中等偏低   C   1500   1117   382   131,1   9   中等偏低   X   1500   1117   382   131,1   10   中等偏低   C   1500   993   61   49,3   11   中等偏低   X   1500   1392   61   58,4   12   中等偏低   K   1500   1392   61   58,4   13   中等   K   3500   2591   897   306,2   14   中等   C   3500   2599   897   306,7   15   中等   X   3500   2929   574   260,5   16   中等   K   3500   2947   143   130,2   17   中等   X   3500   3368   143   139,2   18   中等   C   3500   3369   143   139   19   中等偏高   K   8000   7061   913   510,0   20   中等偏高   X   8000   7355   670   445,8   21   中等偏高   X   8000   7604   329   317,4   22   中等偏高   K   8000   7691   329   319,2   23   中等偏高   C   8000   7699   329   319,4   24   中等偏高   C   8027   7708   319   315,1   25   高   C   10000   7417   2573   877,3   26   高   K   10000   9089   839   554,6   27   高   X   10000   9612   410   398,9   28   高   C   10000   9623   410   399,1   29   高   K   10000   9686   339   364,0   30   非常高   C   50000   45952   4204   2791,4   31   非常高   C   50000   48106   2059   1998,9   32   非常高   X   50000   49319   804   1264,9   33   非常高   K   50000   49349   712   1190,8

                                      表2

  实例   Mdot   Isp   Efficiency  B   Fce   Bmin/Bmax   T/S   1   0,18   4638   75,97％  85,41   2,391   2,16   26,6   2   0,97   1729   69,63％  344,97   9,656   2,16   52,3   3   0,97   1806   75,96％  634,46   17,759   9,79   54,6   4   0,14   4244   61,83％  352,09   9,855   2,16   75,6   5   0,14   4684   75,34％  649,72   18,186   17,61   83,5   6   1,22   1666   65,35％  85,41   2,391   2,16   63,6   7   7,70   1617   64,56％  634,46   17,759   9,79   388,6   8   7,70   1737   74,47％  88,55   2,479   2,26   104,3   9   7,70   1737   74,47％  338,73   9,481   3,75   104,3   10   1,22   4108   66,23％  88,55   2,479   2,26   39,2   11   1,22   4864   92,82％  634,46   17,759   9,79   185,8   12   1,22   4864   92,82％  634,46   17,759   9,79   743,1   13   18,09   1725   74,02％  634,46   17,759   9,79   974,6   14   18,09   1728   74,27％  88,55   2,479   2,26   79,7   15   11,58   2293   83,69％  338,73   9,481   3,75   207,3   16   2,87   4616   84,19％  634,46   17,759   9,79   414,3   17   2,87   4935   96,23％  338,73   9,481   3,75   442,9   18   2,87   4935   96,26％  105,78   2,961   1,69   110,8   19   18,42   2823   88,26％  634,46   17,759   9,79   1623,3   20   13,51   3363   91,93％  338,73   9,481   3,75   354,8   21   6,63   4884   95,06％  338,73   9,481   3,75   449,1   22   6,63   4911   96,13％  634,46   17,759   9,79   1016,2   23   6,63   4914   96,23％  88,55   2,479   2,26   162,7   24   6,44   4986   96,34％  90,30   2,528   1,69   111,5   25   51,89   1724   74,17％  88,55   2,479   2,26   137,9   26   16,92   3341   90,89％  634,46   17,759   9,79   1765,4   27   8,28   4913   96,12％  338,73   9,481   3,75   564,3   28   8,28   4915   96,23％  88,55   2,479   2,26   203,3   29   6,84   5425   96,86％  634,46   17,759   9,79   1158,6   30   84,78   3356   91,90％  86,62   2,425   4,45   246,8   31   41,53   4906   96,21％  86,62   2,425   4,45   360,7   32   16,22   7949   98,64％  338,73   9,481   3,75   1006,6   33   14,37   8449   98,70％  634,46   17,759   9,79   3790,4

                                  表3

  实例   Routput   Rin   L   Dbob   Ibob   Nbob   1   1   8   32   20   1   15000   2   1   4   17   10   1,35   20000   3   1   2   16   10   1,4   20000   4   0,5   4   18   10   1,5   20000   5   0,5   1,6   16   10   1,35   20000   6   1   8   32   20   1   15000   7   1   2   16   10   1,4   20000   8   2   7   30   18   1   15000   9   2   3   17   10   1,2   20000   10   2   7   30   18   1   15000   11   1   2   16   10   1,4   20000   12   0,5   2   16   10   1,4   20000   13   1   2   16   10   1,4   20000   14   3,5   7   30   18   1   15000   15   2   3   17   10   1,2   20000   16   1   2   16   10   1,4   20000   17   1   3   17   10   1,2   20000   18   2   7   26   15   1   15000   19   1   2   16   10   1,4   20000   20   2   3   17   10   1,2   20000   21   1,5   3   17   10   1,2   20000   22   1   2   16   10   1,4   20000   23   2,5   7   30   18   1   15000   24   3   7   27   15   1   15000   25   4,5   7   30   18   1   15000   26   1   2   16   10   1,4   20000   27   1,5   3   17   10   1,2   20000   28   2,5   7   30   18   1   15000   29   1   2   16   10   1,4   20000   30   6   5   30   18   1   15000   31   4,2   5   30   18   1   15000   32   2   3   17   10   1,2   20000   33   1   2   16   10   1,4   20000

上述给出的实例可以调整和变化。例如，可以使用除线圈以外的 装置产生磁场，例如图15中所示的永磁体；这也可以用于其它推进 器。共振腔或线圈的个数可以根据需要改变。例如，可以使用单个共 振腔在磁场最大点两侧产生电磁场，满足空间约束。在图6和7所 示的实施方案中，可以使用三个附加线圈：附加线圈的数目和位置可 以不同；例如可以在推进器加速空间增加一个附加线圈。也可以在图 1、3、4、8、10、14、15或16所示的实施方案中使用这样的附加线 圈。与之相似，梯度控制线圈的数目和位置可以与图8所示的实施方 案不同；可以在其它实施方案中使用梯度线圈。可以永久地形成一个 较高的磁场梯度-如图9中的曲线40。如图10-13中的那些方向 控制线圈也可以用在图1-9或15-17所示的实施方案中。在全部实施 方案中，电离和加速电磁场可以采用相同的频率；这简化了电磁场的 产生；然而，也可以采用不同发生器所产生的不同频率。