等离子发动机的制作方法

本实用新型总体上涉及发动机，尤其是用于推进太空飞行器例如火箭的发动机。

更具体地说，本实用新型涉及一种等离子发动机，该等离子发动机通过以选定的方向排放等离子体或电离粒子来提供推力，以便推进车辆或飞行器。

背景技术：

现有技术中已知通过排放电离气体(等离子体)来产生推力的发动机，这样的发动机通常称为“等离子发动机”。例如，授予Cirri的US专利No.5,241,244(以下简称“244’专利”)描述了一种这样的发动机。该224’专利所公开的发动机通过向被注射到电离室内的中性气体施加电磁场来产生等离子体。自由电子存在于排放室中并且被电磁场激励，所激励的电子撞击该排放室中的气体原子，使得气体原子被电离。该排放室的排出端设置有带电荷的格栅，以用于吸引通过电离产生的离子，并使离子通过该格栅以很高的速度离开排放室。由此通过离子的排放产生了推力。

另一种已知类型的等离子发动机是霍尔效应等离子体推进器。例如，授予Petrosov等人的US专利No.5,845,880(以下简称“880’专利”)描述了一种霍尔效应等离子体推进器。该880’专利所公开的推进器包括向其中注射中性气体例如氙气的室。电子从该推进器的排放端附近的阴极端子发出，并通过具有高电压的阳极端子朝向该室的另一端加速。对该室施加电磁场以使电子朝向阳极端子以螺旋路径移动。当电子靠近阳极端子时，它们撞击所注射的气体的分子，以使该气体被电离。借助于磁场，电子在该推进器的排出端附近以云状聚集。带正电荷的电离气体原子被静电吸附至该电子云并且高速离开该推进器。在该880’专利所公开的推进器中，磁场对所排出的离子的路径的影响很小，因为这些离子比电子大得多。因此，离子以基本上笔直的路径离开该推进器。

授予Chang的US专利No.4,851,279和No.4,893,470描述了其他类型的等离子发动机。该发动机包括静电等离子体发生器。来自该发生器的等离子体受到一系列磁体的约束，并且被引向排放喷嘴。该排放喷嘴大致为锥形。通过向排放喷嘴的内表面注射中性气体以便隔离该排放喷嘴以及通过在排放喷嘴的入口安放磁体以使等离子体的排放聚焦来限制等离子体与喷嘴材料之间的接触。在这些专利中，可以通过改变注射到排放喷嘴中的中性气体的量并由此改变与推力直接相关的、穿过排放喷嘴的质量流来调节由发动机产生的推力。

现有技术中已知的等离子发动机的一个局限之处在于，这种发动机的比冲量(每单位质量的排放物产生的推力)不能被容易地控制。通常，在这种发动机中，仅推力能被直接控制。对于某些类型的航程例如星际旅行而言，可能希望发动机以低的推力和非常高的比冲量来运行，以便能在航程期间产生高速度以及可能的人造重力。然而，还希望这种发动机仍具有在需要时(例如在脱离行星轨道时)产生非常高的推力的能力。

一般而言，现有技术中的等离子体排放型的发动机通过向等离子体施加静电场来使等离子体具有高排放速度。带正电荷的气体离子通过被吸引向带负电荷的阴极端子而以高速度离开发动机，同时电子保留在后面。因此，现有技术中已知的等离子发动机需要用于排放离子的静电中和器，以便不会由于仅从发动机排放正电离子而积聚静电荷。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的是通过提高等离子体的生成效率、等离子体的加热效率等来提出一种工作效率高并且经济性好的等离子发动机。

本实用新型的另一个目的提出一种输出可控的等离子发动机，该发动机可以根据应用场合的不同实现推力与比冲量的适当组合。

根据本实用新型，一种等离子发动机包括：

-等离子体发生器，该等离子体发生器包括用于接收可电离气体的供应的输入端以及用于利用该可电离气体产生等离子体的等离子体生成室；

-加热器，该加热器沿等离子体的流动方向布置在该等离子体发生器的下游，并且用于加热该等离子体；以及

-排放端，该排放端沿等离子体的流动方向布置在该加热器的下游，并且用于将加热后的等离子体排出该等离子发动机，

其中，该等离子体发生器为螺旋波型的等离子体发生器，它的等离子体生成室与所述加热器物理隔离，它的输入端设置有离子推进模块，该离子推进模块能在环境压力下点燃所述等离子体生成室中生成的等离子体。

上述等离子发动机可以分别通过离子推进模块和加热器对所生成的等离子体进行二级加热，由此提高等离子体的加热效率。另外，等离子体生成器与加热器的物理隔离也进一步提供了加热器的加热效率。这样，通过简化的结构提高了整个等离子发动机的工作效率。

本实用新型的等离子发动机还具有如下有利的技术特征：

-所述离子推进模块包括处于中央的阴极电极以及围绕该阴极电极的阳极电极，其中，所述阳极电极与所述阴极电极伸入所述等离子体生成室中并且通过超轻陶瓷结构彼此间隔开，所述阳极电极外部围绕有超轻陶瓷套管；

-所述等离子体发生器包括围绕等离子体生成室布置的第一磁体，该第一磁体被沿着该等离子体发生器的轴向方向极化；

-所述等离子体发生器包括围绕等离子体生成室布置在所述第一磁体的相对于等离子体流动方向下游的第二磁体，该第二磁体构造成向等离子体生成室中的等离子体施加沿轴向方向极化的DC磁场；

-所述加热器包括形式为离子回旋共振腔的中央室，来自等离子体发生器的等离子体在该中央室中被加热；

-所述加热器包括围绕所述中央室的外壁设置的第三磁体，该第三磁体构造成对中央室中的等离子体施加沿轴向方向极化的DC磁场以及沿径向方向发散的磁场；

-所述加热器包括与RF电源相连的天线阵列，该天线阵列定向成对中央室中的等离子体施加静电磁场；

-该等离子发动机设置有电源调节器，该电源调节器构造成选择性地将RF电源的一部分能量供应给等离子体发生器的天线阵列，并且将RF电源的其余能量供应给加热器的天线阵列；

-该等离子发动机还包括布置在所述加热器与所述排放端之间的磁性喉状部，该磁性喉状部与该加热器的中央室连通，以用于约束来自该加热器的等离子体；

-围绕该磁性喉状部的外壁布置有第四磁体，该第四磁体构造成向等离子体施加沿轴向方向极化的DC磁场；

-该等离子发动机还包括布置在所述排放端处以供等离子体沿轴向穿过的波纹线圈阵列，该波纹线圈阵列与AC电源相连，并且定向成在即将离开等离子发动机的等离子体上引发沿轴向方向极化的AC磁场；

-所述波纹线圈阵列由一个或多个独立的线圈构成，或者由围绕等离子发动机的纵向轴向缠绕的螺旋管构成；

-该等离子发动机还包括布置在所述排放端处的喷射装置，该喷射装置构造成将中性原料以与排放端处的等离子体的流同轴的环的方式喷射到该等离子体的流的径向最外部分；

-所述中性原料为储存在原料罐中的液体燃料；所述喷射装置包括泵，该泵经由控制阀装置从该原料罐抽取并泵送该液体燃料；以及

-该等离子发动机还包括稳定结构，该稳定结构沿该等离子发动机的整个长度延伸，并且呈现框架的形式。

附图说明

下面参照附图更详细地说明本实用新型的优选实施方式。在附图中：

图1示出根据本实用新型一个实施例的发动机的结构示意图；

图2示出图1中的发动机的离子推进单元的结构示意图；

图3示出本实用新型实施例的发动机中的磁场分布和粒子轨迹。

具体实施方式

图1示意性地示出根据本实用新型一个实施例的发动机10，该发动机10优选用在太空飞行器尤其是火箭中。该发动机10包括可电离气体源12。在本实施例中，该可电离气体源12由储存在合适的罐中的液态氩构成。然而，也可以使用其他气体例如甲烷或氨气作为可电离气体源，并且可以将该可电离气体以任何合适的形式储存，甚至还可以设想从在发动机10附近进行的化学反应中获取可电离气体。

该可电离气体源12中的气体通过气体注射系统14被供应到等离子体发生器20中，以便被电离而生成等离子体。优选地，等离子体发生器20是可产生螺旋波等离子体的发生器。如通常已知的，这种螺旋波等离子体发生器包括设置在该发生器的等离子体生成室附近但不接触该等离子体生成室的天线，该天线被以所谓的“螺旋波频率”供应RF(射频)能量，由此从该发生器的等离子体生成室中存在的气体的原子上激励出电子。该天线的形状和类型对于该发生器的运行不重要，只要该天线形成并且优选定向成使得施加到该发生器中的气体上的磁场沿着一个使气体流的电离最大化的方向极化即可。

如图1中所示，可以通过RF电源22向等离子体发生器20的天线供应能量。该RF电源22以及发动机10的其它相关电源可以连接到电源调节器23。该电源调节器23用于管理和调节从主能量源(未示出)分配到RF电源22的能量或功率，该主能量源可以采取热核裂变发生器、热核聚变发生器、太阳能板、微观黑洞发生器或者氢/氧燃料电池等形式。

与已知的静电等离子体发生器相比，使用螺旋波等离子体发生器来生成等离子体的一个优点是不需要与气体或等离子体相接触的电极，由此降低了腐蚀的可能性。使用螺旋波等离子体发生器的另一个优点是螺旋波等离子体发生器的效率高于静电等离子体发生器。当等离子体发生器的效率很高时，使用已有的可电离气体源将变得更有效且经济。

仍参见图1，根据本实用新型，等离子体发生器20还包括设置在其输入端的离子推进模块30。该离子推进模块30可以由反激式变换器和大容量移动电源构成，该大容量移动电源可以由标准高压和大容量电容器形成。

现在参见图2，优选地，本实用新型的离子推进模块30包括处于中央的阴极电极31以及围绕该阴极电极31的阳极电极32。所述阳极电极32与所述阴极电极31朝向等离子体生成室延伸并且通过超轻陶瓷结构33间隔开。所述阳极电极32外部也围绕有超轻陶瓷套管34。作为举例，阴极电极31可以由钨制成，阳极电极32可以由铜制成。

如可从图1和2中看出的，阴极电极31和阳极电极32之间的超轻陶瓷结构33中开设有沿纵向或轴向方向(即图1中的左右方向)贯通的开口，以允许来自气体注射系统14的可电离气体进入等离子体发生器20中、尤其是进入该等离子体发生器20的等离子体生成室中。

这样，离子推进模块30可以一方面使可电离气体产生轴向加速度以便将其向前推进，另一方面能通过电弧放电而在发动机所处环境的环境压力下点燃在等离子体生成室中形成的高密度等离子体流，由此实现了对所生成的等离子体的初级加热。

优选地，等离子体发生器20包括用于向该等离子体发生器20中的气体原子施加DC(直流)磁场的第一磁体17。该第一磁体17可以围绕等离子体发生器20、尤其是其等离子体生成室的外壁设置。该第一磁体17优选被沿着等离子体发生器20的轴向方向或纵向轴线极化。该第一磁体17可以是超导的电磁体，该超导的电磁体可以被液氮冷却，该液氮可以由分离器(或液氮压缩单元)16从液氮源15中抽出。或者，第一磁体17也可以是围绕等离子体发生器20的纵向轴线缠绕的超导线圈。

对于经常暴露在外太空的真空下的太空飞行器应用而言，上述实施例的一个优点是，在螺旋波激励之后保留在等离子体发生器20中的未电离的气体基本不会受到第一磁体17的磁场的影响。因此，未电离的气体可被容易地通过环境空间的真空从该等离子体发生器20中抽出，而被电离的气体和自由电子则受到第一磁体17的磁场的约束，并且远离等离子体发生器20的输入端地沿轴向方向行进。由于利用真空从等离子体发生器中移除了未电离的气体，进入该发生器20下游的加热器25(下文将详细说明)中的未电离气体的量显著减少，由此将显著增大加热器25的效率。

在等离子体发生器20中形成的等离子体可以通过第二磁体18被沿着发动机10的轴向方向引导出该等离子体发生器20。该第二磁体18围绕该等离子体发生器20的外壁设置，并且向该等离子体发生器20的等离子体生成室中所生成的等离子体施加沿轴向方向极化的DC磁场。与第一磁体17一样，第二磁体18也可以是超导磁体，并且可以被来自分离器16或者直接来自液氮源15的液氮冷却。

仍参见图1，根据本实用新型的优选实施例，发动机10还包括用于加热等离子体的加热器25。该加热器25在等离子体的前进方向上设置在等离子体发生器20的下游，并且与该等离子体发生器20、尤其是该等离子体发生器20的等离子体生成室物理隔离。等离子体发生器20与加热器25的这种物理隔离可以有效地阻止该等离子体发生器20中的由于气体的不完全电离导致的任何不希望的残留中性粒子进入该加热器25中。通过将残留的中性粒子与加热器25隔离，冷的(未加热的)中性粒子与热的(被加热的)离子之间的电荷交换反应得以最小化，这种电荷交换反应倾向于以热的中性粒子的形式从等离子体中移走能量。

在优选实施例中，所述加热器25可以包括ICR(离子回旋共振)腔。具体地，该加热器25可以包括形式为ICR腔的中央室25B、与RF电源22相连的天线阵列21以及围绕该中央室25B的外壁设置的第三磁体25A。

天线阵列21的构型对于本实用新型来说是无关紧要的，但该天线阵列21应当形成并且定向成对中央室25B中的电离气体施加静电磁场，该静电磁场将激励中央室25B中的电离气体以使之进行离子回旋共振。

第三磁体25A也可以是通过液氮冷却的超导磁体。该第三磁体25A可以对中央室25B中的等离子体施加沿轴向方向极化的DC磁场。由于该第三磁体25A引起的沿径向方向(即图1中的上下方向)发散的磁场，中央室25B中的等离子体在整体上沿轴向方向或纵向轴线远离等离子体发生器20行进的同时，还将沿着该径向发散的磁场的方向运动。

这样，在中央室25中，等离子体围绕该中央室25的纵向轴线以螺旋样式行进。当RF电源22以这些等离子体的离子回旋频率向天线阵列21供电时，这些等离子体粒子的行进速度将会增加。

虽然图1中示出了单个RF电源22，但也可以设置两个独立的RF电源以便分别供应等离子体发生器20的天线阵列以及供应加热器25的天线阵列，只要这些RF电源适合于分别以螺旋波频率和离子回旋频率供应RF能量即可。

申请人已经发现，当受到由第三磁体25A产生的径向发散磁场的作用时，中央室25B中的由电子和电离气体的原子二者构成的、螺旋形前进的等离子体粒子可以以非常高的轴向速度离开该中央室25B。因此，该第三磁体25A的径向发散的磁场起到了用于从中央室25B排出等离子体的“磁喷嘴”的作用。这种设计的一个优点是使得等离子体中的电离气体粒子和自由电子被以基本相同的速度从中央室25B排出。这样，本实用新型的等离子发动机10不再像现有技术中已知的等离子发动机那样需要对所排放的等离子体进行静电中和。

特别优选地，在加热器25的沿等离子体行进方向的下游设置有磁性喉状部26。该磁性喉状部26可以与该加热器25的中央室25B连通。这样，从中央室25B的出口侧离开的等离子体进一步受到磁性喉状部26的约束。

该磁性喉状部26包括第四磁体26A。该第四磁体26A也可以是由液氮冷却的超导磁体。该第四磁体26A可以围绕磁性喉状部26的外壁布置，并且用于向等离子体施加沿轴向方向极化的DC磁场。由该磁性喉状部26提供的有效磁孔径可以从零到任何适当的值，以使离开中央室25B的等离子体的一部分通过该磁性喉状部26被反射回中央室25B的入口侧。所反射的等离子体粒子再次穿过中央室25B的RF共振区域，并且再次被天线阵列21的RF静磁场激励。

与第四磁体26A相关联地设置有功率调节/供应和控制电路27。该控制电路27可以包括用于第四磁体26A的DC电源，并且可以选择性地操作以改变由第四磁体26A产生的DC磁场的大小。改变由第四磁体26A产生的DC磁场的大小所具有的效果是可以改变喉状部26的“孔径”，从而可以改变等离子体的反射量，并由此改变被反射的等离子体在加热器25中的再激励。通过在加热器25中再激励等离子体，可以增大等离子体的排放速度并且由此增大发动机10的比冲量。因此，由于该喉状部26，发动机10的比冲量可以被选择性地增大，由此可以改进该发动机10的运行。然而，可以理解，发动机10也可以在没有喉状部26的情况下工作。

优选地，在加热器25或者喉状部26(在设置有该喉状部的情况下)的下游设置有波纹线圈阵列29。从加热器25或喉状部26(如果有的话)离开的等离子体可以沿轴向方向穿过该波纹线圈阵列29，以便进一步提高发动机10的整体效率。

该波纹线圈阵列29可以与一个AC(交流)电源相连，该AC电源可以是用于选择性地操作第四磁体26A的控制电路27的一部分。波纹线圈阵列29可以由一个或多个独立的线圈构成，或者由在加热器25或喉状部26的下游围绕发动机10的纵向轴线缠绕的螺线管构成。该波纹线圈阵列29应当定向成在即将离开发动机10的等离子体上引发基本沿轴向方向极化的AC磁场。

由波纹线圈29引起的AC磁场的幅度优选大到足以影响即将离开发动机10的等离子体的外边界，但又小到足以避免穿透即将离开发动机10的所有等离子体排放物。该AC磁场具有的效果是通过在所排放的等离子体柱的外层中产生等离子体不稳定性和湍流来有效地将所排放的等离子体与第三磁体25A的静磁场隔离。由波纹线圈阵列29产生的AC磁场通常在波峰处比由加热器25的第三磁体25A产生的DC磁场弱，但该AC磁场足以影响与所述DC磁场分离的等离子体。

可以通过泵24经由合适的阀控制装置28将从原料罐13抽取的适当类型的液体泵送到发动机10的排放端10A。该液体以中性(未电离)形式被泵送到发动机10的等离子体排放物中，并用作“辅助燃料”。这种中性原料被以与等离子体柱同轴的环形环的形式排放到等离子体排放物的径向最外部分。

这种对发动机10的排放端10A处的等离子体进行的中性液体排放可以起到“等离子体后燃器”的作用，它可以在需要时针对特定的应用场合提供非常高的发动机推力。这种同轴的环形中性液体射流的另一功能是引起等离子体排放物的最外层中大量粒子的碰撞，由此可以通过碰撞扩散过程使等离子体脱离上述径向发散的磁场。这种“后燃器”模式优选在发动机10以低比冲量(高推力)模式运行时使用，这样，该中性液体的环将形成一个边界层，该边界层可以起到保护火箭喷嘴附近材料的作用。

本实用新型的一个有利方面是发动机10的推力和比冲量输出可以通过将RF电源22的总输出的选定部分引向等离子体发生器20的天线阵列并且将该RF电源22的总输出的其余部分引向加热器25的天线阵列21来选择性地控制。具体地，当RF电源22的能量总量固定时，可以通过选择被引向各个天线阵列的能量部分的量来控制所产生的等离子体的质量以及该等离子体的排放速度。如通常已知的，发动机的比冲量与等离子体从发动机排出的速度有关，而发动机的推力与从发动机所排放的等离子体的质量及其排放速度有关。本实用新型的发动机10可以通过增大被供给到加热器25的RF能量的量而在非常高的比冲量下提供低推力，以用于长途飞行例如星际航行。由于一个太空飞行器中可用的能量的量是基本上固定的，能够选择性地控制发动机的比冲量以及推力的能力使得可以有效使用该太空飞行器所载有的固定的能量源。例如，当飞行器在基本无摩擦的环境例如外太空中行进时，可以使发动机较长时间地产生低推力和高比冲量，由此使该飞行器具有非常高的行进速度并且从而缩短飞行时间。相反，当飞行器准备脱离行星轨道时或者再次进入行星轨道或大气层时，可以通过将RF电源较多地引向等离子体发生器的天线阵列来使发动机产生高推力。

此外，如上所述的磁性喉状部26以及以“后燃器”模式进行的中性液体的喷射也可以用于进一步控制推力和比冲量。

图3示出本实用新型的发动机示例的期望的磁场分布和粒子轨迹，其中分别示出了第一磁体17、第二磁体18、第三磁体25A和第四磁体26A的磁场。虽然在本说明书中，这些磁体是作为分开的磁体分别描述的，但可以理解，这些独立的磁体也可以不必在物理上隔离开。例如，所述第一、第二、第三和第四磁体也可以采取单个连续螺线管的形式。如图3中的磁场线100所示出的，发动机10的排放端10A具有从该发动机10的纵向轴线90沿径向发散的磁场。另外，如图3所示，加热器25中的等离子体粒子将沿轨迹101、102和103离开发动机。具体等离子体粒子的轨迹的径向发散取决于该等离子体粒子在加热器25中采取的螺旋路径的初始半径。与加热器25的中央室25B的直径相比，等离子体粒子的直径小到足以提供最小发散，同时大到足以有效利用该中央室25B的容积。

回到图1，本实用新型的发动机10还可以包括稳定结构19。该稳定结构19可以沿着该发动机10的整个纵向长度延伸，并且采取包围发动机10的主体(即，由等离子体发生器20、加热器25、喉状部26以及排放端10A构成的部分)的框架的形式。该稳定结构19可以消除发动机10的各部分上的结构应力，避免发动机10的构成材料例如陶瓷被应力破坏。

本实用新型不局限于上面说明并且示出的实施例，而是涵盖在此说明的各个技术特征在技术上的任意组合。