可用于高海拔的霍尔效应推进器的制作方法

本发明涉及以大气气体作为推进剂的霍尔效应推进器领域。

背景技术：

文献us2003/046921描述了以大气气体作为推进剂的霍尔效应推进器。这样的推进器使用的是剩余大气中的粒子，在推进器中调动运行。

以大气气体作为推进剂的霍尔效应推进器主要用于推进观测卫星，这些推进器在低轨道上特别有用。

在这个海拔上，剩余大气减慢了卫星的速度，限制了它们的寿命。有利地，以大气气体作为推进剂的霍尔效应推进器允许补偿这种阻力，从而增加了卫星的寿命。

但是，考虑到此海拔的大气稀薄，这些推进器不能在100公里左右的海拔上运行。因此，它们在高于这个海拔的地方不可用，例如允许卫星向更高的轨道转移。

此外，文献us2008/116808描述了可以在外壁上实施的等离子推进器技术。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提出一种以大气气体作为推进剂的霍尔效应推进器，其能够在比传统的霍尔效应推进器更高的海拔上运行。

本发明的第一方面主要涉及包括用于加速粒子的(内)通道的霍尔效应推进器。

根据本发明的第一方面，通过用于沿推力轴线产生推力的霍尔效应推进器获得前面指出的目标，该推进器包括：

通道，当通道处于运行状态时允许推进器收集、加速和喷射粒子，该通道由内壁和外壁径向限定；

电路，包括阳极、阴极和电压源，经由阴极发射电子并经由阳极吸引电子；

磁路，用于在阳极的轴向下游通道中产生磁场，该磁场相对于推力轴线以大致径向定向；

该推进器的特征在于：

通道在推进器的上游侧是开放的，并且包含用于收集粒子的粒子集中器；

集中器的形状由连续的轮廓限定，连续的轮廓位于与推力轴线垂直的平面中并围绕推力轴线；

在轮廓的主要部分上，即轮廓的至少50％，优选地轮廓的至少75％，垂直于轮廓的集中器的每个部分具有抛物线形状，并具有属于轮廓的焦点；以及

磁路布置成在轮廓附近产生磁场。

以本身已知的方式，阴极放置在阳极的下游。另外，电路布置成这种方式，即电场在阳极和阴极之间的大致轴向方向(推力轴线方向)产生。

通常，在集中器的下游通道还具有圆柱形的或基本圆柱形的后部。所说的“圆柱形”后部在这里的意思是后部的表面是通过沿着一个方向的闭合轮廓的位移而产生的；在这里，这个方向是推力轴线。然后通道的后部用于在加速和喷射期间由推进器引导粒子。

该后部通常直接从集中器的下游限制延伸。

通道通常具有环形形状；它因此具有内壁和外壁。在优选实施方式中，磁路包括布置成连接通道的内壁和外壁的多个连接臂。

轮廓围绕推力轴线的事实(当然，沿着这个轴观察)，表示当沿推力轴线观察时轮廓围绕该轴包裹。

此外，在本文中，术语“电压源”广泛指代能够产生电压的装置。这个电压不一定是恒定的或甚至是周期性的。因此，配置为传送恒定强度的电流的电流源构成本发明含义内的电压源。

在一个实施方式中，电压源是可控制的：其被配置为使得它施加在阳极和阴极之间的电压可以根据命令而反转。在反转的情况下，电路中阳极和阴极的作用反转。

这种反转使得推进器施加的力的方向可以反向，并将其用作制动系统，例如用于在重新进入大气期间制动卫星。

另一方面，本发明的第二方面涉及一种特定的推进器构造，其中，粒子在推进器的核心中不是在先前指示的通道内加速，而是在围绕壁的外侧加速。尽管有这个重要的区别，但是霍尔效应推进器的运行原理仍然基本上与先前的霍尔效应推进器相同。

根据本发明的第二方面，通过用于沿推力轴线产生推力的霍尔效应推进器的方式获得了前述本发明的目的，该推进器包括：

磁路，用于产生磁场；

电路，包括阳极、第一阴极和电压源，用于至少经由第一阴极发射电子并经由阳极吸引电子；

该推进器的特征在于：

·推进器布置在围绕推力轴线形成的壁内；

·磁路和电路布置为在壁周围产生磁场和电场；以及

·在平行于推力轴线并垂直于壁的任何部分中：

磁路具有上游磁极和下游磁极，基本上彼此隔开一定距离地设置在壁的表面处，以及

磁路以这样的方式布置，即磁场沿着相对于上游磁极前方的推力轴线(并且因此垂直)的大致径向的方向定向；

阳极和第一阴极位于上游磁极的任一侧；

·壁包含用于集中粒子的粒子集中器；

集中器的形状由闭合轮廓(或曲线)限定，闭合轮廓位于与推力轴线垂直的平面中并且围绕壁；

在轮廓的主要部分上，即轮廓的至少50％，优选地轮廓的至少75％，垂直于轮廓的集中器的每个部分具有抛物线形状，并具有属于轮廓的焦点；

磁路布置成在轮廓附近产生磁场。

前面提到的壁通常是航天器外壳上安装推进器的外壁。

在集中器的下游，该壁可以进一步包括圆柱形的或基本圆柱形的后部。这个后部构成屏蔽，用于保护卫星的后部免受推进器喷射的离子和其他入射粒子的影响。

无论是参照本发明的第一方面还是第二方面，先前提到的特征有利地允许推进器具有足够的粒子摄入量，即使航天器在高海拔操纵。

事实上，位于航天器轨迹上的很大一部分粒子撞击集中器。这具有抛物线形状的部分的特定形状(即抛物线的一部分的形状)。

由于这种形状，撞击集中器壁的粒子全部基本上被引导到相同的区域，即朝向抛物线的焦点。

结果，集中器使所收集的所有粒子以相当小的体积集中。由此导致，在这一点附近，粒子的密度增加，并且大大超过剩余大气的粒子密度。

因此可以有利地将该区域中的粒子密度提高到足以供给霍尔效应推进器的值(每立方米10²⁰个粒子的数量级)。

可以理解的是，通过考虑使用卫星预期的海拔和速度来确定合适的直径尺寸，更一般地确定集中器的壁的尺寸以确保实际上获得的该粒子密度。

集中在抛物线焦点附近的粒子被用作推进器的推进剂气体。

由于其布置，特别是其电路和其磁路的布置，推进器被设计为产生阴极栅，该阴极栅由在这些抛物线焦点处的磁场或至少在这些抛物线焦点附近的磁场的电子屏蔽形成。

由航天器捕获的粒子因此被集中器引向抛物线的焦点并且因此朝向推进器的虚拟阴极栅。在电路的阳极和阴极之间产生的电场的影响下，它们被离子化并且朝着推进器的后部加速。

因此，推进器的布置特别是其集中器的布置允许通过将位于卫星轨道上的粒子集中在减小的区域中来补偿高海拔处的粒子的低密度，在该减小的区域中它们可以被加速为航天器产生推力。

根据本发明的第二方面配置的推进器可以如在本发明的第一方面中那样可能包含可控电压源，其电极可以被反转以允许使用推进器作为制动系统。

无论是根据第一或第二方面，本发明都可以有利地通过集成以下改进中的一个或多个来实施：集中器的形状被限定的轮廓可以特别是圆形、椭圆形或者卵形；阳极可以构成壁的一部分或所述壁之一的一部分；阳极可以在壁中或者在所述壁之一中形成为空洞。

最后，本发明还涉及一种包括如前所述的至少一个霍尔效应推进器的航天器。

为此，本发明尤其涉及一种包括根据本发明的第一方面的至少一个霍尔效应推进器的航天器，该航天器被配置为承载径向设置在推进器的通道的内壁内部的有用负载。

在这种航天器的一个实施方式中，轮廓可以是圆形、椭圆形或卵形。

在这种航天器的一个实施方式中，阳极可以构成推进器的通道的壁之一的一部分。

附图说明

通过阅读下面的详细描述，作为非限制性实施例示出的实施方式，本发明将被很好地理解并且其优点将更清楚地显现。说明书参考附图，其中：

-图1是符合本发明的第一方面的用于航天器的推进器的纵向截面图；

-图2是包括图1的推进器的卫星的透视图；

-图3是包括符合本发明的第二方面的推进器的航天器的纵向截面图；以及

-图4是图3的卫星的透视图。

具体实施方式

分别对应于其第一和第二方面的本发明的两个实施方式，现在将通过分别包括符合本发明的推进器10和推进器110的两个卫星1和101来说明。

这些卫星1和101是用于在地球大气层中操纵的卫星，同时保持在100和300公里的海拔之间。

有利地，这个海拔相对较低，这使得某些设备(通信设备，照相机等)具有相对较小的尺寸并因此具有较小的质量。相反，在这个海拔上，地球的大气对卫星的通过提供了一个轻微但非零的阻力。因此有必要补偿诱导阻力。

这些卫星的每一个霍尔效应推进器的作用是向卫星提供推力，使其能够在所需的海拔上保持运行。

它还允许提供轨道更改或修正。

有利地，根据本发明的推进器与那些携带在这些卫星上的并偶联诸如太阳能电池板的供给电能的装置的推进器一样，能够在非常长的持续时间内提供维持卫星海拔所需的推力。

第一实施方式说明了关于图1和2的本发明的第一方面。

图1和图2示出了卫星1(航天器的一个实施例)的推进器10，它是一种霍尔效应推进器，其中大气气体作为推进剂。

推进器10具有围绕推力轴线x整体旋转对称的形状。其布置在具有轴线x的大致圆柱形的外壳20的内部。该外壳的上游端22是开放的，而另一端26(下游端)由垂直于轴线x的基本上平坦的底部25部分地封闭。然而，底部25由环形粒子喷射通道28穿过。

底部25具有与轴线x垂直的盘的一般形状。由于通道28的存在，底部25由盘56和径向地围绕环形通道28设置的环形区域58组成。环形区域58与壳体20的其余部分整体形成。

在壳体20内部，推进器10包含围绕轴线x具有大致环形形状的通道30。更一般地，该通道30也可以是轴对称的。然而，非轴对称的形状也可以被替代地考虑，例如卵形或者跑道形的横截面。

通道30具有大致环形的形状并且包括围绕轴线x同心的径向外壁34和径向内壁32。

通道30基本上由粒子集中器36构成，粒子集中器36在卫星的上游侧(在图1的左侧)开放，并用于收集位于卫星轨道上的粒子。

在下游侧，集中器36通向环形通道28，环形通道28本身在卫星1的下游侧开放，以允许由推进器10加速的粒子的射出。

根据本发明，集中器36的形状由连续的轮廓c1限定。在该实施方式中，该轮廓c1是圆形的，位于与推力轴线垂直的平面中。圆c1在轴线x上居中(因此围绕该轴线)。

在垂直于圆c1的任何平面内(即在本实施方式中，在任何子午平面中)，集中器的截面如图1所示：其具有抛物线形状s，其焦点f1属于圆c1(只有抛物线s的部分用来限定集中器36的形状)。

圆c1被定位成轴向地位于环形通道28处。

在上游侧，推进器10还包含连接臂24，连接臂24在通道30的内壁32和外壁34之间提供机械连接。四个开口25形成在臂24之间，通过该开口25，粒子p穿入进通道30。

推进器10包含磁路50和电路60。

磁路50包括：壳体20本身，其由铁磁材料制成并由此形成外磁芯；底部24和25由铁磁材料制成；以及轴形式的中心磁芯54沿轴线x延伸。构成底部25的一部分的盘56形成轴54的下游端。

前面提到的磁路50的所有元件被布置成允许通过磁路的磁场的无损循环。

为了保护通道的下游部分不受磨损并包含在磁路的气隙中形成的电子云，壁32和34的轴向下游部分由陶瓷材料82和84的环形成，陶瓷材料82和84的环定位于环形通道28。

磁路50还包含内环形线圈70和外环形线圈72，其用于产生霍尔效应推进器的运行所需的磁场b。这两个线圈同心地围绕轴线x形成。这些线圈是基本上圆柱形的线圈，其线圈的每一圈基本上是具有轴线x的圆。

线圈70围绕轴54(径向地)在壁32内(即轴54与壁32之间)形成。线圈72形成在圆柱形壳体20的内表面上，并且更确切地说形成在通道30的内表面和外壁34之间。线圈70和72由电能源(未示出)供电。

在磁路50中，中心磁芯54和外磁芯(外壳20)以它们的极性相反的方式设置。

电路50布置成在环形通道28中产生大致径向的磁场b，由此构成电路50的气隙。因此，通道30的下游部分通过或延伸到电路50的气隙28中。

在通道30中，磁场b的强度在环形通道28的(轴向)水平处是最大的。

另一方面，如前所述，推进器10还包括电路60。

该电路包括轴向位于环形通道28略微上游的阳极62，大部分位于通道30的端部26的下游(并因此位于通道28的下游)的阴极64，以及连接阳极62到阴极64的电压源68。

在这个实施方式中，电压源68是可控制的(尽管这在图中未示出)：其电压可以被反转，以便反转推进器的推力。

阳极62形成通道30的内壁34的一部分：因此其被集成到该通道中，同时仍与其电绝缘(并且特别是与壁34电绝缘)。

在阳极62附近，由磁路50产生的磁场b被分别形成在壳体20的内表面上和轴54的外表面上的内、外磁屏77衰减。这些磁屏77也用于机械地支撑线圈70和72。

阴极64位于环形通道28的开放下游端的外部。在图1和2的实施方式中，阴极64在外侧即轴54的下游附接到盘56。在图2中，阴极64由虚线示出。

在另一个实施方式中，阴极64可以不是附接到盘56而是附接到环形区域58的外表面(在下游或后侧上)。然后阴极可以具有特别的环形形状，而不是如图2所示的形状。

阴极64通过在通道30的内壁32内部循环的电缆连接到电压源66，并且更确切地说在轴54的内部。

在图1和图2的实施方式中，壁32的内部(径向)可用的容积被配备为容纳卫星1的有用负载35。

如图1和图2所示，其径向设置在内壁32的内部。

在另一个实施方式中，在壁32内部，推进器可以特别设计成具有大得多的内部容积。然后在推进器的通道30的内壁32内部，大部分有用负载、甚至是全部有用负载可以设置在该容积中。

在这种情况下，推进器在实践中布置成围绕卫星的有用负载设置的环形结构的形式，或者航天器更一般地形式。

现在将描述推进器10的运行。该运行与由文献us2003/0046921a1所描述的推进器的运行整体相同。

当卫星1在大气中高速移动时，位于其轨道上的粒子被集中器36捕获并穿入其中。

如图1所示，当粒子p因此穿入到集中器36中时，粒子最常碰撞它的壁32或34之一。

现在，已经观察到粒子在卫星或航天器的壁上以准镜面反射(quasi-specular)方式反弹。换句话说，粒子和卫星的壁之间的碰撞似乎没有摩擦发生，即入射角和粒子相对于壁的喷射角是相等的。

因此，由于这种影响，并且由于抛物线的焦点的性质，撞击集中器36的壁32或34的粒子p被送回到焦点f1，即朝向圆c1的点。

因此，集中器允许由卫星1捕获的粒子有利地被引导到位于圆c1附近的相当小的区域中。

圆c1位于由磁路产生的磁场b处于其最强的位置的点，即在环形通道28处。

同时此外，在通道30的下游端的阴极64的下游与阳极62之间建立一般为150至800v量级的电压。因此，阴极64发射电子，大量被捕获在由磁场b形成的“磁性外壳”中。该磁性外壳适合于期望的性能并且通常在100至300高斯的量级上。因此被捕获在该磁性外壳中的电子形成虚拟的阴极栅65，因此在通道30内部基本上沿着圆c1形成环。

电场e由此在通道30中产生，在环形通道28(图1)处以及在其上游到达阳极62处，并且特别是在虚拟阴极栅65处。

然而，如此捕获的电子的一小部分，即最有能量(通常为10至40ev)的那些电子从磁性外壳逸出并到达阳极62。

如前所述，由卫星1捕获的粒子p由集中器36集中在圆c1附近。因此它们进入由磁场b所捕获的电子形成的虚拟阴极栅65。

这些电子与粒子p之间的碰撞使它们电离。由于它们的电荷，电离的粒子然后被电场e朝通道30的下游端26加速。由于电离粒子的质量比电子的质量大几个数量级，所以磁场不会像限制电子那样限制这些离子。推进器10因此产生等离子体射流，该等离子体射流以极高的速度通过通道30的下游端喷射。推进器10因此产生与中心轴线x大致对准的推力。

第二实施方式，现在将结合图3和4说明本发明的第二方面。

图3表示卫星101，卫星101包括根据本发明的霍尔效应推进器110。

卫星101布置在围绕轴线x具有旋转对称形状的外部壳体120中。推进器110布置在壳体120的外壁122内部。

推进器110具有围绕轴线x的轴对称结构。在本文中，术语“上游”和“下游”相对于卫星的正常循环方向以及推进器的正常循环方向来定义。

壁122具有两个部分，即用于集中位于卫星101的轨道上或其附近的粒子p的粒子集中器136和位于集中器136下游的后部124。

集中器136的形状由连续轮廓c2限定。如在前面的实施方式中那样，轮廓c2是圆形的。它位于垂直于推力轴线x的平面中，并围绕壁120包裹。

在垂直于轮廓c2的任何平面的截面中，集中器122具有属于轮廓c2的焦点f2的抛物线形状。

集中器136和后部124在形成圆c3的边缘会聚(图4)。

壁120的后部124具有轴线x的圆柱形状；其形状是由圆c3向轴线x方向的后方位移而产生的形状。

推进器110包含磁路150和电路160。

磁路150被布置成在壁122的上游部分的水平(轴向，相对于轴线x)处产生基本上径向的磁场。

为此，它包含多个相同的基本磁路132，绕轴线x轴对称分布。

每个线路132包括铁芯134，其在轴向截面上具有u形。芯134包含长杆136，该长杆136靠近壁122(并且在其内部)平行于轴线x延伸。它还包含两个弯曲段138，该弯曲段在朝向壁122的径向平面内弯曲，使得这些段的端部正好设置在壁122的表面的下方。关于这些段138，壳体120包含非磁性材料的环140以便允许磁场通过。环140可以例如由陶瓷、多晶立方碳(即金刚石)或氧化铝制成。

每个线路132还包含线圈146，该线圈146形成围绕杆136布置的螺线管。

线路132的线圈146的终端连接到电压源144的终端。该电压源被选择为使得在施加到线圈146的电压的影响下，稳定的磁场b可以是围绕壁产生。电流源也可以使用。

结果，当电压源144向线圈146施加电压时，每个磁路132产生磁场b。该磁场由卫星101外部的线路132在卫星附近的空间中辐射。所形成的磁场线如图3所示。如该图所示，弯曲段138的端部因此形成用于线路132的磁极，即上游磁极170和下游磁极172。

在上游磁极170的前方(或对面)，磁场b相对于推力轴线(x)以大致径向(即，垂直于该轴线并穿过该轴线)定向。

从图4中可以看出，两个相邻的基本磁路132的上游磁极170被形成为彼此靠近，或者如果可能的话甚至是接触的。对于下游磁极172也是如此。这允许磁路在产生磁场b的任何轴向平面中具有上游磁极和下游磁极。由此，磁场b产生基本上均匀地覆盖在壁122的整个周边上。

上游磁极170形成在轮廓c2的水平处(轴向)。因此，磁路150被布置成使得在轮廓c2附近产生在上游磁极前面产生的磁场b。

推进器110还包括电路160。该电路包括阳极162，第一阴极164，第二阴极166，第三阴极167和电压源168，电压源168将阳极162连接到第一、第二和第三阴极164、166、167。阳极162位于上游磁极170的轴向上游。第一阴极64位于上游磁极170的下游，但是紧邻其上游，因此与下游磁极172的上游有一定距离。

第二阴极166位于上游磁极170和下游磁极172之间。因此其位于上游磁极170的下游，并且在下游磁极172的上游。

第三阴极167位于下游磁极172的下游。

此外，每个阴极166和167位于下游磁极172附近，因此位于第一阴极164下游的一定距离处。

阳极162以及第一、第二和第三阴极164、166、167均具有环的形状。这些环中的每一个在垂直于轴线x的平面(或者更确切地说，在垂直于轴线x的两个紧密平面之间)中，在壁122的整个圆周上延伸。这些阴极中的每一个都与壁122的表面齐平，并因此构成该壁的一部分。

推进器110以类似于推进器10的方式运行。

与前述实施方式中的电压源68一样，电压源168是可控制的：其电压可以反向以便反向推进器的推力。

取决于由电压源168给予电压的方向，由推进器110产生的力可以沿着方向x在一个方向上或在另一个方向上；因此根据情况，推进器既可以用作驱动系统，也可以用作制动系统。

这里描述的推进器的运行模式是驱动模式：

当由阳极162与阴极164、166和167之间的电压源168施加电压时，电场e形成在围绕壁122的卫星外部的空间中，基本上在阳极162与第一阴极164之间。该场基本上沿平行于轴线x的方向定向。

此外，在下游阴极和上游阳极162之间建立的电压的影响下，阴极164、166和167开始发射电子。它们中的大部分被捕获在由磁路150产生的磁场形成的磁性外壳中，适于期望的性能，并且其通常可以在100至300高斯的量级。在该磁性外壳中的捕获的电子将因此形成虚拟磁栅165。然而，某些高能电子(通常10至40ev)逸出磁性外壳并到达阳极62。

由于卫星101相对于大气的相对位移，在每个时刻，粒子穿透进虚拟阴极栅165中。保持在该栅中的电子与这些粒子的原子之间的碰撞导致其电离。在由电路160产生的电场e的影响下，电离的粒子然后朝着卫星的后部加速。推进器110因此产生等离子体射流，该等离子体射流在方向x上以非常高的速度朝向卫星的后部在壁122的下游被喷射。出于对称的原因，所产生的推力基本上与中心轴线x对齐。

当推进器110运行时，第二和第三阴极155和167将电子提供给在卫星100下游释放的粒子，从而确保它们的电中性。

第二阴极166的使用是可选的。主要是第三阴极67，位于下游磁极52的下游，其提供中和被推进器10加速的粒子所需的电子。

有利地，与大多数霍尔效应推进器相反，根据本发明的推进器不需要供应推进剂气体。

此外，它在卫星外壁上的布置释放了卫星的大部分内部空间，这允许在那里设置大的有用负载。

还应注意的是，由电路160产生的电场e在下游磁极172附近极其微弱。结果，由推进器110产生的力产生在上游磁极170附近；在下游磁极172附近没有电场e的情况下，在下游磁极172附近基本上不产生反向力。

有利地，根据本发明，集中器不必将其精确集中的粒子引导到由其单个壁(在推进器10的情况下)或由其多个壁(在推进器110的情况下)限定的抛物线的焦点。由于虚拟阴极栅形成在围绕该焦点的一定体积内，集中器捕获的粒子被引导到该体积内就足够了。这对于集中器的壁的形状给出了一定的公差。