霍尔效应推力器和包括此类推力器的航天器

摘要

本发明涉及一种霍尔效应(Hall effect)推力器(10)，其布置在壁(22)内并包括磁路(30)和电路(60)，该电路(60)包括阳极(62)、第一阴极(64)和电压源(68)。该磁路和该电路被布置成使得围绕壁(22)生成磁场(B)和电场(E)。在每个子午线横截面中，磁路(30)具有布置成在壁的表面上彼此分隔开的上游磁极(50)和下游磁极(52)。阳极(62)和第一阴极(64)位于上游磁极(50)的任一侧上。

说明书

发明领域

本发明涉及吸气式霍尔效应(Hall effect)推力器领域。

技术背景

通常，吸气式霍尔效应推力器包括：

喷嘴，其用于当推力器在操作时，由推力器收集、加速以及喷射粒子；

电路，其包括阳极、在阳极下游的阴极以及用于经由阴极发射电子并经由阳极吸引电子的电压源；以及

磁路，其用于在喷嘴中生成轴向地在阳极下游的磁场，该磁场被定向在相对于推力轴基本呈径向的方向中。

作为示例，此类推力器在文件US 2003/0046921中描述。

在实践中，喷嘴的形状一般为环形以使得磁路能够生成径向磁场。喷嘴由此包括内壁和外壁二者；粒子在这两个壁之间通过。

具体而言，由于该喷嘴，包括此类推力器的航天器的特别大量的内部空间已经被占据。

发明概述

因此，本发明的目的在于提供一种霍尔效应推力器，它在其中安装该推力器的航天器中占据较少的空间。

该目的是通过一种霍尔效应推力器达成的，该霍尔效应推力器沿推力轴产生推力并包括以下组件：

-用于生成磁场的磁路；以及

-电路，其包括阳极、第一阴极、和用于至少经由第一阴极发射电子以及经由阳极吸引电子的电压源；

该推力器的特征在于：

-其被布置在围绕推力轴形成的圆柱形壁内；

-该磁路和该电路被布置成使得围绕该壁生成磁场和电场；以及

-在平行于该推力轴以及垂直于该壁的所有截面中：

-该磁路呈现基本上布置在该壁的表面并彼此分隔开的上游磁极和下游磁极；以及

-该阳极和该第一阴极位于该上游磁极的任一侧。

上文提及的壁实质上是推力器被安装于其上的航天器的外壁。

其通常是轴对称壁。

具体而言，该壁可以是圆柱形壁。本文中使用了术语“圆柱形壁”来表示通过围绕闭合轮廓扫过横定方向的“生成”线所生成的表面壁。

由推力器所产生的推力一般沿该壁的对称轴取向。

然而，在一个实施例中，磁路和/或电路以如下方式被布置使得围绕该壁生成非轴对称磁场和/或电场(B和/或E)。推力器所生成的推力随后呈现出相对于推力器的轴的横向分量(由圆柱形壁来定义)；其由此按相对于该圆柱形壁的轴向稍稍倾斜的方向取向。

该闭合轮廓可以是圆形、椭圆形或卵形，并且例如，其可以是跑道的形状等。

本发明由此包括通过不再在喷嘴内以及由此在航天器内，而是相反地在航天器外组织离子加速而完全反转霍尔效应推力器的设计。

根据本发明，由该磁路生成的磁场在该航天器的整个圆周上捕获电子；然而，该磁场的强度可以随围绕圆周的位置的函数而变化。

该磁路一般以如下方式被布置使得磁场按大致垂直于该壁的表面的方向、挨着上游磁极来取向。

该壁和该磁场线之间的角度可以与90°稍有不同；特别地，在75°到105°的范围内是足够的。

根据本发明，该电路和该磁路由此与现有技术设计的推力器相比被完全修改了。然而，该霍尔效应引擎的操作原理仍然与现有技术霍尔效应推力器的操作原理大致相同。

在一个实施例，该电路还包括至少一个其他阴极，其轴向地布置在下游磁极的下游。该其他阴极用于向航天器下游释放的粒子供应电子，从而确保它们是电中性的。

本发明还提供了纳入了至少一个如上文所定义的霍尔效应推力器的航天器。

附图说明

在阅读了以下作为非限定示例给出的实施例的详细描述之后，本发明可被很好地理解，并且其优点更好地得到展现。本说明书参考附图，其中：

-图1是根据本发明的纳入推力器的航天器的局部截面图；以及

-图2是图1中示出的航天器的局部透视图。

发明详细描述

图1和图2示出了包括本发明的霍尔效应推力器10的航天器100，具体而言是卫星。

该卫星是沿地球大气层中的轨道运行并停留在100千米(km)到300km范围内的高度上的卫星。

有益地，该高度相对较低，这使得装备的某些部件(通信装备、相机等)的大小能够相对较小并由此其质量能够相对较小。相反，在该高度上，地球的大气层对于卫星的通过施加低但并非为零的阻力。因此，需要补偿所导致的拖累。

推力器10的功能是为卫星提供推力，使其能够在期望的高度处维持操作。

其也用于做出轨道变化或校正。

有益地，本发明的推力器(诸如推力器10)在被耦合到电能供电装置(诸如太阳能板)时能够递送将卫星长时间保持在高度上所需的推力。

卫星100被布置在外保护外壳20中，该外保护外壳20一般是绕X轴旋转的主体的形状。推力器10被布置在外壳20的外壁22内；壁22的主体部分的外部形状是圆柱形的。

在所描述的实施例中，推力器10具有关于X轴轴对称的结构。在本公开上下文中，术语“上游”和“下游”是相对于卫星以及由此的推力器的正常行进方向来定义的。

推力器10具有磁路30和电路60。

磁路30被布置成在壁22的轴向上游部分(相对X轴的“轴向”)中创建大致径向的磁场。

为了这个目的，其具有按关于X轴轴对称的方式布置的多个相同的个体磁路32。

每个磁路32包括具有U形轴向截面的软铁芯34。核心34具有临近壁22(在其附近)平行于X轴延伸的长条36。其还具有朝向壁22弯曲的两个弯曲分段38，从而这些分段的端点紧邻壁22的表面之下布置。面向这些分段38，外壳20具有非磁性电绝缘材料的环40，从而允许磁场通过。环40可以例如由陶瓷、多晶立方碳(更熟知为钻石)或矾土制成。

每个磁路32还具有围绕条36布置的形成螺线管的线圈46。

磁路32的线圈36的端子连接到电压源44的端子。该电压源以此方式来选择使得在施加到线圈46的电压的影响下，能够绕该壁创建稳定磁场B。也有可能使用电流源。

当电压由电压源44施加到线圈46时，每个磁路32生成磁场B。该磁场由磁路32辐射到卫星100之外该卫星旁的空间中。所形成的磁场线在图1中示出。如该附图中所示，弯曲分段38的端点由此形成了磁路32的磁极，即，上游磁极50和下游磁极52。

在上游磁极50旁，磁场B按基本垂直于壁22的表面的方向取向。

如可以在附图中看到的，两个毗邻个体磁路32的上游磁极被形成为互相紧挨着，或者甚至可能的话互相接触。下游磁极也是如此。这使得磁路能够在任何轴平面都呈现上游磁极和下游磁极，其中诸磁极生成磁场。通过这种方式，磁场B以基本上一致的方式在壁22的整个外围生成。

在另一实施例中，每个磁路32可以本质上由具有与软铁芯34基本相同形状的磁体构成。那么就不再有任何必要提供线圈46以及为其供电的电压源44来围绕推力器10生成磁场B。

推力器10还具有电路60。该电路包括阳极62、第一阴极64、第二阴极66、第三阴极67(或附加阴极)，以及将阳极62连接到第一、第二和第三阴极64、66和67的电压源68。

阳极62是由导电且优选地非磁性材料(诸如，例如，石墨、不锈钢或确实的一些其他金属)制成的。

阴极被设计成发射电子，并且它们可以由以下材料中的任何一者制成：六硼化镧(LaB6)、浸渍钡钨(WBa)….

阴极没有必要是环形的；它们可以很好地等同为点状阴极(空心阴极)。具体而言，磁拓扑距离取决于磁场线且不取决于物理距离。若阴极是点状阴极(空心阴极)，那么环64在电路中没有具体功能；对于壁22仅在表面使用导电材料从而避免静电荷累积是可能的。

阳极62位于上游磁极50的轴向上游。第一阴极64位于上游磁极50的下游，但是在其附近(并且优选地在其紧邻区域中)，并由此在距离下游磁极52的上游的特定距离处。

第二阴极66位于上游磁极50和下游磁极52之间。

其由此在上游磁极50的下游且在下游磁极52的上游。

第三阴极67位于下游磁极52的下游。

阴极66和67中的每一者也位于下游磁极52附近，并由此在距离第一阴极64下游的特定距离处。

虽然电路60具有三个阴极64、66和67，但是在其他实施例中，可能仅要提供一个阴极，或者确实仅要提供两个阴极。这一个阴极的位置或这两个阴极的位置可以从阴极64、66和67的位置之中自由选择。

阳极62和第一、第二和第三阴极64、66和67都是环形的。这些环中的每一者在壁22的整个圆周之上延伸，大致在垂直于X轴的平面中(或更精确地在垂直于X轴的挨着的两个平面之间)。这些环中的每一者与壁22的表面齐平并由此构成该壁的一部分。

当电压由电压源68施加在阳极62与阴极64、66和67之间时，电场E形成在阳极62和第一阴极64之间的壁22周围的卫星外的空间中。该电场是基本上以平行于X轴的方向来取向的。

相反，电场E在下游磁极52的附近非常低。结果，推力器10所产生的力在上游磁极50的附近被创建，而在没有电场E的情况下，在实践上是没有相反的力在下游磁极52附近产生的。

最终，应当观察到，电压源68是可控的(虽然未在附图中示出)：其电压可以被反转从而反转来自推力器的推力。

具体而言，它的两个磁极可以按需互换，从而反转(若期望的话)阳极与第一和第二阴极之间施加的电压。该反转用以反转由推力器10施加的力，例如从而在重新进入大气层期间使卫星100制动。

阳极和阴极的角色随后被互换，若它们是使这成为可能的性质的话。

在另一实施例中，可能为在磁极50的上游的阴极和在其下游的阳极预作安排，其中连接到的电压源68处于推力反转模式。

该阴极和该阳极随后被替代地用于推力反转模式并代替阳极62以及阴极64、66和67。

推力器10按照以下进行操作。

通常为150伏特(V)到800V量级的电压被建立在上游阳极52的下游的阴极64、66和67之间。阴极64、66和67随后开始发射电子。这些电子的大部分被捕获在由磁路30所创建并适配成期望的性能的磁场形成的磁包围中，并且该磁场通常可以是100高斯(gauss)到300高斯的量级。被捕获在该磁包围中的电子由此形成了虚拟阴极网格70。然而，某些高能电子(通常在10电子伏特(eV)到40eV)逃离磁包围70并去往阳极62。

因为卫星100是相对于大气层移动的，所以粒子一直会渗透到虚拟阴极网格70中。网格中的电子以及那些粒子的原子之间的影响使得原子变得离子化。在电路60产生的电场E的影响下，离子化粒子随后朝向卫星的后方加速。推力器10由此生成以极高的速度沿X方向喷射向卫星的后方(在壁22下游)的等离子射流。由于对称的原因，所生成的推力基本与中心轴X对齐。

取决于由电压源68施加的电压的方向，由推力器10所生成的力可以是沿X轴的一个方向或另一方向。

当推力器10处于使用中时，第二和第三阴极66和67向卫星100的下游释放的粒子供应电子，藉此确保它们是电中性的。

特别地，第二阴极的使用是任选的。主要是位于下游磁极52的下游的第三阴极67供应用于中和由推力器10加速的粒子所需的电子。

有益地，不像大多数霍尔效应推力器，本发明的推力器不要求供应推进气体。

进一步，其在卫星的外壁上的布置释放了卫星内部大量的空间，藉此使得在其中有可能安装大载荷。

最后，应当观察到，推力器可以用非轴对称方式布置同时仍保持在本发明的范围内。具体而言，线圈46不需要相同。例如，它们可以以此方式来布置使得磁场在壁的一侧上比相对侧上的更强烈。在此类情况下，推力器所生成的推力不再沿着壁的轴取向，而是相对于此具有少量偏移地取向。