CN102439305A - 霍尔效应等离子推进器 - Google Patents

Abstract

一种霍尔效应等离子推进器，包括用于电离和加速的带有下游开口端(129)的主环形通道(120)、至少一个阴极(140)、与所述主环形通道(120)同轴的环形阳极(125)、用于将电离气体输入所述通道(120)的管(126)与集合管和用于在所述主环形通道(120)中产生磁场的磁路(131到136)，所述主环形通道(120)具有位于所述开口端(129)临近区域的内环壁部分(127)和外环壁部分(128)，该每个环壁部分均包括以层压形式形成的并置的导体或半导体环(150)，所述导体或半导体环通过绝缘细层(152)隔开。

Description

霍尔效应等离子推进器

技术领域

本发明提供一种霍尔效应等离子推进器(Hall effect plasma thruster)，该推进器具有用于电离(ionizat ion)和加速并设有下游开口端的主环形通道、至少一个阴极、与所述主环形通道同心的环形阳极、用于向所述通道输入电离气体的管及集合管(manifold)和用于在所述主环形通道中产生磁场的磁路(magnetic circuit)。

本发明尤其提供一种用于人造卫星电力推动的霍尔效应等离子推进器。。

背景技术

霍尔效应等离子推进器的寿命是由在离子轰击效果下的陶瓷绝缘通道的腐蚀程度决定的。基于所述通道中电势(electric potential)的分布情况，会产生一些离子并且这些离子沿放射方向对着壁被加速。

延长通信卫星的任务与增加等离子喷射速度的要求(特别是对于所谓特定的高脉冲推进器)需要更长的寿命，以氮化硼为基础的传统陶瓷已不能达到此要求。

某些电导体材料或半导体材料如石墨对离子轰击的巨大阻力在理论上使其能成为霍尔效应推进器放电通道的理想选择。

在美国Y.瑞特赛斯(Y.Raitses)等人(普林斯顿大学)探究过使用导电材料，尤其是使用石墨的想法。虽然这些研究者揭示了石墨在寿命方面的优势，但仍未能解决效率损失与等离子短路的问题。

导电材料的低效率至今都是使其不能广泛应用在等离子推进器加速通道结构上的原因。

因此，当前的霍尔效应推进器的放电通道(discharge channels)全都是由绝缘陶瓷构建的，所述的绝缘陶瓷通常是以氮化硼-二氧化硅(BN-SiO₂)为基础的材料。氮化硼基的陶瓷能使霍尔效应推进器在效率方面获得好的性能水平，但是其在离子轰击下所表现出的高腐蚀率将这种推进器的寿命限制在约10,000小时(h)，同时其也在最高特定脉冲限制了它们的操作性能。

发明内容

本发明的目的是消除上述缺点，特别是在保持高水平能源利用率的情况下增加霍尔效应等离子推进器的寿命。

根据本发明，这些目的可通过以下方案达到，一种霍尔效应等离子推进器，具有用于电离和加速的带有下游开口端的主环形通道、至少一个阴极、与所述主环形通道同轴的环形阳极、用于将电离气体输入所述通道的管与集合管和用于在所述主环形通道中产生磁场的磁路，其特征在于：所述主环形通道具有位于所述开口端临近区域的内环壁部分和外环壁部分，该每个环壁部分均包括以层压形式形成的并置的导体或半导体环，所述导体或半导体环通过绝缘细层隔开。

每个导体或半导体环均优选再分为角域片段，并且所述片段相互绝缘。

每个导体或半导体环的片段优选被设置成相对于相邻的导体或半导体环的片段为交错结构。

根据本发明的优选特征，所述绝缘细层被设置在导体或半导体环的所有面上，但惟独构成所述主环形通道内壁一部分的面上未被设置绝缘细层。

所述导体或半导体环的组合可延伸超过所述内环壁和外环壁一定长度，该长度比所述主环形通道的总长要短。

在特定的实施例中，所述导体或半导体环是由石墨制成，而绝缘细层是由电介质材料(dielectric material)制成，并且特别是由热解氮化硼制成。

所述导体或半导体环的厚度是由电子拉莫尔半径决定的。

它们的最大厚度a使用如下表达式来估计：

$a<\frac{8}{3}r$

其中r为电子的拉莫尔半径，用以下表达式来确定方位角截止角度(azimuthcutoff angle)：

$R.a<5\mathrm{abs}\left(\frac{\mathrm{Ez}}{\mathrm{Et}}\right).r$

其中：

Ez，Et：沿轴向和沿方位方向的电场；

R：接触等离子的环的位置的边缘半径；和

a：所述环的位置的角度。

在实施例中，所述导体或半导体环的厚度范围为0.7mm到0.9mm，而所述绝缘细层的厚度范围为0.04mm到0.08mm。

根据本发明，伪绝缘放电通道用层叠环制成或由导体或半导体材料的环的部分组成，并覆盖有绝缘陶瓷的细层。

所述结构在消除它们缺点带来的效果的情况下所获得的所述导体材料的低腐蚀率，和所述通道能用作相对于所述等离子的电绝缘体进而尽最大可能的限制在放电通道中产生电流，这能使所述推进器的寿命在无潜在效率损失的情况下增加3到4倍。

因此本发明通过将导体或半导体壁分割成小尺寸的绝缘片段来优化所述霍尔效应等离子推进器放电通道的结构，从而大大降低了短路电流(short-circuit current)，因而避免了严重的效率损失。

通信卫星的推进力与主要的经济指数和任何能适用于霍尔效应等离子源的改进息息相关，公认提供最高性能的卫星在轨维持技术是当前最需要的。本发明对通过提高霍尔效应等离子推进器的寿命来延长地球静止轨道卫星的服役期限这一趋势的要求给出了直接的回答。

本发明能提供十分有竞争优势的霍尔效应等离子推进器所产生的推进力。所以本发明还使在保有显著寿命的同时运行具有更高特定脉冲(ISP)的推进器成为可能。

附图说明

本发明其他的特征和优点将以通过结合以下附图对具体实施例进行详细描述的方式展现：

图1为本发明可实施的霍尔效应等离子推进器的剖切透视图；

图2为本发明实施例层状结构的放电通道的四分之一部分的透视图；

图3示出本发明霍尔效应等离子推进器的放电通道的层状结构整个透视图所建议的变动。

图3A以覆盖在绝缘沉积物上用于层状结构的导体或半导体材料的部分的放大视图示出所建议的变动；和

图3B为图3A中线IIIB-IIIB所剖切的剖切面。

具体实施方式

图1示出霍尔效应等离子推进器的一个实施例，也被认为是固定等离子推进器(SPT)，本发明的此实施例是可实施的，其特别用于人造卫星的电力推进。

这种类型的霍尔效应推进器包括以下主要元件：用于电离和加速的放电通道或主环形通道120；与所述主环形通道120同轴的环形阳极125；连接所述阳极125和所述主环形通道120用于将电离气体例如氙输入其中的管126和集合管；中空阴极140；和用于在主环形通道中产生磁场的磁路131到136。

用于电离气体的所述阳极125和集合管旨在将推进剂(例如氙)注入所述推进器并收集所述等离子所释放的电子。

所述中空阴极140用于产生电子，该电子用于产生所述推进器中的等离子，同时还用于中和由所述推进器所喷射出的离子射流。

所述磁路包括内极134、外极136、通过中心铁磁核133和外围铁磁杆135使所述内极134和外极136相互连接的磁轭(magnetic yoke)、围绕设置在所述中心核133上的一个或多于一个的线圈131和围绕设置在所述外围杆135上的线圈132。

所述磁路用于限制所述等离子和在所述推进器的出口产生强磁场E，以使离子被加速到20公里每秒(km/s)的确定速度。

所述磁路可以其他不同的形式体现，本发明不限于如图1所示的特定实施例。

所述放电通道120用于限制等离子，放电通道的构成决定着所述推进器的性能。

传统上所述放电通道120是由陶瓷制成。通过以高速喷射离子射流提供发动机推力。不幸的是在高能离子和所述通道壁之间射流的偏斜和碰撞会导致位于所述推进器出口处的陶瓷被腐蚀。这就是为什么根据本发明所述放电通道120包括至少一个所述内环壁的部分127和至少一个所述外环壁的部分128，所述部分位于所述通道开口端129的临近区域，该区域的陶瓷不是实心的，但其均包括层压方式并置的导体或半导体环150，并被绝缘细层152隔开(见图2)。

本发明的目的是显著降低对所述推进器放电通道的腐蚀。还用于降低放电的不稳定性和能量损失，放电的不稳定性和能量损失通常会影响到霍尔效应推进器使用由导电材料或半导体材料制成的放电通道。使用像石墨和碳化物这样的材料在承受离子轰击方面比陶瓷好，因为将导体或半导体环(例如由石墨制成)在被绝缘细层(例如由氮化硼制成)隔开时组合在一起，本发明就可以在降低所述通道的腐蚀同时也减小放电的不稳定性。

本发明的等离子推进器的所述放电通道120可同时包括由陶瓷制成的传统的上游部分和位于所述上游部分和开口129之间的下游部分，上游部分具有端壁123和外筒壁121与内筒壁122，下游部分由外筒壁128和内筒壁127构成，具有由并置的导体或半导体环150构成的层压结构，该环被绝缘细层152绝缘，但其有在内侧没有被覆盖绝缘的面151，该面151对着所述环形通道120的内侧空间124。

为了消除由潜在的方位变化(缺乏对称、方位角波(azimuth waves))而引起的潜在的方位短路电流(azimuth short circuit currents)，所述环150最好是由多个绝缘扇形部分(insulated angular sections)拼接而成，每部分占据一个扇形角度区域Δq(如图3和图3A)。例如，每个环150可以由10到30个片段150a、150b拼接而成。

所述导体或半导体环150的片段150a优选为与相邻环150的片段150b呈交错设置(见图3)。

如图3A所示，所述绝缘细层152，153，154和155被设置在所述导体或半导体环150的所有面上，唯独构成所述主环形通道120的内侧部分的面151未被设置绝缘细层。

例如，导体环150的组合在所述内环壁和外环壁长度上延伸的范围为所述主环形通道120的总长度的20％到50％，优选为30％到40％，但是这些范围的值并不限于此。

所述导体或半导体环150的尺寸可通过计算所述壁收到和发射出的电子电流来确定。对于第一近似值，可知在所述壁中的所述短路电流与所收集的离子电流是成比例关系的，这样在固定的电子温度和等离子密度情况下，导电区域与等离子的分布是大体上成比例的。

另外，对于所给的轴向电场，导电元件上的电位差(potential difference)大体上是与其轴向延伸程度成比例的。因此，对于给定大小的通道，由于等离子短路所引起的总的焦耳效应(Joule-effect)损失大体上是与所述环的厚度成比例的。又已知与二次电子发射(secondary electron emission)相关的电流(当使用绝缘体时这是仅存的电流)相比，一旦所述环的厚度与所述电子拉莫尔半径(electron Larmor radius)为同一数量级(the same order)，所述短路电流就可忽略不计。这为所述环限定了关键的厚度，进而可以获得伪绝缘(pseudo-insulating)通道。

例如，由石墨制成的所述导体环150具有小的热膨胀系数，其厚度范围可为0.7mm到0.9mm，优选为0.8mm。

所述绝缘细层152-155，例如由热解氮化硼(pyrolytic boron nitride)制成，其厚度范围为0.04mm到0.08mm，优选为0.05mm，并且所述绝缘细层是沉积在所述导体环片段150上的，为了覆盖每个环片段的整个面，所述沉积是通过化学气体沉积方法来操作的，但接触所述等离子的所述边面151不被沉积。。

Claims (10)

1.一种霍尔效应等离子推进器，具有用于电离和加速的带有下游开口端(129)的主环形通道(120)、至少一个阴极(140)、与所述主环形通道(120)同轴的环形阳极(125)、用于将电离气体输入所述通道(120)的管(126)与集合管和用于在所述主环形通道(120)中产生磁场的磁路(131到136)，其特征在于：所述主环形通道(120)具有位于所述开口端(129)临近区域的内环壁部分(127)和外环壁部分(128)，该每个环壁部分均包括以层压形式形成的、通过绝缘细层(152)隔开的并置的导体或半导体环(150)组合。

2.根据权利要求1所述的等离子推进器，其特征在于：每个导体或半导体环(150)都被再分为角域片段，并且所述片段相互绝缘。

3.根据权利要求2所述的等离子推进器，其特征在于：每个导体或半导体环(150)的片段被设置成相对于相邻的导体或半导体环的片段为交错结构。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的等离子推进器，其特征在于：所述绝缘细层被设置在导体或半导体环(150)除所述主环形通道(120)内壁一部分的表面(151)以外的所有面上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的等离子推进器，其特征在于：所述导体环(150)组合在所述主环形通道(120)的总长度的20％到50％的范围内在所述内环壁(127)和外环壁(128)长度上延伸。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的等离子推进器，其特征在于：所述导体或半导体环(150)由石墨制成。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的等离子推进器，其特征在于：所述绝缘细层(152)是由热解氮化硼制成。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的等离子推进器，其特征在于：所述导体或半导体环(150)的厚度与电子拉莫尔半径为相同数量级。

9.根据权利要求6所述的等离子推进器，其特征在于：所述导体或半导体环(150)的厚度范围为0.7mm到0.9mm。

10.根据权利要求4和7所述的等离子推进器，其特征在于：所述绝缘细层(152)的厚度范围为0.04mm到0.08mm。

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