[发明专利]等离子推进器和用于产生等离子推进推力的方法

说明书

本发明涉及等离子推进器和通过该等离子推进器产生推进推力的方法。

人造卫星通常使用辅助引擎或推进器执行轨道或姿态校正动作。以同样的方式，旨在用于太阳系勘探的航天探测器具有推进器，推进器允许它们将其自身非常精确地定位在行星周围或者甚至是着陆到小行星上以从其取得材料样品。

通常，已知为化学或推力推进器的这些推进器通过使用如肼(N₂H₂)或过氧化氢(充氧水)的液体燃料最多提供几牛顿的推力。在这些推进剂的分解期间，化学能转换成热，然后在热气在喷嘴中的扩散期间转换成推力。化学推进器的主要缺点在于它们的比冲量受限制，而这使得推进剂需要操作它们表现卫星的总质量的一半而它们的高推进剂消耗量限制了卫星的使用寿命。

为了能够使航天任务走的更远并且持续更久，近年来已可出现了具有相比于化学推进器的优点的等离子推进器，其提供更多特殊脉冲，相比于动力系统的质量显著地增加了工作负载以及卫星的使用寿命。如将看到的是，它们的主要缺点在于：缺乏点火的可靠性，特别是当推进剂气体压力低时；因某些元件的离子轰击导致它们有限的使用寿命；以及它们对于它们例如在微型卫星上的使用的小型化限制。尽管比化学推进器的能量产率更高，但是应注意如果改善它们的能量产率，甚至可以面对更远或更长的任务。

等离子推进器可以根据考虑它们点火等离子的模式或者朝着喷嘴的出口加速等离子的模式而以不同的方式被分类。应注意，这两个标准相对与彼此独立并且彼此同样重要。事实上，点火模式确定推进剂气体的电离的完全性和点火的可靠性，由此确定推进器的可靠性，并且可以确定等离子放电腔室的大小、推进器的重量和能量产率。就加速等离子的模式而言，这确定了推力、比冲量和能量产率，并且可以确定推进器的空间要求、重量和使用寿命。

如果它们的点火模式被考虑为分类标准，等离子推进器的第一种类是如专利申请US 5,640,843中所描述的、已知为“电弧喷射”推进器的推进器，其原理为通过电弧以推进器气体的喷射方式对等离子进行点火。推进器的这种种类的优点在于，所有都一样，除了其提供比其他类型的等离子推进器高的推力，但其具有以下主要缺点：这些推进器具有相比于其他等离子推进器的比冲量低的比冲量；消耗大量电流；因电极和放电腔室的内部被达到数千至数万度的量级的温度的离子和电子轰击而导致具有有限的使用寿命；要求余热被排出到空间，而这导致了可怜的能量产率。此外，当推进剂气体的局部压力低时等离子的点火缺乏可靠性。

根据这种同样的标准，等离子推进器的第二种类是在包含待被电离的推进剂气体的放电腔室中通过电磁(EM)波的谐振，通常是通过微波的谐振单独地对它们的等离子进行点火的等离子推进器的类型。这种种类的推进器的主要缺点在于因只有小部分的EM能量被等离子吸收而导致相对低的能量产率。此外，推进剂气体的电离很少是完全的，特别是当推进剂气体流率高时，并且在推进剂气体的局部压力低时等离子的点火缺乏可靠性。

根据这种同样的标准，等离子推进器的第三种类是使用等离子的被磁化的自由电子的“旋磁谐振”或者“电子回旋谐振”(ECR)的等离子推进器的种类。随着磁场对于等离子的施加导致了其自由电子以同一个确定方向在同一个确定频率处自旋，等离子理论上可以在哪里被点火，然后通过电磁波的总吸收维持等于1的能量产率，电磁波的磁场以与这些磁化电子相同的速度并且以相同的方向旋转。为了实际上最大化这种能量产率，放电腔室的长度实质上等于电磁波在真空中的半波长的整数，而这提出了放电腔室的小型化问题并由此提出了推进器的小型化问题。事实上，为了能够增加EM波的谐振频率同时仍具有ECR条件，必需相关地增加磁场的强度，这最初预料到了强力电磁感应圈的使用、但是这些线圈的空间要求和重量与小型化推进器的目的背道而驰。此外，由于需要发射至放电腔室中的许多源(如，推进剂气体源、EM波源和磁场源)这种小型化问题的复杂的。专利EP0505327描述了这种推进器。其他技术领域也使用ECR等离子源，例如集成电路的生产领域。专利申请US20050287描述了ECR离子源，装配有电磁感应圈，用于微电子学中的离子注入。因为作为适合于用作空间推进器的通病的焦耳效应导致的损失，电磁感应圈的使用导致了对于相对低能量产率的显著的重量和空间要求。此外，推进剂气体的电离很少是完全的，特别是当推进剂气体流率高时，并且在推进剂气体的局部压力低时等离子的点火缺乏可靠性。最终，这些推进器经常遭受在其名为离子泵效应下已知的指向上游的寄生等离子喷射的存在的影响。

与它们如何对等离子点火的方式无关，等离子推进器还可以根据在喷嘴中加速等离子的模式的第二标准进行分类。