[发明专利]离子推进器

说明书

本发明涉及用于推进航天器的离子推进器(1)，包括：用于推进剂(3)的储存器(2)，用于发射推进剂(3)的离子(3supgt;+/supgt;)的发射器(4)，以及面向发射器(4)的用于从发射器(4)提取和加速离子(3supgt;+/supgt;)的提取器(5)，发射器(4)具有一个或多个多孔材料的突起(11)和基座(12)，基座具有支承所述突起(11)的第一侧(12subgt;1/subgt;)和连接到储存器(2)的第二侧(12subgt;2/subgt;)，其中，基座(12)至少在所述第一侧(12subgt;1/subgt;)上是不渗透推进剂(3)的，并具有用于提供推进剂(3)从储存器(2)到所述突起(11)的流动的孔(13)或通道(14)。

技术领域

本发明涉及一种用于推进航天器的离子推进器，所述离子推进器包括用于推进剂的储存器、用于发射推进剂的离子的发射器，以及面向所述发射器的用于从发射器中提取和加速离子的提取器，所述发射器具有一个或多个多孔材料的突起以及基座，所述基座具有支承所述突起的第一侧和连接到储存器的第二侧。

背景技术

微型和纳米卫星或一般航天器的飞行任务的日益复杂需要高效轻便的推进系统。为了适当的姿势，磁矩器、系绳或反作用轮是不足的，并且不允许例如飞行编队或任何其他需要改变速度(Δv)能力的任务。具有有限功率和质量预算的小型航天器由于其有限的比冲而不愿意内嵌基于化学或冷气的推进系统。

电动推进系统提供了有希望的替代方案。避免移动部件会大大降低系统复杂性，从而保证了高可靠性和耐用性。例如，离子推进器，尤其是场发射电推进(FEEP)系统对于具有比冲需求增加的任务非常有吸引力。

离子推进器通过电加速作为推进剂的离子来产生推力；这样的离子可以例如从通过从原子中提取电子而被离子化的中性气体(通常为氙气)中、从液态金属中或从离子液体中产生。。场发射电推进(FEEP)系统基于液态金属(通常是铯，铟，镓或汞)的场离子化。胶体离子推进器，也称为电喷雾推进器，使用离子液体(通常是室温熔融盐)作为推进剂。

离子推进器的发射部位是具有圆锥体型、角锥体形、三棱柱形等形状的突起。为了获得离子提取所必需的强电场，将突起尖端化或尖刃化以利用尖端或边缘的场集中效应。

将强电场施加到如此尖锐的尖端或边缘会在发射器的突起的尖端或边缘的顶部上形成所谓的泰勒锥(Tailor cone)。在FEEP离子推进器中，在泰勒锥的顶点处的液态金属的中性原子从表面蒸发。在发射器和提取器之间的强电场中，由于场发射，负电子隧穿回表面，从而将原先的中性原子变为带正电的离子。由此产生的离子从泰勒锥中提取出并通过电场加速。产生正离子并通过完全相同的电场使它们加速的原理用于产生推力。在胶体离子推进器中，离子液体的已经带电的离子被从泰勒锥中提取并通过电场加速。推力可以通过电场强度来控制。发射部位越尖锐，泰勒锥的底面越小，导致在任何给定的离子电流下推进器的更高效率。

为了将推进剂输送到每个突起的尖锐的尖端或边缘，采用了被动力，例如毛细作用，和/或外力，例如压差或离心力。

已知有三种不同类型的用于输送和发射推进剂的发射器。第一，使用具有诸如针的实心突起的发射器，其中发射器及其突起具有被推进剂润湿的表面。由于在发射器的润湿表面上的粘附力，发射器和每个突起都被覆盖有推进剂的膜。由于推进剂流动阻抗很高，因此该技术在性能上特别有吸引力，但也很容易受到污染或可能损害或破坏推进剂膜的任何影响。例如从US 2011/192968 A1或US 2009/114838 A1中已知这种类型的实心发射器突起，用于胶体离子推进器应用。