專利名稱：航天器的推進(jìn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及推進(jìn)器。推進(jìn)器用于推進(jìn)航天器，其典型的排氣速度范圍從2km/s至超過50km/s，且推力密度低于或在1N/m2左右。在推進(jìn)器沒有任何物質(zhì)可以推動或依靠時，推進(jìn)器依靠噴射航天器的部分質(zhì)量來推進(jìn)。噴射速度是衡量推進(jìn)器效率的關(guān)鍵因素，通常應(yīng)該使之最大化。
已經(jīng)提出了多種空間推進(jìn)器的解決方案。US-A-5 241 244中公開了一種稱為離子?xùn)艠O的推進(jìn)器。在該裝置中，首先電離推進(jìn)氣體，然后用柵極之間產(chǎn)生的穩(wěn)定電磁場加速所產(chǎn)生的離子。用電子流中和加速離子。為了電離推進(jìn)氣體，該文獻(xiàn)建議同時采用磁調(diào)節(jié)及約束場和頻率為磁場ECR(電磁回旋共振)頻率的電磁場。FR-A-2 799 576中公開了一種類似的推進(jìn)器，采用電磁感應(yīng)電離氣體。這種推進(jìn)器的噴射速度大約為30km/s，2,5kw電功率下的推力密度小于1N/m2。
這種裝置的一個問題是加速柵極之間需要非常高的電壓。另一個問題是由于離子撞擊造成的柵極腐蝕。最后，中和器和柵極通常都是易損壞的裝置。
US-A-5 581 155公開了一種霍爾效應(yīng)推進(jìn)器。這種推進(jìn)器也采用電磁場加速帶正電荷的粒子。這種推進(jìn)器的噴射速度大約為15km/s，1,3kw電功率下的推力密度小于5N/m2。與離子?xùn)艠O推進(jìn)器中一樣，腐蝕和中和器的存在使得該推進(jìn)器易于產(chǎn)生故障。
US-A-6 205 769或D.J.Sullivan等人于IEPC 1993，第36卷，第337-354頁中發(fā)表的《微波空腔共振電熱推進(jìn)器原型開發(fā)》(D.J.Sullivan et al.，Development of a microwave resonant cavity thrusterprototype，IEPC 1993，n°36，pp.337-354)中論述了微波電熱推進(jìn)器。這些推進(jìn)器依靠微波場加熱推進(jìn)氣體。加熱的氣體通過一個噴嘴噴射以產(chǎn)生推力。這種推進(jìn)器的噴射速度大約為9-12m/s，推力為200-2000N。
D.A.Kaufman等人于IEPC 1993，第37卷，第355-360頁中發(fā)表的《ECR等離子體推進(jìn)器的卷流效應(yīng)》(D.A.Kaufman et al.，Plumecharacteristic of an ECR plasma thruster，IEPC 1993，n°37，pp.355-360)和H.Tabara等人于IEPC 1997，第163卷，第994-1000頁中發(fā)表的《使用電磁回旋共振等離子體加速器的空間等離子體模擬器工作特性及其材料和等離子體應(yīng)用互作用研究)》(H.Tabara et al.，Performancecharacteristic of a space plasma simulator using an electron cyclotronresonance plasma accelerator and its application to material and plasmainteraction research，IEPC 1997，n°163，pp.994-1000)中論述了ECR等離子體推進(jìn)器。在這種推進(jìn)器中，采用電磁回旋共振在磁噴嘴中產(chǎn)生等離子體。電子在磁偶極矩力的作用下被軸向加速，產(chǎn)生一個加速離子的電場，并產(chǎn)生推力。換句話說，等離子體沿著逐漸減小的磁場的磁力線自由流動。這種推進(jìn)器的噴射速度可達(dá)35km/s。US-B-6 293 090中論述了一種RF等離子體推進(jìn)器，其依據(jù)相同原理工作，主要區(qū)別在于使用頻率較低的混合波，代替ECR場產(chǎn)生等離子體。
US-B-6 334 302，US-A-4 893 470或Dr.Franklin R.Chang-Diaz于IEPC 1991，第128卷中發(fā)表的《可變Isp等離子體火箭設(shè)計特性》(Dr.Franklin R.Chang-Diaz，Design characteristic of the variable Ispplasma rocket，IEPC 1991，n°128)中公開了可改變具體推力的磁等離子體推進(jìn)器(縮寫為VaSIMR)。該推進(jìn)器的工作過程包括三個階段等離子體噴射、加熱和在串聯(lián)式磁鏡像結(jié)構(gòu)中受控排氣。等離子體源為一個螺旋發(fā)生器或磁等離子體動力(MPD)推進(jìn)器，而等離子體加熱器為一個在離子回旋頻率工作的回旋發(fā)生器?！盎旌暇砹鳌保衫錃怏w環(huán)繞的熱等離子體芯組成，包含在噴嘴中，該噴嘴由冷氣體層與熱等離子體隔開。這種噴嘴中的熱膨脹將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為定向推力。與ECR或RF等離子體推進(jìn)器中一樣，電離顆粒不被加速，而是首先沿著逐漸減小的磁場磁力線流動，然后沿著壓力梯度流動。這種推進(jìn)器的噴射速度大約為10-300km/s，推力為50-1000N。
在另一個不同的方面，US-A-4 641 060和US-A-5 442 185中論述了ECR等離子體發(fā)生器，其用于抽真空或離子注入。US-A-3 160 566中給出了另一種類似的等離子體發(fā)生器。
US-A-3 571 734中論述了一種加速微粒的方法和裝置。目的是形成一束聚變反應(yīng)微粒。將氣體噴射到一個提供軸向和徑向磁場疊加的柱形共振腔中。施加一個ECR頻率的電磁場用以電離氣體。磁場強(qiáng)度沿著腔體軸線減小，從而電離微粒沿著該軸線流動。1963年11月4日的Compte Rendu de l′Académie des Sciences第257卷，第2804-2807頁中也公開了該加速裝置。這些裝置的目的是形成一束聚變反應(yīng)微粒從而，噴射速度大約為60km/s，但推力密度非常低，通常低于1,5N/m2。
US-A-3 425 902中公開了一種產(chǎn)生并約束電離氣體的裝置。電磁場在氣體電離腔體的兩端最大。
從而，需要一種具有很好的噴射速度、易于制造、堅固耐用的推進(jìn)器。這限定了一種少電極裝置，通過施加定向質(zhì)量力，將全部微粒加速到高速。
從而，本發(fā)明的一個推進(jìn)器實施方案中，包括-限定了推進(jìn)器軸線的腔體；-用于向腔體中噴射可電離氣體的噴射器；-用于產(chǎn)生磁場的磁場發(fā)生器，所述磁場沿著軸線至少具有一個最大點；-電磁場發(fā)生器，用于產(chǎn)生◎腔體(6)中的微波電離場，位于所述最大點的一側(cè)；以及◎磁化有質(zhì)動力加速場，位于所述最大點的另一側(cè)。
該推進(jìn)器還可能具有一個或多個下列特征-磁場與軸線的夾角小于45°，優(yōu)選地小于20°；-電磁場頻率處于在電磁場產(chǎn)生位置處的電磁回旋共振頻率的10％范圍內(nèi)；-電磁場最大值與最小值的比處于1,1-20之間；-電磁場中的電場部分與直輻射方向的夾角小于45°，優(yōu)選地小于20°；
-推進(jìn)器中電磁場中的電場部分與磁場的局部夾角介于60到90°之間；-推進(jìn)器中的離子回旋共振周期至少比推進(jìn)器中的本征碰撞時間高兩倍；-微波電離場和磁場用于電離至少50％噴射入腔體的氣體；-磁場發(fā)生器在沿著軸線大致磁場最大點處包括至少一個線圈；-磁場發(fā)生器在所述至少一個線圈與所述噴射器之間包括一個第二線圈；-磁場發(fā)生器用于改變所述最大點的值；-磁場發(fā)生器用于至少在所述最大點的所述另一側(cè)改變所述磁場的方向；-電磁場發(fā)生器包括至少一個共振腔；-電磁場發(fā)生器在所述最大點的所述一側(cè)包括至少一個共振腔；-電磁場發(fā)生器在所述最大點的所述另一側(cè)包括至少一個共振腔；-腔體在一個噴管中形成；-噴管在對著噴射器的末端具有一個增大的部分；-推進(jìn)器在噴射器和腔體之間包括一個穩(wěn)定腔。
本發(fā)明還提出一種產(chǎn)生推力的方法，包括-在腔體中噴射氣體；-施加第一磁場和第一電磁場，以電離至少部分氣體；-然后向氣體施加第二磁場和第二電磁場，通過磁化有質(zhì)動力來加速空間電離氣體。
該方法還可能具有下列特征之一-氣體由電子回旋共振電離，并由磁化有質(zhì)動力加速；-大部分離子不受第一磁場影響；-第一電磁場的電場部分與第一磁場之間的局部夾角介于60到90°之間；-第二電磁場的電場部分與第二磁場之間的局部夾角介于60到90°之間；
-至少50％的氣體被電離；-第二電磁場的方向可變化。
下面參考附圖，通過非限定性的例子，說明一種體現(xiàn)本發(fā)明的推進(jìn)器，其中-

圖1是一個根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的推進(jìn)器的剖視示意圖；-圖2是沿著圖1中推進(jìn)器軸線的磁場和電磁場強(qiáng)度分布圖；-圖3是一個根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的推進(jìn)器的剖視示意圖；-圖4是一個根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的推進(jìn)器的剖視示意圖；-圖5是沿著圖4中推進(jìn)器軸線的磁場強(qiáng)度分布圖；-圖6是一個根據(jù)本發(fā)明第四實施方案的推進(jìn)器的剖視示意圖；-圖7是沿著圖6中推進(jìn)器軸線的磁場強(qiáng)度分布圖；-圖8是一個根據(jù)本發(fā)明第五實施方案的推進(jìn)器的剖視示意圖；-圖9是沿著圖8中推進(jìn)器軸線的磁場強(qiáng)度分布圖；-圖10-13是不同推進(jìn)器實施方案的示意圖，這些推進(jìn)器的推力方向可以改變；-圖14是一個表示噴管各種可能的變化的剖視示意圖；-圖15是一個根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的推進(jìn)器的剖視示意圖；-圖16是沿著圖15中推進(jìn)器軸線的磁場和電磁場強(qiáng)度分布圖；-圖17是另一種推進(jìn)器的剖視示意圖。
圖1是一個根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的推進(jìn)器的剖視示意圖。圖1中的推進(jìn)器依靠電子回旋共振產(chǎn)生等離子體，并依靠磁化有質(zhì)動力來加速這些等離子體，以產(chǎn)生推力。磁化有質(zhì)動力是由于高頻電磁場強(qiáng)度梯度而施加在等離子體上的力。在H.Motz和C.J.H.Watson(1967)，《電子學(xué)和電子物理學(xué)展望》(Advances in electronics andelectron physics)23，第153-302頁中，對這種力作了論述。當(dāng)沒有磁場時，這種力可以表示為對于單個微粒F=-q24mω2▿E2]]>對于等離子體F=-ωp22ω2▿ϵoE22,]]>其中ωp2=ne2meϵo]]>當(dāng)存在不一致的磁場時，這種力可以表示為F=-q24mω(▿E2(ω-ΩC)-E2(ω-ΩC)2▿ΩC)-μ▿B]]>圖1中的裝置包括一個噴管2。該噴管具有一個縱向軸線4，該軸線形成推進(jìn)器的軸線；實際上，推進(jìn)器產(chǎn)生的推力沿著該軸線—盡管推力可以沿著下面參考圖10-13中的方向。噴管內(nèi)部形成一個腔體6，在其中推進(jìn)氣體被電離并被加速。
在圖1所示的實施方案中，噴管為一個柱形噴管。其由不導(dǎo)電的材料制成，使得可以在腔體中形成磁場和電磁場；可以采用低電容率陶瓷、石英、玻璃或類似的材料。噴管還可以采用二極電子發(fā)射率高的材料，如BN、Al2O3、B4C。這增大了腔體中電子濃度，促進(jìn)電離。
噴管沿著推進(jìn)器連續(xù)延伸，氣體在噴管一端噴入?？梢允箛姽芫哂胁煌男螤?。例如，根據(jù)推進(jìn)器出口處所需要的等離子體流，在該實施方案中為圓形的噴管截面也可以具有其它形狀。另一種可能的截面形狀參考圖14在下文中給出。同樣，噴管不需要在噴射器和推進(jìn)器出口連續(xù)延伸(在這種情況中，噴管可以由金屬或合金制成，如鋼、W、Mo、Al、Cu、Th-W或Cu-W，還可以浸漬或涂覆氧化鋇或氧化鎂，或著包括放射性同位素，以促進(jìn)電離)如下文所述的，等離子體不是用噴管來約束的，而是用施加在推進(jìn)器中的磁場和電磁場來約束的。從而，噴管可以包括兩個單獨的部分，而在噴管兩部分之間，腔體仍將沿著推進(jìn)器延伸。
噴管的一端具有一個噴射器8。如圖1中箭頭10所示，噴射器向噴管中噴射可電離的氣體。該氣體可以包括惰性氣體Xe、Ar、Ne、Kr、He，化合物如H2、N2、NH3、N2H2、H2O、或CH4，甚至金屬如Cs、Na、K或Li(堿金屬)或Hg。最常使用的是Xe和H2，這兩者需要的電離能量較小。
推進(jìn)器還包括一個磁場發(fā)生器，其在腔體6中產(chǎn)生一個磁場。在圖1所示的實施方案中，磁場發(fā)生器包括兩個線圈12和14。這些線圈在腔體6中產(chǎn)生磁場B，磁場B的縱向部分如圖2中所示。如圖2所示，磁場縱向部分有兩個最大點，其位置與線圈對應(yīng)。與第一線圈12對應(yīng)的第一最大點Bmax1靠近噴射器。其僅用于約束等離子體，而對于推進(jìn)器操作不是必需的。然而，其具有徑向約束等離子體電子的優(yōu)點，從而由于磁瓶效應(yīng)電離更加容易；此外，噴管末端和噴射器噴嘴受到保護(hù)而可免受腐蝕。第二最大點Bmax2，與第二線圈14對應(yīng)，使得能將等離子體約束在腔體中。其還將位于最大點一側(cè)的推進(jìn)器電離空間與位于最大點另一側(cè)的推進(jìn)器加速空間分離開。該最大點處磁場徑向部分的值可以采用下文所述的值。在兩個最大點之間，或在第二最大點一側(cè)的氣體噴射處，磁場的值較小。在圖1所示的實例中，磁場大致在腔體中部具有一個最小值Bmin。
在推進(jìn)器電離空間—即在圖1所示的實施方案中，磁場兩個最大點之間的部分之中，磁場的徑向和直輻射部分—也就是磁場在垂直于推進(jìn)器縱向軸線的平面中的部分，與推進(jìn)器操作無關(guān)；這部分磁場的強(qiáng)度優(yōu)選地比磁場縱向部分小。實際上，使腔體中的離子和電子感應(yīng)出不必要的朝向腔壁的運動，只會降低推進(jìn)器的效率。
在推進(jìn)器加速空間中—即在圖1所示的實施方案中，磁場第二最大點Bmax2右側(cè)的部分，磁場的方向基本上沿著推進(jìn)的方向。從而，磁場方向優(yōu)選地沿著推進(jìn)器軸線。磁場的徑向和直輻射部分優(yōu)選盡可能地小。
因此，在電離空間和加速空間中，磁場優(yōu)選地大致平行于推進(jìn)器軸線。磁場與推進(jìn)器軸線4之間的夾角優(yōu)選地小于45°，更優(yōu)選地小于20°。在圖1和2所示的實施方案中，該角度大致為0°，從而圖2中的表不僅對應(yīng)磁場沿著推進(jìn)器軸線分布的強(qiáng)度，而且對應(yīng)于磁場的軸向部分。
由磁場發(fā)生器產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度—即值Bmax1、Bmax2和Bmin，優(yōu)選地選擇如下。最大值選擇成使得等離子體的電子被約束在腔體中；磁鏡比Bmax/Bmin越大，電子約束在腔體中的效果越好?？梢愿鶕?jù)所期望的(質(zhì)量流速)推力密度和電磁電離場功率(或者指定流速的功率)選擇該值，使氣體通過磁場第二峰值點后，90％或更多被電離。最小值Bmin取決于線圈位置。除了圖4和5中的實施方案，最小值沒有太大的相關(guān)性。從磁瓶效應(yīng)中流失的電子百分比可以表示為αlost=1-1-BminBmax]]>或BminBmax=11-(1-αlost)2]]>對于指定的質(zhì)量流動，及對于指定的推力，對于相同的流速和電離百分比，較小的αlost可以降低電離功率。
此外，磁場優(yōu)選地選擇成使得大部分離子不受磁場影響。換句話說，磁場的值小到推進(jìn)氣體離子不因為或基本上不因磁場而偏離。這種情況使得推進(jìn)氣體離子大致直線飛過噴管，從而增大了推力。規(guī)定離子回旋頻率為fICR＝q.Bmax/2πM如果離子回旋頻率比離子碰撞頻率(或離子霍爾參數(shù)，該參數(shù)為它們的比，小于1)低很多，則該離子被定義成未磁化離子fICR＜＜fion-collision其中，q為電荷，M為離子質(zhì)量，而Bmax為磁場最大值。在這種約束條件下，fICR為離子回旋共振頻率，并且是離子圍繞磁場磁力線旋轉(zhuǎn)的頻率；這種約束條件表示與碰撞時間相比，在腔體中的旋轉(zhuǎn)時間如此長，以至離子運動實施上不因磁場而改變。如我們已知的，fion-collision定義成fion-collision＝N.σ.VTH其中，N為電子強(qiáng)度值，σ為電子—離子碰撞橫截面積，而VTH為電子熱運動速度。熱運動速度可以表示為VTH=KTme]]>其中，k為微觀玻爾茲曼常量，T為溫度，而me為電子質(zhì)量。fion-collision表示一個離子在強(qiáng)度為N，溫度為T的電子云中每秒鐘的碰撞次數(shù)。
優(yōu)選地，電磁場最大值可以選擇成fICR＜fion-collision/2甚至是fICR＜fion-collision/10從而，推進(jìn)器中的離子回旋共振周期至少比腔體或推進(jìn)器中的離子碰撞周期長兩倍。
如下文中給出的一些實施方案所表明，這樣仍然有可能將氣體充分約束在推進(jìn)器電離空間內(nèi)。大部分離子不受磁場影響的事實首先有利于將離子和電子在推進(jìn)器出口處聚集成束，從而增大了流量。另外，避免了離子離開推進(jìn)器后仍然依附于磁場磁力線，這確保了產(chǎn)生純推力。
推進(jìn)器還包括一個電磁場發(fā)生器，其在腔體6中產(chǎn)生一個電磁場。在圖1所示的實施方案中，電磁場發(fā)生器包括一個第一共振腔16和一個第二共振腔18，分別位于線圈12和14附近。第一共振腔16用于在腔體中磁場兩個最大點之間，或至少在最大點Bmax2包括噴射器的一側(cè)產(chǎn)生一個振蕩電磁場。該振蕩場為電離場，頻率fEI處于微波頻率范圍，即處于900MHz-80GHz之間。電磁場的頻率優(yōu)選地適合局部磁場的頻率值，從而電離的重要部分或者說實質(zhì)部分是由于電子回旋共振所引發(fā)。特別地，對于磁場指定的值Bres，電子回旋共振頻率fECR由下面的公式?jīng)Q定fECR＝eBres/2πm其中，e為電荷，m為離子質(zhì)量。電磁場的該頻率值適于使由于電子回旋共振引起的推進(jìn)氣體電離最大化。優(yōu)選地，電磁場的頻率值fEI與在所施加電磁場的最大處所計算而得的ECR頻率相等。當(dāng)然，這只是近似值，因為電磁場沿著軸線的強(qiáng)度會變化，還因為電磁場是局部施加的，而不是施加在一個單一點上。
還可以選擇不與優(yōu)選值精確相等的頻率值，優(yōu)選地處于相對于ECR頻率±10％范圍內(nèi)，±5％范圍內(nèi)得到的結(jié)果更好。而且優(yōu)選的是，至少使50％的推進(jìn)氣體在通過電離空間或腔體時被電離。只能通過使用ECR電離才能獲得這樣的氣體電離量；如果電磁場頻率變化超過上面給出的±10％范圍，推進(jìn)氣體的電離程度有可能大大低于優(yōu)選值50％。
電離空間中電磁場的電場部分的方向優(yōu)選地垂直于磁場方向；在任何位置，局部磁場和局部電磁場中振蕩電場部分之間的夾角優(yōu)選地處于60到90°之間，更優(yōu)選地處于75-90°之間。這樣的角度適于使ECR電離達(dá)到最優(yōu)。在如圖1所示的實施方案中，電磁場的電場部分為直輻射的或徑向其包含在一個垂直于縱向軸線的平面內(nèi)，并且與該平面通過軸線的一條直線成直角；可以簡單地通過選擇共振腔中的共振模式即可獲得這種效果。在如圖1所示的實施方案中，電磁場以模式TE111共振。直輻射場還具有改善將等離子體約束在電離空間中及限制與腔體壁接觸的優(yōu)點。電磁場的電場部分的方向可以相對于該優(yōu)選直輻射方向變化；優(yōu)選地，電磁場與直輻射方向之間的夾角小于45°，更優(yōu)選地小于20°。
在加速空間中，電磁場頻率也優(yōu)選地接近或等于ECR頻率。這使得磁化有質(zhì)動力強(qiáng)度在電磁場最大點兩側(cè)都被增加，如上文給出的第二個公式所示。此外，電磁力的頻率不需要精確地與ECR頻率相等。頻率及磁場和電磁場之間夾角采用與上文所述相同的范圍。應(yīng)該注意到，該階段用于電離和加速的電磁場頻率可以一致由于可以采用相同的微波發(fā)生器驅(qū)動兩個共振腔，從而可以簡化電磁場發(fā)生器。
此外，電磁場的電場部分優(yōu)選地處于純徑向或直輻射方向，從而使磁化有質(zhì)動力最大。另外，直輻射方向的電磁場的電場部分將使等離子體在推進(jìn)器出口處聚集成束。電磁場的電場部分與徑向或直輻射方向的夾角仍然是優(yōu)選小于45°，更優(yōu)選小于20°。
圖2是沿著圖1中推進(jìn)器軸線的磁場和電磁場強(qiáng)度分布圖，磁場和電磁場強(qiáng)度在圖中用垂直軸表示，沿著推進(jìn)器軸線的位置在圖中用水平軸表示。如上文所述的，基本上與推進(jìn)器軸線平行的磁場強(qiáng)度有兩個最大點。電磁場電場部分的強(qiáng)度在第一共振腔的中間平面內(nèi)有一個第一最大值Emax1，在第二共振腔的中間平面內(nèi)有一個第二最大值Emax2。第一最大值的強(qiáng)度值與電離腔中的質(zhì)量流動速度一起選擇。第二最大值可以與推進(jìn)器出口處所需的Isp相適應(yīng)。在圖2所示的實施方案中，電磁場的第一和第二最大值的頻率是相等的實際上，共振腔是一樣的，并且被同樣的微波發(fā)生器來驅(qū)動。在圖2所示的實例中，推進(jìn)器的軸線上的原點位于噴射器(iniector)的噴嘴處。
下述數(shù)值用于例示本發(fā)明。氣體的流速為6mg/s，微波總功率大約為1550W，相應(yīng)地為在一個大約120mN的推進(jìn)器中，～350W用于電離，～1200W用于加速。微波頻率為3GHz左右。從而磁場強(qiáng)度最大大約為180mT，最小為～57mT。圖2還表示了位于共振腔所在的位置上磁場Bres的值。如上文所述，電磁場頻率優(yōu)選地與相應(yīng)的ECR頻率eBres/2πm相等。
下列數(shù)值示例性地用于具有大于20km/s的噴射速度和高于100N/m2的推力密度的推進(jìn)器。噴管為BN噴管，內(nèi)徑為40mm，外徑為48mm，長度為260mm。噴射器噴射Xe，進(jìn)入噴管時的速度為130m/s，質(zhì)量流速為～6mg/s。
磁場的第一個最大點Bmax1位于距噴射器噴嘴XB1＝20mm處，磁場Bmax1的強(qiáng)度為～180mT。電磁場的第一共振腔位于距噴射器噴嘴XE1＝125mm處，磁場強(qiáng)度E1為～41000V/m。磁場的第二個最大點Bmax2位于距噴射器噴嘴XB2＝170mm處，磁場Bmax2的強(qiáng)度為～180mT。電磁場的第二共振腔位于距噴射器噴嘴XE2＝205mm處，磁場強(qiáng)度E2為～77000V/m。
.大約90％進(jìn)入加速空間(X＞XB2)的氣體被電離。
.由于q＝e而M＝130amu，fICR為15，9MHz。因此，離子霍爾參數(shù)為0，2，從而大部分離子不受磁場影響。
這些值為示例性的，它們證明根據(jù)本發(fā)明的推進(jìn)器能夠同時具有大于15km/s的噴射速度和高于100N/m2的推力密度。圖1中的推進(jìn)器操作步驟如下所述。將氣體噴射到一個腔體中；然后使氣體通過一個第一磁場和一個第一電磁場，以電離至少部分氣體；然后該部分電離氣體通過磁場的峰值；接著使氣體通過一個第二磁場和一個第二二電磁場，以磁化有質(zhì)動力加速氣體。電離和加速分開并連續(xù)發(fā)生，且可以獨立控制。
上面作為例子的推進(jìn)器明顯比現(xiàn)有技術(shù)中的裝置更加有效。它還具有下列優(yōu)點。首先，其沒有電極。從而，所有由于這些電極而產(chǎn)生的問題—腐蝕、高電壓及其它問題都可以避免。
其次，由于磁化有質(zhì)動力，電子和離子在相同方向上加速，從而不需要在推進(jìn)器出口提供一個中和器。
第三，用于電離和加速的電磁力頻率相同。這使得可以使用相同的微波發(fā)生器來驅(qū)動電磁發(fā)生器。
第四，由于電離和加速發(fā)生在磁場峰值的相對側(cè)，因此將它們分離。這使得如下文中說明的，分別作用于電離和加速，使推進(jìn)器的性能符合需要。還能提高電離效率并降低電離推進(jìn)氣體所需的能量。
第五，電子在電離空間被激勵并被磁化，而離子基本上不受磁場影響。這與現(xiàn)有技術(shù)中的VaSIMR推進(jìn)器或等離子體泵相比，提高了推進(jìn)器效率。此外，電子在ECR頻率或該頻率左右被激勵，這提高了電離效率。
圖3是一個根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的推進(jìn)器的剖視示意圖。圖3中的實施方案與圖1中的實施方案不同點在于第一共振腔16的位置，其位于產(chǎn)生磁場第二最大點的線圈14附近。具體地說，共振腔沿著軸線位于坐標(biāo)X＝XE3＝205mm處。如圖2所示，該位置選擇成使得該位置的磁場值與XE1處的磁場值相同。這使得可以使用相同的共振腔，而不需要改變電磁場頻率值。還可以使用兩個位于坐標(biāo)XE1和XE2處的共振腔，以在電離空間中產(chǎn)生電磁場。此外，這樣可以增大在電離空間中電離的氣體比例。使腔體位于右側(cè)可以減小腐蝕。
圖4是一個根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的推進(jìn)器的剖視示意圖；圖5是沿著圖4中推進(jìn)器軸線的磁場和電磁場強(qiáng)度分布圖。圖4中的推進(jìn)器與圖1中的推進(jìn)器類似。然而，第一共振腔16大致位于線圈12和14中間。圖5與圖2類似，但表示圖4中的實施方案的磁場強(qiáng)度。圖中，第一共振腔大致位于坐標(biāo)XE4處，其對應(yīng)磁場最小值Bmin。電磁場頻率選擇成eBmin/2πm。第二共振腔位于磁場具有相同值的位置。同樣，這使得可以使用相同的微波發(fā)生器驅(qū)動兩個共振腔。圖4和5中的實施方案的優(yōu)點在于，整個施加ECR場的部分中，磁場的大小大致相同。這在其它條件相同的情況下，增大了氣體電離的比例。
圖6是一個根據(jù)本發(fā)明第四實施方案的推進(jìn)器的剖視示意圖；圖7是沿著圖6中推進(jìn)器軸線的磁場強(qiáng)度分布圖。在該實施方案中，磁場磁鏡比的值可以改變，從而能夠改變推進(jìn)器電離空間中的電離程度。更具體地說，由于在電離空間中提高了對電子的約束，從而提高電離程度將產(chǎn)生具有更高電荷的離子。這些粒子將獲得更高的速度，從而增大了總推力。
圖6中的推進(jìn)器與圖3中的推進(jìn)器類似。然而，磁場發(fā)生器具有三個附加線圈22、24和26。第一和第三附加線圈22和26位于線圈12和14內(nèi)，而第二附加線圈24大致位于靠近線圈12和14中間的位置。第一和第三附加線圈產(chǎn)生的磁場用以增強(qiáng)由線圈12和14形成的磁場。這使得能夠增加磁場最大點Bmaxl和Bmax2的強(qiáng)度。第二附加線圈產(chǎn)生的磁場與由線圈12和14所提供的磁場相反。這減小磁場Bmin值，從而增大了磁鏡比。
圖7表示向附加線圈施加不同電流值時，磁場強(qiáng)度的分布圖。曲線28對應(yīng)附加線圈不產(chǎn)生任何磁場的情況。曲線30對應(yīng)于第一種流經(jīng)附加線圈的電流，而曲線32對應(yīng)于一個更高的電流。由于第二附加線圈的存在，磁場在共振腔所位于的坐標(biāo)XE3和XE2處大致保持對應(yīng)。這避免了改變電磁場頻率，或腔體的位置，從而保證了獲得所需的ECR電離，與磁場值無關(guān)。換句話說，磁場最大值變化，但共振腔處的磁場大致保持不變。由于這些線圈，磁場值在100％范圍內(nèi)變化；這引起電離程度的變化可達(dá)90％，從而引起推力的變化可達(dá)90％。在該實施方案中，可以在推進(jìn)器出口處使用附加線圈以修正噴射材料的形狀和方向。圖8是一個根據(jù)本發(fā)明第五實施方案的推進(jìn)器的剖視示意圖；圖9是沿著圖8中推進(jìn)器軸線的磁場強(qiáng)度分布圖。在該實施方案中，可以改變加速空間中的磁場梯度，從而改變磁化有質(zhì)動力的強(qiáng)度。實際上，如上文所述，磁化有質(zhì)動力的分布與磁場梯度成比例。
圖8中的推進(jìn)器與圖4中的推進(jìn)器相似；但是，它還包括附加的梯度控制線圈34，36，位于第二共振腔18的兩側(cè)。第一梯度線圈34，位于第二線圈14和第二共振腔18之間，產(chǎn)生一個與第二線圈所產(chǎn)生磁場平行的磁場。第二梯度線圈36，位于第二共振腔18與第二線圈14相背離的那一側(cè)，產(chǎn)生一個與第二線圈所產(chǎn)生磁場相反的磁場。從而，這些梯度控制線圈可以改變推進(jìn)器加速空間中的磁場梯度；此外，它們還可以用于增大由第二線圈產(chǎn)生的磁場最大值，同時使共振場的位置靠近腔體中間平面。梯度控制線圈的存在將輕微改變共振腔在推進(jìn)器加速空間中的位置。
圖9表示圖8中實施方案的磁場強(qiáng)度分布圖。曲線38對應(yīng)于梯度控制線圈未供電的情況。圖40表示當(dāng)梯度控制線圈通電時的磁場值。第二共振腔中的梯度值從2，3T/m變化到4，5T/m，相對變化達(dá)100％。如圖6中的實例所示，共振腔中的磁場值保持不變，且不需要改變驅(qū)動共振腔的電源頻率。
圖9還顯示出當(dāng)梯度控制線圈通電時，達(dá)到磁場最大值Bmax2的位置略微偏移。圖9中標(biāo)出了偏移量δx。這將改變電離腔的長度，并且會增大最大值，將有助于進(jìn)一步電離推進(jìn)氣體。如參考圖6和7所說明的那樣，這種進(jìn)一步的電離增大了推力。
圖8中的那些梯度控制線圈也可以用在圖1和4所示的實施方案中—唯一的限制是線圈所占據(jù)的空間。圖8也是一個磁場發(fā)生器延伸出噴管末端的很好的例子。這表明噴管不需要從噴射器連續(xù)延伸到推進(jìn)器末端。梯度控制線圈也可以結(jié)合到圖7所示的實施方案中，也要受到相同的空間約束。
圖10-13是不同推進(jìn)器實施方案的示意圖，這些推進(jìn)器的推力方向可以改變。如上文所述，有質(zhì)動力的方向沿著磁場的磁力線。從而，改變推進(jìn)器加速空間中的磁場磁力線可以改變推力的方向。圖10是推進(jìn)器另一個實施方案的剖視圖，該推進(jìn)器與圖4中的推進(jìn)器類似。然而，在圖10所示的實施方案中，推進(jìn)器還具有三個位于第二共振腔18下游的附加方向控制線圈42、44和46。這些線圈偏離于推進(jìn)器軸線，從而改變第二線圈14下游的磁場方向。圖11是一個表示三個線圈和噴管2的側(cè)視圖；還表示了通過向這些線圈中的一個或多個通電而產(chǎn)生的不同磁場，其象征性地由噴管2中的箭頭表示。優(yōu)選地，這些線圈產(chǎn)生一個與線圈12和14產(chǎn)生的磁場方向相反的磁場；這進(jìn)一步增大了磁場梯度，從而增大了推力。另一方面，向線圈施加可逆電流使得可以在更寬的范圍內(nèi)改變推力方向，并使用更少的線圈(用2或3代替4)，但使用一個更復(fù)雜的電源來驅(qū)動線圈。
圖12是一個與圖11相似的側(cè)視圖，但推進(jìn)器只有兩個附加線圈，與圖11相比，還表示了元件14和18的外徑。圖13是一個與圖11相似的側(cè)視圖，但推進(jìn)器只有四個附加線圈。
在圖10-13中的實施方案中，方向控制線圈盡可能靠近第二腔體，從而作用于加速空間中的磁場。有利的是，方向控制線圈中的磁場方向選擇成使磁場在推進(jìn)器下游仍然連續(xù)減小，這避免了任何可能局部約束等離子體電子的磁鏡效應(yīng)。還可以使用其軸線傾斜于推進(jìn)器軸線的線圈。這可以增大推力矢量方向的變化范圍。
由方向控制線圈產(chǎn)生的磁場值優(yōu)選地為主磁場的20％-80％，從而在任何位置都不會使磁場方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)。
圖14是一個表示噴管各種可能的變化的剖視示意圖。這些變化結(jié)合在圖14所示的實例中，但它們可以單獨使用在圖1-13中所示的任何一個實施方案或圖15和17所示的實施方案中。首先，與上文所述的實施方案相比，圖14中的腔體6具有較小的橫截面。這在相同質(zhì)量流速下，增大了腔體中的氣體濃度，從而增大了電離空間的電離碰撞頻率。這改善了電離。
其次，噴管可以具有一個位于腔體6上游的穩(wěn)定腔。該穩(wěn)定腔具有保護(hù)噴射器噴嘴免受高能電子損傷的優(yōu)點，這些高能電子可以穿過由磁場第一最大點Bmax1形成的屏障。此外，這樣的穩(wěn)定腔將改善腔體中流動的均勻性，并限制腔體中的梯度強(qiáng)度。
第三，噴管還具有一個位于加速腔內(nèi)部的附加氣體噴射器50。其保護(hù)噴管壁，避免由推進(jìn)器加速的高能電子造成的腐蝕。
圖15是一個根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的推進(jìn)器的剖視示意圖；在圖15所示的實施方案中，腔體52為環(huán)形。此外，圖15中的推進(jìn)器采用永磁體代替線圈。圖中顯示了腔體52，氣體在一端噴射(箭頭54和56)。從而噴管包括布置成圍繞相同軸線的內(nèi)圓筒58和外圓筒59。氣體的噴射實際上可以用一個或幾個噴射器(圖15中未顯示)來圍繞形成在腔體末端的圓環(huán)進(jìn)行。第一和第二共振腔60和62沿著噴管布置，每個腔體都由位于噴管58內(nèi)部的內(nèi)部部分和位于噴管外部的外部部分組成。圖15中的推進(jìn)器使用永磁體。圓筒58內(nèi)部具有兩個環(huán)形磁體64和66；相應(yīng)地外圓筒59外部具有兩個環(huán)形磁體68和70，對著內(nèi)環(huán)形磁體。一個第三磁體72位于腔體52左側(cè)。它為圓形，并具有與外部環(huán)形磁體外徑大致相同的外徑。為了引導(dǎo)磁場磁力線，一個用如軟鐵等材料制成的第一圓管位于外部環(huán)形磁鐵的外側(cè)，并與圓形磁鐵72的外圓周相連。一個用相似材料制成的第二圓管76位于第一內(nèi)部環(huán)形磁鐵64的內(nèi)側(cè)，并連接至圓形磁鐵72的圓心附近。一個桿78將磁場磁力線從第二內(nèi)部環(huán)形磁鐵66的內(nèi)圓周引導(dǎo)至圓形磁鐵78的圓心。當(dāng)然，其它引導(dǎo)磁力線的結(jié)構(gòu)也是可以的。
圖16是沿著圖15中推進(jìn)器軸線的磁場和電磁場強(qiáng)度分布圖。它基本與圖2中的圖一致，除了圖16中的磁場大部分為徑向。
圖17是一個推進(jìn)器的剖視示意圖，該推進(jìn)器具有與圖15中推進(jìn)器相似的腔體52。然而，圖17中的推進(jìn)器使用線圈產(chǎn)生磁場。結(jié)構(gòu)與圖15中的推進(jìn)器相似，但-磁體64、66、68、70和72被具有大致相同形狀的磁力線引導(dǎo)裝置代替；-一個第一環(huán)形線圈80位于桿78外徑上，靠近元件66；-一個第二環(huán)形線圈82位于管76外徑上，靠近元件64。
此外，磁場和電磁場與圖16中相似。采用如圖15和17中的環(huán)形腔體類似的腔體，磁場和電磁場發(fā)生器的位置可以很容易地改變。
下面的表給出了一些本發(fā)明的實施方案，編號為1-33。在這些表中-Power表示與表中其它實施方案相比，推進(jìn)器的相對功率；-Band表示微波頻段；-Ptotal表示推進(jìn)器的總功率，單位為W；-Pthrust表示推進(jìn)功率，單位為W；-Pion表示用于電離的功率，單位為W；-Thrust表示所獲得的推力，單位為mN；-Mdot表示質(zhì)量流率，單位為mg/s；-Isp表示具體沖量，也就是排出速度與海平面上的重力加速度g之間的比值，單位為s；-Efficiency表示推進(jìn)器效率，也就是推進(jìn)器消耗的功率和機(jī)械推進(jìn)功率之間的比值；-B表示回旋磁場，單位為mT；-Fce表示電子回旋頻率，單位為GHz；-Bmax/Bmin表示磁場最大值和最小值之間的比值；-T/S表示推力密度，單位為N/m2-Routput表示推進(jìn)器在出口處的直徑，單位為cm；
-Rin表示磁場線圈的直徑，單位為cm；-L表示腔體總長度，單位為cm；-Dbob表示磁場線圈之間的距離，單位為cm；-Ibob表示磁場線圈的強(qiáng)度，單位為A；-Nbob表示磁場線圈匝數(shù)。
不同的實例對每個值或示意值給出各種范圍。例如，Bmax/Bmin的比值處于1.69(實施方案18和24)至17.61(實施方案5)之間。該值優(yōu)選地應(yīng)該處于1,2-20之間。盡管從表中推導(dǎo)出的不同范圍與具體實施方案相關(guān)，但是在表中給出的全部范圍內(nèi)都可以使用本發(fā)明。因此，從表中推導(dǎo)出的不同范圍實際上彼此獨立。
表1
表2
表3
上述給出的實例可以調(diào)整和變化。例如，可以使用除線圈以外的裝置產(chǎn)生磁場，例如圖15中所示的永磁體；這也可以用于其它推進(jìn)器。共振腔或線圈的個數(shù)可以根據(jù)需要改變。例如，可以使用單個共振腔在磁場最大點兩側(cè)產(chǎn)生電磁場，滿足空間約束。在圖6和7所示的實施方案中，可以使用三個附加線圈附加線圈的數(shù)目和位置可以不同；例如可以在推進(jìn)器加速空間增加一個附加線圈。也可以在圖1、3、4、8、10、14、15或16所示的實施方案中使用這樣的附加線圈。與之相似，梯度控制線圈的數(shù)目和位置可以與圖8所示的實施方案不同；可以在其它實施方案中使用梯度線圈?？梢杂谰玫匦纬梢粋€較高的磁場梯度-如圖9中的曲線40。如圖10-13中的那些方向控制線圈也可以用在圖1-9或15-17所示的實施方案中。在全部實施方案中，電離和加速電磁場可以采用相同的頻率；這簡化了電磁場的產(chǎn)生；然而，也可以采用不同發(fā)生器所產(chǎn)生的不同頻率。
權(quán)利要求
1.一種推進(jìn)器，包括-限定了推進(jìn)器軸線的腔體；-用于在腔體中噴射可電離氣體的噴射器；-用于產(chǎn)生磁場的磁場發(fā)生器，所述磁場沿著軸線至少具有一個最大點；-電磁場發(fā)生器，用于產(chǎn)生-腔體中的微波電離場，位于所述最大點的一側(cè)；及-磁化有質(zhì)動力加速場，位于所述最大點的另一側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中磁場與軸線的夾角小于45°，優(yōu)選地小于20°。
3.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中推進(jìn)器中的離子回旋共振周期至少比離子在推進(jìn)器中的穿越時間高一個數(shù)量級。
4.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中磁場最大值與最小值的比介于2到20之間。
5.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中電磁場與直輻射方向的夾角小于45°，優(yōu)選地小于20°。
6.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中推進(jìn)器中電磁場與磁場的局部夾角介于60到90°之間。
7.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中電磁場頻率處于在電磁場產(chǎn)生位置處的電磁回旋共振頻率的10％范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中微波電離場和磁場用于電離至少50％噴射入腔體的氣體。
9.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中磁場發(fā)生器包括至少一個線圈，該線圈位于軸線上大致磁場最大點處。
10.如權(quán)利要求9所述的推進(jìn)器，其中磁場發(fā)生器包括第二線圈，該第二線圈位于所述至少一個線圈和所述噴射器之間。
11.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中磁場發(fā)生器用于改變所述最大點的值。
12.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中磁場發(fā)生器用于至少在所述最大點的所述另一側(cè)改變所述磁場的方向。
13.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中電磁場發(fā)生器包括至少一個共振腔。
14.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中電磁場發(fā)生器在所述最大點的所述一側(cè)包括至少一個共振腔。
15.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中電磁場發(fā)生器在所述最大點的所述另一側(cè)包括至少一個共振腔。
16.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，其中腔體在一個噴管中形成。
17.如權(quán)利要求16所述的推進(jìn)器，其中噴管在對著噴射器的末端具有一個增大的部分。
18.如權(quán)利要求16所述的推進(jìn)器，其中噴管具有放射性同位素。
19.如權(quán)利要求1所述的推進(jìn)器，在噴射器和腔體之間還包括一個穩(wěn)定腔。
20.一種推進(jìn)器，包括-限定了推進(jìn)器軸線的腔體；-用于在腔體中噴射可電離氣體的噴射器；-用于產(chǎn)生磁場的磁場發(fā)生器，所述磁場沿著軸線具有至少一個最大點；-電磁場發(fā)生器，用于產(chǎn)生-腔體中的微波電離場，位于所述最大點的一側(cè)；及-磁化有質(zhì)動力加速場，位于所述最大點的另一側(cè)，其中推進(jìn)器中的離子回旋共振周期至少比離子在推進(jìn)器中的穿越時間高一個數(shù)量級。
21.如權(quán)利要求20所述的推進(jìn)器，其中電磁場頻率處于在電磁場產(chǎn)生位置處的電磁回旋共振頻率的10％范圍內(nèi)。
22.一種產(chǎn)生推力的方法，包括-在腔體中噴射氣體；-施加第一磁場和第一電磁場，以電離至少部分氣體；-然后向氣體施加第二磁場和第二電磁場，以通過磁化有質(zhì)動力加速空間電離氣體。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中電磁場頻率處于在電磁場產(chǎn)生位置處的電磁回旋共振頻率的10％范圍內(nèi)。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其中氣體由電子回旋共振電離。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其中大部分離子不受第一磁場影響。
26.如權(quán)利要求22所述的方法，其中第一電磁場與第一磁場之間的局部夾角介于60到90°之間。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，其中第二電磁場與第二磁場之間的局部夾角介于60到90°之間。
28.如權(quán)利要求22所述的方法，其中至少50％的氣體被電離。
29.如權(quán)利要求22所述的方法，還包括改變所述第二磁場方向的步驟。
全文摘要
一種推進(jìn)器，具有一個限定在一個噴管(2)中的腔體(6)。噴管具有一個縱向軸線，其定義出推進(jìn)器的軸線(4)；一個位于腔體一端的噴射器(8)在噴管中噴射可電離氣體。一個磁場發(fā)生器具有兩個線圈(12，14)，產(chǎn)生一個與軸線平行的磁場；磁場沿著軸線(4)具有兩個最大點；一個電磁場發(fā)生器在兩個線圈之間具有一個第一共振腔(16)，在腔體(6)中兩個磁場最大點之間產(chǎn)生一個電子回旋共振微波電離場。電磁場發(fā)生器具有一個位于第二線圈(14)另一側(cè)的第二共振腔(18)。第二共振腔(18)產(chǎn)生一個有質(zhì)動力加速場加速電離氣體。推進(jìn)器通過電子回旋共振電離氣體，并且隨后通過磁化有質(zhì)動力既加速電子又加速離子。
文檔編號H05H1/54GK1761816SQ200480007449
公開日2006年4月19日 申請日期2004年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月20日
發(fā)明者G·埃姆瑟勒姆 申請人:埃爾溫有限公司