等離子推進器和用于產生等離子推進推力的方法

等離子推進器和用于產生等離子推進推力的方法
【專利摘要】涉及可微型化的等離子推進器的本發明包括：-通過接近于出口并且位于用于注入推進劑氣體的裝置內部的微空心陰極放電對等離子進行點火，該注入裝置為磁性體并且在其下游端處包括尖端；-在注入裝置的排出端處使被磁化的等離子的電子進行旋磁旋轉；-通過電子回旋諧振(ECR)維持等離子，注入裝置為金屬并且被用作用于電磁(EM)發射的天線，ECR等離子在注入裝置的出口處的容積被用作EM波的諧振腔；-通過反磁力在磁流體噴管中加速等離子，被噴射的等離子為電中性的。
【專利說明】等離子推進器和用于產生等離子推進推力的方法
[0001] 本發明涉及等離子推進器和通過該等離子推進器產生推進推力的方法。
[0002] 人造衛星通常使用輔助引擎或推進器執行軌道或姿態校正動作。以同樣的方式， 旨在用于太陽系勘探的航天探測器具有推進器，推進器允許它們將其自身非常精確地定位 在行星周圍或者甚至是著陸到小行星上以從其取得材料樣品。
[0003] 通常，已知為化學或推力推進器的這些推進器通過使用如肼（N2H2)或過氧化氫 (充氧水）的液體燃料最多提供幾牛頓的推力。在這些推進劑的分解期間，化學能轉換成 熱，然后在熱氣在噴嘴中的擴散期間轉換成推力。化學推進器的主要缺點在于它們的比沖 量受限制，而這使得推進劑需要操作它們表現衛星的總質量的一半而它們的高推進劑消耗 量限制了衛星的使用壽命。
[0004] 為了能夠使航天任務走的更遠并且持續更久，近年來已可出現了具有相比于化學 推進器的優點的等離子推進器，其提供更多特殊脈沖，相比于動力系統的質量顯著地增加 了工作負載以及衛星的使用壽命。如將看到的是，它們的主要缺點在于：缺乏點火的可靠 性，特別是當推進劑氣體壓力低時；因某些元件的離子轟擊導致它們有限的使用壽命；以 及它們對于它們例如在微型衛星上的使用的小型化限制。盡管比化學推進器的能量產率更 高，但是應注意如果改善它們的能量產率，甚至可以面對更遠或更長的任務。
[0005] 等離子推進器可以根據考慮它們點火等離子的模式或者朝著噴嘴的出口加速等 離子的模式而以不同的方式被分類。應注意，這兩個標準相對與彼此獨立并且彼此同樣重 要。事實上，點火模式確定推進劑氣體的電離的完全性和點火的可靠性，由此確定推進器的 可靠性，并且可以確定等離子放電腔室的大小、推進器的重量和能量產率。就加速等離子的 模式而言，這確定了推力、比沖量和能量產率，并且可以確定推進器的空間要求、重量和使 用壽命。
[0006] 如果它們的點火模式被考慮為分類標準，等離子推進器的第一種類是如專利申請 US 5, 640, 843中所描述的、已知為"電弧噴射"推進器的推進器，其原理為通過電弧以推進 器氣體的噴射方式對等離子進行點火。推進器的這種種類的優點在于，所有都一樣，除了其 提供比其他類型的等離子推進器高的推力，但其具有以下主要缺點：這些推進器具有相比 于其他等離子推進器的比沖量低的比沖量；消耗大量電流；因電極和放電腔室的內部被達 到數千至數萬度的量級的溫度的離子和電子轟擊而導致具有有限的使用壽命；要求余熱被 排出到空間，而這導致了可憐的能量產率。此外，當推進劑氣體的局部壓力低時等離子的點 火缺乏可靠性。
[0007] 根據這種同樣的標準，等離子推進器的第二種類是在包含待被電離的推進劑氣體 的放電腔室中通過電磁（EM)波的諧振，通常是通過微波的諧振單獨地對它們的等離子進 行點火的等離子推進器的類型。這種種類的推進器的主要缺點在于因只有小部分的EM能 量被等離子吸收而導致相對低的能量產率。此外，推進劑氣體的電離很少是完全的，特別是 當推進劑氣體流率高時，并且在推進劑氣體的局部壓力低時等離子的點火缺乏可靠性。
[0008] 根據這種同樣的標準，等離子推進器的第三種類是使用等離子的被磁化的自由電 子的"旋磁諧振"或者"電子回旋諧振"(ECR)的等離子推進器的種類。隨著磁場對于等離子 的施加導致了其自由電子以同一個確定方向在同一個確定頻率處自旋，等離子理論上可以 在哪里被點火，然后通過電磁波的總吸收維持等于1的能量產率，電磁波的磁場以與這些 磁化電子相同的速度并且以相同的方向旋轉。為了實際上最大化這種能量產率，放電腔室 的長度實質上等于電磁波在真空中的半波長的整數，而這提出了放電腔室的小型化問題并 由此提出了推進器的小型化問題。事實上，為了能夠增加 EM波的諧振頻率同時仍具有ECR 條件，必需相關地增加磁場的強度，這最初預料到了強力電磁感應圈的使用、但是這些線圈 的空間要求和重量與小型化推進器的目的背道而馳。此外，由于需要發射至放電腔室中的 許多源（如，推進劑氣體源、EM波源和磁場源）這種小型化問題的復雜的。專利EP0505327 描述了這種推進器。其他【技術領域】也使用ECR等離子源，例如集成電路的生產領域。專利申 請US20050287描述了 ECR離子源，裝配有電磁感應圈，用于微電子學中的離子注入。因為 作為適合于用作空間推進器的通病的焦耳效應導致的損失，電磁感應圈的使用導致了對于 相對低能量產率的顯著的重量和空間要求。此外，推進劑氣體的電離很少是完全的，特別是 當推進劑氣體流率高時，并且在推進劑氣體的局部壓力低時等離子的點火缺乏可靠性。最 終，這些推進器經常遭受在其名為離子泵效應下已知的指向上游的寄生等離子噴射的存在 的影響。
[0009] 與它們如何對等離子點火的方式無關，等離子推進器還可以根據在噴嘴中加速等 離子的模式的第二標準進行分類。
[0010] 根據這種第二標準，第一族群是已知為"靜電式"的等離子推進器的族群，其通過 朝著噴嘴的出口加速等離子的力的靜電性質而被特征化。該族群進而可以被分類成三個種 類：加速器格柵推進器、霍耳效應推進器和場效應推進器。
[0011] 加速器格柵推進器的種類通過來自放電腔室的離子通過被電極化的格柵的系統 加速的事實特征化。應注意，所噴射的等離子并不是電中性的。加速器格柵推進器具有限 制了它們的有效性和使用壽命的以下缺點：通過加速器格柵的正離子束腐蝕了推進器，這 限制了這些推進器的使用壽命；被噴射的離子與被噴射的電子重組并且產生材料在固定 有推進器的衛星的太陽電池板上的模糊沉淀；放電腔室必需具有大容積；因為在放電腔室 的墻壁處和加速器格柵處的等離子泄漏導致了能量產率相對低；以及因次級電子導致推 力受到格子內部的密度限制的約束。在專利申請JP01310179和US2004/161579A1中、專 利 US7, 400, 096B1 中、以及在刊登在 THIN SOLID FILMS(薄固體膜），ELSEVIER-SEQUOIA S. A. LAUSANNE，CH，第 337 卷，第 1-2 號，1999 年 1 月 11 日，第 71-73 頁，XP004197099， ISSN :0040-6090, DOI :10. 1016/S0040-6090(98)01187-0 中的 MORRISON N.A.等人所著的 文章 "High rate deposition of ta-C:Husing an electron cyclotron wave resonance plasma source (使用電子回旋諧振波等離子源的ta_C:H的高比例沉積）"和刊登在 SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY (表面和涂覆技術），ELSEVIER，AMSTERDAM，NL，第 202 卷，第 22-23 號，2008 年 8 月 30 日（2008-08-30)，第 5262-5265 頁，XP025875510, ISSN : 0257-8972, DOI :10. 1016/J SURFC0AT. 2008. 06. 069 中的 NISHIYAMA K 等人所著的文章 "Microwave power absorption coefficient of an ECR Xenon ion thruster (ECR 氣離子 推進器的微波功率吸收系數）"中給出了加速器格柵推進器的例子。
[0012] 霍耳效應推進器的種類通過圓柱形陽極和待負電荷的等離子而被特征化。霍耳效 應推進器使用帶電粒子在交叉的磁場和電場中的漂流。它們的缺點在一方面為伴隨有極 化電極的連續的電場的存在，而在另一方面為對于與在這些電極周圍形成外殼關聯的等離 子體密度的限制，與容易穿透到電離介質中而使得超高頻（UHF)放電是有益的超高頻場不 同，這些電子與連續的電場對于等離子的穿透對置。US 2006/290287描述了這種推進器。
[0013] 場效應推進器的種類通過金屬流體的電離、其加速、然后其電中和性而被特征化。
[0014] 根據這種第二標準，第二族群是已知為〃電磁式〃的等離子推進器的族群。該族 群進而可以被分類成六個種類：脈沖感應式推進器、磁等離子體動力推力器、無電極式推進 器、電熱式推進器、螺旋雙層推進器和μ gradB推進器。
[0015] 脈沖感應式推進器的種類通過間斷的時間間隔的加速而被特征化。
[0016] 磁等離子體動力推力器的種類通過使推進劑氣體電離并且在其中產生電流并且 電流轉而產生通過洛倫茲力加速等離子的磁場的電極而被特征化。
[0017] 無電極式推進器的種類通過沒有電極而被特征化，而這移除了對于等離子推進器 的使用壽命的弱點。其中的推進劑氣體在第一腔室中通過EM波電離，然后傳送至供等離子 通過用于產生已知為有質動力的力的不均勻且振動的電磁場加速的第二腔室中。專利US 7, 461，502描述了這種推進器。該種類的推進器的缺點在于它們使用電磁感應圈來產生振 蕩磁場，因為都是相對高的它們的空間要求、它們的重量和它們因嬌兒效應的能量損失是 適合于空間應用的通病。
[0018] 電熱式推進器的種類通過等離子加熱至百萬度量級的溫度，然后將該溫度局部轉 換成軸向速度而被特征化。這些推進器要求高功率電磁感應圈以產生非常強的磁場以能 夠約束等離子，等離子的電子因它們的溫度而具有非常高的速度。除了這些線圈的空間要 求和重量以外，它們通過焦耳效應的散熱也顯著地降低了這些推進器的能量產率。專利 US6, 293, 090描述了這種推進器，更確切地，其涉及使用等離子不通過其電子的諧振加熱 的、可變比沖量磁等離子體火箭（VASMR)類型的較低混合諧振（經由等離子的離子與電子 的結合振蕩而通過超低頻UHF波的耦合的能量吸收）射頻（RF)推進器，這通常是這種種類 的推進器的情況，但是其離子通過高功率EM波激勵。
[0019] 螺旋雙層推進器的種類通過將推進劑氣體注入到周圍纏繞有天線的管狀腔室而 被特征化，該天線用于發射高到足以電離氣體然后以通過這種方式產生等離子的方式產生 進一步增加等離子的溫度的螺旋波的電力的電磁波。
[0020] " μ gradB"推進器的種類還被稱為"空間電荷場"推進器，其通過它們抗磁性質的 力而被特征化。由J._M. Rax所著的書"Physique des plasmas, cours et application 離子體物理及其實施"的5. 1章節徹底地解釋了在講臺或緩慢可變的磁場中通過UHF電磁 場激勵的電子的運動原理。特別是在第152頁上，描述了存在有被感應的長線的收斂或發 散并因此存在有與μ gradB磁矩成比例并且與磁場的坡度成比例的在該場的方向上的力。 該力被稱為" μ gradB"或反磁力。形成本專利申請的主題的推進器有效地完全基于在本章 節的課程中解釋的"傳統的"物理原理、在第153頁提到的對于μ磁矩的不變性的絕熱性 假設大大滿足本發明的情況。然而，這本書并未公開如何設計通過ECR維持等離子的等離 子推進器，其大小可以相對于電磁波的半波長減小并且其點火的可靠性甚至是在推進劑氣 體的局部壓力非常低的條件下改善。刊登在JOURNAL OF PROPULSION AND P0WER(推進和 動力期刊）1996年7-8月AIAA，第12卷，第4號，1996年7月（1996-07)，第814-816頁， ΧΡ008133752 中的由 STALLARD Β. W.等人所著的文章"Whistler-drive;r，elect;ron-cyclot ron-resonance-heated thruster: experimental status (惠斯勒驅動器，電子回旋諧振加 熱推進器：實驗狀態）"描述了反磁力推進器，該反磁力推進器的等離子通過由EM波產生的 電子波點火并維持，EM波具有比旋磁頻率低的頻率，并且由兩個螺旋形線圈天線并通過由 電磁感應圈產生的磁場發射，并且具有比ECR強度大的強度。推進劑氣體被注入到磁場已 減小至低于ECR強度的區域中。其導致了該推進器的推進劑氣體的不完全電離的問題。為 了限制這種電離的這種不完全性，氣體腔室被隔斷。雖然其解釋當氣體流率減小時電離變 得更加完全，但是盡管這種預防，仍需要甚至對于低流率的不完全性。也不是關于改善對于 非常低流率的推進劑氣體的點火的可靠性作出的任何公開或者減小該推進器大小的裝置。
[0021] 目前工藝水平的等離子推進器并沒有在所有電磁波功率和推進劑氣體流率下，特 別是對于非常低的流率和非常低的推進劑氣體局部壓力下同時結合可靠點火（系統性且 瞬間性點火）與完全電離的優點；不存在導向上游的寄生等離子噴射；相對于用于維持等 離子的EM波的半波長具有減小的大小的放電腔室；能夠在允許永久磁鐵的使用的磁場強 度下操作由此避免電磁感應圈的空間要求、重量和因焦耳效應導致了損失；使推力和比沖 量的受控制的變化變得可能；能夠實現接近于1的能量產率；加速中性等離子，由此不需要 被中和；以及其使用壽命不受因等離子的部分磨損的限制、也不受氣體推進器沉淀在太陽 電池板上的限制。
[0022] 本發明目的在于生產能夠具有接近于1的能量產率的推進器，諸如使用通過ECR 的點火并且具有比使用通過ECR的點火的目前工藝水平的推進器更小的尺寸的推進器。如 可在下面的描述中可見，發明人將說明該推進器結合所有上述的優點，特別是由于通過與 磁場線的特定集合配置、推進劑氣體的注入和EM波發射一同產生的等離子的新型點火的 實施。
[0023] 本發明的原理是在一方面通過減小放電腔室的長度并且另一方面通過由發射EM 波的天線注入推進劑氣體而減少ECR等離子推進器的大小，放電腔室的長度的減小是通過 由磁場約束的、如EM波的諧振腔的電子諧振等離子區域的使用而實現的，因為ECR等離子 的折射率比用于如EM波的諧振腔的本領域的等離子推進器中的放電腔室的折射率大5至 10倍。
[0024] 更確切地，本發明涉及等離子推進器，包括：包括內腔和排出口的放電腔室；包括 能夠沿著預定義軸線將推進劑氣體注入到放電腔室中的注入噴嘴的至少一個注入裝置；所 述注入噴嘴具有排出端；能夠以旋磁旋轉方式設定存在于放電腔室中的推進劑氣體的電子 的磁場發生器；以及能夠通過產生至少一個電磁波來輻射存在于放電腔室中的推進劑氣體 的電磁波發生器，至少要一個電磁波的電場具有右手圓極化和與通過所述磁場發生器磁化 的推進劑氣體的電子的旋磁諧振的頻率f Eai相等的頻率，其特征在于：
[0025] -所述磁場發生器能夠：
[0026] 〇在一方面，產生磁場，該磁場具有：
[0027] 位于注入噴嘴的內部和注入噴嘴的排出端處具有強度的第一局部最大值；
[0028] 場線，場線確定具有與允許電子在所述電磁波的作用下回旋諧振的強度相等的 強度的、被稱為"ECR表面"的等場表面（iso-field)，所述ECR表面包圍所述注入噴嘴的排 出端，通過ECR表面限定的容積為電磁波的諧振腔；
[0029] 位于注入噴嘴的內部的磁場強度的第二局部最大值，第二局部最大值以所述注 入噴嘴的內部的磁場的強度的局部極小值與第一局部最大值分離；
[0030] 〇在另一方面，使所述場線具有噴嘴的形狀以產生反磁推進力；
[0031] -所述注入裝置：
[0032] 由導電材料制成并且被電連接至所述電磁波發生器以使其也充當將電磁波發 射到位于所述注入噴嘴的出口處的推進劑氣體中的電磁天線；
[0033] 由磁性傳導材料制成，從而使得在后者內部實現磁場強度的所述第二局部最大 值變得可能；
[0034] 在所述注入噴嘴的下游端處包括具有小于幾毫米的外徑的注入通道。
[0035] 應注意，磁場的強度的所述局部極小值充當甚至是在非常低的壓力處也能夠使通 過微空心陰極放電對等離子進行點火變得可能的電子阱。
[0036] 還應注意，導致ECR表面正確地定位在用于注入由微空心陰極放電電離的推進劑 氣體的噴嘴的出口（在數毫米量級的距離處）處的磁場線的形狀的重要性。該定位有助于 從注入噴嘴出來的所有中性氣體通過ECR表面而被電離的事實。
[0037] 應注意，推進劑氣體和電磁（EM)波通過相同裝置的注入在一方面使具有更緊湊 的放電腔室變得可能，在另一方面保證EM波照射使氣體密度最大化的區域變得可能，這 使得從注入噴嘴出來的中性氣體的電離水平最大化，這是通過STALLARD B.W.等人描述的 " μ gradB"推進器的問題中的一個。
[0038] 最后，應注意，EM波發射天線的定位于ECR表面的結合使將照射集中至由供EM波 返回以諧振的ECR表面限定的容積中，這使EM能量通過等離子的吸收最大化并因此使推進 器的能量產率最大化。
[0039] 根據特定實施方式，等離子推進器包括以下特征中的一個或多個：
[0040] -根據上述實施方式的等離子推進器，其中，磁場發生器作為磁場源包括與預定義 軸線共軸地布置并且具有第一磁極和第二磁極的、具有圓環形狀的至少一個永久磁鐵、與 第一磁極成整體的第一磁性元件以及與第二磁極成整體的第二磁性元件，所述第一磁極和 所述第二磁極分別被布置在離預定義軸線第一距離處和第二距離處；第二距離比第一距離 長，第一磁極和第二磁極分別被布置在注入噴嘴相對于推進劑氣體的流動方向的上游和下 游處，場線與注入噴嘴相交并且形成相對于所述預定義軸線位于10°與70°之間的角度。
[0041] -根據上述實施方式的等離子推進器，其中，沿著預定義軸線定義的放電腔室的內 腔的長度比所述電磁波在真空中的半波長小5至10倍，放電腔室具有位于0. 7平方厘米與 30平方厘米之間的內部橫截面積；其中，中央注入通道具有位于0. 7平方毫米與3平方毫 米之間的內部橫截面積。
[0042]-根據上述實施方式的等離子推進器，其中，所述第一局部最大值、局部最小值和 第二局部最大值的磁場強度分別為約0. 18特斯拉、0. 01特斯拉和0. 05特斯拉。
[0043]-根據上述實施方式的等離子推進器，其中，所述電磁波能夠沿著與預定義軸線平 行的軸線傳播，以及其中，在預定義軸線處，所述磁場梯度平行于預定義軸線；磁場梯度在 由推進劑氣體被噴射的方向定義的方向上從上游至下游是負的。
[0044]-根據上述實施方式的等離子推進器，包括用于調制電磁波的功率的裝置和用于 控制推進劑氣體的流率的裝置，電磁波的所述功率在第一操作模式中位于〇. 5瓦特與300 瓦特之間，優選地位于0. 5瓦特與30瓦特之間。
[0045] -根據上述實施方式的等離子推進器，包括在一方面布置在所述電磁波發生器的 出口處的循環器，在另一方面，布置在由已知為等離子推進器的出口平面的排出口定義的 平面的下游處的導電性圓柱形套，導電性圓柱形套的直徑基本上等于電磁波的波長的四分 之一并且導電性圓柱形套的長度基本上等于電磁波的波長的四分之三。
[0046] 下面對套的優點進行解釋。因為〃 μ gradB〃包括具有比入射波長遠小的開口腔， 所以與位于孔口中并且輻射至引擎外側的EM波的衍射關聯的顯著功率損失可以在不存在 套的情況下發生在引擎點火相中。
[0047] 此外，在不存在套的情況下，僅僅與右旋圓偏振對應的Μ波的小部分將被用于在 引擎內部具有等離子的ECR，而其余的ΕΜ波通過在排出孔中衍射而返回至ΕΜ發生器或者輻 射至外側。如上特征化的套的存在使到達套的所有ΕΜ功率能夠朝著引擎的內側反射，然后 允許通過布置在所述ΕΜ發生器處的所述循環器使返回至發生器的部分被再次發送回推進 器的腔。當其進入腔時，通過循環器反射的一小部分功率進而被右手圓極化并且通過ECR 等離子吸收，在本階段不被吸收的一小部分ΕΜ波再次經歷相同的循環周期，直至所有ΕΜ能 量被ECR等離子吸收。伴隨這種循環器的這種套的組合能夠在推進器的所有操作配置中實 現接近于1的能量產率。應注意，套可以由精細金屬網制成，并因此可以是輕的。
[0048]-根據上述實施方式的等離子推進器，包括與軸線共軸的兩個注入裝置，兩個注入 裝置中的一個將待被電離的氣體供給到ECR表面，另一個通過氣體流率和電弧噴射操作增 加推力。
[0049] 本發明還涉及通過等離子推進器產生推進推力的方法，包括以下步驟：
[0050] 使用包括被稱為注入噴嘴的排出端的注入裝置沿著預定義軸線將推進劑氣體 注入到包括內腔和排出口的放電腔室中；
[0051] 使用磁場發生器產生能夠以旋磁旋轉方式設定存在于放電腔室中的推進劑氣 體的電子的磁場；
[0052] 使用電磁波發生器將至少一個電磁波發射到存在于放電腔室中的推進劑氣體 中，其中至少一個電磁波的電場具有右手圓極化和與通過所述磁場發生器磁化的推進劑氣 體的電子的旋磁諧振頻率f Eai相等的頻率；
[0053] 通過推進劑氣體的電離點火等離子；
[0054] 通過電子的回旋諧振的維持等離子；
[0055] 其特征在于：
[0056] -等離子的點火通過注入裝置的微空心陰極放電來實現，注入通道使用由磁性材 料制成并且在其下游端處包括具有小于幾毫米的外徑的注入通道；
[0057] -推進劑氣體的注入和電磁波的發射由同一個注入裝置并且在放電腔室中的同一 個地點進行，所述注入裝置由導電材料制成并且電連接至電磁波發生器以將電磁波從所述 注入噴嘴發射到位于氣體的出口處的推進劑氣體中，以最小化推進劑氣體在出口上電離的 水平；
[0058] -所述磁場的產生如下：
[0059] 〇在一方面，磁場具有：
[0060] 位于注入噴嘴的內部和注入噴嘴的排出端處的強度的第一局部最大值；
[0061] 場線，場線確定具有與允許電子在所述電磁波的作用下回旋諧振的強度相等的 強度的、被稱為"ECR表面"的等場表面，所述ECR表面包圍所述注入噴嘴的排出端；
[0062] 在注入噴嘴的內部的磁場強度的第二局部最大值，第二局部最大值以所述注入 噴嘴的內部的磁場強度的局部極小值與第一局部最大值分離；
[0063] 〇在另一方面，磁場使所述場線具有噴嘴的形狀以產生反磁推進力；
[0064]-等離子通過電子的回旋諧振的維持通過電磁波在由ECR表面限定的容積中的諧 振來實現。
[0065] 應注意，等離子的點火并不通過ECR實現，這通常是在目前工藝水平的反磁力推 進器的情況，而是通過微空心陰極放電實現。一旦等離子已被點火并且定位在位于注入噴 嘴的出口處的已知為點火容積的容積中，該等離子通過電磁波設定在ECR中，這使其折射 率乘上5至10的系數上然后能夠將該容積用作電磁波的諧振腔，由此增加了能量產率。EM 波的諧振介質的、比目前工藝水平的折射率高的該折射率在一方面因為對等離子的點火和 維持不再需要放電腔室的長度與EM波在真空中的半波長的整數相等，所以能夠減小放電 腔室的長度，在另一方面因為可以使用較低頻率的EM波，所以能夠使用具有較低強度、能 夠通過簡單地使用永久磁體實現的磁場。
[0066] 等離子通過微空心陰極放電的點火與工作條件無關地、特別是與氣體流率和EM 電離無關地提供了系統且幾乎瞬時的點火，并因此明顯地增加了推進器的可靠性。根據本 發明的推進器因此屬于新類型的等離子推進器。
[0067] 此外，有利地，根據上述實施方式的等離子推進器，其中，等離子推進器還包括用 于調制電磁波的功率的裝置、用于控制氣體流率的裝置、能夠將推進劑氣體注入到放電腔 室中的外圍注入通道；以及其中，方法包括以下步驟：
[0068]-通過外圍注入通道將推進劑氣體注入到放電腔室中的注入步驟；
[0069]-通過外圍注入通道注入到放電腔室中的推進劑氣體的流率的調節步驟；
[0070]-電磁波的功率的調制步驟。
[0071] 通過參考附圖并且閱讀僅僅以舉例的方式給出的下面的說明書將更好地理解本 發明，在附圖中：
[0072] 圖1是根據本發明的等離子推進器的軸向剖面圖；
[0073] 圖2是圖1的局部放大圖，示出了通過根據本發明的等離子推進器的發生器產生 的磁場的場線；
[0074] 圖3是根據本發明的方法的步驟的圖表；
[0075] 圖4是根據本發明的變形實施方式的推進器的軸向剖面圖；以及
[0076] 圖5是示出沿著推進器的軸線A-A的磁場的圖表。
[0077] 參照圖1，根據本發明的等離子推進器2包括支承體4,支承體4支承通向排出口 48的排氣腔室6。
[0078] 支承體4是在其每個端部9、11處開口的無磁性中空體。其包括具有旋轉軸線A-A 的圓柱形內腔14,旋轉軸線A-A在下文中被稱為預定義軸線A-A。
[0079] 腔14包括與預定義軸線A-A共軸的中央注入通道10。中央注入通道10由例如磁 性金屬管構成。其具有比腔14的直徑小的外徑，以使得其與支承體4 一同形成布置在支承 體4的內壁與中央注入通道10的外壁之間的外圍注入通道12。
[0080] 特別是，中央注入通道10具有0· 5mm至2mm的內徑，優選地具有在1mm與1. 5mm 的內徑。外圍注入通道12具有3mm至20mm的外徑，優選地具有6mm至12mm的外徑，夕卜圍 注入通道12的內徑是中央注入通道10的外徑。
[0081] 換言之，中央注入通道10具有0.7平方毫米至3平方毫米的內部橫截面積。作為 變型，中央注入通道10和外圍注入通道12具有方形截面。
[0082] 中央注入通道10通過絕緣塊16和夾環20被固定到支承體4。特別是，中央注入 通道10的一部分被固定到絕緣塊16的通孔中。絕緣塊16被布置和固定在位于支承體4 的肩部18與夾環20的支承面21之間的腔14中。夾環20被旋入到支承體4的端部9的 外緣上。
[0083] 第一 0形環22被介入在絕緣塊16與肩部18之間。第二0形環24被介入在絕緣 塊16與夾環20的支承面21之間。
[0084] 在本發明的內容中，中央注入通道10和外圍注入通道12形成將推進劑氣體注入 到腔室6中的兩個裝置。
[0085] 為了實現這個目的，中央注入通道10的一個端部通過管28連接至推進劑氣體源 30。開口 31被布置在支承體4中。該開口 31通向外圍注入通道12。該開口 31通過管44 連接至推進劑氣體源30以在處于被稱為"電弧噴射"操作模式的第二操作模式中的等離子 推進器的操作期間向外圍注入通道12供給推進劑氣體。
[0086] 該源30裝配有用于控制氣體的流率的裝置32。
[0087] 在被稱為"傳統"操作模式的第一操作模式中，推進劑氣體的流率位于每小時0. 1 克與每小時40克之間。
[0088] 在被稱為"電弧噴射"操作模式的第二操作模式中，推進劑氣體的流率位于每小時 1克與每小時400克之間，優選地位于每小時10克與每小時400克之間。
[0089] 中央注入通道10的另一個端部包括尖端36,例如，通過將通道的環形邊緣磨成斜 邊而形成。
[0090] 尖端36從支承體4向外延伸至排放腔室6中。這通過被稱為"尖端放電"的效果 來幫助推進劑氣體的電離。尖端放電使得能夠將磁場集中成放電腔室的容積，又稱為點火 容積。這并不是通過集中電場的線的電暈電離放電，而是在注入噴嘴的出口的緊鄰區域中 的磁場的兩個上述強度最大值之間的微空心陰極放電。
[0091] 應注意，有兩個理由使得磁場的強度的局部最大值存在于點火容積中，并因此存 在于注入管的內部是可能的。第一，因為本抗磁動力推進器構成用于磁場的開口腔、或在一 個端部處更加精密地構成共軸系統開口。第二，因為推進器的復雜的磁路包括作用正是使 大部分磁場特別是通過由磁性材料制成的注入通道10重要的是通過其尖端36進入到該容 積中的部分。
[0092] 在本實施例中，點火容積位于在0. 5mm3與5mm3之間。其被布置在中央注入通道10 的尖端36的12mm至15mm下游處。
[0093] 此外，中央注入通道10適合于發射電磁波，特別是微波。為此，中央注入通道10 由導電材料形成，并且通過連接器40被電連接至電磁波發生器38，連接器40例如通過旋入 而被固定至支承體4。連接器40是例如SMA (注冊商標）型連接器。
[0094] 電磁波發生器38能夠使用電磁波照射存在于放電腔室6中的推進劑氣體，電磁波 的電場以與推進劑氣體的磁化電子相同的方向和相同的頻率旋轉，以通過ECR電子實現電 磁能的總吸收。更確切地說，電場具有右旋圓偏振和與通過磁場發生器磁化的推進劑氣體 的電子的旋磁諧振頻率相等的頻率。
[0095] 電磁發生器38裝配有用于調制電磁功率的裝置42。其適合于在被稱為"傳統"操 作模式的第一操作模式中產生具有〇. 5瓦特至300瓦特功率的電磁波，優選地產生具有0. 5 瓦特至30瓦特功率的電磁波，并且在被稱為"電弧噴射"操作模式的第二操作模式中產生 具有50瓦特至500瓦特功率的電磁波，優選地產生具有200瓦特至500瓦特功率的電磁波。 [0096] 電磁波的功率大到足以實現ECR并且足以在它們有時間輻射前噴射電子，但不會 太高，以防止這些電子在噴射前的任意輻射，這使得能夠防止通過輻射的任意加熱并且能 夠保存最佳能量產率。推進器能夠在不使能量產率降級的情況下吸收的電磁功率被聯系到 等離子中的電子的拉莫爾半徑Rb的大小。這必需保持基本小于腔的半徑，以使得電子不在 任何時候擊打推進器的內壁（被稱為"磁懸浮"等離子的等離子）。然而，對于具有電荷qe 和質量me的電子而言，在約0. 1特斯拉（1000高斯）量級的磁場B0中，1毫米的回轉半徑 Rb將對應于電子的垂直于磁場的方向上的速度ve = Rb. qe. B0/me = 1. 76X 107m/s。電子 伏特中的表述，與電子的自旋對應的動能然后將處于約.92X 105eV的量級。與氣體的例如 約10eV至20eV的電離能相比，這種限制看上去將難以用此處所涉及的幾十至幾百瓦特的 電磁功率來實現。
[0097] 還應注意，在絕熱工藝中電子在噴嘴中的加速度保持μ磁矩=qe2. Rb2. B0/2me。 B0降低10的系數，例如因此將僅僅導致電子回轉半徑Rb增加約3的系數。
[0098] 最后，如果需要使用更大的電磁功率，則能夠在不增加其尺寸的情況下通過相關 地增加磁場B0和EM激勵波的頻率來增加引擎的操作上限。比在我們的實驗中所使用的那 些磁鐵強大約10倍的磁鐵在市面上已有售。
[0099] 放電腔室6包括通過旋入而被固定至支承體4的端部11的磁場發生器46。該發 生器46包括具有兩極的磁場源50、與構成磁場源50的磁極的端面成整體的墊圈52、與墊 圈52接觸的保持螺母54、和與構成磁場源50的另一磁極的端面成整體的墊圈58。
[0100] 此外，放電腔室6包括用于等離子的排出口 48。
[0101] 磁場源50由例如具有與預定義軸線A-A共軸的、具有圓環形狀的永久磁鐵構成。 為了簡化描述，下文中將其稱為磁鐵50。
[0102] 通過磁鐵50發射的磁場具有位于0. 05特斯拉與1特斯拉之間的強度，優選地具 有位于0. 085特斯拉與0. 2特斯拉之間的強度。
[0103] 在本發明的內容中，墊圈52和保持螺母54形成第一磁性元件，墊圈58形成第二 磁性元件。
[0104] 墊圈52、58各自與磁鐵50的環形面成整體。此外，墊圈52通過例如旋入而被固 定在支承體的端部11的外周上。
[0105] 保持螺母54包括基本截斷的突起62,截斷的突起62的旋轉軸線是預定義軸線 A-A。突起62朝著中央注入通道10延伸。
[0106] 墊圈52、保持螺母54和墊圈58由順磁性鋼構成，優選地由鐵磁性鋼構成。
[0107] 參照圖2,墊圈52和保持螺母54適合于引導通過永久磁鐵50發射的磁場，突起 62的最靠近中央注入通道10的端面形成第一磁極64,第一磁極64相對于推進劑氣體的流 動方向F1布置在注入噴嘴65的上游并且位于離預定義軸線A-A第一距離D1處。
[0108] 因為墊圈58還適合于傳導磁場，所以墊圈58的最靠近中央注入通道10的端面形 成第二磁極66,第二磁極66相對于方向F1布置在中央注入通道的注入噴嘴65的下游并且 位于離預定義軸線A-A第二距離D2處的；第二距離D2比第一距離D1。
[0109] 通過磁場發生器46發射的磁場的場線68具有噴嘴的形狀。它們與中央注入通道 10的注入噴嘴65相交并且相對于預定義軸線A-A形成10°至70°的角度。換言之，通過 磁場發生器46發射的磁場是發散的。在預定義軸線A-A的水平處，磁場梯度與預定義軸線 A-A平行。此外，磁場梯度相對于推進劑氣體被噴射的方向從上游至下游是負極的。
[0110] 此外，磁場在中央注入通道的注入噴嘴65處具有磁場強度的第一局部最大值。該 強度足以通過ECR完全電離從注入噴嘴65出來的推進劑氣體。該強度例如包含在0. 087 特斯拉（用于2. 45GHz的微波頻率的ECR)與約0. 5特斯拉（可以使用永久磁鐵實現的上 限）。場線68的特定形狀使得ECR表面非常接近于強度的所述第一局部最大值并且使得該 ECR表面包圍注入噴嘴65的排出端165。對于2. 45GHz的EM波頻率而言，ECR表面位于與 排出端165的下游距離毫米量級的位置處。
[0111] 在本專利申請中，使在局部磁場中的自由電子的回轉頻率實質上等于電磁激勵波 的頻率的空間區域被稱為"ECR表面"。
[0112] 此外，磁場發生器46能夠通過反磁力促進注入噴嘴65處朝著排出口 48點火的 等離子，從所述推進器噴射的所述等離子是電中性的。應注意，ECR等離子源的主要優點中 的一個在于能夠僅僅作用在等離子的自由電子上而非離子上，而這在我們的例子中要求約 0.1特斯拉（1〇〇〇高斯）的、相對減少的磁場。通過立即出現在等離子內并且抵消正離子 的量與電子的量之間的任何不平衡的空間電荷場、或雙極電場非常有效地確保等離子的電 中立性。因此，這并不是必需使用中和劑。在不存在通過可選加速器格柵施加的電場的情 況下，雙極電場并不分裂，并且只遭受反磁力的電子將然后產生它們非磁化正離子的運動 (因此產生等離子的"反磁性化"性質）。相互地，在推進器的出口上，因為這些先前被加速 的離子在推進器內部的惰性所以通過空間電荷連接至離子的電子將能夠脫離殘余磁場。與 目前工藝水平的其他推進器相反，等離子在磁流體噴管中加速因此在如本實例中磁流體噴 管通過簡單的永久磁鐵產生的情況下不要求附加電功率的消耗。這種電功率上的節省對于 空間應用而言具有顯著的優點。
[0113] 中央注入通道10在ECR區域的上游通向磁場的發散部分的開始處。
[0114] 有利地，中央注入通道10充當放電腔室6內的微波發射天線39和用于注入待被 電離的氣體的注入噴嘴65。注入噴嘴65包括排出端165。
[0115] 磁鐵50、墊圈52、保持螺母54和墊圈58形成放電腔室6。這具有位于6mm與60mm 之間的直徑，優選地具有位于12mm與30mm之間的直徑。放電腔室6由此具有位于0. 7平 方厘米與30平方厘米之間的內部橫截面積。
[0116] 放電腔室6的內腔14的、沿著預定義軸線A-A定義的長度比通過電磁波發生器38 發射的電磁波在真空中的半波長小5至10倍。
[0117] 有利地，放電腔室具有非常小的尺寸。
[0118] 此外，等離子推進器2包括安裝夾70和旋入到支承體4的外緣上的鎖緊螺帽72。 此外，0形環74被布置在安裝夾70與鎖緊螺帽72之間。
[0119] 有利地，根據本發明的等離子推進器可以通過不消耗能量的永久磁鐵來使用。
[0120] 有利地，放電腔室形成高頻率的諧振腔具有厘米量級的尺寸和2. 3GHz至2. 8GHz 量級的相對低頻。因為ECR等離子的光學指數非常高，而這使其即使具有較低頻率也能夠 具有較短波長，所以這是可能的。因為ECR頻率與磁場成比例，所以即使具有0.08T至0. 1T 量級的磁場也使得這種尺寸的腔室可能的，而這可以通過具有小尺寸的環形永久磁鐵容易 地產生。
[0121] 通過如上所述的等離子推進器實現了根據本發明的用于產生推進推力的方法。在 被稱為"傳統的"第一操作模式中，參照圖3,該方法包括如下步驟 ：
[0122] -磁場63的產生90;
[0123] -微波通過電磁波發生器38的發射100 ;
[0124] -推進劑氣體經由中央注入通道10向放電腔室6中的注入104 ;
[0125] -等離子的點火101;
[0126] -等離子通過ECR的維持103 ;
[0127] -通過電磁波發生器38發射的電磁波的功率通過調制設備42的調制102 ;
[0128] -中央注入通道10中的推進劑氣體流率通過控制裝置32的調節106。
[0129] 有利地，當用于期望節省推進劑氣體時發射步驟100在注入步驟104之前實施，并 且當用戶期望節省電力時注入步驟104在發射步驟100之前實施。
[0130] 此外，在被稱為"電弧噴射"的第二操作模式中，該方法包括以下步驟：
[0131] -附加推進劑氣體經由外圍注入通道12的注入108 ;
[0132] -外圍注入通道12中的推進劑氣體流率通過控制裝置32的調節110 ;以及
[0133] -通過電磁波發生器38發射的微波的功率使用調制設備42的調制，以在被稱為 "電弧噴射"的第二操作模式中操作。
[0134] 有利地，推進劑氣體的軸向注入在該操作模式中通過氣體在中央注入管周圍的注 入來完成。這通常在此處被稱為被稱為"電弧噴射"的第二操作模式的、使用推進器的強勁 推力的臨時操作期間被使用。在這種情況下，放電腔室6的壓力上升使其能夠在其中點火 電弧類型（在大功率微波（大于一百瓦特）的注入的效果下非常濃厚且非常熱）的等離子。 這使其能夠使用更大的推力（約數百好毫牛頓量級）操作等離子推進器，但也帶來了更大 的熱耗散和更低的能量產率。
[0135] 有利地，通過利用使得推進器的比沖量和推力不同地變化的、用于中央注入通道 中的氣體流率的調節范圍和用于電磁波的功率的調節范圍這兩點、以及在適當情況下利用 用于外圍通道中的氣體流率的調節范圍和用于電磁波的功率的調節范圍，能夠在整個任務 上優化氣體和能量的消耗。
[0136] 有利地，能夠獨立地或者組合地使用每個推進模式，組合例如即使在對于這種推 力的高振幅的情況下也能夠實現對總推力的精調。
[0137] 此外，根據圖4所示的變體實施方式，等離子推進器120-方面包括連接至電磁波 發生器38和旋入到支承體4上的連接器40的循環器80,另一方面包括布置在等離子推進 器120的出口平面的下游處的導電性圓柱形套85。
[0138] 循環器80是通常由鐵酸鹽制成的裝置，其被放置在高頻電路中以保護電磁式發 電機38或者可選地保護放大器以防止例如通過等離子（對于EM波發生器而言，這是待被 輻射的電荷）反射的EM波的返回。在等離子的方向上穿過循環器80的Μ波的流動不被 循環器吸收。在EM波發生器的方向上反射的流動在循環器80中旋轉并且再次在等離子的 方向上出發，以使得電磁發生器38得到保護，并且EM波不存在通過引向上游的反射導致的 流動損失。
[0139] 套85具有比永久磁鐵50和抵著磁場發生器46的墊圈58固定的緣86的直徑更 大的直徑。特別是，套85是例如具有等于EM波在真空中的1/2波長的直徑和等于1/4或 3/4波長的長度的圓形波引導部。除非通過從推進器的排出口衍射而輻射到自由空間中，否 則EM波的傳播將被套85阻擋。作為被發射到自由空間中的替代，超高頻的EM波的流動朝 著整個推進器內的等離子被反射，并且其不被等離子吸收的部分被發送到循環器80。循環 器80然后反過來將該反向流返送至等離子推進器120,并且重復如上操作直至完成EM波的 流動被等離子的吸收。
[0140] 圖5表示了通過發生器46產生的磁場關于與等離子推進器沿著預定義軸線A-A 的出口平面D-D的距離的變化。在本附圖中，X軸的零定義了出口平面D-D。如圖2中可 見，出口平面是與位于排出口 48處的安裝夾70的中心面平行的平面。
[0141] 如本附圖中可見，磁場具有位于注入噴嘴65內部的第一局部最大值A和第二局部 最大值C、以及位于第一局部最大值A與第二局部最大值C之間的局部最小值。第一局部最 大值A位于注入噴嘴165的排出端165處。第一局部最大值A足以在電磁波的作用下通過 推進劑氣體的電子回旋諧振使從注入噴嘴65出來的推進劑氣體電離。
[0142] 第一局部最大值A具有比實現通過以下公式定義的回旋諧振所需的閾值BEra大的 強度，該公式為：
[0143] BECR = 2* π *fECR*me/qe，
[0144] 其中，
[0145] -me是電子質量，
[0146] _qe是電子的電荷，
[0147] -fEC；K是旋磁諧振頻。
[0148] 由于幾乎立即出現在等離子內并且抵消正離子量與電子量之間的任何不平衡的 雙極電場或空間電荷場，磁場發生器50能夠通過反磁力朝著排出口 48加速在注入噴嘴65 處被點火的等離子的自由電子、緊隨這些自由電子的正的非磁化的離子，這種不被所施加 的任何電場破壞的電場非常有效地確保了從推進器噴射的等離子的電中立性。
[0149] 通過將磁場線集中在其上，注入裝置10的尖端36使得從磁場發生器50開始一方 面實現強度的第一局部最大值A，并且另一方面實現磁場強度的第一局部最大值A與局部 極小值B之間的微空心陰極放電變得可能。無論推進劑氣體流率是多少，微放電都足以使 存在于注入噴嘴65中的推進劑氣體的至少一部分電離。磁場發生器50包括例如永久磁鐵。
【權利要求】
1. 一種等離子推進器（2、120)，包括： 放電腔室（6)，包括內腔（14)和排出口（48); 至少一個注入裝置（10、12)，包括能夠沿著預定義軸線（A-A)向所述放電腔室（6)注入 推進劑氣體的注入噴嘴￠5);所述注入噴嘴￠5)具有排出端（165); 磁場發生器（50、52、54、58)，能夠以旋磁旋轉方式設定存在于所述放電腔室（6)中的 所述推進劑氣體的電子；以及 電磁波發生器（38)，能夠通過產生至少一種電磁波來福射存在于所述放電腔室（6)中 的所述推進劑氣體，所述至少一種電磁波的電場具有右手圓極化和與通過所述磁場發生器 (50、52、54、58)磁化的所述推進劑氣體的所述電子的旋磁諧振的頻率f EQi相等的頻率，其 特征在于： -所述磁場發生器（50、52、54、58)能夠： 〇在一方面，產生磁場，所述磁場具有： 位于所述注入噴嘴（65)的內部和所述注入噴嘴（65)的所述排出端（165)處的強度 的第一局部最大值（A); 場線（68)，所述場線（68)確定具有與允許所述電子在所述電磁波的作用下回旋諧 振的強度相等的強度的、被稱為"ECR表面"的等場表面，所述ECR表面包圍所述注入噴嘴 (65)的所述排出端（165)，通過所述ECR表面限定的容積為所述電磁波的所述諧振腔； 位于所述注入噴嘴￠5)的內部的所述磁場的強度的第二局部最大值（C)，所述第二 局部最大值（C)以所述注入噴嘴￠5)的內部的所述磁場的強度的局部極小值（B)與所述 第一局部最大值（A)分離； 〇在另一方面，使所述場線（68)具有噴嘴的形狀以產生反磁推進力； -所述注入裝置（10): 由導電材料制成并且被電連接至所述電磁波發生器（38)以同樣充當將所述電磁波 發射到位于所述注入噴嘴（65)的所述出口處的所述推進劑氣體中的電磁天線（39); 由磁性傳導材料制成，從而使得在所述注入噴嘴￠5)的內部實現所述磁場的強度 的所述第二局部最大值（C)變得可能； 在所述注入噴嘴￠5)的下游端處包括具有小于幾毫米的外徑的注入通道（10)。
2. 根據上述權利要求所述的等離子推進器（2、120)，其中，所述磁場發生器（50、52、 54、58)作為磁場源包括與所述預定義軸線（A-A)共軸地布置并且具有第一磁極（64)和第 二磁極￠6)的、具有圓環形狀的至少一個永久磁鐵（50)、與所述第一磁極￠4)成整體的第 一磁性兀件（52、54)以及與所述第二磁極（66)成整體的第二磁性兀件（58)，所述第一磁極 (64)和所述第二磁極（66)分別被布置在離所述預定義軸線（A-A)第一距離（D1)和第二距 離⑶處；所述第二距離（D2)比所述第一距離（D1)長，所述第一磁極（64)和所述第二磁 極（66)分別被布置在所述注入噴嘴￠5)相對于所述推進劑氣體的流動方向（F1)的上游 和下游處，所述場線（68)與所述注入噴嘴（65)相交并且相對于所述預定義軸線（A-A)形 成位于10°與70°之間的角度。
3. 根據上述權利要求中的一個所述的等離子推進器（2、120)，其中，沿著所述預定義 軸線（A-A)定義的、所述放電腔室（6)的所述內腔（14)的長度比所述電磁波在真空中的半 波長小5至10倍，所述放電腔室（6)具有位于0. 7平方厘米與30平方厘米之間的內部橫 截面積；其中，所述中央注入通道（10)具有位于0. 7平方毫米與3平方毫米之間的內部橫 截面積。
4. 根據上述權利要求中的一個所述的等離子推進器（2、120)，其中，所述第一局部最 大值（A)、所述局部最小值（B)和所述第二局部最大值（C)的磁場強度分別為約0. 18特斯 拉、0. 01特斯拉和0. 05特斯拉。
5. 根據上述權利要求中的一個所述的等離子推進器（2、120)，其中，所述電磁波能夠 沿著與所述預定義軸線（A-A)平行的軸線傳播，并且，在所述預定義軸線（A-A)處，磁場梯 度平行于所述預定義軸線（A-A);所述磁場梯度在由所述推進劑氣體被噴射的方向定義的 方向上從上游至下游是負的。
6. 根據上述權利要求中的一個所述的等離子推進器（2、120)，包括：用于調制所述電 磁波的功率的裝置（42)和用于控制所述推進劑氣體的流率的裝置（32)，所述電磁波的所 述功率在第一操作模式中位于0. 5瓦特與300瓦特之間，優選地位于0. 5瓦特與30瓦特之 間。
7. 根據上述權利要求中的一個所述的等離子推進器（120)，一方面包括布置在所述電 磁波發生器（38)的出口處的循環器（80)，另一方面包括布置在由被稱為所述等離子推進 器（120)的出口平面（D-D)的排出口（48)定義的平面的下游處的導電性圓柱形套（85)，所 述導電性圓柱形套（85)的直徑基本上等于所述電磁波的波長的四分之一并且所述導電性 圓柱形套（85)的長度基本上等于所述電磁波的波長的四分之三。
8. 根據上述權利要求中的一個所述的等離子推進器（2、120)，包括：與所述軸線（A-A) 共軸的兩個注入裝置（1〇、12)，所述兩個注入裝置中的一個將待被電離的氣體供給到所述 ECR表面，所述兩個注入裝置中的另一個通過氣體流率和電弧噴射操作增加推力。
9. 一種通過等離子推進器（2、120)產生推進推力的方法，包括以下步驟： 使用包括被稱為注入噴嘴（65)的排出端的注入裝置（10、12)沿著預定義軸線（A-A) 將推進劑氣體注入（104)到包括內腔（14)和排出口（48)的放電腔室（6)中； 使用磁場發生器（50、52、54、58)產生（90)能夠以旋磁旋轉方式設定存在于所述放 電腔室（6)中的所述推進劑氣體的電子的磁場（63); 使用電磁波發生器（38)將至少一個電磁波發射（100)到存在于所述放電腔室（6) 中的所述推進劑氣體中，其中所述至少一個電磁波的電場具有右手圓極化和與通過所述磁 場發生器（50、52、54、58)磁化的所述推進劑氣體的電子的旋磁諧振頻率f Era相等的頻率； 通過所述推進劑氣體的電離點火（101)等離子； 通過所述電子的回旋諧振維持（103)所述等離子； 其特征在于： -所述等離子的點火（101)通過所述注入裝置（10)的微空心陰極放電來實現，所述 注入裝置（10)由磁性材料制成并且在其下游端處包括具有小于幾毫米的外徑的注入通道 (10)； -所述推進劑氣體的注入（104)和所述電磁波的發射（100)由同一個注入裝置（10、 12)并且在所述放電腔室中的同一個地點進行，所述注入裝置（10、12)由導電材料制成并 且電連接至所述電磁波發生器（50、52、54、58)以將所述電磁波從所述注入噴嘴（65)發射 到位于所述氣體的所述出口處的所述推進劑氣體中，以最小化所述推進劑氣體在出口上電 離的水平； -所述磁場的產生（90)如下： 〇在一方面，所述磁場具有： 位于所述注入噴嘴（65)的內部和所述注入噴嘴（65)的所述排出端（165)處的強度 的第一局部最大值（A); 場線（68)，所述場線（68)確定具有與允許所述電子在所述電磁波的作用下回旋諧 振的強度相等的強度的、被稱為"ECR表面"的等場表面，所述ECR表面包圍所述注入噴嘴 (65)的所述排出端（165); 位于所述注入噴嘴￠5)的內部的所述磁場強度的第二局部最大值（C)，所述第二局 部最大值（C)以所述注入噴嘴￠5)的內部的所述磁場的強度的局部極小值（B)與所述第 一局部最大值（A)分離； 〇在另一方面，所述磁場使所述場線具有噴嘴的形狀以產生反磁推進力； -所述等離子通過所述電子的回旋諧振的維持（103)通過所述電磁波在由所述ECR表 面限定的容積中的諧振來實現。
10.根據上述權利要求所述的方法，其中，所述等離子推進器（2、120)還包括用于調制 所述電磁波的功率的裝置（42)、用于控制氣體流率的裝置（32)、能夠將所述推進劑氣體注 入到所述放電腔室（6)中的外圍注入通道（12);以及其中，所述方法包括以下步驟： -通過所述外圍注入通道（12)將推進劑氣體注入（108)所述放電腔室￠)中； -通過所述外圍注入通道（12)調節（110)注入到所述放電腔室（6)中的推進劑氣體的 流率； -對所述電磁波的功率進行調制（112)。
【文檔編號】H01J27/18GK104114862SQ201280069755
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年12月19日 優先權日:2011年12月29日
【發明者】瑟吉·拉里格爾戴爾 申請人:奧尼拉(國家宇航研究所)