[发明专利]霍尔效应推进器

说明书

技术领域

本发明涉及霍尔效应推进器领域。

本发明更具体地涉及可操纵推力的霍尔效应推进器，其具有环形通道、阳极、喷射回路、磁路和阴极。该环形通道由两个具有一中心轴线的同心壁限定，具有一开放端和一封闭端，并包括处于封闭端旁的上游段，该上游段被径向壁细分为多个分开的间隔区。该阳极位于环形通道的封闭端处。该喷射回路适用于将推进气体(例如诸如氙)喷射到该环形通道的间隔区中，并且包括至少一个独立的用于每个间隔区的流速调节器装置。该磁路适用于在该环形通道的开放端处形成磁场。该阴极位于该环形通道的开放端的外部。

在本文中，术语“上游”和“下游”被定义为相对于推进气体沿着由所述环形通道的中心轴线限定的轴线的通常流动方向。

背景技术

通常，在这种霍尔效应推进器处于工作状态时，电子由阴极发射并朝向位于环形通道的底部的阳极被吸引，且在位于两壁之间的螺旋轨道中被磁场捕获，由此形成虚拟阴极栅。电子由这种磁罩朝向阳极逃逸，并与通过喷射回路被喷射至环形通道内的推进气体中的原子发生碰撞，从而形成离子化等离子体。

等离子体中的正离子被存在于阳极和虚拟阴极栅之间的电场加速，该虚拟阴极栅由被位于环形通道的开放端处的磁场所捕获的电子云形成。因为这类正离子的质量远大于电子的质量，所以这些离子的轨迹很难被磁场影响。这种等离子流中的正离子最终会被阴极所发射的或是在等离子体电离过程中已经产生的电子在磁场的下游处中和。

霍尔效应推进器已开始被应用于航天器的运行姿态和轨迹控制系统(AOCSs)中，尤其是被应用于地球同步卫星的AOCSs中。从上述功能上看，霍尔效应推进器的优点在于能够精确地控制运载工具(航天器)的运行姿态和/或位置，同时与传统系统相比(传统系统利用诸如像反作用轮之类的惯性器件且与用于减饱和目的的化学推进器结合)，明显地质量更小并且复杂程度更低。

通常情况下霍尔效应推进器的推力是不可操纵的，必须要同时使用多个霍尔效应推进器以获得在期望方向上的推力，以便改变航天器的指向和/或位置。这尤其意味着用于推进器的电源供电电路相当复杂。可选地，也有文献表示可将霍尔效应推进器安装在枢轴座上，用于操纵推进器的推力，例如在2005年美国Princeton的29^th International Electric Propulsion Conference(第29届国际电力推进会议)中H.Grey,S.Provost,M.Glogowski和A.Demaire 所发表的文献“Inmarsat4F1plasma propulsion system initial flight operations”(IECP-2005-282)所描述的。然而，这样的枢轴座却有相当可观的力学复杂性，且要求其运动部件在非常严苛的航天器环境中总是承受堵塞的风险。

为了减少这些缺陷，美国专利第5845880号提出一种霍尔效应推进器，其可通过最后磁级(last magnetic stage)来操纵，该最后磁级被细分为多个可独立启动的区段。因此，推力的方位可通过改变磁场而被改变，其缺点是要围绕环形阴极的开放端的整个边界维持磁罩，并由此维持虚拟阴极栅。此外，电源为针对功率可变的最后磁级供电也在一定程度上增加了推进器的复杂性。