[发明专利]用于产生推力的离子助推器

说明书

一种用于产生推力的离子助推器。本发明属于非对称电极之间离子快速加速所产生的电力推进。本发明适用于在大气和空间环境下产生推进。

技术领域

本发明涉及推进产生技术，具体涉及由电源产生的推进(电力推进)，其中电极受到电位(电压)差的作用。

背景技术

1928年，T.T.Brown首次发现电极受到电位差的作用时会产生推力。自此，利用这一原理产生推力并推动车辆的发明层出不穷。这些发明采用了不同的电极排列和结构来提高推力水平。但是在这些发明中，Brown采用的基本原理一直都保持不变。

未来十年，三大支柱将推动航空航天市场发展：1)自主飞行；2)飞机通信；3)电力推进。此外，随着美国国家航空航天局(NASA)继续研究未来商用混合动力和全电动飞机的可行性，需要研制或完善几种与电力相关的关键部件和材料，实现美国国家航空航天局先进空中交通技术项目(AATT)确立的宏伟电动目标。

美国国防部非常关注适用于空间应用的离子推进器。如SBIR公告AF192-044所述，未来美国国防部航天器需要提高改变轨道的敏捷性，以满足任务要求或避免增加轨道拥挤的危险。敏捷航天器是一种能够改变轨道同时又能通过节省推进剂最大程度地延长推进寿命的航天器。敏捷性的最低要求是推进概念，其能够根据任务需求的需要，用比冲量(Isp)与推力在大范围内进行交换。短期通知需求需要以牺牲推进剂为代价实现大推力。对于时间限制不太严格的任务需求，可以采用高Isp，并能节省推进剂。然而，真正敏捷的航天器将同时需要大推力和高Isp，至少短期内如此。

利用尺寸明显不同、电压极性相反的电极可以使电极处于高电位差，从而产生推力。较小的电极(具有较高的电流密度)从周围介质(即空气、氮气、氙气)中高速吸引现有的相反带电离子和/或电子。这些离子或电子在各自路径上与中性分子发生碰撞。这些碰撞导致中性分子获得或失去一个电子。此时极化的受冲击分子被高速吸引到较大的电极上，并且它们的加速度产生了推力。

需要注意的是，这些高速移动的分子产生了离子风，但离子风并非主要的推进来源(这些分子的贡献值降低了几个数量级)。

迄今为止，使用高压电极产生推力的做法仅在空间应用方面取得了成功。航天器以氙气作为介质(分子量较大)，增加了分子加速时产生的动量。虽然产生的推力水平较低，但由于空间中没有摩擦力，因此在达到所需的速度之前，推进器的使用间隔较长。然而，航天器需要承受携带氙气作为燃料的这部分重量。

发明内容

在大气条件下，由于使用空气作为介质的局限性，尚未产生有效的推力水平。局限性的原因在于空气的介电击穿电压以及大气中离子的可用性。

本文提出的本发明实施例通过从电极中提取电子，提高了离子推进器的推力水平。通过克服电极材料逸出功，即可达到此目的。提取电子时，电子会产生与周围介质的额外碰撞，从而增加带电分子的数量。带电分子的数量增加和电子的加速提高了离子推进器的推力水平。

本发明实施例适用于任何介质(即氙气、氮气、空气)。值得注意的是，在大气条件下使用本发明的实施例会提高推力水平，使离子推进器成为电动飞机的可行选择。

在一个实施例中，公开了一种系统，包括一个或多个初级电极；至少一个次级电极；一个高压电源，包括一个与所述一个或多个初级电极可操作连接的接地输出，所述高压电源进一步包括一个与所述至少一个次级电极可操作连接的正极输出；一个能量源，用于克服通电时所述一个或多个初级电极的材料逸出功。

在一个实施例中，所述能量源可包括一个次级电源，所述次级电源在一个闭合电路中与所述一个或多个初级电极可操作连接，在通电时会提高所述一个或多个初级电极的温度。可替代地，所述能量源可包括一个加热所述一个或多个初级电极的加热元件，或包括一个与所述一个或多个初级电极靠近布置的紫外光源。进一步地，可采用所述三种能量源的组合。