CN115355145A - 一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器 - Google Patents
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Abstract
一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，属于空间推进技术领域。本发明包括：微牛级冷气推力器微喷管与场电离增强装置一体化、双工作模式的结构，喷管扩张段出口处经接口集成碳纳米管场电离推力器。中和器布置在场电离推力器***。推力可工作在两种模式下，当场电离推力器不加电时，以冷气推力器状态工作；当场电离推力器加电时，气体经过接口进入到场电离推力器中，碳纳米管尖端的曲率半径只有纳米，具有很强的局部电场，将通入的气体进行电离，形成离子流。通过抽取级将正离子引出，经过加速栅极对离子进行加速，产生推力。场电离推力器***的中和器利用隧穿效应，极易进行电子发射，对引出的正离子进行中和。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，属于空间推进技术领域。
背景技术
微牛级变推力冷气推力器是现阶段在轨飞行无拖曳控制航天器的基本配置，无拖曳控制技术已在NASA&ESA多个超高精度的科学探测型号任务上得到应用，包括ESA的MICROSCOPE和GRACE、GOCE及NASA&ESA的LISA Pathfinder等任务上，微牛级冷气推进技术具有工作稳定性好，跨数量级推力调节及高可靠性等优势，但比冲相对低；为了在现有的微牛冷气变推力模块基础上进行比冲性能提升，降低推进剂携带量，提升航天器在轨寿命，需要在现有推力器基础上进行性能提升，兼顾现有的推进***，尽可能降低***成本以及体积，尽可能形成统一的推进***，即采用一套推进***实现。本发明提出一种气体场电离的增强型微牛变推力器，具有冷气以及电推双模式的技术优点。
采用气体工质的微牛级电推力器主要包括射频离子推力器、会切磁场推力器、微波离子推力器等，该类推力器重量体积过大，较为复杂，难以实现与冷气推力器的一体化集成。基于碳纳米管的场电离推力器，具有体积小重量轻、结构简单、功耗低、电流密度大、效率高等优势。其中碳纳米管除了是一种理想的新型真空电子发射源外，还可以用做电离装置，其主要特点为激发电压小、产生电流大，相较传统电离装置具有一定的优势。碳纳米管的场电离推力器具备与微牛级冷气推力器集成进行推力器性能提升的潜力。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，解决了微牛冷气推力器比冲低、场电离推力器重量体积过大，结构复杂以及一体化集成困难的问题，同时能够延长推力器在轨的寿命并扩展任务范围。
本发明的技术解决方案是：一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，包括微牛级冷气推力器微喷管结构以及连接在所述微牛级冷气推力器微喷管结构出口端的碳纳米管场电离推力器，以及布置在碳纳米管场电离推力器***的中和器，形成一体化结构，推力器以冷气模式、场电离推力器模式或者冷气和场电离推力器双模式工作；
所述微牛级冷气推力器微喷管结构用于提供冷气推力，工质为惰性气体；
所述碳纳米管场电离推力器用于对气体工质进行场电离，形成离子流，通过抽取级将正离子引出，经过加速栅极对离子进行加速，产生推力，通过形成等离子体的形式提高推力器比冲；
所述中和器用于电子发射，中和器布置在微牛级冷气推力器周围，利用隧穿效应，对引出的正离子进行中和。
进一步地，所述微牛级冷气推力器微喷管结构包括压电驱动器、针栓、微流道和喷管扩张段；
所述针栓与压电驱动器相连，经由压电驱动器控制位移，实现对喉部流通面积的调节；
所述微流道位于收缩喷管与扩张喷管之间，用于对供给工质进行流量控制以及气体喷射速度的控制；
所述喷管扩张段后方经由接口与碳纳米管场电离推力器的碳纳米管阳极连通。
进一步地，气体经由蓄压舱的施压进入微流道和扩张喷管后经喷管扩张段后方集成的接口进入碳纳米管场电离推力器，根据碳纳米管场电离推力器的工作状态，确定推力器的工作模式。
进一步地，所述碳纳米管场电离推力器包括碳纳米管阳极、电源模块、抽取栅极、加速栅极以及推力器绝缘隔离结构；
所述碳纳米管阳极包括呈圆形排布的发射极底座，并与电源模块经导线与正极性相连；
所述抽取栅极和加速栅极均为网状结构、相同孔径、均匀分布的金属板圆，并由导线与电源模块的负极性相连；
所述推力器绝缘隔离结构由绝缘材料制成，呈桶状结构置于场电离推力器外侧，与推力器结构同轴连接。
进一步地，将经由微牛级冷气推力器微喷管结构通入的气体进行电离，形成离子流；通过抽取栅极将正离子引出，经过加速栅极对离子进行加速；通过引出离子形成推力，通过改变抽取栅极和加速栅极电势差的方式来实现粒子速度的控制。
进一步地，所述加速栅极用于增加经抽取栅极加速后的离子速度，并减小束流发散角。
进一步地，所述中和器的结构呈具有一定厚度的中空圆桶形，包括构型均为中空圆板的碳纳米管阴极、抽取栅极、加速栅极和中和器绝缘隔离结构；
所述碳纳米管阴极通过导线与电源模块的负极性相连，抽取栅极和加速栅极的结构和材质与碳纳米管场电离推力器的一致，并由导线与电源模块的正极性相连；
所述中和器绝缘隔离结构由绝缘材料制成，呈桶状结构置于中和器的外侧，与中和器和推力器结构同轴连接。
进一步地，所述碳纳米管阴极尖端的曲率半径为纳米级。
进一步地，对中和器的碳纳米管阴极施加负电压，利用隧穿效应，发射电子，电子经由抽取栅极和加速栅极到达推力器尾部的粒子中和区对碳纳米管场发射引出的正离子进行中和。
进一步地，将碳纳米管场电离推力器集成到微牛级冷气推力器喷管，根据碳纳米管场电离推力器是否工作的状态选择对应的工作方式：
空间应用时，碳纳米管场电离推力器不工作，采用冷气推力器工作模式，提供亚微牛推力；
进行空间探测任务时，碳纳米管场电离推力器工作，采用电推力器工作模式提供微牛级以上推力，通过控制直流电源极性使得碳纳米管场电离推力器发射电子进行气体离子的中和。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)采用了气体场电离推力器作为冷气推力器的性能增强，共用原有推进***贮供等实现空间双模式推进，保留原有冷气推进大推力宽范围的前提下，集成的电推提升了推力器比冲，比冲可从60s提升至1000s以上，有效提高推进剂利用率延长了推力器的在轨寿命。
(2)采用基于碳纳米管的场电离推力器作为集成方案，降低了结构集成难度，可实现冷气和电推的一体化高度集成。
(3)采用碳纳米管阵列进行气体场电离，长径比高，极易实现气体电离，节能的同时降低高电压导致的绝缘包装成本。
(4)采用阳极电离与中和器阴极的一体化结构，降低了结构复杂性。
(5)场电离推力器增加了加速级，进一步提升了电离推力器离子速度，从而提高整个推力器比冲。
(6)场电离推力器增加了加速栅极，能够聚焦羽流粒子束，减少粒子对抽取栅极的碰撞腐蚀，有效延长推力器寿命。
(7)该技术可以作为独立的推力器技术也可以作为冷气推力器的增强应用，实现空间双模式推进，应用灵活。
附图说明
图1为本发明基于气体场电离的增强型微牛变推力器的集成结构图；
图2为本发明的基于碳纳米管的气体场电离示意图；
图3为本发明碳纳米管场电离推力器及中和器的工作原理图；
图4为本发明基于气体场电离的增强型微牛变推力器的***图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～4所示)：微牛级冷气推力器微喷管，基于碳纳米管的场电离推力器和基于碳纳米管的阴极中和器。微牛级冷气推力器微喷管结构包括压电驱动器1，针栓2，微流道3，喷管扩张段4。喷管扩张段4出口处经接口集成碳纳米管场电离推力器，后者结构包括碳纳米管阳极5、电源模块6、抽取栅极7、加速栅极8以及推力器绝缘隔离结构9。中和器布置在碳纳米管场电离推力器***，中和器的结构包括纳米管阴极、电源模块6、抽取栅极11、加速栅极12以及中和器绝缘隔离结构13。
所述微牛级冷气推力器微喷管的喷管扩张段4出口集成碳纳米管场电离推力器，并在场电力推力器***集成基于碳纳米管的中和器。
所述微牛级冷气推力器微喷管的针栓2与冷气推力器的压电驱动控制器相连，喷管扩张段4后方经由接口与碳纳米管场电离推力器的碳纳米管阳极5连通。
所述碳纳米管场电离推力器的发射极底座呈圆形排布构成碳纳米管阳极5并与电源模块6经导线与正极性相连，抽取栅极7和加速栅极8均由网状结构、相同孔径、均匀分布的金属板圆构成，并由导线与电源模块6的负极性相连。推力器绝缘隔离结构9由绝缘材料制成，呈桶状结构置于碳纳米管场电离推力器的外侧，与推力器结构同轴连接，保护内部结构免受外界因素干扰。
所述中和器经基座集成于碳纳米管场电离推力器外侧，结构呈具有一定厚度的中空圆桶形，其碳纳米管阴极10、抽取栅极11和加速栅极12的构型均为中空的圆板。中和器的碳纳米管阴极10通过导线与电源模块6的负极性相连，抽取栅极11和加速栅极12的结构和材质与碳纳米管场电离推力器的一致，并由导线与电源模块6的正极性相连。中和器绝缘隔离结构13由绝缘材料制成，呈桶状结构置于中和器的外侧，与中和器和推力器结构同轴连接，保护内部结构免受外界因素干扰。
根据所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于，包括，微牛级冷气推力器微喷管的针栓2经由冷气推力器的压电驱动器1控制位移，从而实现对喉部流通面积高精度调节。气体经由蓄压舱的施压进入微流道3和扩张喷管后经喷管扩张段4后方集成的接口进入碳纳米管场电离推力器，根据碳纳米管场电离推力器的工作状态，确定基于气体场电离的增强型微牛变推力器的工作模式。碳纳米管场电离推力器休眠的状态下，增强型微牛变推力器保留原始微牛级冷气推力器的亚微牛推力，为冷气推进模式。施加一定电压后，在碳纳米管场电离推力器工作状态下，，可以产生高比冲的微牛级以上推力，此时为电推进模式。
根据所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于，还包括，碳纳米管场电离推力器的构成碳纳米管阴极10的发射极底座，其中碳纳米管的结构本身具有很大的长径比，其尖端的曲率半径仅有纳米，接通电源后尖端具有很强的局域电场，可将经由冷气推力器微喷管通入的气体进行电离，形成离子流。通过抽取栅极7将正离子引出，经过加速栅极8对离子进行加速。通过引出离子形成推力，通过改变抽取栅极7和加速栅极8电势差的方式来实现粒子速度的控制。实现推力器的性能增强特性以及变推力能力。
根据所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于，还包括，加速栅极8对经抽取栅极7加速后的离子进一步加速，并减小束流发散角，减少离子与抽取栅极7的碰撞损失，从而提高整个推力器比冲，以及减小抽取极的腐蚀改善推力器寿命。
根据所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于，还包括，中和器布置在碳纳米管场电离推力器***，对中和器的碳纳米管阴极10施加一定的负电压，利用隧穿效应，发射电子，电子经由抽取栅极11和加速栅极12到达推力器尾部的粒子中和区对碳纳米管场发射引出的正离子进行中和。
根据所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于，还包括，微牛级冷气推力器与碳纳米管场电离推力器的集成方式。将碳纳米管场电离推力器集成到微牛级冷气推力器喷管，根据碳纳米管场电离推力器是否工作的状态可以形成双模式工作方式，空间应用时，通常在无拖曳控制初期，需要推力较大，可以采用冷气推力器工作模式，提供亚微牛推力。在进行空间探测任务时，采用电推力器工作模式提供微牛级以上推力，并且可以输出较高比冲，节省燃料，延长推力器寿命。不需要配备额外的中和器，可通过控制直流电源极性使得碳纳米管场电离推力器发射电子进行气体离子的中和。
在本发明的实施例中，该基于气体场电离的增强型微牛变推力器，包括：微牛级冷气推力器微喷管，基于碳纳米管的场电离推力器和基于碳纳米管的阴极中和器。如图1，2所示，所述微牛级冷气推力器微喷管的喷管扩张段4出口集成碳纳米管场电离推力器，并在场电力推力器***集成基于碳纳米管的中和器。
所述微牛级冷气推力器微喷管结构包括压电驱动器1，针栓2，微流道3，喷管扩张段4。针栓2与冷气推力器的压电驱动控制器相连，喷管扩张段4后方经由接口与碳纳米管场电离推力器的碳纳米管阳极5连通。
所述碳纳米管场电离推力器，结构包括碳纳米管阳极5、电源模块6、抽取栅极7、加速栅极8以及推力器绝缘隔离结构9。
所述中和器布置在碳纳米管场电离推力器***，中和器的结构包括纳米管阴极、电源模块6、抽取栅极11、加速栅极12以及中和器绝缘隔离结构13。
在本发明的实施例中，如图1，2，3所示，所述碳纳米管场电离推力器的发射极底座呈圆形排布构成碳纳米管阳极5并与电源模块6经导线与正极性相连，抽取栅极7和加速栅极8均由网状结构、相同孔径、均匀分布的金属板圆构成，并由导线与电源模块6的负极性相连。推力器绝缘隔离结构9由绝缘材料制成，呈桶状结构置于碳纳米管场电离推力器的外侧，与推力器结构同轴连接，保护内部结构免受外界因素干扰。抽取级能够抑制正离子回轰阴极造成的损伤，抽取级电压在300V～1000V，加速级电压300V～500V，抽取栅极7和加速栅极8采用材料钼，抽取级栅网孔径是30～50μm，加速级栅网孔直径为60μm～100μm。
在本发明的实施例中，如图1，2，3所示，所述中和器经基座集成于碳纳米管场电离推力器外侧，结构呈具有一定厚度的中空圆桶形，其碳纳米管阴极10、抽取栅极11和加速栅极12的构型均为中空的圆板。中和器的碳纳米管阴极10通过导线与电源模块6的负极性相连，抽取栅极11和加速栅极12的结构和材质与碳纳米管场电离推力器的一致，并由导线与电源模块6的正极性相连。说明，中和器与场电离推力器共用一套电源。中和器绝缘隔离结构13由绝缘材料制成，呈桶状结构置于中和器的外侧，与中和器和推力器结构同轴连接，保护内部结构免受外界因素干扰。
在本发明的实施例中，如图2，4所示，所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征还在于，包括，微牛级冷气推力器微喷管的针栓2经由冷气推力器的压电驱动器1控制位移，从而实现对喉部流通面积高精度调节。气体经由蓄压舱的施压进入微流道3和扩张喷管后经喷管扩张段4后方集成的接口进入碳纳米管场电离推力器，根据碳纳米管场电离推力器的工作状态，确定基于气体场电离的增强型微牛变推力器的工作模式。碳纳米管场电离推力器休眠的状态下，增强型微牛变推力器保留原始微牛级冷气推力器的亚微牛推力，为冷气推进模式。施加一定电压后，在碳纳米管场电离推力器的工作状态下，可以产生高比冲的微牛级以上推力，此时为电推进模式。在本发明的实施例中，如图1，2，3所示，所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于，还包括，碳纳米管场电离推力器的构成碳纳米管阴极10的发射极底座，其中碳纳米管的结构本身具有很大的长径比，其尖端的曲率半径仅有纳米，接通电源后尖端具有很强的局域电场，可将经由冷气推力器微喷管通入的气体进行电离，形成离子流。通过抽取栅极7将正离子引出，经过加速栅极8对离子进行加速。通过引出离子形成推力，通过改变抽取栅极7和加速栅极8电势差的方式来实现粒子速度的控制。实现推力器的性能增强特性以及变推力能力。
在本发明的实施例中，如图3所示，所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于，还包括，加速栅极8对经抽取栅极7加速后的离子进一步加速，并减小束流发散角，减少离子与抽取栅极7的碰撞损失，从而提高整个推力器比冲，以及减小抽取极的腐蚀改善推力器寿命。
在本发明的实施例中，如图1，2，3所示，所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于，还包括，中和器布置在碳纳米管场电离推力器***，对中和器的碳纳米管阴极10施加一定的负电压，利用隧穿效应，发射电子，电子经由抽取栅极11和加速栅极12到达推力器尾部的粒子中和区对碳纳米管场发射引出的正离子进行中和。
在本发明的实施例中，如图4所示，所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于，还包括，微牛级冷气推力器微喷管与碳纳米管场电离推力器的集成方式。将碳纳米管场电离推力器集成到微牛级冷气推力器微喷管，根据碳纳米管场电离推力器是否工作的状态可以形成双模式工作方式，空间应用时，通常在无拖曳控制初期，需要推力较大，可以采用冷气推力器工作模式，提供亚微牛推力，推力范围可覆盖0.1～1000μN。在进行空间探测任务时，采用电推力器工作模式提供微牛级以上推力，并且在1～30μN模式下可以输出较高比冲(大于1000s)，节省燃料，延长推力器寿命。不需要配备额外的中和器，可通过控制直流电源极性使得碳纳米管场电离推力器发射电子进行气体离子的中和。
在本发明的实施例中，进行变推力调控时，通过调控电压以及流量实现变推力控制，具有更宽的推力调节范围，可以实现0.1μN～1000μN高比冲电推工作模式调控。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于，包括微牛级冷气推力器微喷管结构以及连接在所述微牛级冷气推力器微喷管结构出口端的碳纳米管场电离推力器，以及布置在碳纳米管场电离推力器***的中和器，形成一体化结构，推力器以冷气或场电离推力器双模式工作；
所述微牛级冷气推力器微喷管结构用于提供冷气推力，工质为惰性气体；
所述碳纳米管场电离推力器用于对气体工质进行场电离，形成离子流，通过抽取级将正离子引出，经过加速栅极对离子进行加速，产生推力，通过形成等离子体的形式提高推力器比冲；
所述中和器用于电子发射，中和器布置在微牛级冷气推力器周围，利用隧穿效应，对引出的正离子进行中和。
2.根据权利要求1所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于：所述微牛级冷气推力器微喷管结构包括压电驱动器(1)、针栓(2)、微流道(3)和喷管扩张段(4)；
所述针栓(2)与压电驱动器(1)相连，经由压电驱动器(1)控制位移，实现对喉部流通面积的调节；
所述微流道(3)位于收缩喷管与扩张喷管之间，用于对供给工质进行流量控制以及气体喷射速度的控制；
所述喷管扩张段(4)后方经由接口与碳纳米管场电离推力器的碳纳米管阳极(5)连通。
3.根据权利要求2所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于：气体经由蓄压舱的施压进入微流道(3)和扩张喷管后经喷管扩张段(4)后方集成的接口进入碳纳米管场电离推力器，根据碳纳米管场电离推力器的工作状态，确定推力器的工作模式。
4.根据权利要求1所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于：所述碳纳米管场电离推力器包括碳纳米管阳极(5)、电源模块(6)、抽取栅极(7)、加速栅极(8)以及推力器绝缘隔离结构(9)；
所述碳纳米管阳极(5)包括呈圆形排布的发射极底座，并与电源模块(6)经导线与正极性相连；
所述抽取栅极(7)和加速栅极(8)均为网状结构、相同孔径、均匀分布的金属板圆，并由导线与电源模块(6)的负极性相连；
所述推力器绝缘隔离结构(9)由绝缘材料制成，呈桶状结构置于场电离推力器外侧，与推力器结构同轴连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于：将经由微牛级冷气推力器微喷管结构通入的气体进行电离，形成离子流；通过抽取栅极(7)将正离子引出，经过加速栅极(8)对离子进行加速；通过引出离子形成推力，通过改变抽取栅极(7)和加速栅极(8)电势差的方式来实现粒子速度的控制。
6.根据权利要求4所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于：所述加速栅极(8)用于增加经抽取栅极(7)加速后的离子速度，并减小束流发散角。
7.根据权利要求4所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于：所述中和器的结构呈具有一定厚度的中空圆桶形，包括构型均为中空圆板的碳纳米管阴极(10)、抽取栅极(11)、加速栅极(12)和中和器绝缘隔离结构(13)；
所述碳纳米管阴极(10)通过导线与电源模块(6)的负极性相连，抽取栅极(11)和加速栅极(12)的结构和材质与碳纳米管场电离推力器的一致，并由导线与电源模块(6)的正极性相连；
所述中和器绝缘隔离结构(13)由绝缘材料制成，呈桶状结构置于中和器的外侧，与中和器和推力器结构同轴连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于：所述碳纳米管阴极(10)尖端的曲率半径为纳米级。
9.根据权利要求7所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于：对中和器的碳纳米管阴极(10)施加负电压，利用隧穿效应，发射电子，电子经由抽取栅极(11)和加速栅极(12)到达推力器尾部的粒子中和区对碳纳米管场发射引出的正离子进行中和。
10.根据权利要求1～9任一项所述的一种基于气体场电离增强的微牛级变推力器，其特征在于，将碳纳米管场电离推力器集成到微牛级冷气推力器喷管，根据碳纳米管场电离推力器是否工作的状态选择对应的工作方式：
空间应用时，碳纳米管场电离推力器不工作，采用冷气推力器工作模式，提供亚微牛推力；
进行空间探测任务时，碳纳米管场电离推力器工作，采用电推力器工作模式提供微牛级以上推力，通过控制直流电源极性使得碳纳米管场电离推力器发射电子进行气体离子的中和。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115753172A (zh) * | 2022-11-22 | 2023-03-07 | 兰州空间技术物理研究所 | 一种离子推力器不稳定工作状态监测方法 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4663932A (en) * | 1982-07-26 | 1987-05-12 | Cox James E | Dipolar force field propulsion system |
| US20060168936A1 (en) * | 2005-01-31 | 2006-08-03 | The Boeing Company | Dual mode hybrid electric thruster |
| US20070234705A1 (en) * | 2003-03-20 | 2007-10-11 | Gregory Emsellem | Spacecraft thruster |
| US9194379B1 (en) * | 2010-02-10 | 2015-11-24 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Field-ionization based electrical space ion thruster using a permeable substrate |
| US20160207642A1 (en) * | 2013-08-27 | 2016-07-21 | The Regents Of The University Of Michigan | Electrodeless plasma thruster |
| US20170210493A1 (en) * | 2014-07-30 | 2017-07-27 | Safran Aircraft Engines | Spacecraft propulsion system and method |
| WO2019025174A1 (de) * | 2017-07-31 | 2019-02-07 | Technische Universität Dresden | Feldemissionsantriebssvstem sowie verfahren zum kalibrieren und betreiben eines feldemissionsantriebssvstems |
| CN110056491A (zh) * | 2019-05-14 | 2019-07-26 | 大连理工大学 | 一种碳纳米管阵列推力器 |
| US20200340459A1 (en) * | 2017-12-12 | 2020-10-29 | Enpulsion Gmbh | Ion thruster |
| US20210300599A1 (en) * | 2018-08-02 | 2021-09-30 | Enpulsion Gmbh | Ion thruster for thrust vectored propulsion of a spacecraft |
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4663932A (en) * | 1982-07-26 | 1987-05-12 | Cox James E | Dipolar force field propulsion system |
| US20070234705A1 (en) * | 2003-03-20 | 2007-10-11 | Gregory Emsellem | Spacecraft thruster |
| US20060168936A1 (en) * | 2005-01-31 | 2006-08-03 | The Boeing Company | Dual mode hybrid electric thruster |
| US9194379B1 (en) * | 2010-02-10 | 2015-11-24 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Field-ionization based electrical space ion thruster using a permeable substrate |
| US20160207642A1 (en) * | 2013-08-27 | 2016-07-21 | The Regents Of The University Of Michigan | Electrodeless plasma thruster |
| US20170210493A1 (en) * | 2014-07-30 | 2017-07-27 | Safran Aircraft Engines | Spacecraft propulsion system and method |
| WO2019025174A1 (de) * | 2017-07-31 | 2019-02-07 | Technische Universität Dresden | Feldemissionsantriebssvstem sowie verfahren zum kalibrieren und betreiben eines feldemissionsantriebssvstems |
| US20200340459A1 (en) * | 2017-12-12 | 2020-10-29 | Enpulsion Gmbh | Ion thruster |
| US20210300599A1 (en) * | 2018-08-02 | 2021-09-30 | Enpulsion Gmbh | Ion thruster for thrust vectored propulsion of a spacecraft |
| CN110056491A (zh) * | 2019-05-14 | 2019-07-26 | 大连理工大学 | 一种碳纳米管阵列推力器 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| L.-Y. CHEN ETAL.: "A Micro Ionizer for Portable Mass Spectrometers using Double-gated Isolated Vertically Aligned Carbon Nanofiber Arrays", 2007 IEEE INTERNATIONAL ELECTRON DEVICES MEETING, 12 December 2007 (2007-12-12) * |
| 孙新锋;温晓东;张天平;郭宁;贾艳辉;吴辰宸;: "大功率射频场反构型等离子体电推进研究", 火箭推进, no. 01, 15 February 2018 (2018-02-15) * |
| 李永;刘旭辉;汪旭东;耿金越;龙军;胡鹏;秦宇;: "空间极小推力宽范围可调推进技术研究进展", 空间控制技术与应用, no. 06, 15 December 2019 (2019-12-15) * |
| 郭明坤 等: "微纳卫星新型动力***研究进展", 上海航天, vol. 36, no. 6, 31 December 2019 (2019-12-31) * |
| 郭登帅;康小明;刘欣宇;贺伟国;杭观荣;李彦达;张锐;王政伟;余勇;: "场发射电推力器的研究现状及其关键技术", 火箭推进, no. 04, 15 August 2018 (2018-08-15) * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115753172A (zh) * | 2022-11-22 | 2023-03-07 | 兰州空间技术物理研究所 | 一种离子推力器不稳定工作状态监测方法 |
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