DE102016206039A1

DE102016206039A1 - Entladungskammer eines Ionenantriebs, Ionenantrieb mit einer Entladungskammer und eine Blende zur Anbringung in einer Entladungskammer eines Ionenantriebs

Info

Publication number: DE102016206039A1
Application number: DE102016206039.2A
Authority: DE
Inventors: Franz Georg Hey; Günter Kornfeld; Ulrich Johann
Original assignee: Airbus DS GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-10-12
Also published as: US20170292505A1; EP3232056A1; EP3232056B1; US10184459B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entladungskammer eines Ionenantriebs, einen Ionenantrieb mit der Entladungskammer, sowie eine Blende zur Anbringung in einer Entladungskammer eines Ionenantriebs. Die Entladungskammer umfasst eine Blende, wobei die Blende einen Magneten umfasst und in der Entladungskammer angeordnet und/oder angebracht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entladungskammer eines Ionenantriebs, einen Ionenantrieb mit der Entladungskammer, sowie eine Blende zur Anbringung in einer Entladungskammer eines Ionenantriebs.
Bei der Optimierung einer Effizienz elektrischer Triebwerke, die mit magnetisch eingeschlossenen oder dominierten Plasmen arbeiten, wie einem Hall-Effekt oder einem HEMP-Triebwerk und deren Ionenausstoß zum Antrieb von Satelliten oder anderen Raumfahrzeugen verwendet wird, kommt es bei der Entwicklung von Triebwerken für sehr kleine Schübe im Bereich von μN bis wenige mN im Vergleich zu Triebwerken für einige 10 mN bis einige 100 mN zu einer Abnahme der Ionisationseffizienz und damit eines spezifischen Impulses und einer Gesamteffizienz.
Ursache hierfür sind die Skalierungsgesetze für magnetisch eingeschlossene oder dominierte Plasmen. Diese Plasmen würden bei einer Verkleinerung der Geometrie der Triebwerke umgekehrt im gleichen Maße erhöhte Werte für die magnetische Flussdichte erfordern, um das Verhältnis von Wandabmessungen und Larmorradius der Elektronen konstant zu halten. Diese erhöhten Werte der magnetischen Flussdichte sind jedoch bedingt durch das Fehlen magnetischer Materialien mit entsprechend hohen Energieprodukten bei Permanentmagneten bzw. hohen Permeabilitäten bei Ferromagneten nicht möglich. Es kommt im Ergebnis zu einem erhöhten Plasma-Wandverlust durch Rekombination von Ionen und Elektronen zu Neutralgas, bestehend aus neutralen Gasatomen und/oder Gasmolekülen, und damit einer reduzierten Ionisationseffizienz und Gesamteffizienz. Durch eine Reduktion eines Gasflusses in die Entladungskammer des Triebwerks, im Gegensatz zur Vermeidung oder Reduktion der eigentlich notwendigen geometrischen Verkleinerung der Ionisationskammer, sinkt die Neutralgasdichte und mit ihr steigt die freie Weglänge der Elektronen bis zu einem Ionisationsstoß und entsprechend fällt die Ionisationswahrscheinlichkeit. Hierdurch tritt anteilsmäßig vermehrt nicht ionisiertes und nicht beschleunigtes Gas durch die Austrittsfläche der Entladungskammer aus. Dadurch wird im Ergebnis eine reduzierte Ionisationseffizienz und Gesamteffizienz des Triebwerks verursacht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Neutralgasdruck auch bei sehr kleinen Gasflüssen im Entladungsbereich aufrechtzuerhalten. Dadurch kann eine bessere Ionisationseffizienz im Ionisationsbereich des Triebwerks erreicht werden.
Gemäß einem ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Entladungskammer eines Ionenantriebs, die eine Blende umfasst. Die Blende umfasst einen Magneten. Die Blende ist in der Entladungskammer angeordnet und/oder angebracht.
Unter der Terminologie ”die Blende umfasst einen Magneten” kann verstanden werden, dass die Blende selbst magnetisch ist oder magnetische Eigenschaften aufweist. Unter der Terminologie ”die Blende umfasst einen Magneten” kann ebenso verstanden werden, dass an der Blende ein Magnet angeordnet oder angebracht ist. Unabhängig von der genauen Ausgestaltung kann die Blende magnetisch, metallisch und/oder keramisch sein.
Der erzielte Effekt der in der Entladungskammer angeordneten und/oder angebrachten, einen Magneten umfassenden Blende liegt in einer Erhöhung einer eines Neutralgases. Dadurch werden eine erhöhte Ionisationswahrscheinlichkeit sowie ein erhöhter Ionenstrahlstrom erreicht.
Der Ionenantrieb wird für gewöhnlich als ein Antrieb verstanden, bei dem nach dem Rückstoßprinzip der Ausstoß eines neutralisierten Ionenstrahls zur Fortbewegung genutzt wird. In der Entladungskammer kann ein ionisiertes Gas erzeugt werden, das aus elektrisch geladenen Teilchen besteht, ein sogenanntes Plasma. Ein neutrales Plasma besteht aus einer gleichen Menge ionisierter, positiv geladener Gasionen und negativ geladener Elektronen. Das neutrale Plasma existiert neben dem Neutralgas in der Entladungskammer. Der neutralisierte Ionenstrahl besteht aus beschleunigten positiven Ionen und einer ihn begleitenden negativ geladenen Elektronenwolke. Die Elektronenwolke wird extern dem Ionenstrahl durch einen sogenannten Neutralisator zugefügt.
Durch die Einführung der Blende senkrecht zu einer Rotationsachse des Ionenantriebs, welche durch die Richtung eines auszustoßenden Ionenstrahls definiert ist, erhöht sich die Neutralgasdichte im Ionisationsbereich des Triebwerks und damit die Ionisationseffizienz und der spezifische Impuls bei kleinen Gasflüssen.
Die Blende kann in einem Austrittsbereich der Entladungskammer angeordnet oder angebracht sein. Dadurch wird der Ionisationsbereich mit erhöhter Ionisationseffizienz maximiert.
Der Magnet kann ferner eine Magnetanordnung umfassen, die an der Blende angebracht ist. Der Magnet kann die Magnetanordnung sein.
Hierdurch können Plasma-Wandverluste an dieser Blende durch geeignete magnetische Abschirmungen vermieden werden. Durch die Einführung zusätzlicher Magnetfelder können zusätzlich Schädigungen der Entladungskammerwand und des Ionenantriebs vermieden werden.
Der Magnet, z. B. die Magnetanordnung, kann unterschiedliche Abmessungen besitzen. Der Magnet, z. B. die Magnetanordnung, kann einerseits an der Fläche der Blende angeordnet sein. Der Magnet, z. B. die Magnetanordnung, kann teilweise in das Blendenloch hineinragen. Das Blendenloch kann eine immer noch ausreichende Öffnung zum Durchtritt des Neutralgases und des Ionenstrahls aufweisen. Die Dicke des Magneten, z. B. der Magnetanordnung, kann von der Dicke der Blende abweichen. Das heißt, der Magnet, z. B. die Magnetanordnung, kann z. B. dickere Elemente umfassen als die Blende selbst dick ist. Die Abmessung(en) der Magnetanordnung kann von den Abmessungen der Blende abweichen.
Der Magnet, z. B. die Magnetanordnung, kann ferner dazu ausgebildet sein, ein Magnetfeld in Richtung senkrecht zu einer gemeinsamen Rotationsachse einzuschnüren. Die Rotationsachse kann durch die wesentliche Austrittsrichtung eines Ionenstrahls definiert sein. Die wesentliche Austrittsrichtung des Ionenstrahls verläuft im Wesentlichen in die entgegengesetzte Richtung eines Triebwerkschubs. Die gemeinsame Rotationsachse beschreibt die Rotationsachse von Ionenantrieb, Entladungskammer und/oder Blende.
Die Blende kann ferner kreisförmig sein. Der Magnet, z. B. die Magnetanordnung, kann mindestens einen kreisförmigen Magnetring umfassen. Ein Magnetring kann so angeordnet sein, dass er entlang einer Rotationsrichtung der Blende verläuft und einen Teil der Blende bildet, auf der Blende angeordnet ist oder auf beiden Seiten der Blende angeordnet ist, so dass das Blendenloch von dem mindestens einen Magnetring umgeben ist. Das Blendenloch kann dabei teilweise durch den Magnetring verkleinert werden.
Das Außenmaß der Blende kann auf die Entladungskammer abgestimmt sein. Das Innenmaß der Blende kann so ausgelegt sein, dass es einen vorbestimmten Schwellenwert nicht unterschreitet. Die Blende kann entsprechend der Entladungskammer unterschiedlich geformt sein, damit sie in unterschiedlichen Entladungskammern angebracht werden kann. Das Innenmaß der Blende kann entsprechend einer Simulation auf einen vorbestimmten Schwellenwert bestimmt werden, der hinsichtlich eines optimalen Ionenstrahlflusses optimiert werden kann. Zusätzlich kann der vorbestimmte Schwellenwert durch eine Optimierung auf einen geringeren Triebwerksschub, höhere Triebwerkseffizienz und/oder geringeren Neutralgasverbrauchs optimiert werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung einen Ionenantrieb mit einer Entladungskammer gemäß dem ersten Aspekt.
Gemäß einem dritten Aspekt schafft die Erfindung eine Blende zur Anordnung oder Anbringung in einer Entladungskammer eines Ionenantriebs. Die Blende umfasst einen Magneten, der an der Blende angebracht ist. Der Magnet ist dazu ausgebildet, ein Magnetfeld in Richtung senkrecht zu einer gemeinsamen Rotationsachse einzuschnüren. Die Rotationsachse ist definiert durch die wesentliche Austrittsrichtung des Neutralgases.
Der Magnet kann eine Magnetanordnung umfassen, die an der Blende angeordnet und/oder angebracht ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Blende selbst magnetisch sein.
Die Blende kann ferner kreisförmig sein und der Magnet, z. B. die Magnetanordnung, kann mindestens einen kreisförmigen Magnetring umfassen.
Entlang des Blendenlochs kann ferner einer der mindestens einen kreisförmigen Magnetringe angeordnet sein.
Der Vorteil hiervon ist, dass das Magnetfeld in Richtung der Rotationsachse und in Richtung der Entladungskammer eingeschnürt wird. Diese Einschnürung verhindert das Auftreffen von Elektronen und damit auch Ionen auf die Blende. Darüber hinaus führt die Blende zu einer signifikanten Erhöhung des Neutralgasdrucks innerhalb der Entladungskammer.
Das Außenmaß kann auf die Entladungskammer abgestimmt sein. Das Innenmaß der Blende kann so ausgelegt sein, dass es einen vorbestimmten Schwellenwert nicht unterschreitet.
Zusätzlich können Ionen zunächst die Seitenfläche einer isolierten keramischen oder metallischen Blende treffen und positiv aufladen, wobei die Aufladung dazu führt, dass im weiteren Verlauf ionischer Kontakt mit der Blende ebenfalls verhindert wird. Das heißt, es treten insgesamt keine oder nur sehr geringe Plasma-Wandverluste an der Blende auf. Dies ergibt einen stabilen und effizienten Betrieb bis zu kleinen Gasflüssen und Schubkräften.
Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf die Entladungskammer beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf den Ionenantrieb mit der Entladungskammer, sowie auf die Blende zutreffen. Genauso können die voranstehend in Bezug auf die Blende beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf die Entladungskammer und den Ionenantrieb zutreffen.
Die vorliegende Erfindung soll weiter anhand von Figuren erläutert werden. Diese Figuren zeigen schematisch:
1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Blende;
2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines Ionenantriebs mit Entladungskammer und Blende gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer in einem Ionenantrieb angebrachten Blendenstruktur mit Magneten; und
4 eine schematische Darstellung eines Ionenantriebs zur Verdeutlichung der signifikanten Erhöhung des Neutralgasdrucks innerhalb des Triebwerks.
1 zeigt schematisch einen Querschnitt einer Blende 5, welche zur Einschnürung eines Neutralgasflusses in einem Ionenantrieb verwendet werden soll. Diese Blende kann keramisch, metallisch und/oder magnetisch sein. Diese Blende weist in der Mitte ein Loch auf, dessen Größe durch vorangehende Simulationen bestimmt werden kann. Das Loch kann auch als Innenmaß aufgefasst werden. Die dazugehörige äußere Abmessung kann durch die Größenverhältnisse der Entladungskammer bestimmt sein. Die äußere Abmessung kann auch als Außenmaß aufgefasst werden. Auch können das Innenmaß und das Außenmaß auf andere Ionenantriebsgeometrien ausgelegt werden können. Bei diesen abweichenden Geometrien kann es sich um von einer runden Triebwerksstruktur abweichende Geometrien handeln. Bei der Verwendung in dem Ionenantrieb kann ein zusätzlicher Magnet verwendet werden, wie in 2 gezeigt. Dieser Magnet erzeugt ein magnetisches Feld, welches sich auf den Elektronenfluss und darüber auf den Ionenfluss auswirkt.
2 zeigt schematisch einen Längsschnitt eines Ionenantriebs 30 mit Entladungskammer 25 und Blende 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Blende 5 ist hierbei mit einer Magnetanordnung 10 verbunden, welche auf der Blende kreisförmig angeordnet ist. Die Rotationsachse 20 entlang der Ionenantriebsöffnung, in der Figur entlang der Rotationsachse 20 nach rechts, veranschaulicht die Rotationssymmetrie eines Ionenantriebs und gibt die wesentliche Austrittsrichtung des Ionenstrahls und Neutralgases an. Die Rotationsachse 20 stellt die Spiegelachse längs des Ionenantriebs 30 dar. Die Ionenquelle 15 stellt hier beispielhaft die Triebwerksstruktur 15 dar, wobei die Öffnung in Richtung der Ionenantriebsöffnung größer wird. Die Anordnung der Blende 5 und der Magnetanordnung 10 stellt demnach eine Verjüngung des Triebwerks an der Stelle der Anbringung dar.
In den 3 und 4 wird lediglich die Hälfte des schematischen Längsschnitts des Ionenantriebs aus 2 dargestellt.
3 zeigt schematisch eine Anordnung von Magneten und einer Blendenstruktur ähnlich der Anordnung aus 2, wobei eine Hälfte des Längsschnitts gezeigt ist. Die Blendenstruktur ist kreisförmig und rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse angeordnet, die einer Austrittsrichtung des Neutralgases entspricht. Schematisch ist das Triebwerk bzw. die Ionenquellenstruktur mit zugehörigen Magnetfeldlinien angegeben. Durch die zwei Magnete, die hierbei kreisförmig angeordnet sind, ergibt sich das erzeugte Magnetfeldbild, welches, wie in 4 gezeigt, zu einer Einschnürung des Neutralgas- und Ionenflusses führt. Dies hat den Vorteil einer höheren Ionisationseffizienz bei kleineren Schubkräften des Ionenantriebs.
4 zeigt schematisch eine Einschnürung des Neutralgases entsprechend der Anordnung der Blende in der Entladungskammer eines Ionenantriebs wie in 3. Im Gegensatz zu 3 wird hier die Neutralgasdichte gezeigt. Diese Anordnung, hier beispielhaft durch eine Blendenstruktur mit zwei magnetischen kreisförmigen Ringen veranschaulicht, führt zu einer Erhöhung der Neutralgasdichte innerhalb der Entladungskammer links von der Blende. Die magnetischen Ringe mit ihren Magnetfeldern sorgen dafür, dass die geladenen Teilchen in Richtung des Blendenlochs abgelenkt werden, wodurch es zu einer Konzentration von Teilchen in der Nähe der Rotationsachse kommt. Hierdurch können kleinere Schübe effizient erzeugt werden. Zusätzlich wird die erforderliche Stützmasse effizienter verbraucht. Das kann den Vorteil haben, die Stützmasse zu reduzieren. Die Nutzlast eines Satelliten, der mit einem Ionenantrieb ausgestattet sein kann, könnte dadurch klein gehalten werden. Auch ist denkbar, dass bei gleicher Stützmasse, diese effizienter genutzt werden kann und dadurch eine längere Lebensdauer gewährleistet wird.

Claims

Entladungskammer (25) eines Ionenantriebs (30), umfassend eine Blende (5), wobei die Blende (5) einen Magneten umfasst und in der Entladungskammer (25) angeordnet und/oder angebracht ist.
Entladungskammer (25) nach Anspruch 1, wobei der Magnet eine Magnetanordnung (10) umfasst, die an der Blende (5) angebracht ist, und/oder wobei die Blende magnetisch ist.
Entladungskammer (25) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnet dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld in Richtung einer gemeinsamen Rotationsachse (20) einzuschnüren, die durch die wesentliche Austrittsrichtung eines Ionenstrahls definiert ist.
Entladungskammer (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Blende (5) kreisförmig ist und der Magnet mindestens einen kreisförmigen Magnetring umfasst.
Entladungskammer (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Außenmaß der Blende (5) auf die Entladungskammer (25) abgestimmt ist und das Innenmaß der Blende (5) derart ausgelegt ist, dass es einen vorbestimmten Schwellenwert nicht unterschreitet.
Entladungskammer (25) nach Anspruch 4 oder 5, wobei entlang des Blendenlochs einer der mindestens einen kreisförmigen Magnetringe angeordnet ist.
Ionenantrieb (30) mit einer Entladungskammer (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Blende (5) zur Anordnung in einer Entladungskammer (25) eines Ionenantriebs (30), umfassend einen Magneten, der an der Blende (5) angebracht ist und dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld in Richtung einer gemeinsamen Rotationsachse (20) einzuschnüren, die durch die wesentliche Austrittsrichtung eines Ionenstrahls definiert ist.
Blende (5) nach Anspruch 8, wobei der Magnet eine Magnetanordnung (10) umfasst, die an der Blende (5) angeordnet und/oder angebracht ist; und/oder wobei die Blende magnetisch ist.
Blende (5) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Blende (5) kreisförmig ist und der Magnet mindestens einen kreisförmigen Magnetring umfasst; und/oder wobei entlang des Blendenlochs einer der mindestens einen kreisförmigen Magnetringe angeordnet ist.