阴极加热装置的温度受控的霍尔效应电机

摘要

本发明涉及一种霍尔效应电机（1），该霍尔效应电机具有：排放通道（50），其下游端（52）是开放的；阴极（100），位于排放通道（50）的外侧；喷射系统（30），其能够将气体的原子注入到所述排放通道（50）中，所述喷射系统（30）位于该排放通道（50）的上游端并同时形成阳极；以及加热装置（60），其能够加热阴极（100）。该电机（1）还包括：用于测量加热装置（60）的温度（Td）的装置（70）；以及调节电路（80），用于调节所述温度（Td，）使得只要加热装置（60）的温度（Td）小于临界温度（Ts），该加热装置就加热阴极，并且在达到临界温度（Ts）之后很快停止加热，该电机在该临界温度或高于该临界温度的温度下能够启动。

权利要求

1.一种霍尔效应推进器(1)，具有：排放通道(50)，具有开放的下游端(52)；阴极(100)，位于所述排放通道(50)的外侧；喷射器系统(30)，适用于将气体的原子注入到所述排放通道(50)中，该喷射器系统(30)位于所述排放通道(50)的上游端并且形成阳极；以及加热器装置(60)，适用于加热所述阴极(100)，所述推进器(1)的特征在于，所述加热器装置(60)包含在所述阴极(100)的内部，并且所述霍尔效应推进器还包括：测量装置(70)，用于测量所述加热器装置(60)的温度Td；以及调节电路(80)，用于调节所述温度Td，使得只要该加热装置的温度Td小于使该推进器能够启动的临界温度Ts，所述加热器装置即进行加热，并且在达到所述临界温度Ts之后很快停止加热。

2.根据权利要求1所述的霍尔效应推进器(1)，其特征在于，所述临界温度Ts随着所述阴极(100)发射的放电电流Icd的临界量值的不同而变化，该临界量值对应于所述推进器的启动。

3.根据权利要求1或2所述的霍尔效应推进器(1)，其特征在于，所述加热器装置(60)的温度Td是通过测量所述加热器装置(60)的电阻率来确定的。

4.一种根据权利要求1到3中任意一项所述的霍尔效应推进器(1)的调节方法，该方法的特征在于包括以下步骤：a)使用加热器装置(60)加热所述阴极(100)，同时测量所述加热器装置(60)的温度Td；

b)只要该温度Td低于所述推进器能够启动的临界温度Ts，就继续加热所述阴极(100)；

以及

c)在达到所述临界温度Ts之后很快停止加热。

5.根据权利要求4所述的霍尔效应推进器(1)的调节方法，该方法的特征在于，所述临界温度Ts随着所述阴极(100)发射的放电电流Icd的临界量值的不同而变化，该量值对应于所述推进器的启动。

6.根据权利要求5所述的霍尔效应推进器(1)的调节方法，该方法的特征在于，在借助所述加热器装置(60)而达到所述临界温度Ts之后，并且当所述阴极(100)发射的放电电流的量值小于所述放电电流Icd的临界量值时，并且当所述排放通道(50)中的所述气体的压力Pα小于临界压力Pc时，所述阴极(100)继续被加热，并且气体继续被注入到所述排放通道(50)中。

7.根据权利要求5所述的霍尔效应推进器(1)的调节方法，该方法的特征在于，在借助所述加热器装置(60)而达到所述临界温度Ts之后，并且当所述阴极(100)发射的放电电流的量值小于所述放电电流Icd的临界量值时，并且当所述排放通道(50)中所述气体的压力Pα小于临界压力Pc时，向所述阴极(100)施加至少一个电压脉冲，直到该放电电流的量值变得等于所述放电电流Icd的临界量值以使所述推进器能够启动为止。

说明书

阴极加热装置的温度受控的霍尔效应电机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种霍尔效应推进器，该霍尔效应推进器具有：排放通道，具有开放的下游端；阴极，位于该排放通道的外侧；喷射器系统，适用于将气体的原子注入到该排放通道中，该喷射器系统位于该排放通道的上游端并形成阳极；以及加热器装置，适用于加热该阴极。

背景技术

[0002] 霍尔效应推进器为例如在航天推进领域中使用的推进器，这是因为它使（推进）对象能够通过使用比燃料发动机可能使用的燃料质量更小的燃料在真空中推进，并且它的寿命长达几千小时。

[0003] 由于霍尔效应推进器是公知的，以下简要地总结它的结构及操作原理。

[0004] 图2以立体图和局部剖切的方式示出了霍尔效应推进器1。围绕沿纵轴A延伸的中心芯10设置有中心电磁线圈12。环形的内壁20围绕中心电磁线圈12和中心芯10。内壁20被环形的外壁40围绕，使得这两个壁之间限定了沿轴A延伸的环形通道，该通道被称为排放通道50。

[0005] 在以下的描述中，术语“内部”是指靠近轴A的部分，而术语“外部”是指远离轴A的部分。

[0006] 排放通道50的上游端由喷射器系统30封闭，该喷射器系统30将气体原子注入到排放通道50中，并同时构成正极。排放通道50的下游端52是开放的。

[0007] 围绕外壁40设置有多个外围电磁线圈14。中心电磁线圈12和外围电磁线圈14的作用为产生强径向磁场B，该磁场B在靠近排放通道50的下游端52处最大。

[0008] 中空的阴极100设于外壁40的外侧，并且在阴极100与阳极（喷射器系统30）之间形成电势差。中空的阴极100被设置成使其在排放通道50的下游端52附近发射电子。

[0009] 在排放通道50中，这些电子在由阴极100与阳极之间的电势差产生的电场的影响下被导向喷射器系统30，然而其中的一些电子仍然受排放通道50的下游开口52附近的磁场B所限制。

[0010] 这样一来，使得在排放通道50中在其下游开口52处，这些电子在排放通道50中沿环形轨道运动。由于在排放通道50中与从上游向下游流动的惰性气体（通常为氙Xe）的原子的碰撞，这些电子使原子电离，从而产生离子。此外，这些电子产生轴向电场E，该电场使离子从阳极（通道80的底部的喷射器系统30）朝向下游开口52被加速，使得这些离子从排放通道50经由它的下游端52以极高速度喷射，从而产生该推进器的推力。

[0011] 启动该推进器需要由加热器装置60将阴极100预加热到一临界温度，该临界温度使阴极能够发射大量的电子，以满足在排放通道50中形成临界放电电流Icd的需要，该临界放电电流Icd足以将排放通道中的惰性气体原子电离。形成放电电流Icd而使推进器启动。

[0012] 通常，达到该临界温度即足以产生放电电流Icd。

[0013] 在某些不利的操作条件下，为了形成放电电流Icd，在已达到临界温度之后，需要向阴极发送一个或多个电压脉冲。

[0014] 实践中，该临界温度取决于推进器外部的外部条件，尤其取决于推进器外部的温度（该温度例如可介于-50℃到+70℃的范围内）。为了确保推进器在所有条件下都能启动，选择足够长的固定的预加热持续时间，以便达到最高的临界温度，即与最不利的外部条件对应的温度。

[0015] 这样，在大多数情况下，与有利的或者并非很不利的条件对应的预加热持续的时间过长。这样导致阴极被无意义地过度加热到过高的温度，并且因此对阴极造成损害，从而缩短推进器的寿命。

发明内容

[0016] 本发明旨在克服上述缺陷。

[0017] 本发明提供一种霍尔效应推进器，其中预加热的持续时间被优化，使得当启动推进器时不会发生阴极的无意义的过度加热，并且这种应用不受推进器的操作条件左右。

[0018] 该目的借助下述方案来实现：该霍尔效应推进器还包括用于测量加热器装置的温度Td的测量装置，以及用于调节温度Td的调节电路，这种温度调节使得只要该加热器装置的温度Td小于使该推进器能启动的临界温度Ts，该加热器装置就进行加热，并且在达到临界温度Ts之后很快停止加热。

[0019] 借助这些设定，阴极不会在临界温度Ts以上被长时间加热，该临界温度Ts对应于使推进器能够启动的温度。在每个推进器操作状态下，阴极由此仅被加热到启动推进器所需的时间长度。这样使得对阴极的损害减小，并且延长了霍尔效应推进器的寿命。

[0020] 本发明还提供一种调节霍尔效应推进器的方法，该方法所包括的霍尔效应推进器具有：排放通道，具有开放的下游端；阴极，位于该排放通道的外侧；喷射器系统，适用于将气体的原子注入到该排放通道中，该喷射器系统位于该排放通道的上游端并同时形成阴极；以及加热器装置，适用于加热该阴极。

[0021] 根据本发明，该方法包括下列步骤：

[0022] a）使用加热器装置加热阴极，同时测量该加热器装置的温度Td；

[0023] b）只要温度Td低于使推进器能够启动的临界温度Ts，就继续加热阴极；以及[0024] c）在达到临界温度Ts之后很快停止加热。

附图说明

[0025] 通过阅读下文借助非限定性示例阐示的实施例的详细描述，能够充分地理解本发明，并且其优点得以更好地展现。该描述是参照附图进行的，在附图中：

[0026] 图1是示出本发明的方法中的一系列步骤的流程图；以及

[0027] 图2是本发明的霍尔效应推进器的立体剖视图，其示出了其一般结构。

具体实施方式

[0028] 上文参照图2描述了霍尔效应推进器的一般操作。

[0029] 此外，如下文所说明，在本发明的霍尔效应推进器中，推进器的操作被优化，以便仅将阴极100加热启动该推进器所需的时间长度。

[0030] 由此，该霍尔效应推进器包括：测量装置70，用于测量加热器装置60的温度Td；以及调节电路80，用于调节加热器装置60的温度Td：

[0031] 以下将说明该调节电路80如何操作。

[0032] 图1是示出启动霍尔效应推进器的一系列步骤的示例的流程图，这些步骤包括本发明的用于启动霍尔效应推进器的步骤。这一系列步骤是简化了的并且不包括可能的安全机制，该安全机制例如用于识别在推进器的启动期间的错误操作模式，以及用于在必要时停止该错误模式。矩形 表示动作，菱形 表示测试，而椭圆 表示状态。在测试的出口处，向下的箭头表示该测试是令人满意的，并且向左的箭头表示该测试不令人满意。

[0033] 启动期间的这些步骤参照如下：

[0034] 步骤S1：开启阴极加热。

[0035] 步骤S2：打开上游气体喷射器阀。

[0036] 步骤S3：是否已达到临界温度Ts？

[0037] 步骤S4：打开进入排放通道中的下游气体喷射器阀。

[0038] 步骤S5：是否已达到临界放电电流Icd？

[0039] 步骤S6-1：推进器自点火。

[0040] 步骤S7：停止加热阴极。

[0041] 步骤S6-2：排放通道中的气压是否大于临界压力Pc？

[0042] 步骤S6-3：向阴极发送一电压脉冲。

[0043] 步骤S6-4：是否已达到临界放电电流Icd？

[0044] 步骤S7：停止或减少阴极加热。

[0045] 初始时，开启加热器装置60以便开始加热阴极100（步骤S1=步骤a））。随后打开上游气体喷射器阀（步骤S2）以便将气体输送到一壳体（图未示）中，以备注入到排放通道50中。

[0046] 当加热器装置60被加热时，连续地或以规则的区间测量阴极100的温度，以检测当该温度达到临界温度Ts时的时刻（步骤S3）。

[0047] 实际上，并非直接测量阴极温度。测量加热该阴极的加热器装置60的温度Td，并将该温度与临界温度Ts比较，应理解的是加热器装置60和阴极100的温度基本上是相同的。例如，如图2中所示，加热器装置60可包含在阴极100的内部。

[0048] 该加热器装置也可围绕阴极100设置。

[0049] 加热器装置60的温度Td由测量装置70确定。

[0050] 例如，可测量加热器装置60的电阻率。测量装置70即为用于测量电阻率的装置。当加热器装置60包括加热阴极100的加热器元件时，则测量该加热器元件的电阻率。

[0051] 还可使用其他测量装置，例如使用热电偶来测量加热器装置的温度。

[0052] 当达到临界温度Ts时（步骤b）），打开位于容纳气体的壳体与排放通道50之间的下游喷射器阀，以将气体注入到排放通道50中（步骤S4）。

[0053] 在某些情况下，该下游喷射器阀被限制器代替，该限制器使气体能够从该壳体以有限的流速经过该限制器自动地流入排放通道中，该流速随该壳体中的压力的不同而变化。在这种情况下，考虑到加热器装置60的温度Td的上升速率是已知的，在按下述方式计算的时间点打开该上游喷射器阀：当加热器装置60的温度达到临界温度Ts时，通过限制器的气体的流速足以能够启动推进器。

[0054] 临界温度Ts是阴极100在正常情况下能够启动霍尔效应推进器所应达到的温度。在对推进器有利的操作条件下，当达到临界温度Ts时，由所述阴极100发射的放电电流的流量（电子流量）即等于或大于的放电电流的临界量值Ic（d 在此临界量值下，注入到排放通道
50中的惰性气体原子被电离（步骤S5）），从而导致推进器自动被启动（推进器的自点火-步骤S6-1）。在图1中示出了这种第一启动模式。

[0055] 由此，临界温度Ts随放电电流的临界量值Icd的不同而变化。

[0056] 临界温度Ts取决于制造阴极的材料。当阴极发射放电电流Ic（d 即，临界电子流量）的临界量值时，推进器启动。在给定的电压下，阴极的每单位面积所发射的电子密度随制造阴极的材料的不同而变化，并且还随阴极的形状而变化。在有利的操作条件下，并且对于由硼化镧（LaB6）制成的阴极，相对于特定的形状，临界温度Ts为约1700℃。

[0057] 当阴极由钨基浸渍氧化钡制成时，临界温度Ts为约1300℃。

[0058] 在某些不利条件下，当阴极100的温度上升到临界温度Ts以上时，由阴极100发射的放电电流达不到放电电流Icd的临界量值。为了开始启动推进器，需要向阴极100发送电压脉冲（步骤S6-3）以从阴极100提取更多的电子并且达到其量值不小于放电电流Icd的临界量值的放电电流（步骤S6-4），使得推进器自动启动（步骤S6-1）。如果在第一电压脉冲、第二电压脉冲之后该流量没有被达到，并且如果需要更多的电压脉冲，则发送电压脉冲直到达到该流量为止。

[0059] 尽管如此，只有在排放通道50中的气体的压力Pα大于临界压力Pc时，发送这种脉冲才是有效的（步骤S6-2）。在霍尔效应推进器的背景中并且按照已知的方式，排放通道50中的气体的压力Pα与紧邻地处于上游并通向排放通道50中（见上文）的壳体中的气体的压力有关。壳体中的这种气体压力被直接测量。

[0060] 由此，仅在满足与排放通道50中的气体压力相关的附加条件时，对阴极100发送电压脉冲（步骤63）。只要排放通道50中的气体的压力Pα仍处于临界压力Pc以下，阴极100就会继续被加热，并且气体继续被注入到排放通道50中。

[0061] 该状态或者因为最终达到临界放电电流Icd而被终止（在这种情况中推进器自动点火（步骤S6-1）），或者因为排放通道50中的气体的压力Pα变得比临界压力Pc更大而被终止（在这种情况下开始向阴极发送电压脉冲（步骤S6-2））。图1中示出了该启动的第二模式。

[0062] 在所有情况下（第一模式或第二模式），一旦推进器启动（其在阴极100达到临界温度Ts之后很快发生），则关断或减小阴极100的加热（步骤S7=步骤c））。这样，阴极100不会被无意义地加热并且其寿命因此被延长。例如，在已达到临界温度Ts百十秒之后，推进器启动。

[0063] 在达到临界温度Ts之后，阴极100的加热由此停止几秒到百十秒（例如5秒到300秒，并且优选为5秒到60秒）。

[0064] 在第二模式的一特定情况下，在启动推进器1之后，需要继续加热阴极100数分钟。这种情况为推进器已经启动而放电电流没有达到其临界量值Icd，以及上游气体压力由于使用最后的气体供给而较低。随后，对阴极100的加热在推进器1启动之后持续数分钟，同时提高气压以使这种最后气体供给的使用更为有效。

[0065] 图1的流程图仅是霍尔效应推进器如何能够根据本发明来操作的示例。可以对基于该类型的推进器的启动顺序加以改变，这种改变不会超出本发明的范围和精神。