ДВИГАТЕЛЬ НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА
ENGINE ON THE HALL EFFECT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к двигателю на эффекте Холла. В частности, изобретение относится к двигателю на эффекте Холла с регулируемой тягой, содержащему кольцевой канал, анод, контур инжекции, магнитный контур и катод. Кольцевой канал ограничен двумя концентричными стенками с центральной осью, имеет открытый конец и закрытый конец и содержит верхний по потоку участок на стороне закрытого конца, разделенный радиальными стенками на несколько отдельных камер. Анод расположен у закрытого конца кольцевого канала. Контур инжекции способен инжектировать создающий тягу газ, например, ксенон, в камеры кольцевого канала и содержит, по меньшей мере, одно устройство индивидуального регулирования расхода подачи в каждую камеру. Магнитный контур способен генерировать магнитное поле у открытого конца кольцевого канала.
В данном контексте термины «верхний по потоку» и «нижний по потоку» определены по отношению к нормальной циркуляции создающего тягу газа в направлении, определяемом центральной осью кольцевого канала.
Уровень техники
В типичном случае при работе двигателя на эффекте Холла электроны, эмитируемые катодом и притягиваемые к аноду на дне кольцевого канала, улавливаются магнитным полем в движение по спиральным траекториям между двумя стенками, формируя таким образом виртуальную катодную решетку. Электроны, вырвавшиеся из этого магнитного ограждения в направлении к аноду, сталкиваются с атомами создающего тягу газа, инжектируемого в кольцевой канал контуром инжекции, и создают ионизированную плазму.
Положительные ионы плазмы ускоряются электрическим полем, действующим между анодом и виртуальной катодной решеткой, сформированной облаком электронов, уловленных магнитным полем на открытом конце кольцевого канала. Поскольку масса положительного иона намного больше массы электрона, магнитное поле оказывает незначительное влияние на их траекторию. Ионы этой плазменной струи в заключение нейтрализуются на выходе магнитного поля электронами, эмитируемыми катодом или получаемыми при ионизации плазмы.
Двигатели на эффекте Холла начали использоваться в системах управления ориентацией и/или траекторией (аббревиатура AOCS, от англ. "attitude and orbit control systems") космических аппаратов и, в частности, в системах управления ориентацией и/или траекторией (AOCS) геостационарных спутников. В этой функции двигатели на эффекте Холла имеют преимущество в том, что обеспечивают точное управление ориентацией и/или положением аппарата при относительно меньшей массе и сложности по сравнению с классическими системами, использующими инерционные устройства, такие как реактивные колеса в комбинации с химическими двигателями для десатурации.
В типичном случае тяговая сила двигателя на эффекте Холла не является регулируемой, что вынуждает использовать одновременно несколько двигателей на эффекте Холла для получения силы тяги желаемой ориентации для изменения ориентации и/или положения космического аппарата. Это обусловливает, в частности, довольно сложный контур электрического питания двигателей. В качестве альтернативы двигатель на эффекте Холла, установленный на поворотном шасси для ориентации силы тяги двигателя описан, например, в статье "Inmarsat 4F1 Plasma Propulsion System Initial Flight Operations" («Плазменная система тяги Inmarsat 4F1 для первоначальных операций полета») (IEPC-2005-082), представленной авторами H. Grey, S. Provost, M. Glodowski и A. Demaire на 29-й Международной конференции по электрической тяге в 2005 году в Принстоне, США. Однако такое поворотное шасси обладает значительной механической сложностью и требует использования движущихся частей, всегда подверженных заклиниванию в очень тяжелых условиях космических аппаратов.
Для устранения этих недостатков в патенте US 5845880 был предложен двигатель на эффекте Холла, в котором тяга может быть ориентирована последней магнитной ступенью, разделенной на индивидуально активизируемые секторы. Таким образом, направление тяги изменяется путем изменения магнитного поля, что представляет неудобства для поддержания магнитного заграждения по всему периметру открытого конца кольцевого канала, то есть виртуальной катодной решетки. Кроме того, электрическое питание последней магнитной ступени с переменным потенциалом дополнительно повышает степень сложности двигателя.
В статье "Performance and Lifetime Assessment of a Thrust Steering Device for the PPS 1350 Hall-Effect Plasma Thruster" («Оценка работы и срока службы устройства управления тягой плазменного двигателя на эффекте Холла PPS 1350») авторов O. Duchemin, M. Saverdi и D. EStublier, опубликованной на конференции «Космическая тяга 2008» 5-8 мая 2008 в Гераклионе, Греция, и в статье "Performance Modeling of а Thrust Vectoring Device for Hall Effect Thrusters" («Моделирование устройства ориентации тяги для двигателей на эффекте Холла»), опубликованной в журнале "Journal of Propulsion and Power", Vol. 25, No. 5, сентябрь-октябрь 2009, описаны испытания двигателя на эффекте Холла с регулируемой тягой, подобного описанному в патенте US 5845880, но содержащего помимо последней магнитной ступени, разделенной на индивидуально активизируемые секторы, множество сопел инжекции создающего тягу газа, распределенных в кольцевом канале и имеющих индивидуальную регулировку расхода для получения изменяемого и неравномерного распределения газа, инжектируемого в кольцевой канал. Однако в этих статьях ориентация тяги путем неравномерности инжектируемого в кольцевой канал газа описана как относительно неэффективная и даже не рекомендуется ввиду дополнительной сложности устройств регулирования расхода.
В европейской патентной заявке EP 1021073 A1 также описан двигатель на эффекте Холла с регулируемой тягой, содержащий множество сопел инжекции создающего тягу газа, распределенных в кольцевом канале и имеющих индивидуальное регулирование расхода. Кроме того, в данном двигателе в кольцевом канале радиальными стенками образованы камеры. Однако в этом документе предложено получать неравномерное распределение расхода газа в кольцевом канале путем поперечного перемещения оси тяги без изменения ее ориентации. Магнитный контур содержит конечную ступень с внутренним полюсом, смещенным по оси вверх по потоку по отношению к внешнему полюсу таким образом, чтобы концентрировать струю ионизированного создающего тягу газа. Как и в патенте US 5845880, ориентация тяги осуществляется неравномерным магнитным полем, при этом конечная магнитная ступень разделена на индивидуально активизируемые секторы.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить двигатель на эффекте Холла, тяга которого является регулируемой более эффективным образом, без необходимости управления магнитным полем или механического поворота двигателя.
По меньшей мере в одном примере осуществления поставленная задача решена посредством того, что в конечной ступени магнитного контура, содержащей взаимно противоположные внутренний полюс и внешний полюс, внутренний полюс смещен по оси вниз по потоку по отношению к внутреннему полюсу таким образом, что магнитное поле наклонено относительно поперечной плоскости двигателя.
Благодаря такому решению виртуальная катодная решетка, сформированная электронами, уловленными в магнитное поле, также наклонена таким образом, чтобы направлять в расходящихся направлениях струи создающего тягу газа, соответствующие каждой камере кольцевого канала. В противоположность сходящимся струям эти расходящиеся струи не создают помех друг другу, что позволяет обеспечить в каждой камере направление тяги, по существу отличное от других, и тем самым более эффективно ориентировать направление общей тяги двигателя посредством неравномерного распределения расхода газа, инжектируемого в каждую камеру.
Согласно второму аспекту кольцевой канал содержит на стороне открытого конца нижний по потоку участок с меридиональной плоскостью, отклоненной вниз по потоку, чтобы ограничивать эрозию стенок, и, в частности, наружной стенки расходящимися струями ионизированного создающего тягу газа.
Согласно третьему аспекту кольцевой канал не является осесимметричным. В частности, он может иметь поперечное сечение с главной осью симметрии и вторичной осью симметрии, перпендикулярной главной оси симметрии, но короче нее. Поскольку поперечная составляющая тяги, связанная с каждой камерой, по существу перпендикулярна окружной периферии кольцевого канала, такая неосесимметричная конфигурация, которая усиливает расход создающего тягу газа, а следовательно, тягу в определенных поперечных направлений, особенно подходит для такого применения, как управление траекторией геостационарного спутника, когда двигатель должен иметь способность создавать большую тягу в одном определенном поперечном направлении по отношению к другим поперечным направлениям. Однако в альтернативных примерах выполнения возможны также осесимметричные формы.
Согласно четвертому аспекту, по меньшей мере, одно устройство индивидуального регулирования расхода соединено с блоком управления, что позволяет управлять им, совместно управлять множеством таких устройств и даже совместно управлять несколькими двигателями на эффекте Холла, связанными с одним блоком управления.
Согласно пятому аспекту концентричные стенки изготовлены из керамического материала, который особенно пригоден по своим электрическим и магнитным характеристикам и стойкости к эрозии.
Изобретение относится также к космическому аппарату, содержащему такой двигатель на эффекте Холла с регулируемой тягой для управления ориентацией и/или траекторией космического аппарата, а также к способу генерирования регулируемой тяги посредством двигателя на эффекте Холла.
По меньшей мере, в одном примере осуществления способа электроны эмитируют катодом, расположенным ниже по потоку относительно открытого конца кольцевого канала, ограниченного двумя концентричными стенками с центральной осью, радиальное магнитное поле генерируют магнитным контуром у открытого конца кольцевого канала для улавливания электронов, эмитируемых катодом, и тем самым генерирования электрического поля между открытым концом и анодом, расположенным у закрытого конца кольцевого канала. Создающий тягу газ инжектируют контуром инжекции в верхний по потоку участок кольцевого канала, разделенного на несколько отдельных камер радиальными стенками, причем каждая камера получает расход газа, индивидуально регулируемый устройством регулирования. Создающий тягу газ ионизируется электронами, вырвавшимися из магнитного поля в направлении к аноду. Электрическое поле ускоряет ионизированный создающий тягу газ в осевом направлении к открытому концу кольцевого канала. В заключение отклоняют радиально наружу ионизированный создающий тягу газ с помощью наклоненной по отношению к поперечной плоскости двигателя виртуальной катодной решетки, формируемой электронами, уловленными конечной ступенью магнитного контура, содержащей взаимно противоположные внутренний полюс и внешний полюс и в которой внутренний полюс смещен по оси вниз по потоку по отношению к внутреннему полюсу.
В этом способе индивидуальные клапаны могут управляться блоком управления, а величиной и/или направлением тяги могут управлять для управления траекторией и/или ориентацией космического аппарата, оснащенного двигателем на эффекте Холла.
Краткий перечень чертежей
Другие особенности и преимущества изобретения будут понятны из последующего подробного описания примера осуществления, приведенного в качестве иллюстративного примера не ограничительного характера. В описании сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает в аксонометрии двигатель на эффекте Холла с регулируемой тягой в соответствии с примером осуществления изобретения;
фиг. 1A изображает двигатель на эффекте Холла по фиг. 1 на виде сверху;
фиг. 1B изображает двигатель на эффекте Холла с регулируемой тягой на виде в разрезе по линии IB-IB на фиг. 1A;
фиг. 2A, 2B и 2C схематично изображают на виде сверху генерирование поперечных сил тяги двигателем по фиг. 1;
фиг. 3 схематично изображает в аксонометрии геостационарный спутник, оснащенный двигателем на эффекте Холла с регулируемой тягой по фиг. 1 для управления ориентацией спутника на орбите.
Осуществление изобретения
На фиг. 1A и 1B показан на различных видах один и тот же двигатель 1 на эффекте Холла в соответствии с примером его осуществления. Двигатель 1 содержит кольцевой канал 2, ограниченный двумя концентричными стенками 3, 4 из керамического материала с центральной осью Z'. Кольцевой канал 2 имеет открытый конец 5 и закрытый конец 6. На стороне закрытого конца 6 радиальные стенки 7 разделяют верхний по потоку участок 2a кольцевого канала 2 на отдельные камеры 8. На своем закрытом конце 6 кольцевой канал 2 содержит анод 9, который может быть разделен на участки между различными камерами 8, и сопло 10 для инжекции создающего тягу газа в каждую камеру 8. Сопла 10 соединены с источником создающего тягу газа контуром 11 инжекции, содержащим устройство 12 индивидуального регулирования расхода для каждого сопла 10. Каждое устройство 12 может представлять собой, например, карандашный клапан или термокапилляр, то есть капилляр со средствами нагрева, позволяющими активно изменять его температуру и, следовательно, расход через него. Устройство 12 может быть также снабжено пассивными дросселями. Создающим тягу газом может быть ксенон, который имеет преимущество высокого молекулярного веса и относительно низкого потенциала ионизации. Однако, как и в других двигателях на эффекте Холла, может использоваться широкий спектр создающих тягу газов.
На стороне открытого конца 5 кольцевой канал 2 содержит нижний по потоку участок 2b, наклоненный наружу с поперечным наклоном. При этом на нижнем по потоку участке 2b как внутренняя стенка 3, так и наружная стенка 4 наклонены наружу и определяют между собой меридиональную плоскость P, также наклоненную наружу и отклоняющуюся вниз по потоку.
Двигатель 1 содержит также магнитный контур. Этот магнитный контур содержит вокруг наружной стенки 4 магнитные сердечники 13, окруженные катушками 14 и заканчивающиеся во внешнем полюсе 15 вблизи открытого конца 5 кольцевого канала 2. Магнитный контур содержит также центральный магнитный сердечник 16 в центре двигателя 1, окруженный катушками 17 и заканчивающийся во внутреннем полюсе 18, который имеет полярность, обратную полярности внешнего полюса 15 и расположен напротив него вблизи открытого конца 5 кольцевого канала 2 таким образом, чтобы создавать между двумя полюсами радиальное магнитное поле M. По отношению к центральной оси Z' внутренний полюс 18 расположен ниже по потоку относительно внешнего полюса 15 так что магнитное поле M наклонено по отношению к поперечной плоскости и по существу перпендикулярно меридиональной плоскости P. И наконец, двигатель 1 содержит также полый катод 19, расположенный ниже по потоку относительно открытого конца 5 кольцевого канала 2.
Кольцевой канал 2 не осесимметричен. В частности, в показанном примере выполнения его поперечное сечение имеет форму ипподрома с главной осью X' симметрии и вторичной, более короткой осью Y' симметрии. Таким образом, это поперечное сечение имеет два прямых участка и два полукруглых участка, соединяющих прямые участки. При этом меридиональная плоскость P является плоской на прямых участках и конической на полукруглых участках. Однако возможны другие альтернативные формы, как не осесимметричные (например, овальное поперечное сечение), так и осесимметричные.
При функционировании электрическое напряжение, обычно порядка от 150 до 800 B, создается между полым катодом 19 ниже по потоку открытого конца 5 кольцевого канала 2 и анодом 9 на закрытом конце кольцевого канала 2. При этом полый катод 19 начинает эмитировать электроны, которые по большей части улавливаются в магнитном ограждении, сформированном магнитным полем M, которое имеет порядок от 100 до 300 Гс. Уловленные этим магнитным ограждением электроны формируют виртуальную катодную решетку. При этом в кольцевом канале между анодом 9 и виртуальной катодной решеткой создается электрическое поле E.
c
c,ax
c,lat
Высокоэнергетические электроны (в типичном случае от 10 до 40 эВ) вырываются из магнитного ограждения в направлении к аноду 9, в то время как создающий тягу газ инжектируется в камеры 8 через сопла 10. Столкновения между электронами и атомами создающего тягу газа ионизируют создающий тягу газ, который ускоряется электрическим полем E к открытому концу 5 кольцевого канала 2. Поскольку масса ионов создающего тягу газа на несколько порядков выше массы электронов, магнитное поле M не удерживает эти ионы таким же образом. Однако наклон магнитного поля M, а следовательно, и виртуальной катодной решетки, образованной электронами, уловленными магнитным полем M, вводит поперечную составляющую в электрическое поле E, сильно отклоняя наружу ионизированный создающий тягу газ, проходящий через нижний по потоку участок 2b и открытый конец 5 кольцевого канала 2. Таким образом, инжектируемый в каждую камеру 8 создающий тягу газ создает частичную тягу F, имеющую кроме осевой составляющей F, параллельной центральной оси Z', поперечную составляющую F в собственном направлении каждой камеры и перпендикулярную периметру кольцевого канала 2.
c,
c
c,lat
c
lat
Общая тяга F двигателя 1 является суммой частичных тяг F соответствующих комплекту камер 8, питаемых создающим тягу газом. Если частичные тяги F симметричны, их поперечные составляющие F взаимно аннулируются, и общая тяга будет ориентирована по существу в направлении центральной оси C. Однако если в одну камеру 8 подается расход создающего тягу газа больше, чем в противоположную камеру 8, частичная тяга F, в соответствующая камере с большим расходом будет доминировать над частичной тягой в соответствующей противоположной камере. При этом общая тяга F будет также иметь поперечную составляющую F.
lat
c
lat
lat
lat
lat
lat
Обратившись к фиг. 2A-2C, можно лучше оценить, каким образом распределение общего расхода создающего тягу газа между различными камерами 8 влияет на направление и показатель поперечной составляющей F общей тяги F двигателя 1. Так, фиг. 2A иллюстрирует случай, когда в камеры 8, расположенные на одной стороне от главной оси X' симметрии, подается расход больше, чем в камеры на противоположной стороне. В результате их частичные тяги F также больше, и общая тяга F двигателя 1 имеет поперечную составляющую F, перпендикулярную главной оси X' симметрии. На фиг. 2 показан другой случай, когда в камеры 8, расположенные на одной стороне от вторичной оси Y' симметрии, подается расход больше, чем в камеры на противоположной стороне. При этом во втором случае общая тяга F двигателя 1 имеет поперечную составляющую F, перпендикулярную вторичной оси Y' симметрии. Однако вследствие не осесимметричной формы двигателя 1 в этом направлении поперечная составляющая F тяги меньше, чем в предыдущем случае. В конечном счете можно управлять подачей создающего тягу газа в различные камеры 8 для сдвига поперечной составляющей F тяги на 360° вокруг центральной оси Z'. Так, на фиг. 2C показан третий случай, в котором три квадранта двигателя питаются создающим тягу газом для генерирования тяги с поперечной составляющей F, наклонной по отношению в двум осям X' и Y' симметрии.
На фиг. 3 показан спутник 20 с двумя двигателями 1 на эффекте Холла с регулируемой тягой для управления ориентацией и траекторией спутника. Показанный спутник 20 является геостационарным спутником со стабилизацией ориентации по трем осям, то есть он следует по существу по экваториальной орбите 22 и сохраняет по существу постоянную ориентацию относительно азимутальной оси Z, оси X запад-восток и оси Y север-юг. Для этого первый двигатель закреплен на стороне 20a надира спутника, а второй двигатель 1 закреплен на стороне 20b зенита спутника. Два двигателя 1 соединены, по меньшей мере, с одним резервуаром создающего тягу газа (не показан) и, по меньшей мере, с электрическим источником (не показан) для их питания соответственно создающим тягу газом и электричеством. Два двигателя 1 соединены также с блоком управления (не показан), который связан с датчиками ориентации и/или положения (не показаны), например, такими как звездные датчики, солнечные датчики, датчики Земли или горизонта, инерционные датчики, магнитометры, гравиметры и т.д. Таким образом, блок управления может определять траекторию и ориентацию спутника 20 и управлять двигателями 1 для модификации или корректировки траектории и/или ориентации спутника 20 в соответствии с инструкциями, предварительно записанными или передаваемыми на спутник 20 от базовой станции. В типичном случае солнечные панели 23 такого геостационарного спутника установлены на консолях, ориентированных по оси Y север-юг, чтобы лучше ориентироваться на Солнце во время движения спутника 20 по орбите путем поворота панелей 23 вокруг оси Y север-юг.
В показанном спутнике 20 центральная ось Z' каждого двигателя 1 выровнена по азимутальной оси Z, главная ось X' симметрии параллельна оси X запад-восток, а вторичная ось Y' симметрии параллельна оси Y север-юг. Таким образом, главное направление тяги двух двигателей 1 направлено по азимутальной оси Z для стабилизации орбиты. В то же время два двигателя 1 могут развивать значительную поперечную тягу в направлении север-юг и менее значительную поперечную тягу в направлении запад-восток. Поперечная тяга двигателей 1 в направлении север-юг позволяет управлять наклоном орбиты 22, а также обеспечивать пары сил для ориентации спутника 20 вокруг его оси X запад-восток. Поперечная тяга двигателей 1 в направлении запад-восток позволяет в основном ориентировать спутник 20 вокруг его оси Y север-юг. Важно отметить, что в результате положения солнечных панелей 23 момент инерции спутника 20 вокруг оси X запад-восток в типовом случае больше, чем момент инерции вокруг оси Y север-юг. Таким образом, неосесимметричная форма двигателей 1 хорошо приспособлена для управления ориентацией спутника 20 вокруг осей X и Y.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на конкретные примеры осуществления, очевидно, что возможны различные модификации и изменения этих примеров осуществления в пределах объема защиты, определенного пунктами формулы изобретения. В частности, индивидуальные характеристики различных показанных примеров выполнения могут комбинироваться в дополнительных примерах выполнения. Соответственно, описание и графические материалы следует рассматривать в качестве иллюстрации, не имеющей ограничительного характера.