DE2053929B2 - Hochfrequenz-Ionentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochfrequenz-Ionentriebwerk mit einem Treibstoffördersystem, einem Hochfrequenzgenerator zur Ionisation des in Gasform vorliegenden Treibstoffes mittels Hochfrequenzenergie in einem Gasentladungsraum, mit einer Elektrode zur Extraktion und Beschleunigung der Ionen aus dem Gasentladungsraum und mit einer Vorrichtung zur Neutralisation des Ionenstrahlenbündels nach dem Durchtritt durch die Extraklions- und Beschleunigungselektrode.

Bei derartigen, in Raumfahrzeugen verwendeten Hochfrequenz-Ionentriebwerken wird Nculralgas in einem aus dielektrischem Material, /.. B. Quarz, bestehenden Entladungsraum durch Slnßionisalion auf induktive Weise ionisiert, indem um den Entladungsraum eine von einem 11ochfrequenzgeneralor gespeiste Induktionsspule angeordnet ist, vgl. H.W. Loch. State of the Art and Recent Developments of the Radio Frequency lonmotors, AIAA Paper 69 285. 1969. Die Ionen weiden mittels einer Bcschleunigungs-

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elektrode elektrostatisch beschleunigt und nach Pas sieren der Beschleunigungselektrode durch Injektior von Elektronen neutralisiert.

Bei der Ionisation des Neutralgases mit Hochfre quenzwechselfeldern werden zwar die bei herkömm liehen lonenquellen auftretenden, die Lebensdauei von Kathoden und Anoden betreffenden Problem« eleminiert, demgegenüber sind aber der mechanisch! Aufbau der bekanntgewordenen Hochfrequenztrieb werke ebenso wie die elektronischen Schaltungen zui Erzeugung und Regelung der Hochfrequenzenergü kompliziert und aufwendig. Dadurch wird wiederun die an sich hohe Lebensdauer und Betriebssicherhei dieser Ionentriebwerke verringert.

Ein weiteres, sowohl bei den bekannten Hoch frequenztriebwerken als auch bei den elektrostatischer lonenquellen auftretendes Problem ist die sowohl ir radialer als auch in axialer Richtung des Entladungs raumes mehr oder weniger ungleichförmige Plasma dichteverteilung, die neben hohen Wand- und Di(Tu sionsverlusten auch einen geringen Wirkungsgrat dieser Ionentriebwerke bedingt.

Hier setzt nun die Erfindung ein. deren Aufgabe e.< ist, ein Ionentriebwerk der eingangs genannten An zu schaffen, das mechanisch einfach aufgebaut lsi und bei dem durch eine neuartige Gestaltung de; Entladungsraumes eine den Wirkungsgrad des Ionentriebwerks verbessernde Plasmadichte erreicht wird

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Gasentladungsraum in einem / 4-Hochfreq'uenzresonator an dessen durch eine der Extraktions- und Beschleunigungselektrode gegenüberlie gende Viellochblende geschlossenen Ende und dei Hochfrequenzgenerator am anderen, offenen Ende ir dem Hochfrequenzresonator angeordnet ist.

Ein derartiges Ionentriebwerk bildet im Gegensat/ zu den bekannten Hochfrequenz-Ionentriebwerkcr eine organische Einheit, besteht nur aus Metall unc weist keine elektrischen bzw. elektronischen Bauteile wie Widerstände, Kondensatoren, Transistoren usw auf. deren Beschallung für Fehler- und Bruchsteller anfällig ist. Der mechanische und der elektrische Auf bau eines Ionentriebwerkes gemäß der Erfindung isi einfach und robust.

Es ist zwar bei lonenquellen bereits bekannt, viii etwa Helvetia Physica Acta. Bd. 30. 1957, HeM S. 292 bis 296. daß Ionen mittels einer Hochfrequenz ionisation erzeugt werden, wobei der Entladungs raum, in dem die Ionisation des gasförmigen Stoffe; vorgenommen wird, in einem /. 4-Resonator geleger ist. Gegenüber einem Ionentriebwerk gemäß der Er findung handelt es sich bei einer derartigen Ionen quelle jeweils um fremderregte Resonatoren, nich jedoch um Hochfrequenzgeneratoren, die eine ein heitliche Bauweise des gesamten Triebwerkes ge stalten. Des weiteren ist der Entladungsraum bei dei bekannten lonenquellen nicht wie bei einem Ionen triebwerk gemäß der Erfindung am geschlossenen sondern am offenen Ende des Resonators angeordnet Am offenen Ende des Resonators ist zwar die loni sationsquote höher als am geschlossenen Ende, d; am offenen Ende, also in der Gegend des Schwin gungsbauches der stehenden elektrischen Welle. di< meiste Energie zur Ionisation zur Verfugung steht jedoch ist durch entsprechende Bemessung der Gas· dichte im Entladungsraum und der Amplitude dei stehenden Welle auch am geschlossenen Ende de: Hochfrequenzgenerators eine vollständige Ionisaiioi

des gasförmigen Treibstoffes zu erreichen. Hier kommt absr dann zusätzlich ein wesentlicher Vorteil hinzu.

Dieser Vorteil ist darin zu sehen, daß durch die stehende hochfrequente elektrische Well·; in dem Entladungsraum Lorentzkräfte auf die Ionen und Elektronen der Gasentladung wirken welche, wie später gezeigt wird, diese in Richtung auf das geschlossene Ende des Hochfrequenzgenerators, d. h. in Richtung auf die der Beschleunigungselektrode gegenüberliegende Viellochblende beschleunigen. Dadurch nimmt die Plasmadichte in der Umgebung der Viellochblende zu; des weiteren wird durch die hohe Konzentration der Ladungsträger und durch deren axiale Geschwincligkeitskomponente an der Viellochblende, d.h. an dem Knotenpunkt der stehenden Welle, eine größere Stromdichte als bei bekannten Ionentriebwerken erreicht. Zudem sind die Wand- und Rekombinationsverluste geringer, da Elektronen und Ionen sogleich nach ihrer Entstehung durch die hochfrequente elektrische Welle in Richtung der Grenzelektrode beschleunigt werden.

Damit wird der Wirkungsgrad eines derartigen Ionentriebwerkes gegenüber den bekannten vergrößert, so daß z. B. bei einer bestimmten Beschleunigungsspannung pro Zeiteinheit mehr Ionen als bei bekannten Ionentriebwerken durch die Beschleunigungselektrode aus dem Entladungsraum extrahiert und beschleunigt werden; damit ist eine Schuberhöhung des Ionentriebwerkes erreichbar.

Die nach der elektrostatischen Beschleunigung der Ionen innerhalb des Entladungsraumes zurückbleibenden, bei der Ionisation frei gewordenen Elektronen werden, wie an sich bekannt, über eine Neutralisalorelektrode in den beschleunigten Ionenstrahl injiziert.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weit der Hochfrequenzresonator zwei konzentrisch angeordnete Hohlzylinder auf, die zusammen eine koaxiale /.4-Lecherleitung bilden, so daß die Vorrichtung zur Neutralisation des beschleunigten Ionenstrahls und Teile des Treibstofffördersyslems im inneren Hohlzylinder angeordnet wer η können.

Nl >en der Raumersparnis bringt diese Anordnung zudem den Vorteil, daß die Vorrichtung zu Neutralisation des lonenstrLhls im Zentrum des bescr. leunigten Ionenstrahl liegt, wodurch eine ungünstige Beeinflussung und ungleichförmige Neutralisation des Ionenstrahl vermieden ist.

Die Vorrichtung zur Neutralisation des Ionenstrahls kann dabei, wie an sich bekannt, eine Hohlkathode sein, die die in dem Entladungsraum nach der Ionisation verbleibenden Elektronen über eine mittels einer Gasentladung in der Hohlkathode erzeugte Plasmabrücke in den Ionenstrahl injiziert.

Sie kann aber wesentlich vereinfacht werden, und zwar durch einen ebenfalls zentrisch angeordneten rohrförmigen Hohlkörper, der auf einer Seile dein Entludungsraum zugeordnete öffnungen und auf seiner anderen Seite dem beschleunigten Ionenstrahl zugewandte öffnungen aufweist.

Bei dieser Anordnung und Ausführung der Vorrichtung zur Neutralisation des beschleunigten Ionenstrahls wird von einer Stelle innerhalb des Entladungsraums mit hohem Plasmadruck nahe der Grenzelektrode über den durch die Beschleunigungselektrode geführten Hohlkörper eine Plasmabrücke zum beschleunigten Ionenstrahl gebildet, ohne daß eine zusätzliche Gasentladung erzeugt weiden muß.

Auf diese Weise sind sämtliche, die Lebensdauer eines Triebwekes verkürzenden Hohl- oder Oxidkathoden vermieden. Durch den Foitfall der beheizten Hohlkathode und der dazugehörigen Energieversorgung und Regelung vereinfacht sich das Triebwerk weiter, wodurch die Betriebssicherheit weiter gesteigert wird.

Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispieien an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigt die

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ionentriebwerkes und die

F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Ein Ionentriebwerk 1 besteht aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten metallischen Hohlzylindern 2 und 3, die beide zusammen eine koaxiale /./4-Lecherleitung bilden und deren zwischen ihnen liegender Raum 4 auf einer Seite durch eine kreisringförmige Viellochblende 5 abgeschlossen ist. An der der Viellochblende 5 gegenüberliegenden Seite des durch die zwei Hohlzylinder 2 und 3 gebildeten Resonators ist eine Farnsworth-Röhre 6 angeordnet. Sie besteht aus zwei Dynoden 61, 62 aus einem Material mit einer Sekundiirelektronenmission größer als 1. z. B. Nickel oder Silber, und einer zwischen den Dynoden 61 und 62 angeordneten zylinderfönniuen. gitterförmigen Anode 63. Zwischen Viellochblende 5 und Anode 63 ist eine Spannungsquelle 7 derart geschaltet, daß die Anode 63 gegenüber den Dynoden 61 ein positives Potential besitzt.

Zwischen Viellochblende 5 und der Farnswoi tli-Röhre6 ist eine aus dielektrischem Material, vorzugsweise Quarz, bestehende Wand 8 angeordnet, die einen zwischen Viellochblende 5 und Wand 8 befindlichen Entladungsraum 9 von dem Hochfrequenzgenerator 6 abtrennt.

Emittiert eine der Dynoden 61 oder 62 der Farnsworth-Röhre 6 z.B. durch kurzzeitiges Aufheizen Elektronen, so werden diese durch das an der Anode liegende positive Potential zu dieser hin beschleunigt und nach dem Durchgang durch dieselbe abgebremst. Das Potential der Anode 63 ist dabei so bemessen. daß die Elektronen nach dem Bremsvorgang mit einer bestimmten Restgeschwindigkeit aufeine der Dynoden aufprallen und aus dieser Sekundärelektronen auslösen.

Diese werden nun ihrerseits ebenso wie die umkehrenden Primärelektronen zur Anode 62 hin beschleunigt und schlagen aus der gegenüberliegenden Dynode bei ihrem Auftreffen zusätzliche Sekundiirelektronen heraus, so daß die anfänglich vorhandenen Primärelektronen lawinenartig vermehrt werden. Auf diese Weise können sehr große Strom- und Spannungsamplituden erzeugt werden.

Um die Funktion dieses als Farnsworth-Röhre ausgebildeten Hochfrequenzgenerators 6 zu ermöglichen, muß die Länge des zwischen die beiden Dynoden und Anode geschalteten, aus den beiden konzentrischen Hohlzylindern 2 und 3 bestehenden /. 4-Resonatois derart abgestimmt werden, daß dessen Eigenperiode auf die Hiektroncnlaufzeil zwischen den beiden Dynoden 61 und 62 abgestimmt ist. Im Rcsonatonaum 4 bildet sich dadurch eine stehende hochfrequente elektrische Welle, deren Knoten an der Viellochblende 5 und deren Bauch auf dem Hochfrequenzgenerator 6 liegt.

Die Erzeugung der hochfrequenten Welle ist selbstverständlich auch auf andere Weise möglich, so z. B.

durch Avalanche-Dioden, handelsübliche Scheibentrioden oder auch mittels Transistorschalhmgen.

In dem inneren Hohlzylinder 3 ist ein gegenüber diesem durch Stützelemente 10, 11 und 12 elektrisch isolierter Treibstoffverdampfer 13 angeordnet. In dem Verdampfer 13 wird flüssiges Quecksilber verdampft, das über mehrere Kanäle 14 in den Entladungsraum 9 gelangt. Ein geringer Teil des dampfförmigen Quecksilbers gelangt in eine mit einer Heizwicklung 15 versehene Hohlkathode 16, welche durch eine öffnung in der Mitte der als ViellochbJende ausgebildeten Beschleunigungselektrode 17 hindurchragt. Vor der Hohlkathode 16 ist eine Zündelektrode 18 isoliert angeordnet. Zwischen der Viellochblende 5 und der Beschleunigungselektrode 17 ist eine Gleichspannung angelegt, deren negativer Pol mit der Beschleunigungselektrode verbunden ist. Dabei ist die Beschleunigungselektrode 17 über Haltebügel 19 und Isolatoren 20 mit einem auf den äußeren Hohlzylinder 2 angeordneten Flansch 21 mechanisch verbunden.

Die Funktionsweise des Ionentriebwerkes 1 ist nun folgende:

In dem Entladungsraum 9 wird mittels einer Zündelektrode 22 bei einem Druck von 10"² bis 10"³Torr eine Gasentladung des Quecksilbers erzeugt, die danach durch das hochfrequente Wechselfeld aufrechterhalten wird, so daß das Quecksilber ionisiert wird.

Das auf die bei der Ionisation entstehenden Ladungsträger wirkende elektrische Feld £ ist in Zylinderkoordinaten geschrieben

E (r, 2, f) = E₀ (r, z) · cos (w t),

(D

wobei r die radiale, ζ die axiale Koordinate, bezogen auf die beiden Hohlzylinder, und t die Zeit bedeutet. Die Tür ί = 0 vorhandene Feldkomponente E₀ läßt sich dabei für einen Wert L' der Spannungsquelle 7 darstellen zu

E (r. z. 0) =

)· In

cos

(2)

(3)

35

40

wobei T₁ der innere Radius des äußeren Hohlzylinders 2 und r, der äußere Radius des inneren Hohlzylinders 3 und / = λ/4 die Länge der Hohlzylinder 2, 3 bedeutet.

Das durch die hochfrequente elektrische Welle induzierte Magnetfeld ß ist mit dem elektrischen Feld £ über die 1. Maxwellschc Gleichung verbunden, die sich unter der Berücksichtigung, daß in dem Resonator lediglich die radiale Komponente E₁. des elektrischen und Winkelkomponente des magnetischen Feldes vorhanden ist, in Zylinderkoordinaten zu

vereinfacht.

Durch Einsetzen der Gleichungen (1) und (2) in die Gleichung (3) und anschließende partielle Integration nach der Zeit erhält man für das Magnetfeld

1.-7 U . / .τ \ . 1

,·,- ,--; : · sin ι ^j ζ } sin (uf = - B„.

η 2/ r In Ir₂T₁) \2 1 J c ^θ

(4)
die analog zu Gleichung Il) auch als

ß_e(r. r. 1) = ß_e<1(r. ζ) sin (Mf) (4a)

geschrieben werden kann.

tin Vergleich mit Gleichung (1) zeigt, daß B_e gegenüber dem radialen elektrischen Feld £_r um 90° phasenverschoben ist.

Die Bewegungen der im elektrischen Feld £_r radial pendelnden Elektronen und I onen sind aber gegenüber E_r ebenfalls um 90" phasenverschoben, so daß sie mit dem Magnetfeld ß_e in Phase sind, wie im folgenden gezeigt ist.

Die Bewegungsgleichungen für die geladenen Teilchen lauten

m,

d(

at

= — e E_r ,

= e£_r.

(51)

(52)

wobei der Index c bzw. i eine mit einem Elektron bzw. einem Ion verbundene Größe kennzeichnet und V_T die jeweiligen radialen Geschwindigkeitskomponenten bedeutet.

Aus (51) und (52) erhalten wird unter Berücksichtigung der Gleichung (1)

e
w ih„

(r, 2)-sin

E₀(^z) ■ sin

(61)

(62)

Da sich somit sowohl das Magnetfeld B₉ als auch die radialen Geschwindigkeiten der Elektronen und Ionen sinusformigändern, sie also in Phase sind, wirken auf die geladenen Teilchen Lorentzkräfte, die sich aus dem Produkt der Ladung mit dem Vektorprodukt aus Geschwindigkeit der Ladungsträger und dem Magnetfeld darstellen lassen:

F₁,= -

F₁= e(F_riß_e).

(71)

(72)

Setzt man in (71) und (72) die Ausdrücke für die Geschwindigkeiten und das Magnetfeld (61). (62) und (4a) ein. so wird

= ■—— in ir. ζ) · B₀ ir. ζ) · sin² (\vt).

55 ^F' ⁼

w m

(71a)

(72a)

Man sieht, daß die auf die Elektronen und Ionen wirkende Lorentzkraft immer positiv, d. h. zum Knotenpunkt der stehenden Welle gerichtet ist.

Obwohl die an den Elektronen und Ionen angreifenden Kräfte auf Grund deren unterschiedlicher Masse unterschiedliche Geschwindigkeiten in axialer Richtung bewirken, werden diese Geschwindigkeitsunterschiede durch Ladungstrennungskräfte beseitigt, so daß sich Elektronen und Ionen mit der gleichen Geschwindigkeit V. in r-Richtung bewegen. Aus der

Bcwcgungsgleichung des Plasmas

'"'■ ~df ⁺ '"'■ 'ι' ⁼ ~^e(K'- ' ^{Βθ) + C{V}" ^Βθ)

(8)
erhalt man daher für K.,, = K₁₁- = K.

dK
('», + '«,.) rf = -C(V_n. - K_n-) ß_e . (Hai

IO

Da K_n sehr klein gegen K_ri. und ebenso in,, sehr klein gegen hi, ist. vereinfacht sieh die Gleichung (8a) zu

W Hl.

e²,

£,,(/·. 2) ■ ß_o(r. r) siir («·

(f c .-τ / L V . / .τ \

χ cos

rJ

sin² (ui)

(9)

Daraus ist ersichtlich, daß die Beschleunigung in

d V
r-Richtung --r-= zwischen ζ = O und r = 1, d.h. bis

zur Viellochblende 5 positiv ist. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die Ionen und Elektronen zur Viellochblende 5 gedrückt werden, so daß sich unmittelbar davor eine hohe Plasma- und eine hohe Stromdichte ausbildet.

Die an der Viellochblende 5 mil der Geschwindigkeil V. ankommenden Ionen werden in bekannter Weise durch die Beschlcunigungsclektrode 17 aus dem Entladungsraum 9 gezogen und elektrostatisch weiterbeschlcunigt. Die in dem Entladungsraum 9

verbleibenden Elektronen werden über die sich nach Zündung der Hohlkathode 16 durch die Zündelektrode 18 ausbildende Plasmabrücke in den beschleunigten Ionenstrahl injiziert, so daß dieser neutralisiert ist

Wie aus Gleichung (9) zu sehen ist. kann durch die Lange des Entladungsraumes die von Elektronen und Ionen an der Viellochblende 5 erreichte Geschwindigkeit und damit auch die dort vorhandene Plasmadichtc eingestellt werden.

Durch die in Richtung der Viellochblende zunehmende Plasmadichtc ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Neutralisation des beschleunigten lonenstrahlcs möglich, vergleiche F i g. 2. Der Entladungsraum 9 weist an seiner der Viellochblende 5 zugewandten Seite Öffnungen 31 auf. die den Entladungsraum 9 mit einem rohrförmigen Hohlkörper 32 verbinden. Der rohrförmige Hohlkörper 32. der durch eine öffnung 33 der Beschleunigungscleklrode 17 hindurchragt, ist an seiner dem Triebwerk abgewandten Seite ebenfalls mit Öffnungen 34 versehen. Wird das Plasma in dem Entladungsraum 9 gegen die Viellochblende 5 gedrückt, so wird ein geringer Teil des Plasmas durch die Öffnungen 31 in den Hohlkörper 32 und von diesem über die Öffnungen 34 zum beschleunigten Ionenstrahl gelangen und so eine Plasmabrücke bilden. Die in dem Entladungsraum zurückgebliebenen Elektronen werden über diese Plasmabrückc in den beschleunigten Ionenstrahl gezogen, der für die Elektronen eine positive Anode darstellt. Der Ionenstrahl wird dadurch neutralisiert.

Diese zweite Auführungsform des Ionentriebwerkes besitzt zusätzlich den Vorteil, daß keine thermisch belasteten Elektroden mehr verwendet werden. Selbstverständlich ist die in dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgeschlagene Ausbildung des Neutralisatori auch bei anderen Ionentriebwerken möglich, solange diese in der Gegend der Viellochblende eine aus reichende Plasmadichtc aufweisen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnunucn

Claims (5)

Patentansprüche: 20

1. Hochfrequenz-Ionentriebwerk mit einem Treibstoffördersystem, einem Hochfrequenzgenerator zur Ionisation des in Gasform vorliegenden Treibstoffes mittels Hochfrequenzenergie in einem Gasentladungsraum, mit einer Elektrode zur Extraktion und Beschleunigung der Ionen aus dem Gasentladungsraum und mit einer Vorrichtung zur Neutralisation des Ionenstrahlenbündels nach dem Durchtritt durch die Extraktions- und Beschleunigungselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasentladungsraum (9) in einem Λ/4-Hochfrequenzresonator an dessen durch eine der Extraktions- und Beschleunigungselektrode (17) gegenüberliegende Viellochblende (5) geschlossenen Ende und der Hochfrequenzgenerator am anderen, offenen Ende in dem Hochfrequenzresonator angeordnet ist.

2. Hochfrequenz-Ionentriebwerk nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzresonator zwei koaxiale metallische Hohlzylinder (2, 3) aufweist, daß im Ringraum (4) zwischen den Hohlzylindern (2, 3) der Entladungsraum (9) angeordnet ist und daß im inneren Hohlzylinder (3) die Vorrichtung zur Neutralisation des Treibstoffördersystems (13) angeordnet ist.

3. Hochfrequenz-Ionentriebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Neutralisation aus einem rohrförmigen Hohlkörper (32) besteht, der auf einer Seite dem Entladungsraum (9) zugeordnete öffrungen (31) und auf einer anderen Seite dem beschleunigten Ionenstrahl zugewandte Öffnungen (34) aufweist.

4. Hochfrequenz-Ionentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (6) eine Farnsworth-Röhre ist.

5. Hochfrequenz-Ionentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (6) eine Scheibentriode ist.