用于航天器的發(fā)動(dòng)機(jī)和包括這種發(fā)動(dòng)機(jī)的航天器的制作方法

本發(fā)明涉及用于航天航空器、尤其是用于衛(wèi)星的發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在某些應(yīng)用環(huán)境中，可能期望航天航空器或者在高推力下、或者在高比沖擊下呈現(xiàn)兩種操作模式?？梢蕴峒皟蓚€(gè)實(shí)例:

·將衛(wèi)星置于臺(tái)站上并保持其軌道：放置臺(tái)站的衛(wèi)星需要高推力，以便盡可能迅速地將其轉(zhuǎn)移到地球靜止軌道；以及衛(wèi)星需要高比沖量的推進(jìn)，以便在十五年內(nèi)保持在位；

·探索：有利的是使推進(jìn)器能夠使天體物體起飛，然后一旦進(jìn)入太空，使其能夠利用高比沖量的推進(jìn)力。

以已知的方式，衛(wèi)星推進(jìn)通常借助兩種技術(shù)獲得：化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)。這兩種推進(jìn)模式在相對(duì)于推力的比沖(Isp)圖中具有相應(yīng)的特定操作域：在輪廓上，化學(xué)推力使得能夠?qū)崿F(xiàn)高推力，但是比沖保持限于450秒。相反，電推進(jìn)能夠獲得高的比沖(2000s)，但是推力保持相對(duì)低。

對(duì)于衛(wèi)星推進(jìn)，霍爾效應(yīng)推進(jìn)器因此用于航天航空器的姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)(AOCS)，特別是在地球靜止衛(wèi)星的AOCS中?；魻栃?yīng)推進(jìn)器使得能夠獲得1500s量級(jí)的非常高的比沖量(Isp)，從而使得能夠精確地控制航空器的姿態(tài)和/或位置，同時(shí)使用顯著小于在使用例如反應(yīng)輪的慣性裝置的常規(guī)系統(tǒng)中所必要的質(zhì)量和復(fù)雜度，并結(jié)合用于使其去飽和的化學(xué)推進(jìn)器。

然而，提供高比沖的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器通常僅實(shí)現(xiàn)非常低的推力。因此，包含霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的AOCS通常與用于某些快速機(jī)動(dòng)的化學(xué)推進(jìn)器相關(guān)聯(lián)，例如軌道傳送或放置到位。然而，這具有增加航天航空器的整體成本和復(fù)雜性、損害其可靠性的缺點(diǎn)。

總之，現(xiàn)有技術(shù)(化學(xué)推進(jìn)、電推進(jìn))都不能在這兩個(gè)預(yù)期的操作域中提供推進(jìn)，即首先具有高推力和相對(duì)低的比沖量，其次具有高比沖量和相對(duì)低的推力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是提出一種能夠在這兩個(gè)操作域中提供推力的航天航空器發(fā)動(dòng)機(jī)，并且這樣做不會(huì)使航天航空器過(guò)重或復(fù)雜。

為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明提出一種航天航空器發(fā)動(dòng)機(jī)，既包括具有用于噴射燃燒氣體的噴嘴的化學(xué)推進(jìn)器，又包括霍爾效應(yīng)推進(jìn)器，發(fā)動(dòng)機(jī)布置成使得所述噴嘴在霍爾效應(yīng)推進(jìn)器操作時(shí)用作由霍爾效應(yīng)推進(jìn)器噴射的粒子的噴射通道。

因此，這兩種技術(shù)、即化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)被并入單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。通過(guò)設(shè)置某些共用的裝置，尤其是噴嘴，使以這種方式構(gòu)成的發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)緊湊成為可能。因此，假設(shè)由于兩個(gè)推進(jìn)器的同時(shí)存在而延長(zhǎng)其運(yùn)行能力，以這種方式構(gòu)成的發(fā)動(dòng)機(jī)保持相對(duì)簡(jiǎn)單和便宜。

在一實(shí)施例中，霍爾效應(yīng)推進(jìn)器具有磁路；以及在子午線半平面上的截面中，磁路是馬蹄形的，具有通向噴嘴的下游端的氣隙；使得磁路適于在磁路的氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)。

氣隙中產(chǎn)生的磁場(chǎng)較佳地是大致徑向的。

術(shù)語(yǔ)“上游”和“下游”在本文中相對(duì)于推進(jìn)氣體在由噴嘴的中心軸線限定的方向上的正常流動(dòng)方向進(jìn)行定義。

磁場(chǎng)不一定在整個(gè)氣隙中產(chǎn)生，而是在其至少一部分中產(chǎn)生，通常位于其下游端。子午線半平面是由軸線(具體來(lái)說(shuō)是噴嘴的軸線)限定的半平面。

在該實(shí)施例中，能夠在噴嘴中獲得磁場(chǎng)，尤其是因?yàn)椴幌翊蠖鄶?shù)常規(guī)化學(xué)推進(jìn)器噴嘴一樣是中空的且空的，而是該噴嘴包含磁路的一部分。磁路的該內(nèi)部通常布置在噴嘴的軸線上，并且傳統(tǒng)上是軸對(duì)稱(chēng)形狀，或者甚至是圍繞軸線的旋轉(zhuǎn)體的形狀。

其中磁路的截面為馬蹄形的子午線半平面較佳地圍繞噴嘴的軸線有規(guī)律地角度分布。理想地，磁路在每個(gè)子午線半平面中呈現(xiàn)一個(gè)這樣的截面，即圍繞噴嘴的軸線經(jīng)過(guò)360°。

較佳地，在子午線半平面視圖中，化學(xué)推進(jìn)器的燃燒室布置在磁路內(nèi)部。

在一實(shí)施例中，噴嘴具有環(huán)形的軸向截面，并且穿過(guò)磁路的氣隙。氣隙因此也具有環(huán)形軸向截面。術(shù)語(yǔ)“軸向截面”在本文中用于表示在垂直于噴嘴的軸線的平面中的截面。

在一實(shí)施例中，磁路具有位于噴嘴周?chē)闹辽僖粋€(gè)外磁芯和位于噴嘴徑向內(nèi)側(cè)的內(nèi)磁芯，并且在子午半平面上的截面中，所述內(nèi)芯以及所述至少一個(gè)外芯的截面形成所述馬蹄形的分支。

在一實(shí)施例中，霍爾效應(yīng)推進(jìn)器還包括適于在噴嘴中產(chǎn)生電場(chǎng)的電路，并且電路包括分別布置在磁路的氣隙的上游和下游的陽(yáng)極和陰極。

陽(yáng)極和陰極可以以各種方式布置。

在一實(shí)施例中，陽(yáng)極包括噴嘴的一部分。例如，它可以構(gòu)成噴嘴的壁的一部分。

在另一實(shí)施例中，陽(yáng)極設(shè)置在噴嘴內(nèi)。

在一實(shí)施例中，并且特別是在上述實(shí)施例中，陽(yáng)極與噴嘴電絕緣。

陽(yáng)極可以布置在用于將流體(推進(jìn)劑噴射器)噴射到用于化學(xué)推進(jìn)器的燃燒室中的噴射器附近，和/或用于霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的粒子噴射器附近：即作為一般規(guī)則完全在發(fā)動(dòng)機(jī)中的流體流動(dòng)路徑的上游端處。

在一實(shí)施例中，在軸向上在氣隙的水平處，噴嘴的內(nèi)壁和外壁由電絕緣材料制成。

噴嘴的這些內(nèi)壁和外壁可以尤其由陶瓷材料制成，由于其電、磁和耐腐蝕特性而特別合適。例如，絕緣壁可以由兩個(gè)電絕緣環(huán)形成，這兩個(gè)電絕緣環(huán)分別在其內(nèi)側(cè)和外側(cè)上限定所述氣隙。

在一實(shí)施例中，噴嘴在上游端處具有燃燒室，燃燒室連接到下游端處的發(fā)散部分。

霍爾效應(yīng)推進(jìn)器還包括至少一個(gè)粒子噴射器。在一實(shí)施例中，粒子噴射器適于將粒子噴射到所述燃燒室中。

粒子可以是惰性氣體，例如氙氣。

本發(fā)明還提供了一種包括至少一個(gè)如上所述的發(fā)動(dòng)機(jī)的航天航空器。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀借助非限制示例給出的兩個(gè)實(shí)施例的下文詳細(xì)描述能良好地理解本發(fā)明并且本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)能更佳地呈現(xiàn)。該描述參照附圖，附圖中：

·圖1是包括本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的第一實(shí)施例的航天航空器的軸向截面的局部示意圖；以及

·圖2是圖1所示發(fā)動(dòng)機(jī)的局部示意立體圖。

圖1和2示出了本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)10。它形成航天航空器100(在本例中是衛(wèi)星)的一部分。

具體實(shí)施方式

發(fā)動(dòng)機(jī)是既能夠作為化學(xué)推進(jìn)器又能作為霍爾效應(yīng)推進(jìn)器工作的混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。為了使其能夠用作化學(xué)推進(jìn)器或作為霍爾效應(yīng)推進(jìn)器，發(fā)動(dòng)機(jī)10連接到推進(jìn)劑罐(未示出；可以有單種推進(jìn)劑或兩種推進(jìn)劑)，并且還連接到推進(jìn)氣體罐。

發(fā)動(dòng)機(jī)10通常為繞軸線X的回轉(zhuǎn)體的形式。

其布置在圍繞軸線X基本上為圓柱形的殼體20內(nèi)。殼體的第一軸向端部22(其上游端)由垂直于軸線X的基本平坦的端壁24封閉，而另一端26(其下游端)部分地由同樣垂直于軸線X的基本平坦的端壁25封閉。端壁25具有穿過(guò)其中的寬環(huán)形通道28，以噴射氣體。

端壁25通常為垂直于軸線X的盤(pán)的形式。由于環(huán)形通道28的存在，端壁25由盤(pán)56和徑向圍繞環(huán)形通道28設(shè)置的環(huán)形圈58構(gòu)成。圈58與殼體20一體形成。

發(fā)動(dòng)機(jī)10包括化學(xué)推進(jìn)器11。

化學(xué)推進(jìn)器11具有布置在殼體20內(nèi)部的噴嘴30。

噴嘴30具有圍繞軸線X的大致環(huán)形形狀。更一般地，噴嘴30也可以是軸對(duì)稱(chēng)的。然而，作為替代，能夠設(shè)想非軸對(duì)稱(chēng)的形狀，例如，橫截面是橢圓形或跑馬場(chǎng)形。

無(wú)論噴嘴30是旋轉(zhuǎn)體還是軸對(duì)稱(chēng)的形狀，噴嘴30通常是環(huán)形的，因此不僅具有徑向外壁34，而且具有徑向內(nèi)壁32。

這些壁圍繞軸線X同心。

噴嘴30在上游端(圖1中的左側(cè))關(guān)閉，并在下游端打開(kāi)。

從上游到下游，噴嘴30首先具有燃燒室36、然后是喉部38、接著是發(fā)散部分40。這些元件被布置成使得發(fā)動(dòng)機(jī)10能夠作為化學(xué)推進(jìn)器11操作。

化學(xué)推進(jìn)器11還具有用于注入推進(jìn)劑的注射器42。它們布置成使得推進(jìn)劑能夠在燃燒室36的上游端噴射。為此，它們通過(guò)饋送回路44連接到推進(jìn)劑源(未示出)。

發(fā)動(dòng)機(jī)10還具有霍爾效應(yīng)推進(jìn)器50。該推進(jìn)器50首先包括磁路52。

磁路52包括：殼體20本身，其由鐵磁材料制成并因此形成外部磁芯；由鐵磁材料制成的端壁24和25；以及沿軸線X延伸的具有軸形式的中心磁芯54。構(gòu)成端壁25的一部分的盤(pán)56形成軸54的下游端。

磁路52的上述元件被布置在一起，以使得磁場(chǎng)能夠沒(méi)有損失地通過(guò)磁路。

為了保護(hù)噴嘴的下游部分免受磨損，并且為了容納在磁路的氣隙中形成的電子云，壁32和34的軸向下游部分由陶瓷材料制成的環(huán)形成，給予相應(yīng)的附圖標(biāo)記82和84。這些環(huán)位于磁路52的氣隙的水平處。

磁路52還具有內(nèi)環(huán)形線圈70和外環(huán)形線圈72，其用于產(chǎn)生使霍爾效應(yīng)推進(jìn)器能夠操作所需的磁場(chǎng)。這兩個(gè)線圈圍繞軸線X同心地形成。線圈70在壁32內(nèi)部圍繞軸54(徑向地)(即，在軸54和壁32之間)形成。線圈72形成在圓柱形殼體20的內(nèi)側(cè)面上，更確切地說(shuō)形成在噴嘴30的內(nèi)側(cè)面與外壁34之間。

在軸向上，線圈70和72在噴嘴30的喉部38的稍下游放置。以更一般的方式，這些線圈可以沿軸線X軸向定位在從上游端的燃燒室到位置緊接在下游端的陶瓷環(huán)82和84的上游的任何水平處。

線圈70和72由電能源(未示出)供電。

在磁路52中，中心磁芯54和外磁芯(殼體20)布置成具有相反極性。

磁路52布置成在環(huán)形通道28中產(chǎn)生基本上徑向的磁場(chǎng)，從而構(gòu)成磁路52的氣隙。

在其它實(shí)施例中，磁路可以具有與磁路52的結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)。重要的是，磁路適合于在霍爾效應(yīng)推進(jìn)器的噴射通道(特別是通道28)中產(chǎn)生徑向磁場(chǎng)。。

磁場(chǎng)的強(qiáng)度從噴射通道28到噴嘴的喉部38逐漸減小。在所示的實(shí)施例中，磁場(chǎng)(其在與通道28的最大軸向水平處)被內(nèi)部和外部磁屏蔽件77衰減，以便減小陽(yáng)極62附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

這些屏蔽件分別形成在殼體20的內(nèi)表面和軸54的外表面上，并且它們機(jī)械地支承線圈70和72。

線圈70和72是大致圓柱形的線圈，其中每匝基本上是圍繞軸線X的圓圈的形式。在另一個(gè)實(shí)施例中，線圈72可以被多個(gè)相同的線圈72替換，每個(gè)線圈72圍繞平行于軸線X的相應(yīng)軸線，線圈72圍繞噴嘴30的外壁34軸對(duì)稱(chēng)地布置。

噴嘴30的下游部分穿過(guò)或延伸到磁路52的氣隙28中。

在子午線半平面(圖1)上的截面中，磁路因此是馬蹄形的，具有朝向噴嘴30的下游端26敞開(kāi)的氣隙28。從端壁24開(kāi)始，分別由形成馬蹄形的兩個(gè)分支的外殼20的在外側(cè)的部分和中心芯54在內(nèi)側(cè)的部分構(gòu)成馬蹄形狀。

推進(jìn)器50還具有電路60。該電路包括沿著發(fā)散部分40約一半處軸向定位的陽(yáng)極62、位于噴嘴30的端部26下游的陰極64以及將陽(yáng)極62連接到陰極64的電壓源66。

以更一般的方式，陽(yáng)極62可以沿軸線X軸向位于從在上游端處的燃燒室到在下游端處的陶瓷環(huán)82和84的緊接上游的位置的任何水平處。

陽(yáng)極62主要由噴嘴30的內(nèi)壁34構(gòu)成，因此其被嵌入噴嘴30中，同時(shí)與其電絕緣。

陰極64在外側(cè)(即，在軸54的下游)緊固在盤(pán)56上。在圖2中，陰極64以虛線繪出。

陰極64通過(guò)在噴嘴30的內(nèi)壁32內(nèi)部通過(guò)的電纜連接到電壓源66。

有利地，該電纜穿過(guò)軸54內(nèi)部。

最后，在噴嘴30的上游端，推進(jìn)器包括推進(jìn)氣體噴射器75。這些噴射器布置成使得推進(jìn)氣體能夠被噴射到燃燒室36的上游端。為此，它們通過(guò)注入回路76連接到推進(jìn)氣體源(未示出)。推進(jìn)氣體可以是氙氣，其具有高分子量和相對(duì)低的電離勢(shì)的優(yōu)點(diǎn)。然而，如在其它霍爾效應(yīng)推進(jìn)器中，可以使用各種各樣的推進(jìn)氣體。

發(fā)動(dòng)機(jī)10具有兩種主要操作模式，即電推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)。

對(duì)于化學(xué)推進(jìn)，推進(jìn)劑經(jīng)由注射器42注入燃燒室36中。它們?cè)谌紵抑腥紵?；燃燒氣體由喉部38和發(fā)散部分40加速，并且經(jīng)由噴嘴30的下游開(kāi)口28高速噴射。

對(duì)于霍爾效應(yīng)推進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)10如下操作。

當(dāng)氙氣用作推進(jìn)氣體時(shí)，在噴嘴30的下游端下游的陰極64和陽(yáng)極62之間建立通常為150伏(V)至800V量級(jí)的電壓。然后陰極64開(kāi)始發(fā)射電子，其中大部分被捕獲在由磁路52產(chǎn)生的磁場(chǎng)所形成的磁圍場(chǎng)中，該磁場(chǎng)適應(yīng)于所需的性能和所使用的推進(jìn)氣體，并且當(dāng)使用氙作為推進(jìn)氣體時(shí)，通常為100高斯(G)至300G量級(jí)。被捕獲在該磁圍場(chǎng)中的電子因此形成虛擬陰極網(wǎng)格。

只要推進(jìn)氣體繼續(xù)經(jīng)由噴射器75注入噴嘴30，高能量電子(通常為10電子伏特(eV)至40eV)就從磁圍場(chǎng)朝向陽(yáng)極62逃逸。這些電子和推進(jìn)氣體的原子之間的撞擊使推進(jìn)氣體電離，然后通過(guò)線圈70和72產(chǎn)生的電場(chǎng)E朝著噴嘴30的下游端26加速推進(jìn)氣體。由于推進(jìn)氣體離子的質(zhì)量為大于電子質(zhì)量的幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以磁場(chǎng)不以與限制電子相同的方式限制離子。推進(jìn)器50因此產(chǎn)生等離子體射流，其以非常高的速度通過(guò)噴嘴30的下游端噴射，從而產(chǎn)生與中心軸線X大致對(duì)準(zhǔn)的推力。

推進(jìn)器50的操作類(lèi)似于文獻(xiàn)US2003/0046921A1中描述的推進(jìn)器的操作。

可選地，發(fā)動(dòng)機(jī)10還可以包括位于環(huán)82和84下游的附加噴嘴段，用于在化學(xué)推進(jìn)器運(yùn)行時(shí)能夠額外地膨脹燃燒氣體。

因此，噴嘴30的環(huán)形形狀使其不僅可用作在化學(xué)推進(jìn)期間用于推進(jìn)劑燃燒和燃燒氣體噴射的通道，而且還可用作電操作期間的離子加速通道。具體地，具有軸形式的磁芯54在噴嘴的軸線上的布置不以任何方式妨礙化學(xué)推進(jìn)器11的操作。此外，陰極在端壁25下游的定位和由軸54的端部保護(hù)(陰極64與盤(pán)56的中心直接接觸)使得能夠確保陰極不與燃燒氣體流接觸，其不能暴露很長(zhǎng)時(shí)間。

雖然參考特定的實(shí)施例來(lái)描述本發(fā)明，但清楚的是，可對(duì)該實(shí)施例進(jìn)行修改和變化而不超出如權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的總體范圍。此外，實(shí)施例中所提及的單獨(dú)的特點(diǎn)可在額外的實(shí)施例中組合。因此，說(shuō)明書(shū)和附圖應(yīng)當(dāng)理解為說(shuō)明而非限制。