多個空心陰極裝置的發射電流控制系統的製作方法
2023-04-24 14:40:16 2
專利名稱:多個空心陰極裝置的發射電流控制系統的製作方法
當需要電離離子源材料時，通常使用空心陰極裝置那樣的離子源裝置。源材料可以是氣體，例如，氬或氙，也可以是從加熱如銫或汞之類的物質而得到的蒸汽。空心陰極裝置一般由一根連接到電源負端的空心金屬管制成。以電弧形式出現的電子電流在此空心陰極和連接到電源正端的一個電極(或稱陽極)之間流過。氣體或蒸汽源材料穿過此空心陰極並從它的一端出射，在那裡，源材料在電弧內被電離，在汞蒸汽的情況下，產生出帶正電的汞離子和自由電子。在空心陰極和陽極之間流動的電子流稱為陰極的發射電流，發射電流的大小是好幾個因素的函數，其中的兩個是電源電壓的大小和欲電離的源材料的用量。
空心陰極裝置的一個重要應用是把它用作離子推進發動機或離子推進器的一個部件。離子推進器的一個用途就是衛星和其它宇宙飛船的姿態控制。可從離子推進器得到的推力通常大大小於從傳統的化學推進發動機得到的推力，因此，離子推進器的應用只限於用在外層空間遇到的真空狀態下。然而，離子推進器的比衝(一般定義為每單位重量消耗氣流所產生的推力)大大高於傳統的化學推進發動機的比衝，一般高出一個量級。換言之，對於給定推力等級，離子推進器所需燃料比化學推進發動機所需燃料要少十倍。如此顯著地減少燃料的需求，使得離子推進發動機特別適用於在長時期內允許採用低推力等級的場合。在離子推進發動機中，饋給空心陰極的氣體或蒸汽一般稱為推進劑。
在某一推力等級以下，單個空心陰極裝置可能足以給發動機提供所需的發射電流。然而，當把離子推進器按比例尺寸放大去實現較大的推力時問題就來了，即，單個空心陰極裝置的發射電流容量可能不夠。已提出的一種解決這一問題的方法是在離子推進發動機中包括入一個或多個附加的空心陰極裝置，從而每一裝置都對總發射電流以及由此對發動機的推力作出貢獻。
然而，使用多於一個的空心陰極裝置，在較大推力離子推進發動機的設計和工作中會產生另外的一些問題。
產生的一個問題是由於在各空心陰極裝置間存在著細微的內在差別。這樣的一些差別會導致各裝置對發動機總輸出推力的貢獻不等。於是，這些裝置中的某一個可能比其它的幾個工作在較高的發射電流水平下，此電流值可能會超過這一裝置的最大額定值。這種不平衡的工作方式會引起裝置中的某一個遭到過早失效。在基本上是不可接近的運載器中，例如在宇宙飛船中，這樣的失效會對宇宙飛船的整個工作帶來巨大和永久的有害影響。
除了過早失效以外，在使用多個空心陰極裝置的離子推進發動機中還會引起其它一些嚴重的後果。一個後果是由發動機產生的推力不對稱。在單陰極的發動機中陰極位於與發動機推力釋放軸一致的軸上。然而，在多陰極發動機中，各個陰極圍繞著推力釋放軸排列成對稱形式。因而，可以看出，如果來自每一陰極的發射電流不平衡，圍繞著推力軸產生出的推力也將是不平衡的，這就給發動機的可操縱性帶來了潛在的嚴重有害的影響。
可以意識到，採用空心陰極裝置的離子推進發動機的一個重要部件是陰極發射電流控制系統。一般地說，這種控制系統針對加在陰極和陽極之間的電位(此電位通常稱為放電電壓)，去調整通過每一空心陰極的推進劑的流量。穿過陰極的推進劑量通常反比於放電電壓的大小。調整推進劑流量的實際方法隨所用推進劑的類型而變。舉例來說，在用汞作為推進劑的空心陰極裝置中，通常使汞通過一加熱的多孔芯杆來使之汽化。依靠改變芯杆加熱器的電流，並從而改變了溫度，就改變了汞的汽化量，從而增加或減小了穿過空心陰極裝置的推進劑的流量。
雖然此發射電流控制系統可適用於使用單個陰極裝置的離子推進發動機，但是卻不適用於使用二個或多個陰極裝置的發動機，在這種發動機中每一陰極的各自特性沒有得到補償。根據上述例子，每一陰極的芯杆加熱器電流，對於一給定的放電電壓，維持在同一強度上，因而導致穿過每一陰極的推進劑量基本上是相等的。結果可以是在多陰極發動機中，一個或多個陰極可能會比其它陰極產生出較大的發射電流，這取決於每個陰極各自的特性。發射電流輸出不相等導致前述的過早失效問題以及圍繞發動機推力軸的推力不平衡的問題。
藉助於根據本發明的一種發射電流控制系統，克服了上述的一些問題，還提供了另外的一些優點。這個系統實質上使連接到一個電源上的多個電子源裝置其發射電流得到了均衡。在本發明的一個實施方案中，多個空心陰極裝置獨立地連接到一個公用的放電電壓電源的負端。每個陰極裝置聯接一個電流探測器，探測器產生一輸出信號，它正比於每一空心陰極裝置從電源支取的電流值。此輸出信號與第二個信號混合，此第二個信號的大小正比於由多個陰極裝置支取的電流的平均值。將第一和第二信號混合得出的第三信號加到一個加熱器或閥門上，以與每一裝置所支取電流成比例地去控制流過多個陰極裝置中每一個陰極的推進劑流量。另外，一個第四信號同時去控制流過多個裝置的推進劑的總流量，此總流量被控制得與放電電壓的大小成反比。因此，來自多個陰極裝置中每一個的發射電流，根據每一個陰極各自的特性以及放電電壓的大小，基本上得到了均衡。
本發明的上述情況以及其它特點將在下面的描述中結合附圖予以闡明。其中圖1是一種雙空心陰極系統的框圖，這種系統具有本發明一個實施方案的發射電流控制系統。
圖2是圖1中控制系統的框圖，部分地畫成示意圖形式。
圖3是裝有圖1和圖2所示發射電流控制系統的雙空心陰極離子推進發動機的習慣畫法圖。
現在描述本發明的發射電流控制系統，此系統包括在一個以汽化了的汞作為推進劑的離子推進發動機中，而另一實施方案可以採用比如氬或氙那樣的氣體推進劑。應該理解，本發明可以應用於其它別的合適的應用場合，在這些應用場合下，有希望把二個或二個以上電子源的發射電流予以均衡。同樣，雖然本發明的系統將在此處作為空心陰極裝置的控制系統來描述，但也可用來控制其它電離氣體或蒸汽的合適的裝置。
參閱圖1，圖中示出了大大簡化了的離子推進發動機10的一部分，它具有第一空心陰極裝置12和第二空心陰極裝置14，它們對稱地圍繞著發動機10的推力軸16而設置。裝置12和14中的每一個與放電電源18的負端有著相互獨立的電連接。電源18的正端連接到一個設置在陰極裝置12和14前面附近的圓筒形陽極20。電源18的電壓幅度通常以VD來代表，電源18的電壓VD表現為裝置12和14中的每一個與它們有關的陽極20之間的電位差。電壓VD的大小以及陰極裝置12和14中每一個與有關陽極20之間的距離是這樣決定的，即在每一陰極和陽極之間可維持一個電弧，從而導致在陰極和陽極間有電流流通，此電流稱為發射電流，並以I1和I2來表示。可以意識到，陰極12和14之間微小的內在差別將使每一裝置以不同特性的發射電流束工作。
為了使分別來自陰極裝置12和14的發射電流大體均衡，有必要確定陰極12和14各自從電源18支取的電流I1和I2的大小。在本發明中，這是靠第一探測器24和第二探測器26來完成的，這兩個探測器在圖1中被畫成電阻的形式，它們分別串接在陰極裝置12和14與這些陰極和電源18負端單獨的連線之間。於是，可以確定出裝置12和14各自支取的電流I1和I2。應該認識到，電流探測器24和26可以是在所屬技術領域：
內眾所周知的各種各樣適當類型的探測器。
探測器24和26的電阻兩端的電壓降分別為第一和第二探測電路28和30所制的。這兩個電路可以由熟知的運算放大器(未示出)組成，以產生電壓信號V1和V2。V1和V2的大小正比於電流I1和I2的大小。
電壓V1和V2分別加到第一加法器32和第二加法器34。V1和V2還都加到加法器36，在那裡相加。加法器36的輸出加到一個分壓器上，在本發明的這個實施方案中，此分壓器實質上是由阻值相等的電阻R1和R2所組成，從而在R1和R2的連接點處產生一個由式
(V1＋V2)/2所表示的電壓信號。此電壓是V1和V2的平均電壓，所以它代表由裝置12和14從放電電源18中所支取電流的平均值。此平均電壓加到兩個加法器32和34以備分別從加到加法器32的電壓V1和加到加法器34的電壓V2中減去此平均電壓。加法器32和34的輸出信號，如將在後文中描述的那樣，被用來控制推進劑的流量。
為了也可以用與放電電壓VD成正比的方式來控制推進劑的流量，加法器32和34的每一個都必須包括有代表VD大小的項。此外，為了進一步提供一種調節推進劑流量的手段，需在加法器38中把VD減去電壓VREF。電壓VREF可用許多不同的方法來獲得，例如，如果希望用手動控制，則VREF可取自一個電位器的滑動臂的輸出;如果希望以計算機來控制推進劑的流量，則VREF可由熟知的數模轉換器電路輸出。
代表電壓項VD-VREF的加法器38的輸出加到兩個加法器32和34的輸入端，以分別與電壓V1和V2相加。分別以Vc1和Vc2來表示的加法器32和34的輸出信號分別加到第一和第二汽化器供電裝置40和42，以分別控制流經裝置12和14中每一個的推進劑。
從前面的描述中可以看出Vc1的大小可由如下的公式來表達Vc1=( (V1+V2)/2 )+VD-VREF-V1
同樣，Vc2的大小可由如下公式來表達Vc2= (V1+V2)/1 +VD-VREF-V2因此，可以看出，控制電壓Vc1和Vc2的大小如前所述彼此不相同，它們之差與V1和V2之差成正比。Vc1和Vc2的大小是裝置12和14每一個所支取電流的函數。例如，如果裝置12從放電電源18中支取的電流I1比裝置14所支取的多，則V1將大於V2。因而相應控制電壓Vc1將小於控制電壓Vc2。這正是為了平衡發射電流I1和I2的大小所希望的結果。
如前所述，流經空心陰極的推進劑量是決定陰極發射電流的一個因素。所以，為了實現發射電流I1和I2的均衡，有必要分別調整流經第一汽化器44和第二汽化器46的推進劑的流量。在本發明的這一實施方案中，這是用控制電壓Vc1和Vc2以及分別加有這兩個電壓的第一汽化器供電裝置40和第二汽化器供電裝置42來分別調整流經第一汽化器加熱器48和第二汽化器加熱器50的電流而得以完成的。
在工作中，推進劑源52向第一和第二汽化器44和46提供推進劑，在本發明的這一實施方案中，推進劑可以是汞。汽化器44和46一般由多孔的耐火材料，例如鎢，所製成，這種耐火材料允許由加熱器48和50加熱到足夠高的溫度使汞汽化。供給汽化器44和46的汞在汽化器中受到高溫而汽化。從而形成適合於通過空心陰極裝置12和14的蒸汽。前文所述的維持在裝置12和14的每一個與陽極20之間的電弧將汞蒸汽電離，從而產生自由電子和帶正電的汞離子。這些電子和正的汞離子流入離子推進發動機的其它一些區域(在圖1中未示出)，在那裡，它們從發動機產生出推力。
現參閱圖2，在圖中示出的本發明的發射電流控制系統要詳細得多。如圖2所示，加法器32、34、36和38分別含有運算放大器54、56、58和60，每一運算放大器都連接有多個電阻，以形成電壓相加功能。
首先參閱加法器36，電壓V1和V2通過電阻R3和R4加到放大器58輸入端，從而使電壓V1和V2相加。出現在放大器58輸出端的電壓通過電阻R1和R2接地。出現在R1和R2之間連接處的電壓是V1與V2之和的一半。
加法器32和34的運算放大器54和56工作在與上述相似的形式，因此，每一放大器的輸出電壓代表加於反相輸入端的電壓之和減去加於同相輸入端的電壓。
加法器38的運算放大器60的工作情況與放大器54和56的工作情況類似。因此，放大器60的輸出電壓將是VREF和VD之差乘以放大器的增益。
在本發明的這一實施方案中，第一和第二汽化器供電裝置40和42分別含有PNP電晶體62和64。電晶體62和64的集電極連接到加熱器電源的V+，而它們各自的發射極分別連接到汽化器加熱器48和50。電晶體62和64的基極由它們各自的加法器32和34來驅動，以控制流過電晶體62和64的電流。用控制電晶體62和64的通導的方法，來使放大器54和56各自的輸出電壓Vc1和Vc2去分別調整流過汽化器加熱器48和50的電流。由於加熱器48和50的溫度比例於流過加熱器的電流，所以可以看出，由汽化器44和46產生的汞蒸汽量分別受電壓Vc1和Vc2的大小的控制。
現參閱圖3，圖中以常規形式示出了配備有本發明一種實施方案的離子推進發動機70。發動機70有兩個電離裝置，即空心陰極72和74，它們基本上對稱地環繞著推力軸76而排列。圍繞著陰極72和74而設置的是一個圓筒形陽極78。每一陰極分別通過各自的電流探測電阻84和86單獨地連接到放電電壓源82的負端。電源82的正端VD連接到陽極78，這樣，在陰極72和74中的每一個和陽極78之間存在著一個電位差，此電位差使在陰極和陽極之間有電流流過。電流是這樣流通的，即I1和I2分別由電阻84和86所檢測，在每一個電阻上產生出其大小正比於流過它的電流的一個電壓。這些電壓和電壓VD和VREF一起加到發射電流控制系統88。系統88由加法器32、34、36和38以及電流探測電路28和30(在圖3中未示出)所組成，並如上面所述那樣工作。系統88輸出一對控制電壓。即Vc1和Vc2，它們分別加到汽化器供電裝置90和92。供電裝置90和92是這樣受Vc1和Vc2控制的，即由它們相應的汽化器94和96所支取的加熱器電流，如前面所述那樣，分別比例於I1和I2的大小以及比例於I1和I2平均值而得到調整。
包含有汞或銫的推進劑源98供給汽化器94和96以推進劑，在那裡推進劑將被汽化。汽化器94和96的每一個所汽化的推進劑量取決於由各自的汽化器供電裝置90和92所提供的加熱器電流。汽化後的推進劑穿過空心陰極72和74，在陰極72和74的每一個與陽極78之間所維持的電弧內被電離。這樣電離後的蒸汽原子產生帶正電的離子100和自由電子102。在發動機70的主室104內產生的離子100被向著柵極106加速，由一加速器電源(未示出)把柵極106維持在一負電位上。柵極106內的許多窗孔108允許相當多的離子100穿過它，進而從發動機70逸出，產生推力，被加速的離子100的動能產生出離開發動機的推力，此推力和推力軸76相一致。
要明白，上述本發明的實施方案只是解說性的，而所屬技術領域：
內有經驗的人可以對它作出修改。修改的一個例子在通常以氬或氙作為推進劑的離子推進發動機中實現的。在這樣一種發動機中(未示出)，以Vc1和Vc2去控制在氣流控制裝置內一個小孔的尺寸，從而調整了推進劑的流量。這類氣流控制裝置之一是壓電晶體漏洩閥。
可以認識到，對於本發明的每一實施方案來說，許多因素，諸如，所用推進劑控制裝置的類型、所需放電電壓和發射電流的大小以及所用空心陰極的數目，都將影響構成本發明發射電流控制系統所用裝置的特定類型、個數以及部件數值。所以，不應認為本發明僅限於在此處所披露的實施方案，而本發明只受所附權利要求
書規定內容的限制。
權利要求
1.一種按照一個輸入信號來控制多個陰極各個發射電流的系統，其特徵在於所述系統包括一個產生供電電壓的陰極電源，它由一些獨立的導線分別連接到每一所述陰極，向該處提供陰極電流；多個電流探測裝置，它們各自連接到所述導線中的一根線，以檢測各個陰極電流，每一個所述探測裝置產生一個大小正比於探測到的陰極電流大小的探測輸出信號；平均裝置，利用它來平均所述輸出信號的幅度，所述平均裝置產生一個大小正比於所述探測輸出信號平均值的平均輸出信號；參考電位裝置，它產生一個大小正比於所述電源電壓和所述輸入信號之差的參考輸出信號；多個流量調整器裝置，它們中的每一個可操作地連接在電離材料源和相應的一個所述陰極之間，以調整通過所述陰極的所述電離材料的流量；多個調整器控制裝置，它們中的每一個有一控制輸出信號，以其幅度去控制相應的一個所述流量調整器，每一所述調整器控制裝置響應於所述探測輸出信號中相應的一些信號的幅度，並響應於所述平均輸出信號和所述參考輸出信號的幅度。
2.一種如權利要求
1中的系統，其中，所述發射電流是這樣受到控制的，即它們基本上相互均衡。
3.一種如權利要求
2中的系統，其中，所述源材料包括汞，而所述流量調整器包括一個用於汽化所述汞的汽化器，所述汽化器具有一個用以改變它溫度的加熱裝置。
4.一種如權利要求
3中的系統，其中，所述控制輸出信號控制所述加熱裝置，以致所述汽化器的溫度可以改變，從而汽化更多或更少的所述汞。
5.一種如權利要求
2中的系統，其中，所述源材料是一種氣體，所述流量調整器是一個壓電晶體流量控制器，它有一個讓所述氣體流過的小孔，所述小孔有一可以變化的窗口。
6.一種如權利要求
5中的系統，其中，所述控制輸出信號改變小孔的窗口，從而改變了流過所述小孔的所述氣體量。
7.一種如在權利要求
2中的系統，其中，所述系統裝在一臺離子推進發動機內。
8.一種如權利要求
7中的系統，其中，所述源材料是一種用於所述發動機的推進劑。
9.一種用來產生推力的離子推進發動機，其中，所述推進器具有多個空心陰極，每個所述陰極有發射電流，以電離流過每一所述陰極的推進劑，所述發動機還包括一種連接到所述陰極的推進劑流量控制裝置，所述控制裝置可操作地檢測由每一所述陰極從電源支取的電流，並均衡所述發射電流。
專利摘要
在一種用來產生推力的離子推進發動機中，用於平衡來自空心陰極陣列的各個發射電流的發射電流控制系統，具有可用於探測由各陰極從電源支取的電流和使發射電流均衡的控制裝置。當本發明的發射電流控制系統用作多重空心陰極離子推進發動機的部件時，它使圍繞推力軸的發動機推力均衡，由此避免由於工作在超過最大額定發射以上而引起的空心陰極源的過早失效。
文檔編號F03H1/00GK87105372SQ87105372
公開日1988年6月22日 申請日期1987年8月4日
發明者約翰R·貝蒂, 唐納德J·漢考克 申請人:休斯航空公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan