TWI826053B - 交互式磁場線性霍爾推進器與交互式磁場線性霍爾推進方法 - Google Patents

Abstract

交互式磁場線性霍爾推進器包括線性放電腔、陽極電極及多個螺線管線圈。陽極電極設置於線性放電腔內且沿著第一方向與線性放電腔的開口相對，陽極電極用以產生電場，電場的方向平行於第一方向。每個螺線管線圈的軸向方向平行於第一方向。螺線管線圈用以於線性放電腔的開口處產生磁場，磁場的方向平行於正交於第一方向的第二方向。螺線管線圈包含多個上螺線管線圈與多個下螺線管線圈，線性放電腔沿著第二方向夾設於上螺線管線圈與下螺線管線圈之間。螺線管線圈更用以使磁場的方向以一頻率呈現交互反轉。

Description

交互式磁場線性霍爾推進器與交互式磁場線性霍爾推進方法

本發明是關於一種霍爾推進器，且特別是關於一種交互式磁場線性霍爾推進器與一種交互式磁場線性霍爾推進方法。

早在西元1960年代，為了發展出適合用於衛星的推進器系統，人們開始尋找有別於化學推進器的推進器的替代方案，最後發明出電漿推進器，其中又以霍爾推進器最廣為使用。然而，霍爾推進器存在三大缺陷：質量大、構造複雜、圓柱狀外形。根據牛頓定律，當推進系統的質量越大時，總體加速度就會隨之下降，導致推進器無法有效推動衛星。此外，衛星的發射成本也與該衛星質量呈正相關，體積、重量越小的衛星，能用更低的成本部屬至軌道上。而構造複雜的推進器將會導致衛星的研發與製造成本上升，甚至會增加衛星的故障機會。如今已進入商用化衛星時代，為了更有效運用空間，衛星幾乎都採方體設計， 然而，由於霍爾推進器的物理限制，霍爾推進器的外型通常被限制在圓柱形的設計中，圓柱形的霍爾推進器對於現今多為方體的衛星空間利用來說，是一大缺陷，圓柱形的霍爾推進器將會造成空間利用困難，難以將霍爾推進器安裝置衛星的狹小空間內。為此，人類曾嘗試開發長方體型(線性)霍爾推進器，不僅能減少推進系統質量、零件數，還能安裝進衛星的狹小空間中，但因為推進效率極低以及難以長時間運作緣故，最終皆以失敗告終。

本發明之目的在於提出一種交互式磁場線性霍爾推進器包括線性放電腔、陽極電極及多個螺線管線圈。陽極電極設置於線性放電腔內且沿著第一方向與線性放電腔的開口相對，陽極電極用以產生電場，其中電場的方向係平行於第一方向。每個螺線管線圈的軸向方向係平行於第一方向，其中所述多個螺線管線圈用以於線性放電腔的開口處產生磁場，其中磁場的方向係平行於正交於第一方向的第二方向。所述多個螺線管線圈包含多個上螺線管線圈與多個下螺線管線圈，線性放電腔沿著第二方向夾設於上螺線管線圈與下螺線管線圈之間。所述多個螺線管線圈更用以使磁場的方向以一頻率呈現交互反轉。

在一些實施例中，上述交互式磁場線性霍爾推進器更包括氣體配置腔，用以儲存中性氣體原子，其中陽極電極沿著第一方向夾設於氣體配置腔與線性放電腔的開口之 間。其中陽極電極具有至少一第一槽孔，其中氣體配置腔透過至少一第一槽孔將中性氣體原子輸送至線性放電腔內。

在一些實施例中，上述交互式磁場線性霍爾推進器更包括二前導磁材料片及一後導磁材料片。線性放電腔的開口係沿著正交於第二方向夾設於二前導磁材料片之間。後導磁材料片沿著第一方向夾設於陽極電極與氣體配置腔之間。其中後導磁材料片具有至少一第二槽孔，至少一第二槽孔與至少一第一槽孔的位置相對應。其中氣體配置腔透過至少一第一槽孔與至少一第二槽孔將中性氣體原子輸送至線性放電腔內。其中所述多個螺線管線圈、二前導磁材料片與後導磁材料片用以構成環繞線性放電腔的磁場迴路。

在一些實施例中，每個螺線管線圈係繞設於導磁柱體上。

在一些實施例中，上述頻率小於20GHz。

在一些實施例中，上述螺線管線圈被通以交流電以使得磁場成為方向交互反轉的交流磁場。

在一些實施例中，上述線性放電腔的開口的形狀為長方形、圓形、正方形、三角形或多邊形。

在一些實施例中，每個上螺線管線圈的纏繞方向相反於每個下螺線管線圈的纏繞方向。

在一些實施例中，被提供至線性放電腔之中的電子與中性氣體原子於線性放電腔中發生碰撞，以使得中性氣 體原子被電離(ionized)而產生離子。

本發明之目的在於另提出一種交互式磁場線性霍爾推進方法包括以下步驟。於線性放電腔中產生朝向線性放電腔的開口的電場。於線性放電腔的開口處產生以一頻率呈現交互反轉的磁場，其中磁場的方向係正交於電場的方向。提供電子進入線性放電腔之中，以使得電子受到電場與磁場的交互作用而於第一時間段沿著第三方向進行螺旋偏移且於第二時間段沿著相反於第三方向的第四方向進行螺旋偏移，其中第三方向正交於電場的方向且也正交於磁場的方向。其中電子與線性放電腔中的中性氣體原子發生碰撞以使得中性氣體原子被電離而產生離子。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10:交互式磁場線性霍爾推進器

110:線性放電腔

112:開口

120:陽極電極

130:螺線管線圈

132:上螺線管線圈

134:下螺線管線圈

135:導磁柱體

140,150:前導磁材料片

160:後導磁材料片

170:氣體配置腔

A-A’:線

A1,A2,A3,A4:方向

B:磁場

D1:第一方向

D2:第二方向

E:電場

e:電子

H1:第一槽孔

H2:第二槽孔

i:離子

n:中性氣體原子

S1,S2,S3:步驟

從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本發明之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。

[圖1]係根據本發明的實施例之交互式磁場線性霍爾推進器的前視示意圖。

[圖2]係根據本發明的實施例之圖1中的交互式磁場線性霍爾推進器沿著線的剖面前視示意圖。

[圖3]與[圖4]係用以說明本發明的實施例之交互式磁 場線性霍爾推進器的運作方式的示意圖。

[圖5]係根據本發明的實施例之交互式磁場線性霍爾推進器的交互式磁場線性霍爾推進方法的簡述流程圖。

以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。關於本文中所使用之『第一』、『第二』、…等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。

圖1係根據本發明的實施例之交互式磁場線性霍爾推進器10的前視示意圖。圖2係根據本發明的實施例之圖1中的交互式磁場線性霍爾推進器10沿著線A-A’的剖面前視示意圖。交互式磁場線性霍爾推進器10包括線性放電腔110、陽極電極120、多個螺線管線圈130。

線性放電腔110為開放式放電腔，線性放電腔110具有沿著第一方向D1朝外之開口112。陽極電極120設置於線性放電腔110內且沿著第一方向D1與線性放電腔110的開口112相對，陽極電極120用以產生電場E，電場E的方向係自線性放電腔110的內部朝向開口112，且電場E的方向係平行於第一方向D1。電場E均勻分布至整個線性放電腔110。

在圖1中所示的線性放電腔110的開口112的形 狀為長方形，意即線性放電腔110為線性的長方體，但本發明不限於此，在本發明的其他實施例中，線性放電腔的開口的形狀可為圓形、正方形、三角形或多邊形。具體而言，本發明的交互式磁場線性霍爾推進器採用線性放電腔，而非如同傳統的圓柱形霍爾推進器，透過採用線性(例如長方體)霍爾推進器的設計方式，能夠大幅減少其質量、零件數，同時能夠簡化圓柱形霍爾推進器的複雜設計，還能更易於安裝進衛星的狹小空間中，從而使得衛星的製造成本、研發成本、發射成本均能夠大幅下降，也能夠提升衛星在軌道上運作的容錯率，大幅度提高任務成功機會。

每個螺線管線圈130的軸向方向係平行於第一方向D1。螺線管線圈130用以於線性放電腔110的開口112處產生磁場，其中於線性放電腔110的開口112處的磁場的方向正交於電場E的方向，其中於線性放電腔110的開口112處的磁場的方向平行於第二方向D2，且第二方向D2正交於第一方向D1，其中螺線管線圈130於線性放電腔110的開口112處產生的磁場均勻分布至整個開口112。在本發明的一個實施例中，如圖2所示，每個螺線管線圈130可繞設於導磁柱體135上，讓螺線管線圈130所產生的磁場更強，其中導磁柱體135的材料例如為鐵、黑鐵、鎳等等。

多個螺線管線圈130包含多個上螺線管線圈132與多個下螺線管線圈134，多個上螺線管線圈132的數量與多個下螺線管線圈134的數量相同。在圖1中所示的多 個上螺線管線圈132的數量為3，但此數量僅為例示，本發明不限於此。如圖2所示，多個上螺線管線圈132沿著第二方向D2於線性放電腔110上的幾何投影係分別與多個下螺線管線圈134沿著第二方向D2於線性放電腔110上的幾何投影重疊。

多個上螺線管線圈132沿著第二方向D2設置於線性放電腔110的上方，多個下螺線管線圈134沿著第二方向D2設置於線性放電腔110的下方，換言之，線性放電腔110沿著第二方向D2夾設於上螺線管線圈132與下螺線管線圈134之間。

交互式磁場線性霍爾推進器10更包括前導磁材料片140、150與後導磁材料片160。前導磁材料片140沿著第二方向D2設置於線性放電腔110的開口112的上方，前導磁材料片150沿著第二方向D2設置於線性放電腔110的開口112的下方，換言之，線性放電腔110的開口112沿著第二方向D2夾設於前導磁材料片140與前導磁材料片150之間。後導磁材料片160沿著第一方向D1設置於陽極電極120的後方，換言之，陽極電極120沿著第一方向D1夾設於後導磁材料片160與線性放電腔110的開口112之間。

在本發明的實施例中，每個上螺線管線圈132的纏繞方向相反於每個下螺線管線圈134的纏繞方向，例如每個上螺線管線圈132的纏繞方向為順時針纏繞，而每個下螺線管線圈134的纏繞方向為逆時針纏繞。如此一來， 螺線管線圈130所產生的磁場便能夠依序透過上螺線管線圈132、前導磁材料片140、前導磁材料片150、下螺線管線圈134與後導磁材料片160而構成環繞線性放電腔110的磁場迴路，從而實現前述之螺線管線圈130用以於線性放電腔110的開口112處產生磁場。

交互式磁場線性霍爾推進器10更包括氣體配置腔170用以儲存中性氣體原子(推進劑)，氣體配置腔170沿著第一方向D1設置於後導磁材料片160的後方，換言之，後導磁材料片160沿著第一方向D1夾設於陽極電極120與氣體配置腔170之間，且陽極電極120沿著第一方向D1夾設於氣體配置腔170與線性放電腔110的開口112之間。

陽極電極120具有第一槽孔H1，後導磁材料片160具有第二槽孔H2，第二槽孔H2沿著第一方向D1於陽極電極120上的幾何投影與第一槽孔H1重疊，換言之，第一槽孔H1與第二槽孔H2的位置相對應。氣體配置腔170透過第一槽孔H1與第二槽孔H2將中性氣體原子輸送至線性放電腔110內，因此中性氣體原子的流向為自線性放電腔110的內部往開口112噴出，中性氣體原子的流向係平行於第一方向D1。應注意的是，在圖2中所示的第一槽孔H1與第二槽孔H2的形狀與數量僅為例示，本發明不限於此。

以下接著說明交互式磁場線性霍爾推進器10的運作方式。圖3與圖4係用以說明本發明的實施例之交互式 磁場線性霍爾推進器10的運作方式的示意圖。交互式磁場線性霍爾推進器10自身無法運作，需搭配外部電子源(圖未示)，例如中空陰極(hollow cathode)，外部電子源用以提供多個電子e至線性放電腔110之中，外部電子源位於線性放電腔110的外部且位於線性放電腔110的開口112附近。

由外部電子源所提供的多個電子e於線性放電腔110的開口112處形成電子團。設置於線性放電腔110內的陽極電極120與位於線性放電腔110的開口112處的電子團之間產生了強力電場E，因此，電場E的方向係自線性放電腔110內朝向開口112。

另一方面，螺線管線圈130被通以電流以於線性放電腔110的開口112處產生以一頻率呈現交互反轉的磁場B。舉例而言，當上螺線管線圈132被通以順時針電流且下螺線管線圈134被通以逆時針電流，則多個螺線管線圈130所構成之環繞線性放電腔110的磁場迴路，如圖3所示，於線性放電腔110的開口112處形成方向向上(方向A1)的磁場B的方向；而當上螺線管線圈132被通以逆時針電流且下螺線管線圈134被通以順時針電流，則多個螺線管線圈130所構成之環繞線性放電腔110的磁場迴路，如圖4所示，於線性放電腔110的開口112處形成方向向下(方向A2)的磁場B的方向。

在本發明的實施例中，磁場之交互反轉的頻率小於20千兆赫茲(20GHz)。在本發明的實施例中，使螺線管 線圈130產生以一頻率呈現交互反轉的磁場的方式可例如為使螺線管線圈被通以交流電以使得磁場成為方向交互反轉的交流磁場。

如圖3所示，由外部電子源所提供的電子e有一部分會進入線性放電腔110，螺線管線圈130在第一時間段於線性放電腔110的開口112處產生方向向上(方向A1)的磁場B的方向，位於線性放電腔110中的電子e會受到電場E與磁場B的交互作用而於第一時間段沿著向左方向(方向A3)進行螺旋偏移(產生螺旋路徑並向左偏移，以阻止電子直接往陽極電極移動)，此電子流稱為霍爾電流(hall current)，藉由形成於開口112處且以一頻率呈現交互反轉的磁場將線性放電腔110中的高速(高動能)螺旋電子束縛在線性放電腔110的開口112處，而電子e在螺旋偏移期間可能會與線性放電腔110中的中性氣體原子n於線性放電腔110中發生碰撞，以使得中性氣體原子n被電離(ionized)而產生帶正電的離子i以及另一顆帶負電的電子e，經由碰撞發生所產生的帶負電的電子e會繼續受到電場E與磁場B的交互作用而繼續進行螺旋偏移。

另一方面，如圖4所示，螺線管線圈130在第二時間段於線性放電腔110的開口112處產生方向向下(方向A2)的磁場B的方向，位於線性放電腔110中的電子e會受到電場E與磁場B的交互作用而於第二時間段沿著向右方向(方向A4)進行螺旋偏移。

經由碰撞發生所產生的帶正電的離子i會受到電場E的影響而沿著第一方向D1被推離線性放電腔110，產生推力。換言之，陽極電極120與位於開口112處的電子團之間產生的強力電場E用以加速離子，將離子推離線性放電腔110外來產生推力。

此外，由外部電子源所提供的電子e有一部分未進入線性放電腔110內，而位於線性放電腔110的開口112之外，以負責中和離開線性放電腔110的帶正電的離子i，藉此維持交互式磁場線性霍爾推進器10整體的電中性。

可理解的是，上述之第一時間段和第二時間段的時長與磁場之交互反轉的頻率相關聯，且上述之第一時間段和第二時間段交錯且連續地持續。

根據上述說明之交互式磁場線性霍爾推進器10的運作方式，圖5係根據本發明的實施例之交互式磁場線性霍爾推進器10的交互式磁場線性霍爾推進方法的簡述流程圖。於步驟S1，藉由陽極電極120與位於線性放電腔110的開口112處的電子團於線性放電腔110中產生自線性放電腔110的內部朝向線性放電腔110的開口112的電場E。於步驟S2，藉由螺線管線圈130於線性放電腔110的開口112處產生以一頻率呈現交互反轉的磁場B，其中磁場B的方向係正交於電場E的方向。於步驟S3，提供電子e進入線性放電腔110之中，以使得電子e受到電場E與磁場B的交互作用而於第一時間段沿著方向A3(向左)進行螺旋偏移且於第二時間段沿著相反於方向 A3的方向A4(向右)進行螺旋偏移，其中方向A3與方向A4正交於電場E的方向且也正交於磁場B的方向。其中電子e與線性放電腔110中的中性氣體原子n發生碰撞以使得中性氣體原子n被電離而產生帶正電的離子i與帶負電的電子e。

具體而言，傳統的線性霍爾推進器的磁場為穩態的(意即方向不變)，螺旋偏移的電子僅會往同一方向移動，因此部分螺旋電子會因為沒有撞擊到中性氣體原子而最終撞擊至放電腔的壁面，造成高動能電子損失，導致效率低落(推進效率極低及難以長時間運作)，此正是傳統的線性霍爾推進器的缺點。

相對而言，本發明的交互式磁場線性霍爾推進器使得流經螺線管線圈的電流交互反轉以使得其產生的磁場以一頻率呈現交互反轉，從而使得螺旋電子在尚未撞擊到線性放電腔的壁面前，逆轉磁場的方向，讓即將要撞擊到線性放電腔的壁面的螺旋電子朝向反方向移動，直至將要撞擊到線性放電腔的另一壁面前，再將磁場的方向逆轉回來，從而大幅度的減少螺旋電子撞擊到線性放電腔的壁面的情形，以有效地提高交互式磁場線性霍爾推進器的效率，改善了傳統的線性霍爾推進器之效率極差的問題，可應用於低軌商用衛星的推進系統。換言之，本發明運用線性幾何設計與交互式磁場設計，能夠在維持推進器的效率的同時，減少推進器的零件數量，降低推進器質量，從而縮小衛星的體積與重量，讓線性霍爾推進器能夠實際應用至衛星任 務中，減少研發成本、製造成本與衛星的發射成本。具體而言，本發明透過交互式磁場來束縛高速螺旋電子，盡可能提高電子停留在線性放電腔中的時間，如此一來能提高中性氣體原子被高速螺旋電子碰撞，激發成電漿(中性氣體原子受高速螺旋電子碰撞後產生電子與離子)的機會。

以上概述了數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可以更了解本發明的態樣。熟習此技藝者應了解到，其可輕易地把本發明當作基礎來設計或修改其他的製程與結構，藉此實現和在此所介紹的這些實施例相同的目標及/或達到相同的優點。熟習此技藝者也應可明白，這些等效的建構並未脫離本發明的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本發明精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。

10:交互式磁場線性霍爾推進器

110:線性放電腔

112:開口

130:螺線管線圈

A-A’:線

D1:第一方向

D2:第二方向

E:電場

Claims (8)

1. 一種交互式磁場線性霍爾推進器，包括：一線性放電腔；一陽極電極，設置於該線性放電腔內且沿著一第一方向與該線性放電腔的一開口相對，該陽極電極用以產生一電場，其中該電場的方向係平行於該第一方向；及複數個螺線管線圈，其中該些螺線管線圈中每一者的一軸向方向係平行於該第一方向，其中該些螺線管線圈用以於該線性放電腔的該開口處產生一磁場，其中該磁場的方向係平行於正交於該第一方向的一第二方向；其中該些螺線管線圈包含複數個上螺線管線圈與複數個下螺線管線圈，其中該線性放電腔沿著該第二方向夾設於該些上螺線管線圈與該些下螺線管線圈之間；其中該些螺線管線圈更用以使該磁場的方向以一頻率呈現交互反轉；其中該些螺線管線圈被通以交流電以使得該磁場成為方向交互反轉的交流磁場；其中該線性放電腔之中的電子受到該電場與該磁場的交互作用而於一第一時間段沿著一第三方向進行螺旋偏移且於一第二時間段沿著相反於該第三方向的一第四方向進行螺旋偏移，其中該第三方向正交於該電場的方向且也正交於該磁場的方向；其中該線性放電腔之中的電子在螺旋偏移期間會與該線性放電腔中的中性氣體原子發生碰撞，經由碰撞使得中性 氣體原子被電離(ionized)而產生的帶正電的離子會受到該電場的影響而沿著該第一方向被推離該線性放電腔，產生推力。
2. 如請求項1所述之交互式磁場線性霍爾推進器，更包括：一氣體配置腔，用以儲存中性氣體原子，其中該陽極電極沿著該第一方向夾設於該氣體配置腔與該線性放電腔的該開口之間；其中該陽極電極具有至少一第一槽孔，其中該氣體配置腔透過該至少一第一槽孔將中性氣體原子輸送至該線性放電腔內。
3. 如請求項2所述之交互式磁場線性霍爾推進器，更包括：二前導磁材料片，其中該線性放電腔的該開口係沿著該第二方向夾設於該些前導磁材料片之間；及一後導磁材料片，沿著該第一方向夾設於該陽極電極與該氣體配置腔之間，其中該後導磁材料片具有至少一第二槽孔，該至少一第二槽孔與該至少一第一槽孔的位置相對應，其中該氣體配置腔透過該至少一第一槽孔與該至少一第二槽孔將中性氣體原子輸送至該線性放電腔內；其中該些螺線管線圈、該些前導磁材料片與該後導磁材料片用以構成環繞該線性放電腔的一磁場迴路。
4. 如請求項1所述之交互式磁場線性霍爾推進器，其中該些螺線管線圈中每一者係繞設於一導磁柱體上。
5. 如請求項1所述之交互式磁場線性霍爾推進器，其中該頻率小於20GHz。
6. 如請求項1所述之交互式磁場線性霍爾推進器，其中該線性放電腔的該開口的形狀為長方形、圓形、正方形、三角形或多邊形。
7. 如請求項1所述之交互式磁場線性霍爾推進器，其中該些上螺線管線圈中每一者的纏繞方向相反於該些下螺線管線圈中每一者的纏繞方向。
8. 一種交互式磁場線性霍爾推進方法，包括：於一線性放電腔中產生朝向該線性放電腔的一開口的一電場；透過複數個螺線管線圈以於該線性放電腔的該開口處產生以一頻率呈現交互反轉的一磁場，其中該磁場的方向係正交於該電場的方向；及提供電子進入該線性放電腔之中，以使得電子受到該電場與該磁場的交互作用而於一第一時間段沿著一第三方向 進行螺旋偏移且於一第二時間段沿著相反於該第三方向的一第四方向進行螺旋偏移，其中該第三方向正交於該電場的方向且也正交於該磁場的方向；其中該些螺線管線圈包含複數個上螺線管線圈與複數個下螺線管線圈，其中該線性放電腔沿著該磁場的方向夾設於該些上螺線管線圈與該些下螺線管線圈之間；其中該些螺線管線圈用以使該磁場的方向以該頻率呈現交互反轉；其中該些螺線管線圈被通以交流電以使得該磁場成為方向交互反轉的交流磁場；其中該線性放電腔之中的電子在螺旋偏移期間會與該線性放電腔中的中性氣體原子發生碰撞，經由碰撞使得中性氣體原子被電離而產生的帶正電的離子會受到該電場的影響而沿著該電場的方向被推離該線性放電腔，產生推力。

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