O campo de emissões de propulsão elétrica - Field-emission electric propulsion

De emissão de campo eléctrico de propulsão ( Feep ) é um conceito avançado electrostática espaço de propulsão, uma forma de propulsor de iões , que utiliza líquido de metal (geralmente ou de césio , de índio ou de mercúrio ) como um propulsor. Um dispositivo Feep consiste de um emissor e um eléctrodo acelerador. A diferença de potencial da ordem dos 10 kV é aplicada entre os dois, o que gera um forte campo eléctrico na ponta da superfície do metal. A interacção da força eléctrica e tensão superficial gera instabilidades de superfície que dão origem a cones de Taylor na superfície do líquido. No suficientemente elevados valores do campo aplicado, iões são extraídos a partir da ponta do cone por evaporação campo ou mecanismos similares, que, em seguida, são aceleradas a velocidades elevadas (tipicamente 100 km / s ou mais).

Uma fonte de elétrons separado é necessário para manter a nave espacial eletricamente neutro. Devido à sua muito baixa de impulso (no micronewton para milinewton gama), os propulsores Feep são utilizados principalmente para microradian, micronewton controlo de atitude em sonda , tal como no SEC / NASA LISA Pathfinder sonda científica.

O Feep propulsor também foi programado para instalação em Gravidade Campo e Oceano Estado-Firme Circulation Explorador nave espacial, mas o propulsor Gridded ion foi usado.

O conceito

De emissão de campo eléctrico de propulsão (Feep) é um conceito de propulsão electrostática baseado em ionização campo de um metal líquido e subsequente aceleração dos iões por um campo eléctrico forte. Feep é atualmente o objeto de interesse na comunidade científica, devido às suas características únicas: sub-μN para mN gama impulso, perto interruptor instantânea on / desligar capacidade, e de alta resolução throttleability (melhor do que uma parte em 10 ⁴ ), que permite a modulação de impulso precisos em ambos os modos contínuo ou pulsado. Presentemente linha de base para missões científicas a bordo de satélites livre de arrasto , este sistema de propulsão também foi proposto para controle de atitude e órbita manutenção em pequenos satélites comerciais e constelações.

Este tipo de propulsor pode acelerar um grande número de metais ou ligas líquidos diferentes. O melhor desempenho (em termos de eficiência de impulso e relação potência-a-impulso) pode ser obtido usando metais de peso atómico elevados alcalinos, tais como de césio e rubídio (133 amu para Cs, 85,5 amu para Rb). Estes propelentes têm um baixo potencial de ionização (3,87 eV para Cs e 4,16 eV para Rb), de baixo ponto de fusão (28,7 ° C para 38,9 ° Cs e C para Rb) e capacidades muito bons molhantes. Estas características conduzem a perdas de baixa potência, devido à ionização e aquecimento e a capacidade para utilizar forças capilares para fins de alimentação (isto é, não há tanques pressurizados nem válvulas são necessárias). Além disso, os metais alcalinos têm a menor atitude para formar gotículas ionizados ou iões multiplamente carregados, levando assim à melhor eficiência massa atingível. A pressão real é produzido por esgotar um feixe de césio ou de rubídio átomos principalmente isoladamente ionizadas, produzidos por evaporação campo na ponta do emissor.

Um eléctrodo de aceleração (acelerador) está colocada directamente em frente do emissor. Este eléctrodo é constituído por uma placa de metal (aço inoxidável geralmente) onde duas lâminas afiadas são maquinados. Quando impulso é necessário, um forte campo eléctrico é gerado pela aplicação de uma elevada diferença de tensão entre o emissor e o acelerador. Sob esta condição, a superfície livre do metal líquido entrar em regime de instabilidade local, devido aos efeitos combinados da força electrostática e a tensão superficial. Uma série de cúspides salientes, ou "cones de Taylor" são assim criado. Quando o campo eléctrico atinge um valor na ordem de 10 ⁹ V / m, os átomos na ponta das cúspides espontaneamente ionizar e um jacto de iões é extraída pelo campo eléctrico, enquanto os electrões são rejeitadas no seio do líquido. Uma fonte externa de elétrons (neutralizador) fornece cargas negativas para manter a neutralidade eléctrica global do conjunto propulsor.

O emissor fenda

Fontes de iões de metais líquidos (LMIs) com base na ionização campo ou campo de evaporação foram introduzidos no final dos anos 60 e rapidamente se tornou generalizada como fontes de iões simples, barato para uma série de aplicações. Em particular, o uso de LMIS operado em gálio, índio, metais alcalinos ou de ligas tem sido prática corrente em espectrometria de massa de iões secundários (SIMS) desde os anos 70.

Embora existam diferentes configurações de campo do emissor, tal como a agulha, os tipos capilares e emissor de fenda, o princípio de operação é a mesma em todos os casos. No emissor fenda, por exemplo, um propulsor de metal líquido é alimentado por forças capilares, através de um canal estreito. O emissor é constituído por duas metades idênticas feitas a partir de aço inoxidável, e apertada ou aparafusada. Uma camada de níquel, descarga eléctrica depositada sobre uma das metades do emissor, apresenta o contorno de canal desejado e determina a altura do canal (aka altura de fenda, tipicamente 1-2 mm) e largura de canal (fenda aka comprimento, variando a partir de 1 mm até cerca de 7 cm ).

O canal termina na ponta do emissor, formado por arestas vivas que estão localizados em frente um negativo, ou acelerador, eléctrodo, e separados por um pequeno intervalo (cerca de 0,6 mm) a partir da ponta emissor. Uma tensão de extracção é aplicado entre os dois eléctrodos. O emissor carrega um potencial positivo, enquanto o acelerador está no potencial negativo. O campo eléctrico a ser gerado entre o emissor e o acelerador agora actua sobre o propulsor de metal líquido.

A largura da fenda estreita, não apenas permite a alimentação capilar, mas, quando combinada com o canal afiado bordas em frente do acelerador, que também garante uma alta intensidade de campo eléctrico é obtida perto da saída da fenda. A coluna de metal líquido, quando submetido a este campo eléctrico, começa a deformar-se, formando cúspides (cones de Taylor), que se projectam a partir da superfície do líquido. Como as cúspides líquidos formar cones nunca mais nítidas devido à ação do campo elétrico, a intensidade do campo elétrico local perto estas cúspides se intensifica. Uma vez que uma força do campo eléctrico local, de cerca de 10 ⁹ V / m é atingido, os electrões são arrancado os átomos de metal. Estes electrões são recolhidas através da coluna de metal líquido por as paredes do canal, e os iões positivos são acelerados de distância a partir do líquido através de uma abertura no eléctrodo negativo acelerador pelo mesmo campo eltrico que lhes criado.

emissores de fenda tinha sido desenvolvido para aumentar a área de emissão do impulsor a fim de originar níveis axiais mais elevados e para evitar o comportamento irregular observado para emissores individuais. A vantagem substancial de emissores de fenda sobre agulhas empilhados é no mecanismo de auto-regulação que regula a formação e redistribuição de sítios de emissão na superfície de metal líquido de acordo com os parâmetros de funcionamento; em uma matriz de agulha empilhados, ao contrário, os cones de Taylor só podem existir nas pontas fixas, que pré-configurar uma disposição geométrica que só pode ser consistente com uma condição de funcionamento particular.

emissores de fenda com uma grande variedade de larguras de fenda têm sido fabricados; Atualmente, os dispositivos com larguras de fenda entre 2 mm e 7 centímetros estão disponíveis. Estes dispositivos, abrangendo um intervalo de impulso de 0,1 a 2 mN μN, são operados com césio ou de rubídio.

outros projetos

O miniaturizado Feep design do módulo com um emissor-coroa forma a encaixar-se no padrão CubeSat chassi foi relatado em 2017.

O emissor único Feep concepção de 0,5 mN está comercialmente disponível ,, e o seu desenvolvimento versão dispostas está quase completo como em 2018.

Referências

links externos

• Feep - propulsão elétrica Field Emission em Alta SpA
• Propulsores Feep estudado no Grupo Nonequilibrium gás e plasma Dynamics na Universidade de Michigan