CN102493936A - 基于磁聚焦的霍尔推力器 - Google Patents

Abstract

基于磁聚焦的霍尔推力器，它涉及霍尔推力器。它为解决现有霍尔推进器由于高能离子对壁面材料进行溅射轰击，造成通道陶瓷壁面被击穿，使其性能发生大幅改变，最终造成推力器失效的问题。阳极设置在放电通道中部，阴极设置在放电通道出口处；外线圈和内线圈对称设置在放电通道的出口处两侧，

和

分别为轴向磁感应强度和径向磁感应强度；外线圈和内线圈产生的磁场位形的磁力线倾斜角为a_m，则

通过改变外线圈4和内线圈5的励磁电流强度产生两种磁场位形：磁力线与所述径向方向重合，则a_m＝0°；磁力线向阳极1方向倾斜，则a_m＜0°。它通过影响轰击壁面的离子通量、能量及入射角度等溅射参数，实现降低通道壁面侵蚀、延长推力器寿命的方法。

Description

基于磁聚焦的霍尔推力器

技术领域

本发明涉及航天宇航推进中电推进领域，具体涉及一种霍尔推力器。

背景技术

霍尔推力器是电推进装置的一种，广泛应用于高轨卫星位姿保持、轨道转移等领域。霍尔推力器通过电场加热电子来电离惰性气体工质，电离产生的离子在加速电场的作用下加速喷出，产生推力。

研究发现限制霍尔推力器使用寿命最重要的原因是：加速通道内离子束发散对内外壁面轰击造成的溅射侵蚀。在放电通道内，工质原子在电离前的运动属于扩散运动，存在着径向运动分量，电离产生的离子继承了原子的初速度，也具有一定的径向速度分量。导致了当离子进入加速区后离子束会沿着径向方向进行扩散；另外，等离子体同器壁的相互作用而形成的鞘层以及预鞘层结构也会产生径向方向的电场造成离子径向发散。由于上述多种物理因素的影响，离子束流在通道内将产生发散，在加速区总有一部分高能离子不能够直接喷出通道，而是对壁面材料进行溅射轰击，当轰击能量大于壁面原子的结合能时，壁面材料便被溅射出来造成壁面的损失。长时间的离子轰击最终会导致通道陶瓷壁面被击穿使得磁极暴露在等离子体中，这破坏了推力器正常的工作条件，使得霍尔推力器的性能发生大幅改变，最终造成推力器失效，寿命终结。

发明内容

本发明为了解决现有霍尔推进器由于高能离子对壁面材料进行溅射轰击，造成通道陶瓷壁面被击穿，使其性能发生大幅改变，最终造成推力器失效的问题，而提出了一种基于磁聚焦的霍尔推力器。

基于磁聚焦的霍尔推力器，所述霍尔推力器包括阳极、阴极、放电通道、外线圈和内线圈；所述阳极设置在放电通道中部，所述阴极设置在放电通道出口处；所述阳极连接放电电源的正极，所述阴极连接放电电源的负极，外线圈和内线圈对称设置在放电通道的出口处两侧，所述外线圈和内线圈通电励磁后形成励磁回路，在放电通道内形成磁场；并且通过改变外线圈和内线圈的励磁电流强度在放电通道的内部通道产生磁场位形；设定从阳极到出口为正的轴向方向，从内线圈所在一侧的壁面指向外线圈所在一侧的壁面为正的径向方向，

和

分别为轴向磁感应强度和径向磁感应强度；外线圈和内线圈产生的磁场位形的磁力线倾斜角为a_m，则

通过改变外线圈和内线圈的励磁电流强度产生两种磁场位形：

第一种，所述的磁力线与所述径向方向重合，则a_m＝0°；

第二种，所述的磁力线向阳极1方向倾斜，则a_m＜0°。

本发明基于磁力线等电势的特点，针对原有的推力器放电通道电场分布不能有效控制离子流运行的问题，提出了设计放电通道的聚焦磁场位形，进而控制放电通道中的电势分布，从而影响轰击壁面的离子通量、能量及入射角度等溅射参数，实现降低通道壁面侵蚀、延长推力器寿命的方法。

附图说明

图1为霍尔推进器放电通道部分的电路原理图；图2为本发明的聚焦磁场位形示意图；图3为图2的a部放大图；图4为本发明的发散磁场位形示意图；图5为图4的b部放大图；图6为轰击外壁面的离子通量；图7为轰击外壁面的离子能量；图8为轰击外壁面的离子入射角度；图9为外壁面100小时形貌演化(Huygens子波程序仿真结果)；图10为外壁面50小时形貌演化(实验结果)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述基于磁聚焦的霍尔推力器包括阳极1、阴极2、放电通道3、外线圈4和内线圈5；所述阳极1设置在放电通道3中部，所述阴极2设置在放电通道3出口处；所述阳极1连接放电电源的正极，所述阴极2连接放电电源的负极，外线圈4和内线圈5对称设置在放电通道3的出口处两侧，所述外线圈4和内线圈5通电励磁后形成励磁回路，在放电通道内形成磁场；并且通过改变外线圈4和内线圈5的励磁电流强度在放电通道3的内部通道产生磁场位形；设定从阳极1到出口为正的轴向方向，从内线圈5所在一侧的壁面指向外线圈4所在一侧的壁面为正的径向方向，

和分别为轴向磁感应强度和径向磁感应强度；外线圈4和内线圈5产生的磁场位形的磁力线倾斜角为a_m，则

通过改变外线圈4和内线圈5的励磁电流强度产生两种磁场位形：

第一种，所述的磁力线与所述径向方向重合，则a_m＝0°；如图2和图3聚焦磁场位形；

第二种，所述的磁力线向阳极1方向倾斜，则a_m＜0°，如图4和图5发散磁场位形。

相比较发散磁场，在聚焦磁场条件下放电通道中的电势分布能有效控制离子束流的发散，PIC模拟程序可统计离子对壁面的轰击参数，对于外壁面轰击壁面的离子通量如图9，能量E如图7及入射角度θ如图8所示，统计结果表明聚焦磁场能够降低离子入射能量，使得溅射角度远离最大溅射角，能够导致溅射速率的降低；同时能够增大离子入射能量，导致溅射速率增加，但整体效果会导致溅射速率的降低，Huygens子波的壁面演化程序仿真结果如图9所示，聚焦磁场可降低溅射速率，从而实现推力器寿命的延长。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述霍尔推力器还包括附加线圈6，附加线圈6横向并列在内线圈5远离放电通道3出口的一侧，附加线圈6用于微调整外线圈4和内线圈5在放电通道3的内部通道产生的磁场位形。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同点在于所述内线圈5与附加线圈6之间的距离为2mm。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。

原理：通过调节内线圈4、外线圈5、附加线圈6的励磁电流强度，在霍尔推力器放电通道中形成聚焦磁场位形，得到能有效控制离子流发散的电势分布。相比较非聚焦磁场，在聚焦磁场条件下放电通道中的电势分布能有效控制离子束流的发散，采用PIC数值仿真的方法分别统计聚焦磁场和发散磁场条件下离子对壁面的轰击参数，以外壁面为例，统计结果表明在聚焦磁场条件下能降低轰击壁面的离子通量(如图7所示)、增大入射离子能量E(如图8所示)以及使出口处的离子入射角度θ远离最大溅射角(如图9所示)，尽管在聚焦磁场条件下，入射离子能量的增大会导致壁面的溅射侵蚀速率增加，但离子通量的降低以及离子入射角度远离最大溅射角，能够有效地降低壁面的溅射侵蚀速率，其综合效应导致溅射速率的降低，Huygens子波的壁面演化程序结果也验证了这一结论，如图9所示。此外，聚焦磁场和发散磁场50小时的壁面侵蚀实验也进一步验证了这一结论，如图10所示。聚焦磁场条件下的器壁溅射厚度约为发散磁场条件下器壁溅射厚度的30％。对于内壁面，在聚焦磁场条件下，其离子轰击参数和壁面演化过程与外壁面相同，因而聚焦磁场能够有效提高推力器的寿命。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (3)

1.基于磁聚焦的霍尔推力器，其特征在于所述霍尔推力器包括阳极(1)、阴极(2)、放电通道(3)、外线圈(4)和内线圈(5)；所述阳极(1)设置在放电通道(3)中部，所述阴极(2)设置在放电通道(3)出口处；所述阳极(1)连接放电电源的正极，所述阴极(2)连接放电电源的负极，外线圈(4)和内线圈(5)对称设置在放电通道(3)的出口处两侧，所述外线圈(4)和内线圈(5)通电励磁后形成励磁回路，在放电通道内形成磁场；并且通过改变外线圈(4)和内线圈(5)的励磁电流强度在放电通道(3)的内部通道产生磁场位形；设定从阳极(1)到出口为正的轴向方向，从内线圈(5)所在一侧的壁面指向外线圈(4)所在一侧的壁面为正的径向方向，

和

分别为轴向磁感应强度和径向磁感应强度；外线圈(4)和内线圈(5)产生的磁场位形的磁力线倾斜角为a_m，则

通过改变外线圈(4)和内线圈(5)的励磁电流强度产生两种磁场位形：

第一种，所述的磁力线与所述径向方向重合，则a_m＝0°；

第二种，所述的磁力线向阳极(1)方向倾斜，则a_m＜0°。

2.根据权利要求1所述的基于磁聚焦的霍尔推力器，其特征在于所述霍尔推力器还包括附加线圈(6)，附加线圈(6)横向并列在内线圈(5)远离放电通道(3)出口的一侧，附加线圈(6)用于微调整外线圈(4)和内线圈(5)在放电通道(3)的内部通道产生的磁场位形。

3.根据权利要求2所述的基于磁聚焦的霍尔推力器，其特征在于所述内线圈(5)与附加线圈(6)之间的距离为2mm。

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