CN102644574B - 霍尔推力器的变截面通道的加工方法 - Google Patents

Abstract

霍尔推力器的变截面通道的加工方法，涉及霍尔推力器的设计方法，它为了解决延长现有霍尔推力器工作寿命的问题。它包括具体步骤为：步骤一、对霍尔推力器进行点火运行，测量从发动机点火开始到发动机不能再次点火运行的时间段内，霍尔推力器放电通道的壁面法向侵蚀速度c随时间变化的曲线；步骤二、模拟计算得到不同时刻的壁面法向侵蚀速度c，并建立由法向侵蚀速度c与壁面形貌的一一对应数据关系；步骤三、由步骤获得的壁面法向侵蚀速度c随时间变化的曲线和步骤二获得的法向侵蚀速度c与壁面形貌的一一对应数据关系，得到霍尔推力器的变截面通道的形貌参数；步骤四、根据获得的形貌参数加工霍尔推力器的通道壁截面形状。用于设计霍尔推力器。

Description

霍尔推力器的变截面通道的加工方法

技术领域

本发明涉及霍尔推力器的设计方法。

背景技术

Hall推力器是电推进装置的最基本的类型。利用电能加热、离解和加速工质，使其形成高速射流而产生推力的技术。与化学推进相比，具有比冲高、推力小、能重复启动、重量轻和寿命长等特点，因而可以用作航天器的姿态控制、轨道转移和提升、轨道修正、阻力补偿、位置保持、重新定位、离轨处理、宇宙探测和星际航行等任务。随着通信卫星向着长寿命、大质量、高功率方向发展，对推进器的功率密度及寿命要求就更为苛刻。对于一颗任务期限为15年的卫星来说，推进器的理想工作寿命预计要求超过15000小时，同样对于深空探测任务而言，也要求具有较长的寿命。为满足长寿命卫星平台需求，急需提高现有霍尔推力器工作寿命。

发明内容

本发明的目的是为了解决延长现有霍尔推力器工作寿命的问题，提供霍尔推力器的变截面通道的加工方法。

霍尔推力器的变截面通道的加工方法，它包括具体步骤如下：

步骤一、对霍尔推力器进行点火运行，测量从发动机点火开始到发动机不能再次点火运行的时间段内，霍尔推力器放电通道的壁面法向侵蚀速度c随时间变化的曲线；

步骤二、模拟计算得到不同时刻的壁面法向侵蚀速度c，并建立由法向侵蚀速度c与壁面形貌的一一对应数据关系；

步骤三、由步骤一获得的壁面法向侵蚀速度c随时间变化的曲线和步骤二获得的法向侵蚀速度c与壁面形貌的一一对应数据关系，得到霍尔推力器的变截面通道的形貌参数；

步骤四、根据获得的形貌参数加工霍尔推力器的通道壁截面形状。

本发明通过把如图4传统等截面壁面的形状改变为如图1的缓变截面壁面形貌，由于临近出口的弯曲变截面具有对带电粒子的避让机制，就能使推力器在采用相同厚度的陶瓷壁面的条件下，被腐蚀条件改善，寿命更长。这样就会减小带电粒子对推力器的溅射腐蚀作用，使得推力器的溅射腐蚀速率跳过初始正常腐蚀区域，直接进入减速腐蚀区，有效的延长了推力器的工作寿命30％以上。

附图说明

图1为本发明的缓变截面壁面形貌的霍尔推力器的局部剖面示意图，1为外壁，2为内壁，3为内磁极，4为外磁极；图2为现有的霍尔推力器壁面侵蚀示意图，图3为霍尔推力器壁面腐蚀速率随时间变化曲线图，◆为型号T-220的霍尔推力器，▲为型号SPT-100的霍尔推力器，●为型号NASA-400M的霍尔推力器，*为型号NASA-120Mv1的霍尔推力器；图4为现有霍尔推力器的局部剖面示意图，图5为型号SPT-100的霍尔推力器0至4000小时陶瓷壁面材质被离子溅射侵蚀剥落的壁面形貌数据的示意图，图中横坐标代表侵蚀长度，单位为mm，纵坐标代表陶瓷壁面的壁面形貌，单位为mm，引出线标出对应的时间，单位为小时；图6为陶瓷壁面在离子轰击下的溅射侵蚀速率示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图6说明本实施方式，本实施方式所述霍尔推力器的变截面通道的加工方法，它包括具体步骤如下：

步骤一、对霍尔推力器进行点火运行，测量从发动机点火开始到发动机不能再次点火运行的时间段内，霍尔推力器放电通道的壁面法向侵蚀速度c随时间变化的曲线；

步骤二、模拟计算得到不同时刻的壁面法向侵蚀速度c，并建立由法向侵蚀速度c与壁面形貌的一一对应数据关系；

步骤三、由步骤一获得的壁面法向侵蚀速度c随时间变化的曲线和步骤二获得的法向侵蚀速度c与壁面形貌的一一对应数据关系，得到霍尔推力器的变截面通道的形貌参数；

步骤四、根据获得的形貌参数加工霍尔推力器的通道壁截面形状。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述霍尔推力器的变截面通道的加工方法的进一步限定，所述建立由法向侵蚀速度c与壁面形貌一一对应数据的过程为：

霍尔推力器放电通道的壁面材料在离子溅射侵蚀的作用下表面材质不断被剥落，表面形貌在侵蚀过程中不断演化，如图6所示。

θ＝arccos(n·n′)是离子入射方向和表面法线方向所成的角度，n表示表面法向的单位向量，n′表示指向离子束入射方向的单位向量；表面的法向侵蚀速度c表示为：

c＝qn         (1)

其中q是溅射侵蚀速率，它表示为：

$q=\frac{J_i\·Y(E,\mathrm{\θ})\·\cos \mathrm{\θ}}{N}---\left(2\right)$

其中J_i是离子流的密度，N是陶瓷壁面的原子密度，Y为溅射产额，Y(E，θ)为当入射能量为E的一个离子以入射角度θ入射至陶瓷壁面时获得的溅射产额，离子入射能量E和入射角度θ对溅射产额Y的影响相互独立。

具体实施方式三：本实施方式是对实施方式二所述霍尔推力器的变截面通道的加工方法的进一步限定，所述溅射产额Y(E，θ)为：

Y(E，θ)＝Y′(θ)·Y′(E)           (3)

公式中，Y′(E)为能量溅射产额，Y′(θ)为角度溅射产额；

此时，

$q=\frac{J_i\·Y^{\′}\left(E\right)}{N}{\·Y}^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)\·\cos \mathrm{\θ}---\left(4\right)$

进而获得：

$c=\mathrm{qn}=n\frac{J_i\·Y^{\′}\left(E\right)}{N}{\·Y}^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)\·\cos \mathrm{\θ}---\left(5\right)$

其中，离子流的密度J_i、陶瓷壁面的原子密度N、表面法向的单位向量n是和离子入射方向和表面法线方向所成的角度θ由步骤一通过探针仪器测量为已知。

具体实施方式四：本实施方式是对实施方式三所述霍尔推力器的变截面通道的加工方法的进一步限定，所述Y′(E)由基于LCC理论的半经验溅射计算方程计算获得：

$Y^{\′}\left(E\right)=\frac{0.042\·\mathrm{\α}(M_2/M_1)}{U_0}\frac{{Y^{\′}}_n\left(E\right)}{1+{{\mathrm{Ay}}^{\′}}_e\left(\mathrm{\ϵ}\right)}{[1-(\frac{E_{\mathrm{th}}}{E}{)}^{\frac{1}{2}}]}^S---\left(6\right)$

公式中α为经验系数，该系数取决于陶瓷壁面的原子序数Z₂，α表示为：Q(Z₂)·α，Q(Z₂)为无量纲常量，代入公式(6)得到：

$Y^{\′}\left(E\right)=\frac{0.042\·Q\left(Z_2\right)\·\mathrm{\α}*(M_2/M_1)}{U_0}\frac{{Y^{\′}}_n\left(E\right)}{1+{{\mathrm{Ay}}^{\′}}_e\left(\mathrm{\ϵ}\right)}{[1-(\frac{E_{\mathrm{th}}}{E}{)}^{\frac{1}{2}}]}^S---\left(7\right)$

其中M₁是入射离子的质量，M₂是陶瓷壁面原子的质量，Y′_n(E)是核阻止截面，E是离子能量，y′_e(ε)是电子阻止截面，E_th是溅射阈值能。

具体实施方式五：本实施方式是对实施方式四所述霍尔推力器的变截面通道的加工方法的进一步限定，所述核阻止截面Y′_n(E)约化形式的核阻止截面：

${Y^{\′}}_n\left(E\right)=4\mathrm{\π}{Z}_1{Z}_2{e}^2{a}_{12}\frac{M_1}{M_1{+M}_2}{y^{\′}}_n\left(\mathrm{\ϵ}\right)---\left(8\right)$

其中Z₁是入射离子的原子序数，e是基本电荷，a₁₂是屏蔽半径：

$a_{12}={\left(\frac{{9\mathrm{\π}}^2}{128}\right)}^{1/3}\frac{a_0}{{(Z_1^{2/3}+Z_2^{2/3})}^{1/2}}---\left(9\right)$

其中a₀为Bohr半径：

则有：

具体实施方式六：本实施方式是对实施方式四所述霍尔推力器的变截面通道的加工方法的进一步限定，所述约化核阻止截面y′_n(ε)为：

${y^{\′}}_n\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{{3.441\mathrm{\ϵ}}^{1/2}\ln (\mathrm{\ϵ}+2.718)}{1+6.355{\mathrm{\ϵ}}^{1/2}+\mathrm{\ϵ}({6.882\mathrm{\ϵ}}^{1/2}-1.708)}---\left(11\right)$

其中离子能量E以eV为单位条件下的约化能ε为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{0.03253M_{2}E}{Z_1{Z}_2(M_1+M_2){(Z_1^{2/3}+Z_2^{2/3})}^{1/2}}---\left(12\right)$

式(7)中的约化电子阻止截面y′_e(ε)表示为：

y′_e(ε)＝kε^1/2        (13)

其中参数k为：

$k=0.0793\frac{{(M_1+M_2)}^{3/2}}{M_1^{3/2}{M_2}^{1/2}}\frac{Z_1^{2/3}{Z}_2^{1/2}}{{(Z_1^{2/3}+Z_2^{2/3})}^{3/4}}---\left(14\right)$

式(7)中的A为：

A＝0.35U₀              (15)

式(7)中的参数S取为2.5，且a^*为以下形式：

$a^{*}=\left\{\begin{array}{cc}0.249{(M_2/M_1)}^{0.56}+{0.0035(M_2/M_1)}^{1.5}& M_1\≤M_2\\ 0.0875{(M_2/M_1)}^{-0.15}+0.165(M_2/M_1)& M_1>M_2\end{array}\right.---\left(16\right).$

具体实施方式七：本实施方式是对实施方式四所述霍尔推力器的变截面通道的加工方法的进步限定，所述溅射阈值能E_th为：

$E_{\mathrm{th}}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1+5.7(M_1/M_2)}{\mathrm{\γ}}{U}_0& M_1\≤M_2\\ \frac{6.7}{\mathrm{\γ}}{U}_0& M_1{>M}_2\end{array}\right.---\left(17\right)$

其中γ为弹性碰撞过程中的能量转输因子：

$\mathrm{\γ}=\frac{{4M}_1{M}_2}{{(M_1+M_2)}^2}---\left(18\right)$

Xe⁺轰击陶瓷壁面条件下能量溅射半经验计算方程(7)中Q的形式：

${\mathrm{Qr}}^3=0.0296\left\{\exp \right[-\frac{{(M_2-9.729)}^2}{2\·29.52^2}\left]\right\}$ $\left(19\right)$

$+0.0188\{1-\exp [-\frac{{(M_2-30)}^2}{{2.50}^2}]$

其中r为平均原子间距，由下式给出：

$r^3=\frac{{10}^{21}{M}_2}{{\mathrm{\ρN}}_A}{\mathrm{nm}}^3---\left(20\right)$

其中ρ为陶瓷壁面密度g·cm^-3，N_A为常数；

确定材料的物理性质后就能利用半经验公式(7)计算陶瓷壁面在Xe⁺轰击下的能量溅射产额Y′(E)。

具体实施方式八：本实施方式是对实施方式三所述霍尔推力器的变截面通道的加工方法的进步限定，所述Y′(θ)通过经验公式拟合得到：

Y′(θ)＝x^fexp[-∑(x-1)]            (21)

其中，x＝1/cosθ，∑和f满足关系：

霍尔推力器器壁侵蚀实验如图2表明，1为通道外壁，2为通道内壁，3为内磁极，4为外磁极；图5为壁面形貌变化的示意图，图中横坐标代表侵蚀长度，单位为mm，纵坐标代表陶瓷壁面的壁面形貌，单位为mm，引出线标出对应的时引间，单位为小时；侵蚀速率表现为随时间的减速衰减过程：侵蚀初期侵蚀速率高且衰减迅速，随着时间的增加，衰减速率降低，在侵蚀后期侵蚀速率相对稳定在一个较低的水平上，见图3的腐蚀速率随时间的变化曲线，图3中给出了型号T-220的霍尔推力器◆、型号SPT-100的霍尔推力器▲、型号NASA-400M的霍尔推力器●和型号NASA-120Mv1的霍尔推力器*的腐蚀速率随时间的变化曲线。

因此，如果采用变截面的方法使得推力器从运行的开始就进入较低的腐蚀速度，那么其寿命将会延长许多。

另一方面，推力器壁面形貌变化期间其放电特性和工作性能会发生显著的变化。放电特性是随着推力器壁面面容比的变化而变化的。如果采用变截面推力器，将会使得其面容比的变化相对减小，将有利于减小推力器放电特性的变化与增加推力器的稳定性。

本发明通过把如图4传统等截面壁面的形状改变为如图1的缓变截面壁面形貌，由于临近出口的弯曲变截面具有对带电粒子的避让机制。就能使推力器在采用相同厚度的陶瓷壁面的条件下，被腐蚀条件改善，寿命更长。这样就会减小带电粒子对推力器的溅射腐蚀作用，使得推力器的溅射腐蚀速率跳过初始正常腐蚀区域，直接进入减速腐蚀区，有效的延长了推力器的工作寿命30％以上。

Claims (4)

1.霍尔推力器的变截面通道的加工方法，它包括具体步骤如下： 

步骤一、对霍尔推力器进行点火运行，测量从发动机点火开始到发动机不能再次点火运行的时间段内，霍尔推力器放电通道的壁面法向侵蚀速度c随时间变化的曲线； 

步骤二、模拟计算得到不同时刻的壁面法向侵蚀速度c，并建立由法向侵蚀速度c与壁面形貌的一一对应数据关系； 

步骤三、由步骤一获得的壁面法向侵蚀速度c随时间变化的曲线和步骤二获得的法向侵蚀速度c与壁面形貌的一一对应数据关系，得到霍尔推力器的变截面通道的形貌参数； 

步骤四、根据获得的形貌参数加工霍尔推力器的通道壁截面形状； 

步骤二中，所述建立由法向侵蚀速度c与壁面形貌一一对应数据的过程为： 

θ=arccos(n·n′)是离子入射方向和表面法线方向所成的角度，n表示表面法向的单位向量，n'表示指向离子束入射方向的单位向量； 

壁面法向侵蚀速度c为： 

c=qn  (1) 

其中q是溅射侵蚀速率，为： 

其中J_i是离子流的密度，N是陶瓷壁面的原子密度，Y为溅射产额，Y(E,θ)为当入射能量为E的一个离子以入射角度θ入射至陶瓷壁面时获得的溅射产额，离子入射能量E和入射角度θ对溅射产额Y的影响相互独立； 

所述溅射产额Y(E,θ)为： 

Y(E,θ)=Y'(θ)·Y'(E)  (3) 

公式中，Y′(E)为能量溅射产额，Y'(θ)为角度溅射产额； 

此时， 

进而获得： 

Y'(E)由基于LCC理论的半经验溅射计算方程计算获得： 

公式中α为经验系数，该系数取决于陶瓷壁面的原子序数Z₂，表示为：Q(Z₂)·α*，Q(Z₂)为无量纲常量，代入公式(6)得到： 

其中M₁是入射离子的质量，M₂是陶瓷壁面原子的质量，Y'_n(E)是核阻止截面，E是离子能量，y'_e(ε)是电子阻止截面，E_th是溅射阈值能； 

其特征在于，所述核阻止截面Y'_n(E)约化形式的核阻止截面： 

其中Z₁是入射离子的原子序数，e是基本电荷，a₁₂是屏蔽半径： 

其中a₀为Bohr半径：

则有： 

其中y'_n(ε)是约化核阻止截面。 

2.根据权利要求1所述的霍尔推力器的变截面通道的加工方法，其特征在于，所述约化核阻止截面y'_n(ε)为： 

其中离子能量E以eV为单位条件下的约化能ε为： 

式（7）中的约化电子阻止截面y'_e(ε)表示为： 

y'_e(ε)=kε^1/2  (13) 

其中参数k为： 

式（7）中的A为： 

A=0.35U₀  (15) 

式（7）中的参数S取为2.5，且α*为以下形式： 

。 

3.根据权利要求1所述的霍尔推力器的变截面通道的加工方法，其特征在于，所述溅射阈值能E_th为： 

其中γ为弹性碰撞过程中的能量转输因子： 

Xe⁺轰击陶瓷壁面条件下能量溅射半经验计算方程（7）中Q的形式： 

其中r为平均原子间距，由下式给出： 

其中ρ为陶瓷壁面密度g·cm^-3，N_A为常数； 

确定材料的物理性质后就能利用半经验公式（7）计算陶瓷壁面在Xe⁺轰击下的能量 溅射产额Y'(E)。 

4.根据权利要求1所述的霍尔推力器的变截面通道的加工方法，其特征在于，所述Y'(θ)通过经验公式拟合得到： 

Y'(θ)=x^fexp[-∑(x-1)]  (21) 

其中，x=1/cosθ，∑和f满足关系： 

。

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