CN103397991A - 一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器 - Google Patents

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刘辉
于达仁
马成毓
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Abstract

一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器，涉及等离子推进领域；为了解决现有推力器由于离子对陶瓷壁面的溅射腐蚀严重而导致寿命短和进一步解决现有推力器功率密度低的问题，本发明所述的圆环形永磁体的个数大于或等于3，所述的圆形陶瓷腔体的底部设置有工质射流孔，在所述工质射流孔的周围设有阳极，所述的圆形陶瓷腔体的前段A的内径大于后段C的内径，所述的多块圆环形永磁体依次套在圆形陶瓷腔体的侧壁上，且相邻的两块圆环形永磁体的充磁方向相反，每相邻的两块圆环形永磁体之间固定有导磁环，所述的电源的正极与阳极电连接，所述的电源的负极与空心阴极电连接，且空心阴极位于圆形陶瓷腔体出口侧；本发明主要应用在航天领域。

Description

一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器
技术领域
本发明涉及等离子推进领域。
背景技术
电推进具有比冲高、寿命长、结构紧凑、体积小何污染轻等优点，因此逐渐受到航天界的注意和青睐。其中霍尔推力器和离子推力器是目前应用最为广泛的空间电推进装置。
霍尔推力器采用内外同轴的励磁线圈以产生主要为径向的磁场，并通过圆环形的放电通道实现电离并加速等离子体以产生推力。缺点是内壁面热载荷大，温度高；其径向磁场不能够对等离子体束流进行完全控制，离子对陶瓷壁面的溅射腐蚀严重，推力器寿命短。
离子推力器采用电离室加栅极的设计。通过在整个栅极施加负偏压，对离子进行静电加速。优点是羽流发散角低（小于10°），具有更高的效率以及更长的寿命。缺点是推力器结构尺寸过大，功率密度低；栅极腐蚀严重，影响寿命。
发明内容
本发明是为了解决现有推力器由于离子对陶瓷壁面的溅射腐蚀严重而导致寿命短和进一步解决现有推力器功率密度低的问题，提出了一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器。
一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器，它包括阳极、电源、圆形陶瓷腔体、空心阴极、多块圆环形永磁体、多个导磁环；所述的圆环形永磁体的个数大于或等于3，
所述的圆形陶瓷腔体的底部设置有工质射流孔，在所述工质射流孔的周围设有阳极，
所述的圆形陶瓷腔体沿工质射流的发射方向分为前段A、中段B和后段C，所述的前段A为圆桶形结构，中段B为轴截面为等腰梯形的圆筒形结构，后段C为圆筒形结构，且前段A的内径大于后段C的内径，每块圆环形永磁体为轴向充磁，所述的多块圆环形永磁体依次套在圆形陶瓷腔体的侧壁上，且相邻的两块圆环形永磁体的充磁方向相反，每相邻的两块圆环形永磁体之间固定有导磁环，
所述的电源的正极与阳极电连接，所述的电源的负极与空心阴极电连接，且空心阴极位于圆形陶瓷腔体出口侧。
所述的圆环形永磁体的个数小于15。
所述的圆形陶瓷腔体3的底部设置的工质射流孔的内径小于该圆形陶瓷腔体3前段A的内径。
原理分析：本发明所述的多个圆环形永磁体包围圆形陶瓷腔体，且相邻的两块圆环形永磁体极性相反放置，会形成主要为径向的会切磁场，相邻两块圆环形永磁体之间形成磁尖端，在磁尖端，磁场主要为径向，从圆形陶瓷腔体的底壁的圆孔向圆形陶瓷腔体的通道内进行工质射流，电子由于磁镜效应，被有效地阻碍，避免与壁面的碰撞，因此电子沿着弯曲的磁力线做螺旋线运动；并通过阳极和圆形陶瓷腔体出口处的空心阴极组成放电回路进行对等离子体进行电磁加速，保证较高功率密度，等离子体的加速在圆形陶瓷腔体出口处，电离在圆形陶瓷腔体的通道内，加速区和电离区几乎分离。
本发明带来的有益效果是：
一、对使用寿命的提高：由于在放电通道内取消了内芯结构和栅极结构，并通过会切磁场约束作用，有效的阻碍和避免了电子与壁面的碰撞，进而避免了离子的溅射腐蚀，大大提高了推力器寿命，寿命提高超过40%。
二、推力密度方面，避免了空间电荷饱和效应，增加了单位面积的推力密度，推力密度提高了5%；相对于霍尔推力器来说其溅射和加热程度更低。
三、功率密度方面，通过阳极和圆形陶瓷腔体出口处的空心阴极组成放电回路进行对等离子体进行电磁加速，提高了功率密度，使功率密度提高了5%。
本发明所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器能够工作在更高的放电电压下，因此该推力器的推力和比冲范围更宽。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器的原理示意图；附图标记7表示磁尖端，附图标记8表示电离区，附图标记9表示加速区，附图标记10表示工质射流。
图2为具体实施方式三所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器所形成的磁场位形原理示意图。
图3为具体实施方式三所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器所形成的磁场位形下的通道内等离子体的电势变化示意图。
图4为具体实施方式三所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器，它包括阳极1、电源2、圆形陶瓷腔体3、空心阴极4、多块圆环形永磁体5、多个导磁环6；所述的圆环形永磁体5的个数大于或等于3，
所述的圆形陶瓷腔体3的底部设置有工质射流孔，在所述工质射流孔的周围设有阳极1，
所述的圆形陶瓷腔体3沿工质射流的发射方向分为前段A、中段B和后段C，所述的前段A为圆桶形结构，中段B为轴截面为等腰梯形的圆筒形结构，后段C为圆筒形结构，且前段A的内径大于后段C的内径，每块圆环形永磁体5为轴向充磁，所述的多块圆环形永磁体5依次套在圆形陶瓷腔体3的侧壁上，且相邻的两块圆环形永磁体5的充磁方向相反，每相邻的两块圆环形永磁体5之间固定有导磁环6，
所述的电源2的正极与阳极1电连接，所述的电源2的负极与空心阴极4电连接，且空心阴极4位于圆形陶瓷腔体3出口侧。
本实施方式中，通过相邻两块圆环形永磁体5之间形成磁尖端，且磁尖端所产生的尖端磁镜对电子进行振荡控制，在磁尖端，磁场主要为径向，由于磁镜效应，有效的阻碍和避免了电子与壁面的碰撞，进而避免了离子的溅射腐蚀，大大提高了推力器寿命，通过阳极1和圆形陶瓷腔体3出口处的空心阴极4组成放电回路进行对等离子体进行电磁加速，保证了本发明所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器高功率密度。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器的区别在于，所述的圆环形永磁体5的个数小于15。
具体实施方式三：参见图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器的区别在于，所述的圆环形永磁体5的个数等于3。
本实施方式中，所述的圆环形永磁体5的个数等于3为三级永磁铁结构，所述三块圆环形永磁体5分别套接在圆形陶瓷腔体3的前段A、中段B和后段C的外侧。电子的约束主要是靠相邻两块圆环形永磁体5之间形成磁尖端产生的尖端磁镜的振荡控制，周期性圆环形永磁体5会形成会切磁场，在磁尖端，磁场主要为径向，电子由于磁镜效应，被有效地阻碍，避免与壁面的碰撞，因此电子沿着弯曲的磁力线做螺旋线运动；此种磁场位形控制下，如图2所示，通道内等离子体的电势近似恒定，如图3所示，接近阳极电势，同时受约束的电子在圆形陶瓷腔体3出口处磁尖端附近产生一个几乎为整个等离子体电势大小的电势降。等离子体的加速在圆形陶瓷腔体3出口处，电离在通道内，加速区9和电离区8几乎分离；通道截面不再是直筒圆柱，而是沿工质运动方向，截面面积前大后小，保证了电离区的电离空间，电离更加充分。
具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器的区别在于，所述的圆形陶瓷腔体3的底部设置的工质射流孔的内径小于该圆形陶瓷腔体3前段A的内径。
具体实施方式五：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器的区别在于，所述的圆环形永磁体5的个数小于10。

Claims (5)

1.一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器，其特征在于，它包括阳极（1）、电源（2）、圆形陶瓷腔体（3）、空心阴极（4）、多块圆环形永磁体（5）、多个导磁环（6）；所述的圆环形永磁体（5）的个数大于或等于（3），
所述的圆形陶瓷腔体（3）的底部设置有工质射流孔，在所述工质射流孔的周围设有阳极（1），
所述的圆形陶瓷腔体（3）沿工质射流的发射方向分为前段A、中段B和后段C，所述的前段A为圆桶形结构，中段B为轴截面为等腰梯形的圆筒形结构，后段C为圆筒形结构，且前段A的内径大于后段C的内径，每块圆环形永磁体（5）为轴向充磁，所述的多块圆环形永磁体（5）依次套在圆形陶瓷腔体（3）的侧壁上，且相邻的两块圆环形永磁体（5）的充磁方向相反，每相邻的两块圆环形永磁体（5）之间固定有导磁环（6），
所述的电源（2）的正极与阳极（1）电连接，所述的电源（2）的负极与空心阴极（4）电连接，且空心阴极（4）位于圆形陶瓷腔体（3）出口侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器，其特征在于，所述的圆环形永磁体（5）的个数小于15。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器，其特征在于，所述的圆环形永磁体（5）的个数等于3。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器，其特征在于，所述的圆形陶瓷腔体（3）的底部设置的工质射流孔的内径小于该圆形陶瓷腔体3前段A的内径。
5.根据权利要求2所述的一种基于多级尖端会切磁场的等离子体推力器，其特征在于，所述的圆环形永磁体（5）的个数小于10。
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