CN104202895A - 一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构 - Google Patents

Abstract

一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构，它涉及一种电流均化磁场结构。本发明为了解决现有多级会切磁场等离子体推力器的放电通道壁面处的磁场强度太高，磁镜尖端处发射的磁感线太靠近放电通道中轴线而导致的电子分布不均匀，电离率低，以及磁分界面角度较大的问题。本发明的两个固定端板分别安装在外壳的上下表面上，陶瓷套筒竖直安装在外壳内，阳极和通气器安装在陶瓷套筒内壁底端并伸出陶瓷套筒的底端，外壳的内侧壁与陶瓷套筒的外侧壁之间的上下端面上分别设有一个导磁环，永磁体环内设有一个导磁环组成一个组件，多个组件分别水平安装在陶瓷套筒和外壳之间的内腔内，外壳的内侧壁设有多个磁场引导环。本发明用于航天领域。

Description

一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构

技术领域

本发明涉及一种电流均化磁场结构，具体涉及一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构。

背景技术

多级会切磁场等离子体推力器是基于霍尔推力器的原理发展的一种新型电推力器。该推力器的放电通道的外围是陶瓷套筒，并采用多级反向永磁铁形成会切磁场，形成的会切磁场能够束缚由位于放电通道外的阴极发射的自由电子，自由电子会沿着磁感线做螺旋运动，并在通道上游的阳极施加的高电压产生的电场的作用下向阳极方向运动，自由电子受到会切磁场的磁镜作用，在两个磁镜尖端处来回运动。电子与从通道上游进入的中性气体工质，通常为氙原子，发生碰撞，在电子能量足够大的基础上，氙原子被电子电离，形成一个正一价的氙离子和另外一个负一价的自由电子，氙离子在空间电场的作用下加速喷射出推力器的放电通道，产生推力。自由电子在碰撞的过程中能量减小，进入下一级会切磁场产生的磁镜中，直到最后到达阳极区，形成放电回路。阴极产生的另一部分自由电子会中和从推力器中喷射出的正一价氙离子。

这种多级会切磁场的设计可以分离电离区域和加速区域，磁镜效应能够有效的束缚电子，提高了气体工质的电离率和推力器的推力、效率。

气体工质的电离率是影响推力器的推力、效率及比冲等整体性能参数的一个重要因素，电离过程是电子与中性原子碰撞的过程，因此磁场能否有效地束缚住电子起到了关键作用。现在普遍的多级等离子体推力器沿陶瓷通道壁面处的磁场强度很强，导致在靠近壁面处的磁感线上没有产生明显的磁镜效应，同时由磁镜尖端发射的磁感线多在陶瓷壁面处强磁场压力的作用下靠近中轴线，因此多数电子沿着靠近通道中轴线的位置进入通道上游。

被电离之后的离子在吸收电子变成中性原子的过程中，电子在能级跃迁时会向外辐射电磁波，大量电磁波的集中辐射就会形成明亮的光柱，而中性原子的电离和正一价离子的中和都会发生在电子密度较高的地方，因此可以认为有明亮光柱的地方就是中性原子电离率较高的地方。

在推力器的工作过程中能够发现沿着推力器的放电通道中心直径约5mm的区域内有一条明亮的光住，而放电通道中其他半径范围的亮度会低很多，实验完成后检查不锈钢阳极表面能够发现在中心处有一个直径约3mm，深度约1.5mm的离子腐蚀凹槽。因此可以判断电子在放电通道中分布不均匀，主要沿轴线附近区域运动，这导致了放电通道中其他半径范围的中性气体没有被充分电离，影响了电离率，进而影响了推力、效率等推力器整体性能参数。

电子形成的空间加速电场的方向几乎是垂直于磁分界面的，因此磁分界面的角度对羽流角度的影响很大，进而影响了发动机的推力、效率等推力器整体性能参数，现在的多级会切磁场等离子体推力器的磁分界面角度受永磁铁的尺寸配合影响，调节较不方便。

在对多级会切磁场等离子体推力器的磁场位形设计过程中，应该考虑到电子运动位置的均化问题，减小磁分界面的角度，同时应该尽量简化推力器结构、减轻推力器质量并减少实验成本。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有多级会切磁场等离子体推力器的放电通道壁面处的磁场强度太高，磁镜尖端处发射的磁感线太靠近放电通道中轴线而导致的电子分布不均匀，电离率低，以及磁分界面角度较大的问题。进而提供一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构。

本发明的技术方案是：一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构包括外壳、两个固定端板、陶瓷套筒、出口陶瓷垫片、阳极和通气器、多个磁场引导环、多个环形永磁体和多个导磁环，两个固定端板分别安装在外壳的上下表面上，陶瓷套筒竖直安装在外壳内，且陶瓷套筒的下端伸出外壳，阳极和通气器安装在陶瓷套筒内壁底端并伸出陶瓷套筒的底端，外壳的内侧壁与陶瓷套筒的外侧壁之间的上下端面上分别设有一个导磁环，两个反向的环形永磁体扣合组成永磁体环，永磁体环内设有一个导磁环组成一个组件，多个组件分别水平安装在陶瓷套筒和外壳之间的内腔内，且多个组件分别位于所述内腔内的上部和下部，外壳的内侧壁设有多个磁场引导环。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.本发明能够代替同等高度的永磁铁，磁镜尖端处仍然可以产生磁镜效应，将磁镜尖端之间的陶瓷通道壁面处的磁场强度减小到小于中轴线出的磁场强度，使得电子在靠近陶瓷壁面区域的磁感线上能够产生更有效的磁镜效应，

2.本发明能够使放电通道中轴线处的磁感线向半径较大的方向拓展，使电子在沿着磁感线运动时能够运动到半径较大的区域。

3.本发明能够使推力器形成磁镜尖端的两块反向永磁铁的尺寸方便调整配合，可以形成角度很小的磁分界面，进而是电子形成的空间电场垂直于出口端面，使等离子体羽流的角度更小。

4.本发明能够使电子在放电通道中向阳极运动的过程中分布的更有效，因此理论上能够提高10％至20％电离率，提高相同工况条件下的推力器的推力2mN至10mN，效率提高5％至10％。

5.本发明能够减轻1kg(25％)至2kg(50％)推力器的重量

6.本发明能够减少1000元至2000元的材料和加工成本，结构简单

7.本发明能够针对不同的磁场位形方便调整。

附图说明

图1是本发明所述的在多级会切磁场等离子体推力器中加入一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构前的磁场位形示意图；

图2是本发明所述的在多级会切磁场等离子体推力器中加入一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构后的磁场位形示意图；

图3是本发明所述的一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构在推力器中的装配剖面示意图；

图4是本发明所述的一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构在推力器中的装配外形示意图；

图5是本发明所述的磁场引导环的剖面局部视图；

图6和图7是本发明所述的从通道出口到通道上游的两种磁场引导环外形示意图；

图8时本发明所述的通道出口处的导磁环的外形示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图3-图8说明本实施方式，本实施方式的一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构包括外壳1、两个固定端板2、陶瓷套筒3、出口陶瓷垫片4、阳极和通气器5、多个磁场引导环6、多个环形永磁体7和多个导磁环8，两个固定端板2分别安装在外壳1的上下表面上，陶瓷套筒3竖直安装在外壳1内，且陶瓷套筒3的下端伸出外壳1，阳极和通气器5安装在陶瓷套筒3内壁底端并伸出陶瓷套筒3的底端，外壳1的内侧壁与陶瓷套筒3的外侧壁之间的上下端面上分别设有一个导磁环8，两个反向的环形永磁体7扣合组成永磁体环，永磁体环内设有一个导磁环8组成一个组件，多个组件分别水平安装在陶瓷套筒3和外壳1之间的内腔内，且多个组件分别位于所述内腔内的上部和下部，外壳1的内侧壁设有多个磁场引导环6。

本实施方式的位于通道上游的环形永磁铁的上下端面分别与两个同样尺寸的导磁环接触配合，内环面与陶瓷通道的外壁面接触配合，外环面与推力器外壳的内壁面接触配合；

本实施方式除了位于通道上游的其他位置的环形永磁铁的上下端面分别与两个导磁环接触配合，内环面与陶瓷通道的外壁面接触配合，外环面与推力器外壳的内壁面接触配合；

本实施方式除了位于通道出口处其他位置的导磁环为圆环形结构，导磁环的上下端面分别于环形永磁铁、磁场引导环或固定端板接触配合，内环面与陶瓷通道接触配合，外环面与推力器外壳接触配合；

本实施方式的推力器的外壳为两段带有法兰的圆环形结构，在法兰平面上均匀钻有6个贯穿整个外壳的直径为3mm的通孔，通过螺栓连接与推力器固定端板及出口陶瓷保护垫片固定配合；

本实施方式的固定端板在内壁面的一个环面上设有边长为2mm的45度倒角，在固定端板上均匀钻有6个贯穿整个外壳的直径为3mm的通孔，通过螺栓连接与推力器外壳及出口陶瓷保护垫片固定配合；

本实施方式的出口陶瓷保护垫片可以保护推力器，使推力器的金属部分免受电子的直接撞击，为内环面带有锥形凸台的圆环形结构，均匀钻有6个贯穿整个外壳的直径为3mm的通孔，通过螺栓连接与推力器外壳及出口固定端板固定配合；

本实施方式的陶瓷套筒的外径与导磁环和永磁铁的内环面接触配合，上端面与出口陶瓷保护垫片接触配合，下端面内法兰的内径与阳极通气器的外径接触配合；

本实施方式的阳极通气器带高电压并由中心供气，基座处的供气管的外径和陶瓷套筒底座的通孔密封配合；

本实施方式的导磁环和磁场引导环采用纯铁制成；

本实施方式的外壳，阳极通气器和固定端板采用不锈钢制成；

本实施方式的陶瓷通道和出口陶瓷保护垫片采用氮化硼制成。

具体实施方式二：结合图3-图8说明本实施方式，本实施方式的环形永磁体7由比例为2：17的钐和钴材料制成。如此设置，能够使永磁体材料具有较高的矫顽力，能够产生较强的磁场，同时能够承受推力器工作时产生的较高的温度。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3-图8说明本实施方式，本实施方式的磁场引导环6为圆环形结构，磁场引导环6的外径与环形永磁体7的外径相同，磁场引导环6的上下端面分别与环形永磁体7的端面配合。如此设置，磁场引导环能够将上下端面的环形永磁体产生的磁场连接成一个磁通回路，同时取代了原先的永磁体机构，弱化了通道中心的磁场强度，使通道中的磁感线向外扩张，扩张了电子的运动路径，拓宽了电离范围，增加了气体工质的电离率。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图3-图8说明本实施方式，本实施方式的外壳1的上端为通道出口，靠近外壳1通道出口处的磁场引导环6的上端面与产生通道出口处磁镜尖端的两个反向环形永磁体7中的下层环形永磁体7的下端面接触配合，环形永磁体7的下端面与产生通道中间处磁镜尖端的两个反向环形永磁体7中的上层环形永磁体7的上端面接触配合。如此设置，能够使推力器的结构紧凑，并使两个反向环形永磁体之间的导磁环产生的磁场强度更强。其它组成和连接关系与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式五：结合图3-图8说明本实施方式，本实施方式的外壳1的上部为通道上游处，靠近外壳1通道上游处的磁场引导环6的上端面与产生通道中间处磁镜尖端的两个反向环形永磁体7中的下层环形永磁体7的下端面接触配合，磁场引导环6的下端面与产生通道上游处磁镜尖端的两个反向环形永磁体7中的上层环形永磁体7的上端面接触配合，磁场引导环6的内环面不与其他物体接触，外环面与外壳1的内壁面接触配合。如此设置，能够在不扩大推力器整体尺寸的基础上，最大限度的弱化磁场引导环6在通道中心轴线处产生的磁场强度。其它组成和连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式六：结合图3-图8说明本实施方式，本实施方式的位于通道出口的导磁环8为带凸台的环形结构，导磁环8上端面与一块固定端板接触配合，导磁环8下端面与一个环形永磁体7接触配合，导磁环8的内环面与陶瓷套筒3内的陶瓷通道的外壁面接触配合，导磁环8的凸台内环面与环形永磁体7的外环面接触配合，在该导磁环8上均匀钻有6个直径为3mm的通孔，通过螺栓连接和外壳1、固定端板2及出口陶瓷保护垫片4配合。如此设置，能够将推力器的各部分通过螺栓连接形成一个稳定的整体。其它组成和连接关系与具体实施方式一或四相同。

本实施方式的靠近通道出口处的磁场引导环的内径为63mm，外径为64mm，高度为64mm，上端面与产生通道出口处磁镜尖端的两个反向永磁铁中的下层永磁铁的下端面接触配合，下端面与产生通道中间处磁镜尖端的两个反向永磁铁中的上层永磁铁的上端面接触配合；

本实施方式的靠近通道上游处的磁场引导环的内径为63mm，外径为64mm，高度为8mm，上端面与产生通道中间处磁镜尖端的两个反向永磁铁中的下层永磁铁的下端面接触配合，下端面与产生通道上游处磁镜尖端的两个反向永磁铁中的上层永磁铁的上端面接触配合，内环面不与其他物体接触，外环面与推力器外壳的内壁面接触配合；

本实施方式位于通道上游的环形永磁铁的内径为40mm，外径为64mm，厚度为5mm，上下端面分别与两个同样尺寸的导磁环接触配合，内环面与陶瓷通道的外壁面接触配合，外环面与推力器外壳的内壁面接触配合；

本实施方式除了位于通道上游的其他位置的环形永磁铁的内径均为40mm，外径均为64mm，厚度均为4mm，上下端面分别与两个导磁环接触配合，内环面与陶瓷通道的外壁面接触配合，外环面与推力器外壳的内壁面接触配合；

本实施方式位于通道出口的导磁环为带凸台的环形结构，导磁环内径为40mm，凸台内径为64mm，导磁环外径为76mm，导磁环高2mm，凸台处高4mm，上端面与一块固定端板接触配合，下端面与一块环形永磁铁接触配合，导磁环内环面与陶瓷通道的外壁面接触配合，凸台内环面与环形永磁铁的外环面接触配合，在该导磁环上沿半径为36mm处均匀钻有6个直径为3mm的通孔，通过螺栓连接和推力器外壳、固定端板及出口陶瓷保护垫片配合；

本实施方式除了位于通道出口处其他位置的导磁环为圆环形结构，导磁环的内径为40mm，导磁环外径为64mm，上下端面分别于环形永磁铁、磁场引导环或固定端板接触配合，内环面与陶瓷通道接触配合，外环面与推力器外壳接触配合；

本实施方式推力器的外壳为两段带有法兰的圆环形结构，圆环形的内径为64mm，外径为68mm，高度为103mm，两端的法兰的内径为64mm，外径为76mm，法兰的厚度为2mm，在法兰平面上半径36mm的位置上均匀钻有6个贯穿整个外壳的直径为3mm的通孔，通过螺栓连接与推力器固定端板及出口陶瓷保护垫片固定配合；

本实施方式固定端板的内径为40mm，外径为76mm，厚度为2mm，在内壁面的一个环面上设有边长为2mm的45度倒角，在固定端板半径36mm的位置上均匀钻有6个贯穿整个外壳的直径为3mm的通孔，通过螺栓连接与推力器外壳及出口陶瓷保护垫片固定配合；

本实施方式出口陶瓷保护垫片可以保护推力器，使推力器的金属部分免受电子的直接撞击，为内环面带有锥形凸台的圆环形结构，内径为36mm，外径为76mm，陶瓷垫片厚度为2mm，锥形凸台的高度为2mm，锥形的锥角为45度，在半径36mm的位置上均匀钻有6个贯穿整个外壳的直径为3mm的通孔，通过螺栓连接与推力器外壳及出口固定端板固定配合；

本实施方式陶瓷套筒的外径为40mm，与导磁环和永磁铁的内环面接触配合，陶瓷套筒的内径为36mm，陶瓷套筒高120mm，上端面与出口陶瓷保护垫片接触配合，下端面内法兰的内径为4mm，与阳极通气器的外径接触配合。

结合图1-图8说明本发明的工作原理是：

推力器的放电通道的外围是陶瓷套筒，并采用多级反向永磁铁形成会切磁场，形成的会切磁场能够束缚由位于放电通道外的阴极发射的自由电子，自由电子会沿着磁感线做螺旋运动，并在通道上游的阳极施加的高电压产生的电场的作用下向阳极方向运动，自由电子受到会切磁场的磁镜作用，在两个磁镜尖端处来回运动。电子与从通道上游进入的中性气体工质，通常为氙原子，发生碰撞，在电子能量足够大的基础上，氙原子被电子电离，形成一个正一价的氙离子和另外一个负一价的自由电子，氙离子在空间电场的作用下加速喷射出推力器的放电通道，产生推力。

本发明用磁场引导环取代部分永磁体材料，磁场引导环能够将上下端面的环形永磁体产生的磁场连接成一个磁通回路，达到了在不改变磁镜尖端处磁场强度的基础上，减小了推力器中心轴线处的磁场强度，使通道中的磁感线向外扩张，扩张了电子的运动路径，拓宽了电离范围，增加了气体工质的电离率，从而在某些工况下提高了推力器的推力和效率。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构，其特征在于：它包括外壳(1)、两个固定端板(2)、陶瓷套筒(3)、出口陶瓷垫片(4)、阳极和通气器(5)、多个磁场引导环(6)、多个环形永磁体(7)和多个导磁环(8)，两个固定端板(2)分别安装在外壳(1)的上下表面上，陶瓷套筒(3)竖直安装在外壳(1)内，且陶瓷套筒(3)的下端伸出外壳(1)，阳极和通气器(5)安装在陶瓷套筒(3)内壁底端并伸出陶瓷套筒(3)的底端，外壳(1)的内侧壁与陶瓷套筒(3)的外侧壁之间的上下端面上分别设有一个导磁环(8)，两个反向的环形永磁体(7)扣合组成永磁体环，永磁体环内设有一个导磁环(8)组成一个组件，多个组件分别水平安装在陶瓷套筒(3)和外壳(1)之间的内腔内，且多个组件分别位于所述内腔内的上部和下部，外壳(1)的内侧壁设有多个磁场引导环(6)。

2.根据权利要求1所述一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构，其特征在于：所述环形永磁体(7)由比例为2：17的钐和钴材料制成。

3.根据权利要求2所述一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构，其特征在于：磁场引导环(6)为圆环形结构，磁场引导环(6)的外径与环形永磁体(7)的外径相同，磁场引导环(6)的上下端面分别与环形永磁体(7)的端面配合。

4.根据权利要求3所述一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构，其特征在于：外壳(1)的上端为通道出口，靠近外壳(1)通道出口处的磁场引导环(6)的上端面与产生通道出口处磁镜尖端的两个反向环形永磁体(7)中的下层环形永磁体(7)的下端面接触配合，环形永磁体(7)的下端面与产生通道中间处磁镜尖端的两个反向环形永磁体(7)中的上层环形永磁体(7)的上端面接触配合。

5.根据权利要求1或4所述一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构，其特征在于：外壳(1)的上部为通道上游处，靠近外壳(1)通道上游处的磁场引导环(6)的上端面与产生通道中间处磁镜尖端的两个反向环形永磁体(7)中的下层环形永磁体(7)的下端面接触配合，磁场引导环(6)的下端面与产生通道上游处磁镜尖端的两个反向环形永磁体(7)中的上层环形永磁体(7)的上端面接触配合，磁场引导环(6)的内环面不与其他物体接触，外环面与外壳(1)的内壁面接触配合。

6.根据权利要求5所述一种多级会切磁场等离子体推力器的电流均化磁场结构，其特征在于：位于通道出口的导磁环(8)为带凸台的环形结构，导磁环(8)上端面与一块固定端板接触配合，导磁环(8)下端面与一个环形永磁体(7)接触配合，导磁环(8)的内环面与陶瓷套筒(3)内的陶瓷通道的外壁面接触配合，导磁环(8)的凸台内环面与环形永磁体(7)的外环面接触配合，在该导磁环(8)上均匀钻有6个直径为3mm的通孔，通过螺栓连接和外壳(1)、固定端板(2)及出口陶瓷保护垫片(4)配合。