CN106382195B - 会切场-霍尔组合型推力器 - Google Patents
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Abstract
会切场‑霍尔组合型推力器，属于航天技术和低温等离子体技术领域，本发明为解决现有会切场推力器难以满足技术要求的问题。本发明在屏蔽罩中同时设置会切场推力单元和霍尔推力单元，屏蔽罩为向上开口的桶状结构，在屏蔽罩的中心位置设置会切场推力单元，霍尔推力单元设置在会切场推力单元的外部；会切场推力单元包括一号会切场永磁铁、二号会切场永磁铁、会切场陶瓷通道、导磁环和三号会切场永磁铁；本发明充分利用会切场的强磁场、霍尔推力器圆环形结构内部空间以及提高会切场推力器的效率。
Description
技术领域
本发明属于航天技术和低温等离子体技术领域。
背景技术
会切场推力器是一种较新型的电推进器，拥有比冲高、寿命长、推力密度大、系统组成简单等优点，除此之外，其推力范围广，且可以实现大范围的推力连续可调。
霍尔电推进作为一种先进的空间电推进技术，具有推力密度大、系统组成简单、可靠性高、发射成本低等优点，成为应用最为广泛的空间电推进装置之一。
影响推力器综合性能的主要因素就是放电通道内的磁场分布，而该磁场分布又取决于推力器的磁路组成。对于霍尔推力器来说，理想磁路结构所形成放电通道内的磁场应具备径向分量的轴向梯度足够大，且在通道内部磁场位型凸向阳极具有磁聚焦的作用，而且轴向磁场梯度在出口附近需要足够大。而现有的会切场推力器难以满足这种技术要求。
发明内容
本发明目的是为了解决现有会切场推力器难以满足技术要求的问题，提供了一种会切场-霍尔组合型推力器。
本发明所述会切场-霍尔组合型推力器，在屏蔽罩中同时设置会切场推力单元和霍尔推力单元，屏蔽罩为向上开口的桶状结构，在屏蔽罩的中心位置设置会切场推力单元，霍尔推力单元设置在会切场推力单元的外部；
会切场推力单元包括一号会切场永磁铁、二号会切场永磁铁、会切场陶瓷通道、导磁环和三号会切场永磁铁；会切场陶瓷通道沿轴向设置在屏蔽罩内部中心位置，会切场陶瓷通道的外侧壁同时设置二号会切场永磁铁和三号会切场永磁铁，二号会切场永磁铁和三号会切场永磁铁之间轴向间隙中设置有导磁环，且二号会切场永磁铁和三号会切场永磁铁与导磁环连接处的极性相同；
霍尔推力单元包括内磁极、霍尔永磁铁、外磁极和霍尔陶瓷通道；霍尔陶瓷通道为截面为U型的环形结构，且固定在结构相似的内磁极的内部，霍尔陶瓷通道的出口端外侧壁设置外磁极，且外磁极与屏蔽罩之间夹持霍尔永磁铁；内磁极的出口端与位于会切场陶瓷通道下游外侧壁的二号会切场永磁铁之间夹持一号会切场永磁铁；
内磁极与外磁极、霍尔永磁铁以及整个屏蔽罩配合形成霍尔推力器所需要的径向磁场；
内磁极屏蔽来自会切场推力单元的永磁铁强磁场。
优选地，二号会切场永磁铁、三号会切场永磁铁与会切场陶瓷通道的外侧壁之间均存在轴向间隙，该轴向间隙为0.5mm～1mm。
优选地，一号会切场永磁铁、二号会切场永磁铁和三号会切场永磁铁均采用钐钴永磁铁。
优选地，一号会切场永磁铁的上端面与二号会切场永磁铁上端面齐平。
优选地，霍尔永磁铁采用钐钴永磁铁。
优选地，霍尔永磁铁的轴向厚度为4mm。
本发明的优点：本发明充分利用会切场的强磁场、霍尔推力器圆环形结构内部空间以及提高会切场推力器的效率，设计了这样一种组合型推力器。以现有会切场推力器为基础，霍尔推力器磁场位型采用磁聚焦的方式设计，充分体现了现有霍尔推力器的研究进展。除此之外，整个推力器本身磁场除了推力器出口外都被很好的限制在了推力器内部，防止推力器的磁场对卫星造成严重影响。
附图说明
图1是本发明所述会切场-霍尔组合型推力器的结构示意图；
图2是磁场位型FEEM模拟图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明会切场-霍尔组合型推力器。
霍尔永磁铁3、一号会切场永磁铁6、二号会切场永磁铁7和三号会切场永磁铁10均采用钐钴永磁铁，钐钴永磁铁是一种市面上性能非常均衡且拥有强磁场的永磁铁，耐高温，能够在多变的工况下提供较稳定的强磁场。
推力器中内磁极2：与会切场推力单元的二号会切场永磁铁7直接接触，是属于霍尔推力单元的，与外磁极4配合形成霍尔推力单元所需要的径向磁场，同时屏蔽大部分钐钴永磁铁的强磁场。
外磁极4与一块4mm厚钐钴永磁铁的霍尔永磁铁3接触，与内磁极2配合形成霍尔推力单元所需的径向磁场。
导磁环9：位于会切推力单元中两块同极性连接永磁铁的中间部位，用于改善该处的磁场分布。
会切场陶瓷通道8：是会切场推力单元的放电通道，属于其重要组成部分。
霍尔陶瓷通道5：是霍尔推力单元的放电通道，属于其重要的组成部分。
屏蔽罩1：用于屏蔽整个推力器内部的强磁场，防止其影响卫星的功能。
下面给出一个具体实施例来说明，本实施方式推力器的三种工作模式。
第一种工作模式为会切模式，顾名思义为会切场单独工作，在该种模式下，推力可以实现1-20mN数量级的连续可调。推力调整方式为控制流量和电压两种相结合的方式，最优控制方法通过多次实验分析给出。可用于低轨道的重力场测量卫星的无拖曳控制。
第一种工作模式通过以下设计实现。会切场陶瓷通道8内径为18mm，会切场陶瓷通道8的阳极设置在上游，阴极设置在下游出口，阳极平面到出口平面距离为74mm，陶瓷壁厚2mm，其与永磁铁(二号会切场永磁铁7、三号会切场永磁铁10)之间有0.5mm的间隙，在太空中保持为真空状态即可，防止热量直接传递到永磁铁导致永磁铁升温退磁。二号会切场永磁铁7的轴向高度为56mm，三号会切场永磁铁10的轴向高度为16mm，两块永磁铁的径向厚度均为12mm，与导磁环9相连接，连接处两块永磁铁同极性。导磁环9轴向厚度为2mm，材料1080不锈钢，内外径之比为0.75，用于优化磁场位型。
第二种工作模式为霍尔模式，顾名思义为霍尔推力器单独工作。该模式下，霍尔推力陶瓷通道5内径为35mm，外径为50mm的同心环设计。霍尔推力单元在出口区附近磁感应强度轴向梯度大，径向分量也大，凸向阳极，形成磁聚焦。该模式可以胜任目前同等功率下霍尔推力器的工作。
第二种工作模式通过以下设计实现。1mm钐钴永磁铁的一号会切场永磁铁6，用于连接会切场推力单元与霍尔推力单元，并且起到优化霍尔推力器磁场位型的作用，一号会切场永磁铁6的厚度为1mm，内径21mm，外径26mm。右侧与内磁极2连接。内磁极2壁厚4mm，内径26mm，外径63mm，深度40mm。外磁极4与4mm厚钐钴永磁铁的霍尔永磁铁3连接，外磁极4的内径46mm，外径50mm；霍尔永磁铁3的外径51mm。最外层的屏蔽罩1外径70mm，壁厚4mm，高度92mm。
上述各零部件尺寸，其功能各有不同。内磁极2不仅仅与外磁极4形成霍尔推力器所需要的磁场位型，而且起到屏蔽会切场磁场的作用，其右端与屏蔽罩1无连接，悬浮设计，会切场的磁场被内磁极2吸引，部分用于形成霍尔所需磁场，另外一部分通过真空传至屏蔽罩1。右上端距离屏蔽罩1距离为3mm，用于优化霍尔推力器磁场位型。
第三种模式为会切-霍尔模式，即二者同时工作，可以实现较大推力模式下的推力小范围可调，并且效率较高，推力较大，可应用于变轨等需要较大推力的情形。
Claims (6)
1.会切场-霍尔组合型推力器，其特征在于，在屏蔽罩(1)中同时设置会切场推力单元和霍尔推力单元，屏蔽罩(1)为向上开口的桶状结构，在屏蔽罩(1)的中心位置设置会切场推力单元，霍尔推力单元设置在会切场推力单元的外部；
会切场推力单元包括一号会切场永磁铁(6)、二号会切场永磁铁(7)、会切场陶瓷通道(8)、导磁环(9)和三号会切场永磁铁(10)；会切场陶瓷通道(8)沿轴向设置在屏蔽罩(1)内部中心位置，会切场陶瓷通道(8)的外侧壁同时设置二号会切场永磁铁(7)和三号会切场永磁铁(10)，二号会切场永磁铁(7)和三号会切场永磁铁(10)之间轴向间隙中设置有导磁环(9)，且与导磁环(9)连接处的二号会切场永磁铁(7)和三号会切场永磁铁(10)极性相同；
霍尔推力单元包括内磁极(2)、霍尔永磁铁(3)、外磁极(4)和霍尔陶瓷通道(5)；霍尔陶瓷通道(5)为截面为U型的环形结构，且固定在截面为U型的内磁极(2)的内部，霍尔陶瓷通道(5)的出口端外侧壁设置外磁极(4)，且外磁极与屏蔽罩(1)之间夹持霍尔永磁铁(3)；内磁极(2)的出口端与位于会切场陶瓷通道(8)下游外侧壁的二号会切场永磁铁(7)之间夹持一号会切场永磁铁(6)；
内磁极(2)与外磁极(4)、霍尔永磁铁(3)以及整个屏蔽罩(1)配合形成霍尔推力器所需要的径向磁场；
内磁极(2)屏蔽来自会切场推力单元的永磁铁强磁场。
2.根据权利要求1所述会切场-霍尔组合型推力器，其特征在于，二号会切场永磁铁(7)、三号会切场永磁铁(10)与会切场陶瓷通道(8)的外侧壁之间均存在轴向间隙，该轴向间隙为0.5mm～1mm。
3.根据权利要求1所述会切场-霍尔组合型推力器，其特征在于，一号会切场永磁铁(6)、二号会切场永磁铁(7)和三号会切场永磁铁(10)均采用钐钴永磁铁。
4.根据权利要求1或3所述会切场-霍尔组合型推力器，其特征在于，一号会切场永磁铁(6)的上端面与二号会切场永磁铁(7)上端面齐平。
5.根据权利要求1所述会切场-霍尔组合型推力器，其特征在于，霍尔永磁铁(3)采用钐钴永磁铁。
6.根据权利要求1或5所述会切场-霍尔组合型推力器，其特征在于，霍尔永磁铁(3)的轴向厚度为4mm。
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