CN106837722B - 一种采用轻质一体化阳极的霍尔推力器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用轻质一体化阳极的霍尔推力器，包括底板，所述底板上的中央配置缠绕内磁线圈的内磁芯，外围配置有若干个缠绕外磁线圈的外磁芯，内磁芯、外磁芯之间设有轻质一体化阳极，在阳极外设有保护罩，保护罩和阳极之间由陶瓷绝缘和支撑。轻质一体化阳极的出口处设有内陶瓷环和外陶瓷环，内陶瓷环和外陶瓷环分别由内磁芯的外延和前面板压紧；上述所有零件安装在底板上，轻质一体化阳极的气管外套有绝缘套管。本发明采用一体化阳极结构，改善了气体的流动和分配特性，从而使推力器电离效果更佳，性能更好，热载更小，耐严酷力学环境能力更强，结构更紧凑，体积更小巧，重量更轻。

Description

一种采用轻质一体化阳极的霍尔推力器
技术领域
本发明涉及一种霍尔推力器，具体涉及一种采用轻质一体化阳极的霍尔推力器。
背景技术
卫星、深空探测器等各类航天器已广泛使用霍尔推力器。传统霍尔推力器虽然有推力密度大，推功比和可靠性高的优点，但也存在一系列问题：
(1)比冲、效率等性能优势不明显；
(2)体积、重量按照传统霍尔推力器设计思路已达到极限，没有进一步优化的余量；
(3)采用大面容比陶瓷放电室，机械强度不高，因此，在对力学环境要求严苛的航天器上应用时，必须考虑采用减振措施，从而增加装星复杂性，并影响安装定位精度；
(4)推力器工作时被动散热，热量生成、耗散依靠自然平衡，致使推力器达到热平衡(稳定状态工作)的时间很长，一般需要几个小时左右；
(5)其配置的传统阳极结构，气体均匀性和缓冲特性还有欠缺，应进一步优化提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用轻质一体化阳极的霍尔推力器。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种采用轻质化阳极的霍尔推力器，包括底板，所述底板上的中央配置缠绕内磁线圈的内磁芯，外围配置有若干个缠绕外磁线圈的外磁芯，内磁芯、外磁芯之间设有轻质一体化阳极，在阳极外设有保护罩，保护罩和阳极之间由陶瓷绝缘和支撑；轻质一体化阳极的出口处设有内陶瓷环和外陶瓷环，内陶瓷环和外陶瓷环分别由内磁芯的外延和前面板压紧；轻质一体化阳极的气管外套有绝缘套管，其阴极另外考虑。
优选地，所述轻质一体化阳极包括环形多孔材料板、环形侧壁、环形底托、气管支撑、气管、一级进气孔、二级进气孔；环形多孔材料板通过电子束焊焊接嵌套在环形侧壁内形成二级分配腔，二级分配腔通过电子束焊接在不锈钢制成的环形底托上形 成一级分配腔，一级分配腔底平面上设有一级进气孔，环形侧壁底平面上沿圆周均匀分布有8个直径0.2mm的二级进气孔，二级进气孔和一级进气孔错开设置，气管支撑一端与气管焊接，另一端焊接在环形底托下底面上。
优选地，所述轻质一体化阳极包括环形多孔材料板、环形内侧壁、环形底托、气管支撑、气管、一级进气孔、二级多孔进气环和环形外侧壁；二级多孔进气环通过电子束焊接在环形外侧壁和环形内侧壁上形成U型槽，环形多孔材料板通过电子束焊接嵌套在U型槽内形成二级分配腔，二级分配腔通过电子束焊接在不锈钢制成的环形底托上形成一级分配腔，一级分配腔底平面上设有一级进气孔，气管支撑一端与气管焊接，另一端焊接在环形底托的下面。
优选地，所述环形多孔材料板为致密不锈钢多孔材料制成，环形侧壁由居里温度为980℃的高温FeCo软磁合金制成。
优选地，所述环形多孔材料板、二级多孔进气环均为致密不锈钢多孔材料制成，环形内侧壁、环形外侧壁由居里温度为980℃的高温FeCo软磁合金制成。
本发明采用轻质一体化阳极的霍尔推力器仍是一种利用电离产生的离子在电场下加速生成推力的装置，它引入轻质一体化阳极，使霍尔推力器综合性能优势凸显出来，进一步提升了产品工作能力。该阳极采用双级缓冲结构，第一级为U形空腔，第二级为致密多孔材料板，气体经过两级缓冲后，减速明显。研究表明：气体喷射速度越慢，气体在放电通道内停留的时间越长，其电离率越高，对提升推力器性能愈有益。
电子和原子碰撞前的自由程λi和气体轴向速度Vaz有下列关系：
其中，ne是电子密度，<σiVe>是电离系数，σi是电子和中性原子碰撞的电离截面，Ve是电子速度。对于给定的气体和工况，电子密度ne、电离系数<σiVe>恒定时，气体中性原子的轴向速度Vaz越小，则电子和原子碰撞前的自由程λi越短，气体就越易电离。
与此同时，气体进入L形空腔后，对壁面实施主动冷却，一方面，降低阳极壁面温度，减缓高能电子对阳极的轰击溅射损失；另一方面，由于阳极壁兼具磁屏作用，冷态气体的注入使阳极壁温始终低于居里温度，阳极壁的导磁能力将不受影响，使推力器仍能保持理想的磁场构型，这样，霍尔推力器性能处于最佳状态，稳定工作范围更宽。
相对于传统霍尔推力器，本发明的采用轻质一体化阳极的霍尔推力器具有如下优点：
(1)比冲、效率等性能指标大幅提升；
(2)结构简化、体积小巧、布局紧凑；
(3)重量大大减轻；
(4)承受严酷力学环境的能力显著增强，可满足各类航天器的要求；
(5)采用主动冷却方式，使阳极的热负荷减轻；
(6)稳定工作范围更宽，执行任务的多样性更强。
附图说明
图1为一种采用轻质一体化阳极的霍尔推力器立体剖面图。
图2为本发明实施例1中的轻质一体化阳极的立体剖面图。
图3为图2中A的放大示意图。
图4为本发明实施例1中的轻质一体化阳极的二级进气孔圆周分布图。
图5为气体在本发明实施例1中的轻质一体化阳极中流动示意图。
图6为本发明实施例2中的轻质一体化阳极结构的立体剖面图。
图7为图6中A的放大示意图。
图8为本发明实施例2中的轻质一体化阳极的二级多孔进气环的俯视图。
图9为气体在本发明实施例2中的轻质一体化阳极中流动的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了1、一种采用轻质化阳极的霍尔推力器，其特征在于，包括底板9，所述底板9上的中央配置缠绕内磁线圈4的内磁芯2，外围配置有若干个缠绕外磁线圈5的外磁芯3，内磁芯2、外磁芯3之间设有轻质一体化阳极1，在阳极外设有保护罩22，保护罩和阳极之间由陶瓷23绝缘和支撑；轻质一体化阳极1的出口处设有内陶瓷环6和外陶瓷环7，内陶瓷环6和外陶瓷环7分别由内磁芯2的外延和前面板8压紧；轻质一体化阳极1的气管外套有绝缘套管10。
实施例1
如图2-图4所示，所述轻质一体化阳极1包括环形多孔材料板11、环形侧壁12、环形底托13、气管支撑14、气管15、一级进气孔16、二级进气孔17。环形多孔材料板11嵌套在环形侧壁12内，用电子束焊焊接外、内两条焊缝(焊缝a、b)，形成二级分配腔19，二级分配腔19通过电子束焊接在不锈钢制成的环形底托13上形成一级分配腔18，一级分配腔18底平面上设有一级进气孔16，环形侧壁12底平面上沿圆周均匀分布有8个直径0.2mm的二级进气孔17，二级进气孔17和一级进气孔16错开设置，以避免从一级进气孔16流进的气体直接从二级进气孔17流进二级分配腔19，而未在一级分配腔18充分均匀分配，气管支撑14一端与气管15焊接，另一端焊接在环形底托13下底面上。
如图5所示，本实施例中气体从气管15流进，先从一级进气孔16进入一级分配腔18，二级进气孔17为8个直径0.2mm的小孔，形成一定流阻，气体就在一级分配腔18内较小流阻的空腔中回旋流动，最终，气体充满整个一级分配腔18。之后，气体再均匀从二级进气孔17流入二级分配腔19中。同样，环形多孔材料板11形成较大的流阻，气体进入二级分配腔19后，气体开始在二级分配腔19内回旋流动，充满二级分配腔19后，气体从环形多孔材料板11中流出，再均匀、缓慢地流进放电室。
实施例2
如图6-图7所示，所述轻质一体化阳极1包括环形多孔材料板11、环形内侧壁12、环形底托13、气管支撑14、气管15、一级进气孔16、二级多孔进气环20和环形外侧壁21。先用电子束焊将二级多孔进气环20分别焊接在环形外侧壁21(焊缝e)和环形内侧壁12(焊缝f)上。再将环形多孔材料板11嵌套进上述焊接完成的U型槽上，焊接外、内两条焊缝(焊缝a、b)，形成二级分配腔19，二级分配腔19通过电子束焊接在不锈钢制成的环形底托13(焊缝c、d)上形成一级分配腔18，一级分配腔18底平面上设有一级进气孔16，气管支撑14一端与气管15焊接，另一端焊接在环形底托13的下面。
如图8所示，本实施例采用二级多孔进气环20，使气体流阻增加，使气体在一级分配腔18中停留时间更长，分布更均匀，气体流速更慢，对腔壁更有效降温。
如图所述，本实施例中气体从气管15流进，先从一级进气孔16先进入一级分配腔18，二级多孔进气环20由致密不锈钢多孔材料制成，流阻较大，气体就在一级分配腔18中流阻较小的空腔内回旋流动，最终，气体充满整个一级分配腔18。之后，气体开始从二级多孔进气环20流入二级分配腔19中，环形多孔材料板11形成较大的流阻，气体进入二级分配腔19后，气体开始在二级分配腔中回旋流动，充满二级分配腔19后，气体从环形多孔材料板11中流出，从而确保气体均匀、缓慢流向放电室。
本具体实施为一种采用轻质一体化阳极的霍尔推力器。它采用两种不同阳极方案，通过改善气体分配、流动特性，使霍尔推力器性能优势更凸显；通过气体主动冷却使霍尔推力器热载更小；通过金属替代陶瓷结构，使霍尔推力器耐严酷力学环境能力更强；通过替代磁屏，使霍尔推力器结构更紧凑，体积更小巧，重量更轻。
本具体实施内部的轻质一体化阳极采用延伸至放电区的一体化空腔结构，冷态气体在进入放电区之前先充入空腔，对高温阳极主动冷却，有效降低了阳极的热载荷，并减缓阳极上返流电子轰击不利的不利影响，增加阳极的寿命；轻质一体化阳极采用U形空腔，对气体起到第一级缓冲作用；轻质一体化阳极引入高致密多孔材料板，使气体流阻增加，对气体起第二级缓冲作用，减缓气体注入放电区的速度，进一步提高电离效果，使霍尔推力器效率显著提高；同时，使气体在二级分配腔中回旋流动时间更长，气体得以更均匀分配；轻质一体化阳极以阳极金属侧壁替代陶瓷结构，显著增强了推力器的机械强度；轻质一体化阳极本身构成磁屏，在放电腔形成合适的磁场构型，使霍尔推力器比冲、效率等性能显著提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种采用轻质化阳极的霍尔推力器，其特征在于，包括底板，所述底板上的中央配置缠绕内磁线圈的内磁芯，外围配置有若干个缠绕外磁线圈的外磁芯，内磁芯、外磁芯之间设有轻质一体化阳极，在阳极外设有保护罩，保护罩和阳极之间由陶瓷绝缘和支撑；轻质一体化阳极的出口处设有内陶瓷环和外陶瓷环，内陶瓷环和外陶瓷环分别由内磁芯的外延和前面板压紧；轻质一体化阳极的气管外套有绝缘套管；所述轻质一体化阳极包括环形多孔材料板、环形侧壁、环形底托、气管支撑、气管、一级进气孔、二级进气孔；环形多孔材料板通过电子束焊焊接嵌套在环形侧壁内形成二级分配腔，二级分配腔通过电子束焊接在不锈钢制成的环形底托上形成一级分配腔，一级分配腔底平面上设有一级进气孔，环形侧壁底平面上沿圆周均匀分布有8个直径0.2mm的二级进气孔，二级进气孔和一级进气孔错开设置，气管支撑一端与气管焊接，另一端焊接在环形底托下底面上。
2.如权利要求1所述的一种采用轻质化阳极的霍尔推力器，其特征在于，所述轻质一体化阳极包括环形多孔材料板、环形内侧壁、环形底托、气管支撑、气管、一级进气孔、二级多孔进气环和环形外侧壁；二级多孔进气环通过电子束焊接在环形外侧壁和环形内侧壁上形成U型槽，环形多孔材料板通过电子束焊接嵌套在U型槽内形成二级分配腔，二级分配腔通过电子束焊接在不锈钢制成的环形底托上形成一级分配腔，一级分配腔底平面上设有一级进气孔，气管支撑一端与气管焊接，另一端焊接在环形底托的下面。
3.如权利要求1所述的一种采用轻质化阳极的霍尔推力器，其特征在于，所述环形多孔材料板为致密不锈钢多孔材料制成，环形侧壁由居里温度为980℃的高温FeCo软磁合金制成。
4.如权利要求2所述的一种采用轻质化阳极的霍尔推力器，其特征在于，所述环形多孔材料板、二级多孔进气环均为致密不锈钢多孔材料制成，环形内侧壁、环形外侧壁由居里温度为980℃的高温FeCo软磁合金制成。
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Renaudin et al. Magnetic circuits for Hall thrusters: use of permanent magnets

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