CN107795445A - 一种环形磁钢环切场离子推力器结构和主支撑环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形磁钢环切场离子推力器结构和用于该结构的主支撑环。该离子推力器结构包括主支撑环、安装架和绝缘陶瓷组件；该环形磁钢环切场离子推力器的物理功能性组件通过安装架和绝缘陶瓷组件安装在主支撑环上，使得这些物理功能性组件固定于相对位置处；其中，外壳安装在安装架上；阳极、栅极组件和安装架通过绝缘陶瓷组件安装在主支撑环上；柱段磁钢组件和栅极磁钢组件直接安装在主支撑环上。采用该结构后离子推力器结构变得紧凑，零部件数量减小，可装配性和维修性大幅提高；放电室对外散热能力增加，同样放电功耗热敏感元件使用环境温度降低；高低压电极间耐压能力提升；长期溅射沉积环境下高低压电极间绝缘下降基本消除。

Description

一种环形磁钢环切场离子推力器结构和主支撑环

技术领域

本发明涉及离子推力器技术领域，具体涉及一种环形磁钢环切场离子推力器结构和主支撑环。

背景技术

电推进技术作为一种先进空间推进技术，已经在空间各个应用领域得到了广泛应用，包括姿态控制、南北位置保持、轨道转移、大气阻尼补偿、深空探测主推进等。尤其在深空探测任务中，电推进技术以其高比冲、长寿命等特点，可以大大节省推进剂携带量，增加航天器有效载荷比例，具有很强的优势。

随着人类对空间探测的不断深入，探测任务所需速度增量越来越大，如火星采样返回、冥王星飞掠等任务要求速度增量大于20km/s。这些大速度增量深空探测任务的开展，需要大功率、高比冲、长寿命、高效率、轻量化离子电推进系统的支持。大功率、高比冲和长寿命特性保证其有限的寿命内产生足够的总冲，但需要考虑其带来的高温、高压、长期溅射沉积绝缘下降等问题；轻量化特性可减小航天器重量，增加有效载荷。

环形磁钢环切场离子推力器是目前离子推力器研究的主流方向，因为该类离子推力器具有束流均匀性好、效率高、功率宽范围可调性好等优点。如何通过结构设计解决上述离子推力器所面临的问题是实现环形磁钢环切场离子推力器工程产品研制的关键技术。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种环形磁钢环切场离子推力器结构，采用该结构后离子推力器结构变得紧凑，零部件数量减小，可装配性和维修性大幅提高。

进一步地，通过主支撑环的结构设计，使得放电室对外散热能力增加，同样放电功耗热敏感元件(如：磁钢)使用环境温度降低；高低压电极间耐压能力提升；长期溅射沉积环境下高低压电极间绝缘下降基本消除。

本发明提供的用于环形磁钢环切场离子推力器的主支撑环，其为圆筒结构；主支撑环后端开设安装架安装下接口和阳极安装接口；主支撑环前端为多层阶梯型内缩结构，不同层设计有不同安装接口，分别为栅极磁钢组件安装接口、栅极组件安装接口和安装架安装上接口；安装架安装上接口和安装架安装下接口的位置轴向对应；主支撑环中部的筒壁上开设柱段磁钢组件安装接口。

优选地，所述主支撑环后端以凸耳结构伸向内部，凸耳上开设安装架安装下接口和阳极安装接口。

优选地，所述多层阶梯型内缩结构从主支撑环前端面向中间部位分为顶层、中间层和内层；所述顶层为主支撑环前端面的环形内翻边，内翻边上开设通孔，作为栅极磁钢组件安装接口；所述中间层为第一环形阶梯面，第一环形阶梯面上开设通孔，作为栅极组件安装接口；所述内层为第二环形阶梯面，第二环形阶梯面上开设通孔，作为安装架安装上接口。

优选地，所述第一环形阶梯面和第二环形阶梯面在主支撑环的轴线方向上位置不同，但是两个环形阶梯面的半径和宽度相同；所述第一环形阶梯面由n个直角处为阳角的第一直角连接部组成，各第一直角连接部之间为镂空结构；n个第一直角连接部周向均匀分布，每个第一直角连接部上开设一个通孔，作为一个栅极组件安装接口；所述第二环形阶梯面由m对直角处为阴角的第二直角连接部组成，m<n；m对第二直角连接部设置在其中m个第一直角连接部处，且每对第二直角连接部设置在相应位置的第一直角连接部的两侧；每个第二直角连接部上开设一个通孔，作为一个安装架安装上接口；m和n均为正整数，n＝2m，每间隔一个第一直角连接部，设置一对第二直角连接部。

优选地，通过栅极磁钢组件安装接口、柱段磁钢组件安装接口和阳极的位置配合设计，使得栅极磁钢组件和柱段磁钢组件均与阳极物理热隔离。

优选地，栅极磁钢组件安装接口与栅极组件安装接口的高度差为5mm，安装架安装上接口与栅极组件安装接口的高度差为10mm。

优选地，阳极安装接口为m个；每个阳极安装接口的两侧对称布置安装两个安装架安装下接口。

优选地，主支撑环除安装接口周围保证结构强度，其余位置采用镂空设计。

本发明还提供了一种环形磁钢环切场离子推力器结构，包括主支撑环、安装架和绝缘陶瓷组件；该环形磁钢环切场离子推力器的物理功能性组件通过安装架和绝缘陶瓷组件安装在主支撑环上，使得这些物理功能性组件固定于相对位置处；

其中，外壳安装在安装架上；阳极、栅极组件和安装架通过绝缘陶瓷组件安装在主支撑环上；柱段磁钢组件和栅极磁钢组件直接安装在主支撑环上。

优选地，该离子推力器结构中的主支撑环采用前述任意一种主支撑环结构；此外，阳极位于主支撑环内部，通过阳极绝缘陶瓷组件安装在阳极安装接口处；栅极组件位于主支撑环前端外部，通过栅极绝缘陶瓷组件安装在栅极组件安装接口处；安装架具有与安装架安装上接口和安装架安装下接口相对应的安装架上接口和安装架下接口；安装架位于主支撑环外部，通过安装架绝缘陶瓷组件安装在安装架安装上接口和安装架安装下接口处；柱段磁钢组件位于主支撑环内部，直接安装在所述柱段磁钢组件安装接口处；栅极磁钢组件位于主支撑环前端，直接安装在所述栅极磁钢组件安装接口处。

有益效果：

(1)本发明将绝大多数组件集成在主支撑环上，从而使得离子推力器结构变得紧凑，零部件数量减小，力学性能好，从而大幅提高了离子推力器的可装配性和维修性。

(2)主支撑环采用3层阶梯型内缩结构，实现栅极磁钢组件、栅极组件和安装架的安装，结构紧凑，便于实现。而且，进一步的，3层阶梯型内缩结构采用内翻边+2层弯折方向相反的直角连接部实现，直角连接部之间镂空，设计巧妙，重量轻，使得该结构设计下的同束口径的离子推力器重量轻，这对航天产品非常重要。

(3)该结构针对大功率离子推力器较大的热耗带来的高温问题，通过物理热隔离措施和面面辐射散热措施，降低了热敏感元件(如磁钢)使用环境温度，提高了其使用温度裕度，从而保障了离子推力器的长寿命和高可靠。

(4)离子推力器高比冲主要通过高加速电压来实现，这需要离子推力器高低压电极间具有较好的高压绝缘能力，该发明中的双重绝缘设计，提高了耐压能力和长期溅射沉积环境下绝缘能力，从而为离子推力器长寿命和高比冲实现提供了保证。

附图说明

图1为本发明实施例中环形磁钢环切场离子推力器的结构示意图。

图2为本发明实施例中环形磁钢环切场离子推力器支撑环正视图。

图3为本发明实施例中环形磁钢环切场离子推力器支撑环斜视图。

图4为本发明实施例中环形磁钢环切场离子推力器安装架斜视图。

其中，1-栅极组件、2-外壳、3-安装架绝缘陶瓷组件、4-支撑环、5-柱段磁钢组件、6-安装架、7-阳极、8-阴极、9-阳极绝缘陶瓷组件、10-栅极绝缘陶瓷组件、11-栅极磁钢组件、12-中和器。

具体实施方式

本发明提供了一种适用于环形磁钢环切场离子推力器的结构实现，该结构的主要零部件为主支撑环、安装架和绝缘陶瓷组件，通过这三种结构零部件将环形磁钢离子推力器的物理功能性组件包括阳极、磁钢组件、栅极组件、外壳等固定于设计的相对位置处，实现其整体物理性能。

其中，阳极、栅极组件通过绝缘陶瓷组件安装在主支撑环上，通过绝缘陶瓷组件实现部件之间的绝缘和热隔离；磁钢组件直接安装在主支撑环上，通过与阳极间的结构间隙设计，实现与阳极的绝缘和热隔离；外壳通过安装架安装在主支撑环上，安装架安装到主支撑环上时，通过绝缘陶瓷组件实现绝缘。

可见，本发明将环形磁钢环切场离子推力器的物理功能性组件集成在主支撑环上，使得结构简单紧凑，而且辅助集成安装的零部件数量不多，具有可装配性和维修性好的特点。

同时，这种结构还兼顾了绝缘和热隔离，解决了大功率、高比冲和长寿命推力器带来的高温、高压、长期溅射沉积绝缘下降问题。该结构应用于离子推力器后，通过了通信卫星平台鉴定级力学试验，说明该结构还具有较好的抗力学性能。

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

图1为本发明实施例中环形磁钢环切场离子推力器的结构示意图，图2为环形磁钢环切场离子推力器支撑环正视图，图1的剖切方向见图2。

先介绍一下主支撑环。如图2和图3所示，该主支撑环为圆筒结构。主支撑环后端开设安装架安装下接口D和阳极安装接口E。主支撑环前端为多层阶梯型内缩结构，不同层设计有不同安装接口，分别为栅极磁钢组件安装接口F、栅极组件安装接口B和安装架安装上接口A；安装架安装上接口A和安装架安装下接口D的位置轴向对应，上下接口共同构成安装架6的安装接口。主支撑环中部的筒壁上开设柱段磁钢组件安装接口C。主支撑环有了上述各类接口就可以实现离子推力器物理功能性组件的安装。

其中，对于主支撑环后端设计：

主支撑环后端的设计可以采用内翻边上开孔实现。本实施例中，为了减重和方便连接，采用了凸耳结构。如图3所示，主支撑环后端以凸耳结构伸向内部，凸耳上开设安装架安装下接口D和阳极安装接口E。本实施例中，在圆周的m＝6均分位置上，设计向筒内伸出的凸耳，凸耳上开孔作为阳极安装接口E。在每个阳极安装接口E的左右两侧对称布置安装两个凸耳结构，凸耳上开孔作为安装架安装下接口D，因此安装架安装下接口D共6对。

其中，对于主支撑环前端的设计：

这种多层阶梯型内缩结构从主支撑环前端面向主支撑环中部分为顶层、中间层和内层；顶层为主支撑环前端面的环形内翻边，内翻边上开设通孔，作为栅极磁钢组件安装接口F；中间层为第一环形阶梯面，第一环形阶梯面上开设通孔，作为栅极组件安装接口B；内层为第二环形阶梯面，第二环形阶梯面上开设通孔，作为安装架安装上接口A；安装架安装上接口A和安装架安装下接口D的位置轴向对应。

这种3层阶梯的形式可以有多种实现方式。最简单的一种就是构建3层逐步内缩的阶梯结构，每一层均逐步缩小半径，每一层开孔作为一类接口。但为了紧凑化设计，并兼容强度和热辐射，本发明优选实施例的设计方案如图2和图3所示。第一环形阶梯面和第二环形阶梯面在主支撑环的轴线方向上位置不同，但是两个环形阶梯面的半径和宽度相同。两个环形阶梯面均不是连续的环形面，而是由多个小块在圆周上均匀分布而围成一个环形。

第一环形阶梯面由n＝12个直角处为阳角的第一直角连接部组成，各第一直角连接部之间为镂空结构；12个第一直角连接部周向均匀分布，每个第一直角连接部上开设一个通孔，作为一个栅极组件安装接口B。

第二环形阶梯面由m＝6对直角处为阴角的第二直角连接部组成；6对第二直角连接部设置在其中6个第一直角连接部，这里是选择了间隔均为60°的6个第一直角连接部。且每对第二直角连接部设置在相应位置的第一直角连接部的两侧，本实施例中间隔一个第一直角连接部，设置一对第二直角连接部；第一直角连接部和第二直角连接部是上下错开的，不在同一平面上。每个第二直角连接部上开设一个通孔，作为一个安装架安装上接口A。将安装架安装上接口A设计在栅极组件安装接口B两侧，是因为栅极组件重量比较大，这种设计有益于将栅极支撑力传递到安装架上，降低对主支撑环力学强度的要求。

本实施例中，栅极磁钢组件安装接口F与栅极组件安装接口B的高度差为5mm，安装架安装上接口A与栅极组件安装接口B的高度差为10mm。

主支撑环除安装接口周围保证结构强度，其余位置采用镂空设计。

基于上述主支撑环，下面对本发明环形磁钢环切场离子推力器结构的实现进行详细描述。

如图1所示，该结构的具体包括的零部件为主支撑环4、安装架6、安装架绝缘陶瓷组件3、阳极绝缘陶瓷组件9和栅极绝缘陶瓷组件10。通过这些结构零部件将环形磁钢离子推力器的物理功能性部组件阳极7、柱段磁钢组件5、栅极磁钢组件11、栅极组件1、外壳2、阴极8和中和器12固定于设计相对位置处，实现其整体物理性能，并保证足够的力学强度。具体固定位置为：

主支撑环4的高度与离子推力器阳极7柱段长度接近，环内径稍大于柱段磁钢组件5外径，厚度约为2～5mm。

阳极7置于主支撑环4筒形结构内部，通过阳极绝缘陶瓷组件9安装在阳极安装接口E处，实现阳极7与主支撑环4之间的高电压绝缘。除了阳极绝缘陶瓷组件9，阳极7不接触其他零部件，尤其是栅极磁钢组件和柱段磁钢组件。阴极8与阳极7在放电室的连接关系为现有技术。

栅极组件1位于主支撑环4前端外部，通过栅极绝缘陶瓷组件10安装在栅极组件安装接口B处，在保证栅极在推力器上的相对位置的同时实现栅极组件1与主支撑环4之间的高电压绝缘。

栅极磁钢组件11位于主支撑环4前端，直接安装在所述栅极磁钢组件安装接口F处。栅极磁钢组件安装接口F为一均布12个螺纹孔的环形内翻边，环形内翻边内径等于或稍大于栅极磁钢组件11的外径。通过栅极磁钢组件安装接口F和阳极7尺寸的位置配合设计，使得栅极磁钢组件与阳极不接触，实现物理热隔离。

柱段磁钢组件5位于主支撑环4中段内部，直接安装在柱段磁钢组件安装接口C处。柱段磁钢组件安装接口C位于支撑环4中间位置，其在推力器上的轴向位置为柱段磁钢组件轴向位置，接口形状为轴向均布的12对通孔，通过螺栓将磁钢组件固定到主支撑环4上，通过安装位置保证柱段磁场组件相对其他磁钢组件、阴极和阳极的相对位置。通过柱段磁钢组件尺寸、和阳极7尺寸的配合设计，使得柱段磁钢组件5与阳极不接触，实现物理热隔离，避免了将柱段磁钢组件5固定在阳极7上时由于热传导导致的磁钢使用温度裕度不足问题，从而提高磁钢使用温度裕度，避免因阳极7温度过高导致磁钢磁性能下降，造成推力器性能下降。

安装架6具有与安装架安装上接口A和安装架安装下接口D相对应的安装架上接口和安装架下接口。图4为安装架的示意图。安装架6高度约为安装架安装上接口A与安装架安装下接口D轴向距离与两个安装架陶瓷绝缘组件3支撑部分高度的和。安装架6为在一矩形平板两端同侧设计有凸耳对的结构，整体上呈现U型结构。安装架6平板部分设计有外壳2和推力器矢量调节机构安装接口。除安装接口周围保证结构强度，安装架6主体也采用镂空设计。

外壳2安装在安装架6外表面，安装架6通过安装架绝缘陶瓷组件3安装在主支撑环4的安装架安装上接口A和安装架安装下接口D处，实现外壳2与主支撑环4之间的高电压绝缘。外壳2上安装中和器12，此安装关系为常规手段。

通过上述安装，栅极组件1和阳极7与外壳2之间具有双重绝缘陶瓷组件，如栅极组件1与外壳2之间有栅极组件绝缘陶瓷组件10和安装架绝缘陶瓷组件3；阳极7与外壳2之间有阳极绝缘陶瓷组件9和安装架绝缘陶瓷组件3。因为栅极组件1和阳极7与外壳2间电压差一般在1000V以上，因此这种双重绝缘陶瓷组件隔离的设计可以提高推力器长期溅射沉积环境下电极间高压绝缘能力，保证卫星的高压安全性。

此外，主支撑环4的镂空设计，使得阳极7与外壳2之间大部分面积无遮挡，实现面面辐射传热，降低推力器放电室热量对外传导热阻，从而降低推力器热敏感元件环境温度，提高其使用温度裕度。

本发明提出的环形磁钢环切场离子推力器结构，并已应用于多个型号产品，取得了良好的效果。如将原来的30cm离子推力器采用其结构后重量下降20％。采用该结构后离子推力器结构变得紧凑，零部件数量减小，可装配性和维修性大幅提高。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于环形磁钢环切场离子推力器的主支撑环，其特征在于，该主支撑环为圆筒结构；

主支撑环后端开设安装架安装下接口(D)和阳极安装接口(E)；

主支撑环前端为多层阶梯型内缩结构，不同层设计有不同安装接口，分别为栅极磁钢组件安装接口(F)、栅极组件安装接口(B)和安装架安装上接口(A)；安装架安装上接口(A)和安装架安装下接口(D)的位置轴向对应；

主支撑环中部的筒壁上开设柱段磁钢组件安装接口(C)。

2.如权利要求1所述的主支撑环，其特征在于，所述主支撑环后端以凸耳结构伸向内部，凸耳上开设安装架安装下接口(D)和阳极安装接口(E)。

3.如权利要求1所述的主支撑环，其特征在于，所述多层阶梯型内缩结构从主支撑环前端面向中间部位分为顶层、中间层和内层；

所述顶层为主支撑环前端面的环形内翻边，内翻边上开设通孔，作为栅极磁钢组件安装接口(F)；

所述中间层为第一环形阶梯面，第一环形阶梯面上开设通孔，作为栅极组件安装接口(B)；

所述内层为第二环形阶梯面，第二环形阶梯面上开设通孔，作为安装架安装上接口(A)。

4.如权利要求3所述的主支撑环，其特征在于，

所述第一环形阶梯面和第二环形阶梯面在主支撑环的轴线方向上位置不同，但是两个环形阶梯面的半径和宽度相同；

所述第一环形阶梯面由n个直角处为阳角的第一直角连接部组成，各第一直角连接部之间为镂空结构；n个第一直角连接部周向均匀分布，每个第一直角连接部上开设一个通孔，作为一个栅极组件安装接口(B)；

所述第二环形阶梯面由m对直角处为阴角的第二直角连接部组成，m<n；m对第二直角连接部设置在其中m个第一直角连接部处，且每对第二直角连接部设置在相应位置的第一直角连接部的两侧；每个第二直角连接部上开设一个通孔，作为一个安装架安装上接口(A)；m和n均为正整数，n＝2m，每间隔一个第一直角连接部，设置一对第二直角连接部。

5.如权利要求3所述的主支撑环，其特征在于，通过栅极磁钢组件安装接口(F)、柱段磁钢组件安装接口(C)和阳极(7)的位置配合设计，使得栅极磁钢组件(11)和柱段磁钢组件(5)均与阳极(7)物理热隔离。

6.如权利要求3所述的主支撑环，其特征在于，栅极磁钢组件安装接口(F)与栅极组件安装接口(B)的高度差为5mm，安装架安装上接口(A)与栅极组件安装接口(B)的高度差为10mm。

7.如权利要求2所述的主支撑环，其特征在于，阳极安装接口(E)为m个；每个阳极安装接口(E)的两侧对称布置安装两个安装架安装下接口(D)。

8.如权利要求1所述的主支撑环，其特征在于，主支撑环除安装接口周围保证结构强度，其余位置采用镂空设计。

9.一种环形磁钢环切场离子推力器结构，其特征在于，包括主支撑环(4)、安装架(6)和绝缘陶瓷组件；该环形磁钢环切场离子推力器的物理功能性组件通过安装架(6)和绝缘陶瓷组件安装在主支撑环(4)上，使得这些物理功能性组件固定于相对位置处；

其中，外壳(2)安装在安装架(6)上；阳极(7)、栅极组件(1)和安装架(6)通过绝缘陶瓷组件安装在主支撑环(4)上；柱段磁钢组件(5)和栅极磁钢组件(11)直接安装在主支撑环(4)上。

10.如权利要求9所述的环形磁钢环切场离子推力器结构，其特征在于，主支撑环(4)采用如权利要求1～8任意一项所述的结构；

阳极(7)位于主支撑环(4)内部，通过阳极绝缘陶瓷组件(9)安装在阳极安装接口(E)处；

栅极组件(1)位于主支撑环(4)前端外部，通过栅极绝缘陶瓷组件(10)安装在栅极组件安装接口(B)处；

安装架(6)具有与安装架安装上接口(A)和安装架安装下接口(D)相对应的安装架上接口和安装架下接口；安装架(6)位于主支撑环(4)外部，通过安装架绝缘陶瓷组件(3)安装在安装架安装上接口(A)和安装架安装下接口(D)处；

柱段磁钢组件(5)位于主支撑环(4)内部，直接安装在所述柱段磁钢组件安装接口(C)处；

栅极磁钢组件(11)位于主支撑环(4)前端，直接安装在所述栅极磁钢组件安装接口(F)处。