CN108307576A - 一种磁聚焦霍尔推力器长寿命设计下的磁路结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁聚焦霍尔推力器长寿命设计下的磁路结构设计方法，属于霍尔推力器设计技术领域。所述方法首先将陶瓷放电通道壁面厚度、内磁屏和外磁屏的厚度均增加，提高推力器使用寿命，然后将陶瓷放电通道壁面后段调整为分段式结构或使减少陶瓷放电通道后段的陶瓷放电通道壁面的厚度，最终实现降低励磁效率损失。在设计结构中，内磁屏和外磁屏采用高导磁率、低热膨胀系数的软磁铁氧体材料替代DT4C纯铁。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁聚焦霍尔推力器长寿命设计下的磁路结构设计方法，属于霍尔推力器设计技术领域。
背景技术
霍尔推力器作为一种已经成熟在轨应用的电推进装置，其推力性能和在轨应用的可靠性是目前受广泛关注的核心问题。霍尔推力器放电通道内部的工质电离是其工作中最重要的一个过程，电子与中性原子发生碰撞，最终产生离子，离子又在热化电势产生的电场中加速运动喷出放电通道，最终产生推力，具体结构如图1所示。随着航天技术发展，长时间航天器姿态和轨道调整以及深空探测等航天任务越来越要求电推进系统具有更高的工作寿命。但是由于霍尔推力器等离子体流的发散特性，通道内的部分离子将会同通道器壁发生碰撞，在碰撞过程中，离子将自身动能传递给器壁(推力器陶瓷放电通道壁面)从而导致器壁材料发生溅射侵蚀，成为推进器寿命损耗中最重要的问题。推力器陶瓷壁面侵蚀不仅造成了器壁的质量损失，并且对保证磁极正常工作的条件构成严重威胁，同时，由于等离子体流与器壁的侵蚀表面的相互作用将影响等离子体放电特性，因此器壁的离子溅射侵蚀过程不仅是器壁质量损失的过程，其侵蚀表面形貌变化过程也将影响推进器的放电工作状态。因此，器壁溅射侵蚀成为影响运行稳定性和制约寿命的重要问题之一。为了能够适应霍尔推进器逐步向大推力、高功率和高比冲方向发展的趋势，提高推进器适应各种飞行任务的能力，放电通道陶瓷壁面溅射侵蚀对推力器寿命的影响是实用化发展中急需解决的重要问题之一。
目前，针对放电通道壁面侵蚀影响推力器寿命和性能问题，主要的解决方案分为两种，一种是将陶瓷壁面增厚，在尽可能实现保证性能不变的情况下，以较厚的陶瓷壁面防护内外磁路，并且长期的实验研究发现，在霍尔推力器长时间工作过程中，离子溅射主要集中在陶瓷放电通道出口区域，而长时间工作过后，由于壁面变为渐扩形貌，离子对壁面的侵蚀作用逐渐降低，因此足够厚的壁面可以有效提高推力器的使用寿命。另一种方案为采用磁屏蔽技术对霍尔推力器放电通道出口附近磁场和陶瓷形貌进行前期设计，有效减少离子对壁面的撞击，但是由于磁屏蔽的磁场特性，其将等离子整体外推，使得推力器羽流发散角变大，性能略有下降。而本发明是针对第一种设计方案下产生的问题提出解决方法，对于第二种方案不做赘述。
对陶瓷放电通道进行增厚设计后，会造成内磁屏和外磁屏、内磁极和外磁极之间间隙增大，磁隙增大造成励磁效率下降，同等励磁安匝数情况下，放电通道内磁场强度明显降低，磁场强度分布及磁力线曲率发生改变，如果使用提高安匝数的方法，会受到励磁线圈安装空间限制，只能提高励磁电流，这不仅会造成励磁电流过大，励磁功率的极大提升，也会造成励磁线圈因为焦耳热的原因自身热沉积严重，不利于其稳定工作，增大了励磁效率损失。
发明内容
本发明目的是为了解决霍尔推力器长寿命增厚陶瓷壁面厚度后带来的励磁效率大幅降低，磁场参数改变等问题，实现霍尔推力器整体寿命提升的同时，减小励磁效率的损失，进而有效减小励磁功耗和励磁热量沉积，并保证磁场参数近似不变。所采取的技术方案如下：
一种磁聚焦霍尔推力器长寿命设计下的磁路结构设计方法，所述方法为：首先将陶瓷放电通道壁面厚度、内磁屏和外磁屏的厚度均增加为各部件原有厚度的2倍，然后将陶瓷放电通道壁面后段调整为分段式结构或使减少陶瓷放电通道后段的陶瓷放电通道壁面的厚度，最终实现降低励磁效率损失。
进一步地，所述方法的具体步骤包括：
步骤一：将陶瓷放电通道的壁面厚度增加至其原有厚度的2倍；
步骤二：使用铁氧体材料制作磁聚焦霍尔推力器的内磁屏和外磁屏，并将所述内磁屏和外磁屏的厚度增加至其原有厚度的2倍，并保证所述内磁屏和外磁屏之间的间距不变；
步骤三：将步骤一所述陶瓷放电通道的壁面后段制作成分段式结构，所述壁面后段的起始位置在磁聚焦霍尔推力器的阳极环顶部轴向向内5～10mm处；
步骤四：根据铁氧体材料和BN陶瓷的热膨胀系数及内磁屏和外磁屏的厚度，将所述内磁屏和外磁屏与其各自所对应的陶瓷放电通道壁面之间的间隙调整为陶瓷放电通道壁面厚度的10％左右，并在内磁屏和外磁屏与陶瓷放电通道壁面对应的磁屏面和通道壁面上均涂上隔热涂层；
步骤五：根据所需设计的磁场构型，对所述磁聚焦霍尔推力器的内磁极和外磁极的轴向位置进行调整，控制磁场轴向梯度分布以及零磁点位置在磁路调整前后不变；
步骤六：利用FEEM磁场仿真方法对步骤一至步骤五形成的磁路结构进行磁场仿真，调节励磁电流，使所述陶瓷放电通道中心线上磁场与原磁场近似一致，进而获得对应磁路参数，最终获得所述磁聚焦霍尔推力器的磁路结构及对应参数。
进一步地，步骤三所述分段式结构包括陶瓷底座3-1和陶瓷内壁面外段3-2；所述陶瓷内壁面外段3-2安装于所述陶瓷底座3-1上；所述陶瓷内壁面外段3-2与所述陶瓷底座3-1的结合部位位于所述内磁屏与陶瓷放电通道外壁面接触位置处。
进一步地，所述陶瓷内壁面外段3-2与所述陶瓷底座3-1之间采用阶梯式卡接方式连接。
进一步地，所述方法的具体步骤包括：
步骤一：将陶瓷放电通道的壁面厚度增加至其原有厚度的2倍；
步骤二：使用铁氧体材料制作磁聚焦霍尔推力器的内磁屏和外磁屏，并将所述内磁屏和外磁屏的厚度增加至其原有厚度的2倍，并保证所述内磁屏和外磁屏之间的间距不变；
步骤三：将步骤一所述陶瓷放电通道的壁面后段的厚度减薄至，所述壁面后段的起始位置在磁聚焦霍尔推力器的阳极环顶部轴向向内5～10mm处；
步骤四：根据铁氧体材料和BN陶瓷的热膨胀系数及内磁屏和外磁屏的厚度，将所述内磁屏和外磁屏与其各自所对应的陶瓷放电通道壁面之间的间隙调整为陶瓷放电通道壁面厚度的10％左右，并在内磁屏和外磁屏与陶瓷放电通道壁面对应的磁屏面和通道壁面上均涂上隔热涂层；
步骤五：利用FEEM磁场仿真方法对步骤一至步骤四形成的磁路结构进行磁场仿真，调节励磁电流，使所述陶瓷放电通道中心线上磁场与原磁场近似一致，进而获得对应磁路参数，最终获得所述磁聚焦霍尔推力器的磁路结构及对应参数。
进一步地，步骤六所述调节励磁电流的具体方式为：内励磁电流和外励磁电流调节变化比例相同，其调节范围为增加原励磁电流的36-38％；附加线圈增加10％。
进一步地，所述内励磁电流、外励磁电流和所述附加线圈的励磁电流分别从对应的电流值1.8A/2.5A/3A变为2.45A/3.45A/3.3A。
进一步地，所述陶瓷放电通道的壁面厚度增加至6mm；所述内磁屏厚度增加至5mm；所述外磁屏厚度增加至4mm；所述内磁屏和外磁屏与其各自所对应的陶瓷放电通道壁面之间的间隙调整为0.5mm。
本发明有益效果：
提出了一种利用导磁陶瓷替代原有磁屏结构，并将BN放电通道陶瓷(陶瓷放电通道的壁面)增厚，在有效提高对推力器内外磁极等磁路构件的保护，提高推力器工作寿命的同时，保持磁屏相对位置不变，减小励磁效率损失：选择热膨胀系数小的铁氧体陶瓷，防止BN陶瓷受热膨胀时碎裂；为防止放电通道与磁屏间存在大量传热导致磁路升温，影响推力器工作，将陶瓷放电通道3与磁屏间的接触面两侧表面均进行表面处理，附着隔热涂层，并且接触面间预留0.5mm左右缝隙，对其间热流进行有效控制；由于陶瓷增厚，内磁极1和外磁极5之间磁隙增大，造成最大磁场略有外推的现象，所以需要将内外磁极位置轴向向内进行适当调整。以HET-100为例，如图2和图3所示，进行磁路和陶瓷增厚改动，并对励磁电流进行调整前后放电通道中心线12上磁场分布如图4和图5所示。对比可见，零磁点位置、最强磁场位置几乎没有发生变化，，最大磁场增大约3G，变化幅度不足1.5％，进而磁场梯度变化几乎不变。
附图说明
图1是本发明所述霍尔推力器结构示意简图。
图2是薄放电陶瓷壁面霍尔推力器磁场结构示意简图及磁场图。
图3是陶瓷壁面增厚后磁场结构示意简图及磁场图。
图4是薄陶瓷壁面下放电通道中心线上磁场分布图。
图5是陶瓷壁面增厚和磁路调整后放电通道中心线上磁场分布图。
图6是BN陶瓷壁面增厚后的分段示意图。
图7是BN陶瓷壁面增厚后一体结构方案示意图。
(内磁极1，内磁屏2，陶瓷放电通道3，外磁屏4，外磁极5，内励磁线圈6，外励磁线圈7，附加励磁线圈8，阳极及气体分配器一体结构9，阴极10，等离子体流11)
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
本发明以解决陶瓷放电通道壁面增厚后的励磁效率和磁场参数改变问题为基础，提供的技术方案是：将陶瓷放电通道3的厚度增加一倍，使用铁氧体材料的磁屏替代原有DT4C材料的磁屏，如图3(右图)所示，由于铁氧体的磁导率较低，为防止其磁饱和，将磁屏厚度增加一倍。陶瓷放电通道是接收离子能量溅射部位，其温度较高，而磁路对于工作温度有相应要求，因此必须减少此结构下陶瓷通过磁屏对磁路进行传热，所以对铁氧体内磁屏2和外磁屏4与陶瓷放电通道接触面进行表面处理，做隔热涂层，并且预留间隙，同时利用铁氧体陶瓷低导热率的导热特性，减少陶瓷通道膨胀与磁屏相接触时，对内磁路的传导热流。为方便工程安装，陶瓷放电通道采用两种方案，一种为内外分段方案，一种为陶瓷放电通道后部减薄方案，具体见本发明的实施方法部分。
实施例1：
一种磁聚焦霍尔推力器长寿命设计下的磁路结构设计方法，所述方法为：首先将陶瓷放电通道壁面厚度、内磁屏和外磁屏的厚度均增加为各部件原有厚度的2倍，然后将陶瓷放电通道壁面后段调整为分段式结构或使减少陶瓷放电通道后段的陶瓷放电通道壁面的厚度，最终实现降低励磁效率损失。
所述方法的具体步骤包括：
步骤一：如图2和图3所示，为HET-100型霍尔推力器磁路结构，将陶瓷放电通道的壁面厚度从3mm增加至6mm；
步骤二：使用铁氧体材料制作磁聚焦霍尔推力器的内磁屏和外磁屏，外防止磁饱和；并将所述内磁屏和外磁屏的厚度增加至其原有厚度的2倍，即将内磁屏厚度由2.5mm变为5mm，外磁屏厚度由2mm变为4mm，并保证所述内磁屏和外磁屏之间的间距不变；
步骤三：将步骤一所述陶瓷放电通道的壁面后段制作成分段式结构，分段起始位置选择在阳极环顶部轴向向内5～10mm左右；
步骤四：根据铁氧体材料和BN陶瓷的热膨胀系数及内磁屏和外磁屏的厚度，将所述内磁屏和外磁屏与其各自所对应的陶瓷放电通道壁面之间的间隙调整为陶瓷放电通道壁面厚度的10％左右，并在内磁屏和外磁屏与陶瓷放电通道壁面对应的磁屏面和通道壁面上均涂上隔热涂层；
步骤五：根据所需设计的磁场构型，对所述磁聚焦霍尔推力器的内磁极和外磁极的轴向位置均向内调整1mm，控制磁场轴向梯度分布以及零磁点位置在磁路调整前后不变。
步骤六：利用FEEM磁场仿真方法对步骤一至步骤五形成的磁路结构进行磁场仿真，调节励磁电流，使所述陶瓷放电通道中心线上磁场与原磁场近似一致，进而获得对应磁路参数，最终获得所述磁聚焦霍尔推力器的磁路结构及对应参数。其中，所述调节励磁电流的具体方式为：内励磁电流和外励磁电流调节变化比例相同，其调节范围为原励磁电流的36-38％；附加线圈增加10％。所述内励磁电流、外励磁电流和所述附加线圈的励磁电流分别从对应的电流值1.8A/2.5A/3A变为2.45A/3.45A/3.3A。
其中，步骤三所述分段式结构包括陶瓷底座3-1和陶瓷内壁面外段3-2；所述陶瓷内壁面外段3-2安装于所述陶瓷底座3-1上；所述陶瓷内壁面外段3-2与所述陶瓷底座3-1的结合部位位于所述内磁屏和外磁屏与陶瓷放电通道壁面接触位置处。所述陶瓷内壁面外段3-2与所述陶瓷底座3-1之间采用阶梯式卡接方式连接。利用铁氧体陶瓷无导电特性，阻止结合处逸出等离子体对内部磁路的破坏。
在实际应用中，铁氧体材料种类繁多，优选的，选择导磁性能好，具有良好电绝缘性，热导率小，热膨胀系数小的种类。
实施例2
一种磁聚焦霍尔推力器长寿命设计下的磁路结构设计方法，所述方法为：首先将陶瓷放电通道壁面厚度、内磁屏和外磁屏的厚度均增加为各部件原有厚度的2倍，然后将陶瓷放电通道壁面后段调整为分段式结构或使减少陶瓷放电通道后段的陶瓷放电通道壁面的厚度，最终实现降低励磁效率损失。所述方法的具体步骤包括：
步骤一：将陶瓷放电通道的壁面厚度从3mm增加至6mm；
步骤二：使用铁氧体材料制作磁聚焦霍尔推力器的内磁屏和外磁屏，外防止磁饱和；并将所述内磁屏和外磁屏的厚度增加至其原有厚度的2倍，即将内磁屏厚度由2.5mm变为5mm，外磁屏厚度由2mm变为4mm，并保证所述内磁屏和外磁屏之间的间距不变；
步骤三：将步骤一所述陶瓷放电通道的壁面后段的厚度减薄至4.5mm(原壁面厚度的75％)，所述壁面后段的起始位置在磁聚焦霍尔推力器的阳极环顶部轴向向内5～10mm处，如图7所示；
步骤四：将所述内磁屏和外磁屏与其各自所对应的陶瓷放电通道壁面之间的间隙调整为0.5mm，并在内磁屏和外磁屏与陶瓷放电通道壁面对应的磁屏面和通道壁面上均涂上隔热涂层；
步骤五：利用FEEM磁场仿真方法对步骤一至步骤四形成的磁路结构进行磁场仿真，调节励磁电流，使所述陶瓷放电通道中心线上磁场与原磁场近似一致，进而获得对应磁路参数，最终获得所述磁聚焦霍尔推力器的磁路结构及对应参数。其中，所述调节励磁电流的具体方式为：内励磁电流和外励磁电流调节变化比例相同，其调节范围为增加原励磁电流的36-38％；附加线圈增加10％。所述内励磁电流、外励磁电流和所述附加线圈的励磁电流分别从对应的电流值1.8A/2.5A/3A变为2.45A/3.45A/3.3A。
本实施例中，由于磁聚焦作用，等离子体对壁面的溅射侵蚀作用主要集中在放电通道出口位置，因此陶瓷增厚主要集中在陶瓷放电通道出口段，如图5所示。因此陶瓷放电通道后段厚度在保证结构强度的前提下，将陶瓷后段减薄，方便将放电通道安装进入，如图5所示，此方案无需将陶瓷进行分段处理，采用一体结构。磁屏与陶瓷之间预留0.5mm左右间隙，两面采用绝热涂层进行处理，隔绝热流的同时，防止BN陶瓷膨胀碎裂。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (8)
1.一种磁聚焦霍尔推力器长寿命设计下的磁路结构设计方法，其特征在于，所述方法为：首先将陶瓷放电通道壁面厚度、内磁屏和外磁屏的厚度均增加为各部件原有厚度的2倍，然后将陶瓷放电通道壁面后段调整为分段式结构或使减少陶瓷放电通道后段的陶瓷放电通道壁面的厚度，最终实现降低励磁效率损失。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法的具体步骤包括：
步骤一：将陶瓷放电通道的壁面厚度增加至其原有厚度的2倍；
步骤二：使用铁氧体材料制作磁聚焦霍尔推力器的内磁屏和外磁屏，并将所述内磁屏和外磁屏的厚度增加至其原有厚度的2倍，并保证所述内磁屏和外磁屏之间的间距不变；
步骤三：将步骤一所述陶瓷放电通道的壁面后段制作成分段式结构，所述壁面后段的起始位置在磁聚焦霍尔推力器的阳极环顶部轴向向内5～10mm处；
步骤四：根据铁氧体材料和BN陶瓷的热膨胀系数及内磁屏和外磁屏的厚度，将所述内磁屏和外磁屏与其各自所对应的陶瓷放电通道壁面之间的间隙调整为陶瓷放电通道壁面厚度的10％，并在内磁屏和外磁屏与陶瓷放电通道壁面对应的磁屏面和通道壁面上均涂上隔热涂层；
步骤五：根据所需设计的磁场构型，对所述磁聚焦霍尔推力器的内磁极和外磁极的轴向位置进行调整，控制磁场轴向梯度分布以及零磁点位置；
步骤六：利用FEEM磁场仿真方法对步骤一至步骤五形成的磁路结构进行磁场仿真，调节励磁电流，使所述陶瓷放电通道中心线上磁场与原磁场近似一致，进而获得对应磁路参数，最终获得所述磁聚焦霍尔推力器的磁路结构及对应参数。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤三所述分段式结构包括陶瓷底座(3-1)和陶瓷内壁面外段(3-2)；所述陶瓷内壁面外段(3-2)安装于所述陶瓷底座(3-1)上；所述陶瓷内壁面外段(3-2)与所述陶瓷底座(3-1)的结合部位位于所述内磁屏与陶瓷放电通道外壁面接触位置处。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述陶瓷内壁面外段(3-2)与所述陶瓷底座(3-1)之间采用阶梯式卡接方式连接。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法的具体步骤包括：
步骤一：将陶瓷放电通道的壁面厚度增加至其原有厚度的2倍；
步骤二：使用铁氧体材料制作磁聚焦霍尔推力器的内磁屏和外磁屏，并将所述内磁屏和外磁屏的厚度增加至其原有厚度的2倍，并保证所述内磁屏和外磁屏之间的间距不变；
步骤三：将步骤一所述陶瓷放电通道的壁面后段的厚度减薄，所述壁面后段的起始位置在磁聚焦霍尔推力器的阳极环顶部轴向向内5～10mm处；
步骤四：根据铁氧体材料和BN陶瓷的热膨胀系数及内磁屏和外磁屏的厚度，将所述内磁屏和外磁屏与其各自所对应的陶瓷放电通道壁面之间的间隙调整为陶瓷放电通道壁面厚度的10％，并在内磁屏和外磁屏与陶瓷放电通道壁面对应的磁屏面和通道壁面上均涂上隔热涂层；
步骤五：根据所需设计的磁场构型，对所述磁聚焦霍尔推力器的内磁极和外磁极的轴向位置进行调整，控制磁场轴向梯度分布以及零磁点位置。
6.根据权利要求2或5所述方法，其特征在于，步骤六所述调节励磁电流的具体方式为：内励磁电流和外励磁电流调节变化比例相同，其调节范围为增加原励磁电流的36-38％；附加线圈增加10％。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述内励磁电流、外励磁电流和所述附加线圈的励磁电流分别从对应的电流值1.8A/2.5A/3A变为2.45A/3.45A/3.3A。
8.根据权利要求2或5所述方法，其特征在于，所述陶瓷放电通道的壁面厚度增加至6mm；所述内磁屏厚度增加至5mm；所述外磁屏厚度增加至4mm；所述内磁屏和外磁屏与其各自所对应的陶瓷放电通道壁面之间的间隙调整为0.5mm。
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