CN109236594B - 一种低功率磁化电推进空心阴极推力器 - Google Patents

一种低功率磁化电推进空心阴极推力器 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种低功率磁化电推进空心阴极推力器，该推力器的阴极由顶板和圆筒形侧壁组成，阴极的顶板内安装有环形的发射体，作为阴极，阴极的侧壁的外周套固有绝缘层一，绝缘层一外周套固有环状的永磁铁，阴极的内部安装有点火电极，阴极的顶板的外侧与绝缘层二连接，绝缘层二的外侧连接有阳极，阴极的开口端安装有绝缘底座，阳极底板固定在绝缘底座的外侧。解决了现有技术中的空心阴极推力器比冲和工作效率低的问题，提供一种低功率磁化电推进空心阴极推力器，利用轴向磁场增强等离子束流，以增强等离子加速效应在推力产生机理中所发挥的作用，提高空心阴极推力器的比冲和工作效率。

Description

一种低功率磁化电推进空心阴极推力器
技术领域
本发明涉及一种阴极推力器，尤其是涉及一种低功率磁化电推进空心阴极推力器，属于航空推进系统领域。
背景技术
随着微小卫星的迅速发展，对微推力器的需求日益突出。受到微小卫星自身体积以及电源功率的限制，需要的推进系统需要具备体积小、功耗低的特点，为了保证微小卫星的有效载荷以及寿命，微推力器还需要具备比冲高、效率高的特点。由于冷气推进以及化学推进的比冲相对较低，限制了微小卫星的有效载荷，因此不适用在微小卫星平台上，而电推进系统具有较高的推进效率和比冲，以目前发展较为迅速的霍尔推力器和离子推力器为例，比冲接近3000-4000s。然而，离子推力器和霍尔推力器在小型化过程中，由于尺寸降低会导致推进效率一定程度上降低，同时小型中和器技术存在一定难题，因此微推力器的发展是微型卫星广泛应用的关键。
目前，电推进微推力器形式多样广泛，以推力产生的机制可以分为电热式、静电式和电磁式。电热式推力器推力较高，但是推进比冲及效率相对较低，不适于微小卫星平台；静电式以及电磁式电推力器，以脉冲等离子微推力器和真空阴极电弧微推力器为例，比冲以及推进效率相对较高，但是在推力产生过程中仍需中和器提供电子中和羽流，中和器的小型化同样是难题。
电推进空心阴极是电推进系统中关键部件，为电推力器提供电子维持等离子体放电和中和羽流的作用。空心阴极具有结构简单、体积小、工作可靠和寿命长的特点，将空心阴极推力器发展成为一种微推力器可以将推力器和中和器一体化，解决微推力器需要微型中和器技术难点问题。空心阴极推力器在工作过程中，由于推力产生的机理中气体的热膨胀加速效应占主导地位，而离子加速在其中对推力的产生发挥的作用有限，因此利用空心阴极产生推力比冲和效率较低。为提高空心阴极推力器等离子体加速效应，提高比冲，本专利提出利用磁场提高空心阴极推力器的推进效率的方法，从而发展一种新型的低功率空心阴极推力器。
发明内容
本发明目的是为解决现有技术中的空心阴极推力器比冲和工作效率低的问题，提供一种低功率磁化电推进空心阴极推力器，利用轴向磁场增强等离子束流，以增强等离子加速效应在推力产生机理中所发挥的作用，提高空心阴极推力器的比冲和工作效率。
本发明为达此目的，采用以下技术方案：
本发明所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器包括阴极、永磁铁、绝缘层一、阳极、绝缘层二、点火电极、发射体、通气管和阳极底板；所述阴极由顶板和圆筒形侧壁组成，所述阴极的顶板内安装有环形的发射体，作为阴极，所述阴极的侧壁的外周套固有绝缘层一，所述绝缘层一外周套固有环状的永磁铁，所述阴极的内部安装有点火电极，所述阴极的顶板的外侧与绝缘层二连接，所述绝缘层二的外侧连接有阳极，所述阴极的开口端安装有绝缘底座，所述阳极底板固定在绝缘底座的外侧。
优选地，所述低功率磁化电推进空心阴极推力器还包括绝缘底座，所述绝缘底座位于阳极底板与阴极的开口端之间。
优选地，所述点火电极包括通气管，所述通气管用于给点火电极输送气体。
优选地，所述环形永磁铁为环形，材质为耐高温钐钴。
优选的，所述阳极为锥形，加载电压为100V。
优选的，所述点火电极为击穿电极，加载电压为500V。
优选地，所述绝缘层一的材质为氧化铝复合材料，用于将阴极和阳极绝缘，防止两极间导电。
优选地，所述绝缘层二的材质为陶瓷，用于隔绝电子传导。
本发明所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器的工作原理为：
与传统空心阴极不同，该空心阴极推力器中发射体镶嵌在阴极的顶板中，作为阴极。所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器的点火电极作为击穿电极，发射体为阴极，阴极的外部为锥形阳极，在阳极中产生高密度等离子体，永磁铁产生磁场，利用轴向磁场将高密度等离子体引出，从而增强等离子体束流。
本发明所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器的有益效果为：
(1)、本发明所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器结构简单、工作可靠、功耗较低并且体积小、质量轻，满足微小卫星对微推力器的要求。
(2)、本发明所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器利用磁场，空心阴极推力器在低功率条件下可以产生较高的比冲。
(3)、本发明所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器将中和器和推力器巧妙地一体化，避免了微小推力器小型中和器的技术难题。
(4)、本发明所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器与无磁场空心阴极推力器相比，通过改善电离，增强了等离子体束流效应，大幅度提高了推力器推进性能。
附图说明
图1是本发明所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器的结构示意图；
图2是本发明所述的永磁铁的工作原理示意图，其中，(a)为永磁铁的轴向充磁示意图，(b)为永磁铁的径向充磁示意图，(c)为线圈代替永磁铁产生磁场的示意图；
图3是本发明的阳极与永磁铁的磁场匹配位型示意图，其中(a)为零磁点位置位于阳极进口处的阳极与永磁铁的磁场匹配位型示意图，(b)为磁场峰值位于阳极进口处的阳极与永磁铁的磁场匹配位型示意图。
图中：1-阴极；2-永磁铁；3-绝缘层一；4-阳极；5-绝缘层二；6-点火电极；7-发射体；8-通气管；9-阳极底板；10-绝缘底座；11-线圈。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
具体实施方式一、参见图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器包括阴极1、永磁铁2、绝缘层一3、阳极4、绝缘层二5、点火电极6、发射体7、通气管8、阳极底板9和绝缘底座10；所述阴极1由顶板和圆筒形侧壁组成，所述阴极1的顶板内安装有环形的发射体7，作为阴极，所述阴极1的侧壁的外周套固有绝缘层一3，所述绝缘层一3外周套固有环状的永磁铁2，所述阴极1的内部安装有点火电极6，所述阴极1的顶板的外侧与绝缘层二5连接，所述绝缘层二5的外侧连接有阳极4，所述阴极1的开口端安装有绝缘底座10，所述阳极底板9固定在绝缘底座10的外侧，所述阳极4通过螺杆固定在阳极底板9上。
所述阳极底板9与绝缘底座10以及绝缘层二相互平行。
所述绝缘底座10位于阳极底板9与阴极1的开口端之间。
所述环形永磁铁2为环形，材质为耐高温钐钴。
所述阳极4为锥形，加载电压为100V。
所述点火电极6为击穿电极，加载电压为500V。所述点火电极6包括通气管8，所述通气管8用于给点火电极6输送气体。
所述绝缘层一3的材质为氧化铝复合材料，用于将阴极和阳极绝缘，防止两极间导电。所述绝缘层二5的材质为陶瓷，用于隔绝电子传导。
如图1，所述阴极1内部电极为点火电极6，所述发射体7为阴极。在阴极1启动过程中，点火电极6的加载电压为500V，将发射体7与点火电极6之间的气体工质击穿产生高密度等离子体，阳极4的加载电压为100V，将等离子体引出，实现阳极4与发射体7之间的放电。环形永磁铁2为耐高温钐钴永磁铁，与阴极1的外壳之间利用绝缘层一3绝缘。所述阳极4为不锈钢材料锥形阳极，锥形阳极4通过螺杆固定在不锈钢阳极底板9上，阳极底板9固定在绝缘底座10上；而阳极4与阴极1的顶板之间利用绝缘层二5隔绝电子传导。
结合图2，对永磁铁2的工作原理做进一步解释。所述永磁铁2为环形，材料为耐高温钐钴，可以耐受350℃高温，从而不会由于阴极1的高温导致永磁铁2的退磁。磁铁的充磁方向可以选择两种方案：一种为轴向充磁，磁场如图2(a)所示，另一种为径向充磁，如图2(b)所示，考虑到高温退磁，永磁铁2也可以用线圈11代替，具体由线圈产生的磁场如图2(c)所示。磁场的作用为拦截电子，提高电子温度，使气体工质充分电离，从而保证推力器的较高性能。
结合图3，对永磁铁2的轴向充磁磁场与阳极4匹配做进一步说明。阳极4与磁场的匹配位型分别如图3(a)和图3(b)所示。利用永磁铁2产生的磁场位型在轴向位置上轴向磁场存在零磁点，图3(a)所示为零磁点位置位于阳极进口处，磁场强度沿着轴向方向磁场逐渐升高达到峰值后逐渐降低。由于阳极入口处的磁场强度适中，这样推力器点火较为容易实现。图3(b)为磁场峰值位于阳极进口处，沿着轴向方向磁场逐渐降低，这样在阳极入口处的磁场强度最大，可以增加电子在入口处的传到阻性，进而提高电子温度，改善电离。对永磁铁2的轴向充磁磁场与阳极4两种匹配位型的益处为：在磁场的作用下，电子被磁场磁化，沿着径向方向电子传导阻性增加，因此增加了电子与中性气体的碰撞概率，可以改善阳极电离区的电离；同时在轴向磁场的作用下，等离子体束流增强。
本发明所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器的具体操作过程为：
所述低功率磁化电推进空心阴极推力器工作时，阴极1作为电子源提供电子，电子被阳极4引出，在阳极4区域内向阳极壁面传导，在磁场的约束作用下，电子做回旋运动，同时在电场和磁场的作用下，作霍尔漂移运动。电子由于在阳极4区域产生霍尔漂移因此增加了电子传导路径，提高了阳极区电离。等离子体中的离子在阳极4的电势作用下，沿着轴向向外加速，从而产生推力，而等离子体中的部分电子在双极扩散的作用下，运动到羽流区中和羽流。与无磁场空心阴极推力器相比的益处是：通过改善电离，增强了等离子体束流效应，大幅度提高了推力器推进性能。
虽然本发明已以明确的数据和实施例公开，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的本质范围内，都可以做适当的参数修改，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)

1.一种低功率磁化电推进空心阴极推力器，其特征在于，包括阴极(1)、永磁铁(2)、绝缘层一(3)、阳极(4)、绝缘层二(5)、点火电极(6)、发射体(7)、阳极底板(9)和绝缘底座(10)；所述阴极(1)由顶板和圆筒形侧壁组成，所述阴极(1)的顶板内安装有环形的发射体(7)，作为阴极，所述阴极(1)的侧壁的外周套固有绝缘层一(3)，所述绝缘层一(3)外周套固有环状的永磁铁(2)，所述阴极(1)的内部安装有点火电极(6)，所述阴极(1)的顶板的外侧与绝缘层二(5)连接，所述绝缘层二(5)的外侧连接有阳极(4)，所述阴极(1)的开口端安装有绝缘底座(10)，所述阳极底板(9)固定在绝缘底座(10)的外侧；
所述点火电极(6)为击穿电极。
2.根据权利要求1所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器，其特征在于，所述绝缘底座(10)位于阳极底板(9)与阴极(1)的开口端之间。
3.根据权利要求1所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器，其特征在于，所述点火电极(6)包括通气管(8)，所述通气管(8)用于给点火电极(6)输送气体。
4.根据权利要求1所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器，其特征在于，所述永磁铁(2)为环形，材质为耐高温钐钴。
5.根据权利要求1所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器，其特征在于，所述阳极(4)为锥形，材质为不锈钢，加载电压为100V。
6.根据权利要求1所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器，其特征在于，所述点火电极(6)的加载电压为500V。
7.根据权利要求1所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器，其特征在于，所述绝缘层一(3)的材质为氧化铝复合材料，用于将阴极和阳极绝缘，防止两极间导电。
8.根据权利要求1所述的低功率磁化电推进空心阴极推力器，其特征在于，所述绝缘层二(5)的材质为陶瓷，用于隔绝电子传导。
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