CN109707584B - 一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，包括：永磁体、内磁芯、导磁底座、导磁件、出口磁极、陶瓷通道和阳极，永磁体、导磁件和出口磁极均为环形件且同轴，内磁芯竖直设置且位于永磁体的内部，内磁芯的上下两端分别连接陶瓷通道和导磁底座，出口磁极、导磁件和导磁底座由上至下依次连接，出口磁极滑动连接于导磁件和陶瓷通道的上沿，陶瓷通道位于导磁件的内部，陶瓷通道的上游部分为直通道，下游部分为变截面通道，阳极设置于陶瓷通道的底部。本发明在不影响工质电离程度的基础上，解决了现有的圆柱形霍尔推力器等离子体与壁面作用加剧导致性能下降的问题，延长了推力器寿命，且相对现有的圆柱形霍尔推力器大幅减重。

Description

一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器

技术领域

本发明涉及一种圆柱型霍尔推力器，具体地，涉及一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，属于圆柱形霍尔推力器领域。

背景技术

随着具有微推力、高比冲、长寿命等特点的电推进技术发展，小功率电推进已成为很有技术竞争力的小卫星推进系统选择。与传统的霍尔推力器相比，圆柱形霍尔推力器在电推进装置小型化的进程中表现出巨大的潜力。

圆柱形推力器工作机理与传统霍尔推力器有根本性的不同，在阳极侧，由于磁镜效应，电子往阳极的传导运动受到阻碍；而在阴极侧受到电场力的作用被反射回通道内部，故电子在通道内可以轴向地来回往复移动以加强电离，这种设计特点使得圆柱形霍尔推力器具有结构简单、寿命长等优势，从而获得了国内外越来越多研究机构的重视。

现有的圆柱形霍尔推力器由于内壁面的去除使得陶瓷壁面的侵蚀问题得到一定的缓解，但是外陶瓷壁面仍然会受到离子的侵蚀，造成寿命受限，并且由于通道内部磁场轴向分量较大，根据热化电势假设，加速电场径向分量会较大，因此会造成离子发散，导致等离子体与壁面的相互作用程度加剧，引起推力器性能的下降。增大通道直径会使得等离子体与壁面作用程度减轻，但会使得工质通流密度降低，影响电离过程。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，在不影响工质电离程度的基础上，解决现有圆柱形霍尔推力器等离子体与壁面作用加剧导致性能下降的问题。现提供一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器。

本发明提供了一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，包括：永磁体、内磁芯、导磁底座、导磁件、出口磁极、陶瓷通道和阳极，

所述永磁体、所述导磁件和所述出口磁极均为环形件且同轴，

所述内磁芯竖直设置且位于所述永磁体的内部，所述内磁芯的上下两端分别连接所述陶瓷通道和所述导磁底座，所述出口磁极、所述导磁件和所述导磁底座由上至下依次连接，所述出口磁极滑动连接于所述导磁件和所述陶瓷通道的上沿，所述陶瓷通道位于所述导磁件的内部，所述陶瓷通道的上游部分为直通道，下游部分为变截面通道，所述阳极设置于所述陶瓷通道的底部。

进一步的，所述导磁件和所述永磁体的内径相同，所述出口磁极、所述导磁件、所述永磁体和所述导磁底座的外径相同。

进一步的，所述陶瓷通道为一体件。

进一步的，所述陶瓷通道的材料为氮化硼陶瓷。

进一步的，所述陶瓷通道的上游部分直径为12mm，下游部分末端的直径为16mm，所述的上游部分的扩角为0°，下游部分的扩角为30°。

进一步的，所述导磁底座为圆形板，且为回转体结构。

进一步的，永磁体均采用稀土钐钴永磁材料。

进一步的，所述内磁芯的下端连接于所述导磁底座的上表面中心，所述陶瓷通道的底部中心向上设有凸台，且所述凸台下方还设有与所述内磁芯顶端相匹配的空间。

进一步的，所述凸台与所述陶瓷通道的上游部分间设有环形凹槽，所述阳极设置在所述环形凹槽中并与所述环形凹槽配合。

进一步的，所述陶瓷通道的下游部分周边的磁力线平行于陶瓷通道的下游部分内壁。

进一步的，所述陶瓷通道的下游部分的头端至尾端逐渐扩张。

进一步的，所述出口磁极为回转体结构。

与现有技术相比，本发明的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器具有如下的有益效果：

(1)减小等离子体与壁面相互作用：下游部分采取渐扩的通道构型，且与磁场进行合理匹配，磁力线平行于通道壁面，可使得等离子体与壁面接触的概率减小，使得壁面侵蚀问题得到缓解，有助于提升推进器的寿命。

(2)保证电离率：圆柱形霍尔推力器电离区在通道上游，上游部分采取直通道设计，可使得上游部分中的工质通流密度维持在较高的量级，电离率得到有效保障。

(3)可大幅减重：该推力器仅采用单永磁环励磁，并未采用线圈励磁，可使得推力器的尺寸重量都得以大幅度减小，便于实现轻量化设计。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器的结构示意图；

图2为本发明的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器的磁场示意图。

其中，1为永磁体、2为内磁芯、3为导磁底座、4为导磁件、5为出口磁极、6为陶瓷通道，7为阳极。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，本发明提供了一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器的一实施例，包括：永磁体1、内磁芯2、导磁底座3、导磁件4、出口磁极5、陶瓷通道6和阳极7，

永磁体1、导磁件4和出口磁极5均为环形件且同轴，

内磁芯2竖直设置且位于永磁体1的内部，内磁芯2的上下两端分别连接陶瓷通道6和导磁底座3，出口磁极5、导磁件4和导磁底座3由上至下依次连接，出口磁极5滑动连接于导磁件4和陶瓷通道6的上沿，陶瓷通道6位于导磁件4的内部，陶瓷通道6的上游部分为直通道，下游部分为变截面通道，阳极7设置于陶瓷通道6的底部。

具体的，由于一般霍尔推力器的通道壁面表面积与容积比大，等离子体与壁面的相互作用强。等离子体和固体壁面发生作用时会形成等离子体鞘层，鞘层中的高能电子与器壁材料撞击会使得器壁发射出大量的二次电子，二次电子发射直接影响等离子体鞘层特性，进而影响推进器的效率、比冲等性能指标，同时也影响霍尔推力器寿命。

在本实施例中，参照图2所示，出口磁极5为回转体结构，改变磁极结构可实现对出口处磁力线倾角的调控，进而将出口处磁力线调整至与陶瓷通道6的下游部分壁面平行的程度，使得等离子体与陶瓷通道6的壁面接触的概率减小，壁面侵蚀问题得到缓解，有助于提升推进器的寿命。

在本实施例中，具体通过更换不同尺寸的出口磁极来达到改变磁极结构的效果，出口磁极的下内径、上内径、外径和厚度均可以改变，而这些改变均会对磁场产生影响，使得磁力线倾角发生改变。除出口磁极以外，磁路其他组成部分：由纯铁DT4C制成的内磁芯(2)、导磁底座(3)、导磁件(4)以及由钐钴磁铁制成的永磁体1也会对磁场产生影响，整个磁路综合作用调控磁力线倾角，陶瓷通道6下游变截面设计的原则为磁力线与陶瓷通道6下游的壁面倾角相互平行互相匹配，减小等离子体与壁面的相互作用。

参照图1所示，在本部分优选实施例中，导磁件4和永磁体1的内径相同，出口磁极5、导磁件4、永磁体1和导磁底座3的外径相同。

具体的，其中永磁体1为环形，用于作为励磁源。

参照图1所示，在本部分优选实施例中，陶瓷通道6为一体件。

在本部分优选实施例中，陶瓷通道6的材料为氮化硼陶瓷。

参照图1所示，在本部分优选实施例中，陶瓷通道6的上游部分直径为12mm，下游部分末端的直径为16mm，的上游部分的扩角为0°，下游部分的扩角为30°。

具体的，通过合理设计磁路以及陶瓷通道6下游部分壁面的倾角，使得圆柱形霍尔推力器的下游部分的磁力线平行于下游部分的壁面。

参照图1所示，在本部分优选实施例中，导磁底座3为圆形板，且为回转体结构。

具体的，导磁底座3为回转体结构，可以通过磁性与永磁体1配合；

在本部分优选实施例中，永磁体1均采用稀土钐钴永磁材料。

具体的，永磁体1为环形构型，轴向充磁，均采用稀土钐钴永磁材料，可在较高温度下保证不退磁。

参照图1所示，在本部分优选实施例中，内磁芯2的下端连接于导磁底座3的上表面中心，陶瓷通道6的底部中心向上设有凸台，且凸台下方还设有与内磁芯2顶端相匹配的空间。

具体的，在本实施例中，内磁芯2为柱形结构，使得陶瓷通道6内部存在强磁镜场，用以加强对电子的束缚。

参照图1所示，在本部分优选实施例中，凸台与陶瓷通道6的上游部分间设有环形凹槽，阳极7设置在环形凹槽中并与环形凹槽配合。

具体的，阳极7除了提供高压以外，还具有引导工质射流的作用。在本实施例中，阳极7下方设有两根相对中心对称的阳极杆，而陶瓷通道6底部亦设有两个与所述阳极杆相匹配的孔洞，用于安插阳极杆从而使阳极7更稳定地固定在陶瓷通道6内。

参照图2所示，在本部分优选实施例中，陶瓷通道6的下游部分周边的磁力线平行于陶瓷通道6的下游部分内壁。

参照图1所示，在本部分优选实施例中，陶瓷通道6的下游部分的头端至尾端逐渐扩张。

具体的，在本实施例中，陶瓷通道6的下游部分为类倒锥形。

参照图1-图2所示，在本部分优选实施例中，出口磁极5为回转体结构。

具体的，出口磁极5为回转体结构，改变磁极结构可实现对陶瓷通道6下游部分处的磁力线倾角的调控，进而将出口处磁力线调整至与陶瓷通道6的下游部分壁面平行的程度，

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (11)

1.一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，包括：永磁体(1)、内磁芯(2)、导磁底座(3)、导磁件(4)、出口磁极(5)、陶瓷通道(6)和阳极(7)，其特征在于，

所述永磁体(1)、所述导磁件(4)和所述出口磁极(5)均为环形件且同轴，

所述内磁芯(2)竖直设置且位于所述永磁体(1)的内部，所述内磁芯(2)的上下两端分别连接所述陶瓷通道(6)和所述导磁底座(3)，所述出口磁极(5)、所述导磁件(4)和所述导磁底座(3)由上至下依次连接，所述出口磁极(5)滑动连接于所述导磁件(4)和所述陶瓷通道(6)的上沿，所述陶瓷通道(6)位于所述导磁件(4)的内部，所述陶瓷通道(6)的上游部分为直通道，下游部分为变截面通道，所述阳极(7)设置于所述陶瓷通道(6)的底部，

所述导磁件(4)和所述永磁体(1)的内径相同，所述出口磁极(5)、所述导磁件(4)、所述永磁体(1)和所述导磁底座(3)的外径相同。

2.根据权利要求1所述的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，其特征在于：所述陶瓷通道(6)为一体件。

3.根据权利要求2所述的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，其特征在于，所述陶瓷通道(6)的材料为氮化硼陶瓷。

4.根据权利要求3所述的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，其特征在于，所述陶瓷通道(6)的上游部分直径为12mm，下游部分末端的直径为16mm，所述的上游部分的扩角为0°，下游部分的扩角为30°。

5.根据权利要求1所述的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，其特征在于，所述导磁底座(3)为圆形板，且为回转体结构。

6.根据权利要求1所述的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，其特征在于，永磁体(1)均采用稀土钐钴永磁材料。

7.根据权利要求1所述的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，其特征在于，所述内磁芯(2)的下端连接于所述导磁底座(3)的上表面中心，所述陶瓷通道(6)的底部中心向上设有凸台，且所述凸台下方还设有与所述内磁芯(2)顶端相匹配的空间。

8.根据权利要求7所述的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，其特征在于，所述凸台与所述陶瓷通道(6)的上游部分间设有环形凹槽，所述阳极(7)设置在所述环形凹槽中并与所述环形凹槽配合。

9.根据权利要求8所述的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，其特征在于，所述陶瓷通道(6)的下游部分周边的磁力线平行于陶瓷通道(6)的下游部分内壁。

10.根据权利要求9所述的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，其特征在于，所述陶瓷通道(6)的下游部分的头端至尾端逐渐扩张。

11.根据权利要求1所述的一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器，其特征在于，所述出口磁极(5)为回转体结构。

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