CN109899262B - 一种会切磁场等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种会切磁场等离子体推力器。本发明要解决的技术问题是气体工质在通道壁面处无法充分电离，以及磁体外壁与陶瓷通道内壁之间的气隙散热慢。为解决上述技术问题，本发明的推力器包括电离通道、永磁体、阳极、空心阴极、导磁环、定位环和外壳，每个永磁体在沿电离通道一侧的侧壁纵截面均为直梯形或矩形，使得所述电离通道从其底部至出口方向的内径呈依次离散式阶梯增加。采用上述结构使得在两个磁尖端之间高速往复运动的电子能得到充分电离，并达到气体工质利用率高的技术效果。本发明还通过在推力器上设置换热装置，以降低磁体外壁与陶瓷通道内壁之间气隙的温度，起到了避免永磁体温度过高而导致的顺磁现象，提高了推力器的寿命。

Description

一种会切磁场等离子体推力器

技术领域

本发明涉及会切磁场等离子推动技术领域，尤其涉及一种具有特殊截面通道的会切磁场等离子体推力器。

背景技术

会切磁场等离子体推力器是一种先进的电推进装置，其被广泛应用在卫星位置保持和姿态控制领域，并以其结构简单、高比冲、高效率等优点称为未来空间飞行器的首选推进装置之一。

当电子由位于通道出口的阴极发射出，并沿通道轴向往阳极运动时，由于磁约束和磁尖端的磁镜作用，对于会切磁场等离子体推力器中的直通道壁面，电子很难到达该直通道壁面，会在两个磁尖端之间高速往复运动，因而有部分气体工质因尚未电离即被排出，这样虽然保证了推力器的有效寿命，但造成电离不充分、尤其是在低流量（即低通流密度）下工质利用率低的问题。另外，由于现有的磁体外壁与陶瓷通道内壁之间采用气隙以降低因陶瓷通道传热至磁体的温度，但该气隙过小且导热率较高，从而导致磁体温度升高，容易发生顺磁现象或者因其温度上升到居里温度以上而使磁性减弱，最终使得推力器寿命大大减小。

发明内容

（1）要解决的技术问题

本发明主要是为了解决气体工质在通道壁面处无法充分电离，以及磁体外壁与陶瓷通道内壁之间的气隙散热慢的技术问题。

（2）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种会切磁场等离子体推力器，其包括电离通道、永磁体、阳极、空心阴极、导磁环、定位环和外壳，在所述电离通道的底部设置有阳极、出口设置空心阴极，在所述电离通道的外壁与所述外壳之间的区域从所述电离通道的底部至出口方向依次设置有第一、第二、第三和第四永磁体，在每相邻两个永磁体之间设置有导磁环，并且每个所述导磁环圆环体的外环面均与各自对应的定位环的内环面相配合且两者结合为一体；至少一个所述永磁体在沿电离通道一侧的侧壁纵截面为直梯形，使得所述电离通道从其底部至出口方向的内径呈依次离散式阶梯增加，此时的所述电离通道内径突变位置可为相邻两个永磁体的连接位置，也可为侧壁纵截面为直梯形的单个永磁体的外径突变位置；或者至少一个所述永磁体在沿电离通道一侧的侧壁纵截面为矩形，相邻两个所述永磁体在沿电离通道一侧的侧壁截面呈直梯形排列，使得所述电离通道从其底部至出口方向的内径呈依次离散式阶梯增加，此时的所述电离通道内径突变位置仅为相邻两个永磁体的连接位置。

优选的，在所述电离通道的外壁的至少一个内径突变位置设置有至少一个倒角，且该倒角两侧的钝角采用圆弧过渡。

优选的，所述倒角优选为45°，并且所述圆弧的弧线分别与所述倒角线和所述电离通道的外壁所形成的壁面相切。

优选的，在沿所述电离通道从其底部至出口方向，所述第一、第二、第三和第四永磁体的长度依次增加，使得在所述电离通道内的永磁体区段依次形成电离区与加速区。

优选的，所述第一，或第一、第二，或第一、第二、第三永磁体位置的电离通道区段形成为电离区，相应的，在所述第二、第三、第四，或第三、第四，或第四永磁体位置的电离通道区段形成为加速区。

此外，针对本发明的会切磁场等离子体推力器，其永磁体外壁与陶瓷通道内壁之间的间隙部分，由于普遍采用密闭的空气气隙，且该气隙宽度值很小以至于无法起到高效率降温的作用，基于此，本发明提供一种包括有换热装置的推力器，所述换热装置位于所述电离通道的外壁与至少一个所述永磁体靠近电离通道一侧的壁面之间所形成的空腔内，且该换热装置充满所述空腔；当电离通道内发生电离反应时，由所述电离通道的外壁传递至所述空腔内的热量被所述换热装置带离所述空腔，以避免所述永磁体的本体温度升高。

优选的，所述换热装置内充满散热翅片，该散热翅片均匀并依次排列在所述换热装置内，所述空腔内的气体为流动气体，气体入口位于空腔内靠近所述阳极一端的底部，气体出口位于空腔内远离所述阳极一端的顶部。

优选的，当电离通道内发生电离反应时，由所述气体入口排入冷却气体，并同时由所述气体出口排出所述冷却气体，所述冷却气体流经所述换热装置内的散热翅片，以冷却因从所述电离通道外壁至所述永磁体的热传导而导致的高温散热翅片，以降低该散热翅片温度。

优选的，所述冷却气体优选为氦气。

（3）有益效果

与现有技术相比，本发明主要具有如下技术效果：

1）当电子由位于通道出口的阴极发射出，并沿通道轴向往阳极运动时，对通道内的由阳极发出的气体工质充分电离，尤其是接近通道壁面的阳极气体工质，使得在两个磁尖端之间高速往复运动的电子能得到充分电离，并达到气体工质利用率高的技术效果。

2）通过在电离通道的外壁的至少一个内径突变位置设置至少一个倒角，且该倒角两侧的钝角采用切线圆弧过渡，有效避免了在上述内径突变位置发生的磁尖现象，防止上述尖端受电子的长时间轰击而受到腐蚀损毁。

3）在磁体外壁与陶瓷通道内壁之间设置换热装置，并且该换热装置内设置散热翅片，利用惰性气体作为换热介质，以降低磁体外壁与陶瓷通道内壁之间气隙的温度，起到了避免永磁体温度过高导致的顺磁现象，大大提高了会切磁场等离子体推力器的寿命。

附图说明

图1为本发明会切磁场等离子体推力器第一实施例示意图。

图2为图1中A-A局部剖面示意图。

图3为导磁环与定位环的安装位置关系示意图。

图4为本发明会切磁场等离子体推力器第二实施例示意图。

图5为图4中B-B局部剖面示意图。

图6为电离通道外壁倒角与圆角关系示意图。

图7为安装换热装置后的会切磁场等离子体推力器左半部分示意图。

图8为图7中C-C局部剖面示意图。

图9为图7中D-D局部剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

由于会切磁场等离子体推力器的电离通道内的电子和离子在电场和磁场中的运动轨迹复杂，其受电离通道内壁结构影响较大，因而针对不同的通道截面需要进行大量的分析与实验研究。

如图1所示，本发明的会切场等离子推力器包括电离通道、永磁体、阳极、空心阴极、导磁环、定位环和外壳，在所述电离通道的底部设置有阳极、出口设置空心阴极，在所述电离通道的外壁与所述外壳之间的区域从所述电离通道的底部至出口方向依次设置有第一、第二、第三和第四永磁体，在每相邻两个永磁体之间设置有导磁环，并且每个所述导磁环圆环体的外环面均与各自对应的定位环的内环面相配合且两者结合为一体；所有的所述永磁体在沿电离通道一侧的侧壁纵截面均为矩形，相邻两个所述永磁体在沿电离通道一侧的侧壁截面呈直梯形排列，使得所述电离通道从其底部至出口方向的内径呈依次离散式阶梯增加，此时的所述电离通道内径突变位置为相邻两个永磁体的连接位置。

在沿所述电离通道从其底部至出口方向，所述第一、第二、第三和第四永磁体的长度依次增加，使得在所述电离通道内的永磁体区段依次形成电离区与加速区，其中，电离区覆盖第一永磁体，加速区则覆盖第二、第三、第四永磁体。

如图4所示则为本发明会切磁场等离子体推力器第二实施例示意图，其与第一实施例的主要区别在于至少一个所述永磁体在沿电离通道一侧的侧壁纵截面为直梯形，使得所述电离通道从其底部至出口方向的内径呈依次离散式阶梯增加，此时的所述电离通道内径突变位置为相邻两个永磁体的连接位置，也可为侧壁纵截面为直梯形的单个永磁体的外径突变位置。

图2所示则为图1中的A-A局部剖面图，由图可以看到，导磁环与定位环均位于相邻两个永磁体之间，并且定位环相比于导磁环更远离电离通道。为了使定位环与导磁环相互紧密配合且两者始终结合为一体，图3则示出了两者的几种不同的结合安装方式，其中，图3（b）示出了两者通过弧线紧密配合安装，此种安装方式能够使导磁环在电离通道的轴线方向不易滑动。而图3（a）（c）（d）三种具体实施例则可以使导磁环在电离通道的轴线方向对其进行约束的同时，还可以给其在电离通道的径向方向一定的力约束，从而避免导磁环松动。

图5为图4中B-B局部剖面示意图，由图可以看出，气体工质从阳极气管通道内流入电离通道，与从空心阴极发射出的电子撞击发生电离。

图6为本发明的电离通道的外壁的至少一个内径突变位置设置有至少一个倒角，且该倒角两侧的钝角采用圆弧过渡（即圆角），采用该设置能够有效避免在上述内径突变位置发生的磁尖现象，防止上述尖端受电子的长时间轰击而受到腐蚀、损毁。所述倒角优选为45°，并且所述圆弧的弧线分别与所述倒角线和所述电离通道的外壁所形成的壁面相切。

图7为安装换热装置后的会切磁场等离子体推力器左半部分示意图。由于现有技术中普遍采用密闭的空气气隙，且该气隙宽度值很小以至于无法起到高效率降温的作用，易导致永磁体发生顺磁现象，从而大大降低推力器的使用寿命。基于此，本发明提供一种包括有换热装置的推力器，该换热装置位于所述电离通道的外壁与至少一个所述永磁体靠近电离通道一侧的壁面之间所形成的空腔内，且该换热装置充满所述空腔；当电离通道内发生电离反应时，由所述电离通道的外壁传递至所述空腔内的热量被所述换热装置带离所述空腔，以避免所述永磁体的本体温度升高。

由图8与图9可以看出，所述换热装置内充满由陶瓷材料制成的散热翅片，该散热翅片均匀并依次排列在所述换热装置内，并且所述空腔内的气体为流动气体，气体入口位于空腔内靠近所述阳极一端的底部，气体出口位于空腔内远离所述阳极一端的顶部。当电离通道内发生电离反应时，由所述气体入口排入冷却气体，并同时由所述气体出口排出所述冷却气体。所述冷却气体流经所述换热装置内的散热翅片，以冷却因从所述电离通道外壁至所述永磁体的热传导而导致的高温散热翅片，以降低该散热翅片温度。

优选的，所述冷却气体优选为氦气，该气体化学性质稳定，不易受到空腔内复杂磁场影响而使其气体物理化学性能受到破坏。

本发明的主要工作原理为：当空心阴极内的电子射入阳极并经过整个电离通道时，由阳极内的输送管输出的电离气体工质与电子发生碰撞，从而产生推力。由于磁约束和磁尖端的磁镜作用，对于会切磁场等离子体推力器中的直通道壁面，电子很难到达该直通道壁面，会在两个磁尖端之间高速往复运动，而本申请将电离通道的内壁面设置为内径依次离散增大的直梯形结构，可以使当在小内径壁面处的未电离的电子在磁尖端高速往复运动时，其与在更大一级的通道内径位置处的气体工质顺利发生电离，从而避免了该部分的气体工质以及电子因未电离而逃脱丢失，大大提高了电离通道内的电离效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种会切磁场等离子体推力器，其特征在于：包括电离通道、永磁体、阳极、空心阴极、导磁环、定位环和外壳，在所述电离通道的底部设置阳极、出口设置空心阴极，在所述电离通道的外壁与所述外壳之间的区域从所述电离通道的底部至出口方向依次设置有第一、第二、第三和第四永磁体，在每相邻两个永磁体之间设置有导磁环，并且每个所述导磁环圆环体的外环面均与各自对应的定位环的内环面相配合且两者结合为一体；至少一个所述永磁体在沿电离通道一侧的侧壁纵截面为直梯形，使得所述电离通道从其底部至出口方向的内径呈依次离散式阶梯增加，此时的所述电离通道内径突变位置可为相邻两个永磁体的连接位置，也可为侧壁纵截面为直梯形的单个永磁体的外径突变位置；或者至少一个所述永磁体在沿电离通道一侧的侧壁纵截面为矩形，相邻两个所述永磁体在沿电离通道一侧的侧壁截面呈直梯形排列，使得所述电离通道从其底部至出口方向的内径呈依次离散式阶梯增加，此时的所述电离通道内径突变位置仅为相邻两个永磁体的连接位置。

2.根据权利要求1所述的一种会切磁场等离子体推力器，其特征在于：在所述电离通道的外壁的至少一个内径突变位置设置有至少一个倒角，且该倒角两侧的钝角采用圆弧过渡。

3.根据权利要求2所述的一种会切磁场等离子体推力器，其特征在于：所述倒角为45°，并且所述圆弧的弧线分别与所述倒角的倒角线和所述电离通道的外壁所形成的壁面相切。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种会切磁场等离子体推力器，其特征在于：在沿所述电离通道从其底部至出口方向，所述第一、第二、第三和第四永磁体的长度依次增加，使得在所述电离通道内的永磁体区段依次形成电离区与加速区。

5.根据权利要求4所述的一种会切磁场等离子体推力器，其特征在于：所述第一，或第一、第二，或第一、第二、第三永磁体位置的电离通道区段形成为电离区，相应的，在所述第二、第三、第四，或第三、第四，或第四永磁体位置的电离通道区段形成为加速区。

6.一种包括有换热装置的如前述权利要求中任一项所述的推力器，其特征在于：所述换热装置位于所述电离通道的外壁与至少一个所述永磁体靠近电离通道一侧的壁面之间所形成的空腔内，且该换热装置充满所述空腔；当电离通道内发生电离反应时，由所述电离通道的外壁传递至所述空腔内的热量被所述换热装置带离所述空腔，以避免所述永磁体的本体温度升高。

7.根据权利要求6所述的推力器，其特征在于：所述换热装置内充满散热翅片，该散热翅片均匀并依次排列在所述换热装置内，所述空腔内的气体为流动气体，气体入口位于空腔内靠近所述阳极一端的底部，气体出口位于空腔内远离所述阳极一端的顶部。

8.根据权利要求7所述的推力器，其特征在于：当电离通道内发生电离反应时，由所述气体入口排入冷却气体，并同时由所述气体出口排出所述冷却气体，所述冷却气体流经所述换热装置内的散热翅片，以冷却因从所述电离通道外壁至所述永磁体的热传导而导致的高温散热翅片，以降低该散热翅片温度。

9.根据权利要求8所述的推力器，其特征在于：所述冷却气体为氦气。

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