CN110439770B - 深度集成空心阴极的阳极层霍尔推力器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种将空心阴极深度集成到阳极层霍尔推力器内部的一种推力器结构，在这种结构中，阴极的核心部件合并到阳极层霍尔推力器的内环壁面处，阳极将扮演原阴极触持极的角色。使用本装置替代原有霍尔推力器及空心阴极的组合可以大大降低电推进系统总质量，从而提高有效载荷。
Description
技术领域：
本发明属于电推进技术领域，涉及一种电推力器，具体涉及一种深度集成空心阴极的阳极层霍尔推力器。
背景技术：
霍尔推力器是一种应用成熟的电推力器，已经在各种空间任务中发挥出其高比冲、长寿命、高可靠性的优势，使用霍尔推力器同化学推进系统相比，在能源供给时可以减少系统的体积和重量，减少所需携带的推进剂的质量，提高卫星的实际有效载荷，降低发射费用。霍尔推力器目前有两种基本构型，分别为稳态等离子体推力器(Stationary PlasmaThruster，SPT)，及阳极层推力器(Thruster with Anode Layer，TAL)，二者核心的差别在于，相比于SPT，TAL具有更短的加速区域，且一般放电室壁面材质为金属。霍尔推力器需要阴极提供电子、中和羽流才能正常工作。完整的推进系统包括了推力器及空心阴极二者的电路、气路及机械连接机构，目前的研究，主要集中在对于电极布局、供气方式、磁场位型等要素的研究。对于如何减少霍尔推力器系统的体积和重量方面尚无相关研究。
发明内容：
本发明提出了一种将空心阴极深度整合到阳极层霍尔推力器内部，使二者融合为一个装置，共用气路电路及机械连接，使用这种推进方案可以大幅降低系统总重。本发明提供了一种将空心阴极深度集成的阳极层霍尔推力器，所述阳极层霍尔推力器包括外磁线圈、放电室通道、阳极、绝缘垫片、发射体、加热丝、隔热层，骨架，内磁线圈，其中，所述骨架外侧有多个固定筒，内部装有外磁线圈，骨架内侧形成圆筒形空腔，空腔内部设有放电室通道；所述放电室通道是由两个同心圆壁与底面围成的筒状结构，其内部设有阳极，放电室通道与阳极之间通过绝缘垫片隔离，二者无直接接触，放电室通道中心处内部与骨架之间夹有内磁线圈，放电室通道内环靠近通道出口处设有发射体、加热丝及隔热层；所述阳极上开有沿径向向内以及沿轴向向外两个方向的气体分配孔，所述加热丝缠绕在放电室通道内环靠近通道出口处，所述加热丝绕线一侧与发射体之间隔着放电室通道，所述加热线另一侧被隔热层完全包裹住。
放电室通道内环靠近通道出口处，由内向外依次的结构为：内磁线圈、隔热层、加热丝、放电室通道、发射体。所述加热丝长度略小于发射体长度，所述隔热层覆盖长度略大于发射体长度。阳极在两个方向上开有气体分配孔：一路沿轴线方向向外，将推进剂气体导入阳极出口端及放电室通道内部，用于被电离产生等离子体；另一路沿径向指向轴心，将推进剂气体导入发射体与阳极外侧之间的圆环空间，用于在此处形成稳定的自持放电，提供电子。两者存在一个合适的最佳配比区间，使得推进器整体效率及性能达到最佳。
阳极外侧端面与发射体内端面之间在推力器轴线方向上的距离为1-6mm，具体尺寸与供给的推进剂流量有关，以保证满足一定的流过发射体表面的推进剂流量的同时，此处气体压强足够大。在一定推进剂流量下，增大发射体与阳极外侧之间的轴线距离，会降低局部气体压强，同时增大流过发射体表面的推进剂流量。
阳极外端面延伸至发射体轴线方向的四分之一到二分之一长度之间，阳极长度太长会导致发射体发射的电子，难以跨过阳极的阻碍到达放电室通道中心，从而降低电离率，阳极长度太短会导致发射体附近等离子体难以自持。所述骨架外侧的多个固定筒为四个，所述隔热层构成槽状结构，将所述加热丝固定于隔热层固定槽中，隔热层及放电室通道将加热丝完全覆盖住。
发明通过将空心阴极的核心部件融入霍尔推力器通道内环，使二者成为一个整体，推进剂统一由阳极提供，分配一部分推进剂用于在发射体附近形成空心阴极的自持放电。阳极还起到空心阴极的触持极的作用，即启动阴极并维持其稳定放电。
相比于传统空心阴极与霍尔推力器组成的电推进单元模式，本发明提出的霍尔推力器结构主要有以下优点：
结构简单紧凑。相比于原本的电推进系统，深度集成空心阴极的布局不需要给空心阴极配置单独的点火电源，而且不需要额外的空心阴极供气管路及固定工装，大大节省了有效载荷。
内置深度集成空心阴极将会使得电子在发射之后即已经处于通道内部，而无需经过等离子体桥输运电子，这将有利于推进剂的电离。
本发明创造性的将空心阴极与霍尔推力器整合成为了一个部件，这个改进带来的最直接的好处即推进系统整体的简化。现有成熟的电推进系统中，空心阴极与霍尔推力器分别有各自的流量模块、供电电源以及机械工装，对于使用电推进系统的卫星或其他类型探测器而言，这些系统组成部分的重量的增加都会导致有效载荷的降低。目前航天单位研究的关注点在于，保证可靠性等重要指标的前提下，尽可能减少系统的质量。相比之下，本发明提出的整合阴极的霍尔推力器只需要有一套供给推进剂的流量模块，不需要单独为阴极触持极供电，并且省去了阴极工装的质量，整体结构布局紧凑，节省的推进系统的质量可全部转化为有效载荷的提升。
附图说明
图1为本发明所述的深度集成空心阴极的阳极层霍尔推力器的剖面示意图；
图2为本发明所述的深度集成空心阴极的阳极层霍尔推力器的三维等轴测示意图；
图3为本发明所述的深度集成空心阴极的阳极层霍尔推力器的剖面局部放大图。
图中：
1.外磁线圈 2.放电室通道 3.阳极
4.绝缘垫片 5.发射体 6.加热丝
7.隔热层 8.骨架 9.内磁线圈
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明为一种将空心阴极深度集成的阳极层霍尔推力器。装置主要部件包括外磁线圈1、放电室通道2、阳极3、绝缘垫片4、发射体5、加热丝6、隔热层7，骨架8，内磁线圈9。
图1展示了该阳极层霍尔推力器的剖面结构，图2展示了推力器的三维结构。骨架8为主要承力部件，骨架8外侧有四个固定筒，内部装有外磁线圈1，骨架8内侧有圆筒形空腔，内部装有放电室通道2。放电室通道2是两个同心圆壁与底面围城的筒状结构，其内部有阳极3，但放电室通道2与阳极3之间通过绝缘垫片4进行绝缘，二者无直接接触。阳极3上开有朝向两个方向的气体分配孔，推进剂流经阳极3，并在阳极3内部进行分配，其中一小部分沿径向向内的分配孔进入阳极3与放电室通道2内环之间的狭窄环状气体通道，大部分通过轴向向外的分配孔进入放电室通道2中，图1中的虚线指示了轴向分配孔的位置及两股推进剂气体的流向，阳极3外端面与发射体5内端面之间在推力器轴线方向上的距离为4mm，阳极3外端面延伸至发射体5轴线方向长度三分之一处。放电室通道2中心处内部与骨架8之间夹有内磁线圈9。放电室通道2内环靠近通道出口处有发射体5、加热丝6及隔热层7的固定槽，隔热层7及放电室通道2将加热丝6完全覆盖住。
在使用时，给加热丝6通电加热发射体5，当发射体5温度足以使其内部电子可以克服表面势垒而逸出时，在阳极3的高电压作用下，阳极3与发射体5之间会形成电弧放电，大量电离流经发射体5表面的推进剂气体，同时产生大量热量，维持了发射体5表面的电子发射，从而形成了稳定的自持放电。上述过程中产生的电子在磁场作用下在放电室通道2的内外壁面之间进行霍尔漂移，电离沿轴向喷出的推进剂气体，形成等离子体，其中的离子在电场作用下向出口喷出，产生推力。
本发明提出的整合阴极的霍尔推力器只需要有一套供给推进剂的流量模块，不需要单独为阴极触持极供电，并且省去了阴极工装的质量，整体结构布局紧凑，节省的推进系统的质量可全部转化为有效载荷的提升，具有直接的使用价值与应用意义。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)
1.一种将空心阴极深度集成的阳极层霍尔推力器，所述阳极层霍尔推力器包括外磁线圈、放电室通道、阳极、绝缘垫片、发射体、加热丝、隔热层，骨架，内磁线圈，其中，
所述骨架外侧有多个固定筒，内部装有外磁线圈，骨架内侧形成圆筒形空腔，空腔内部设有放电室通道；
所述放电室通道是由两个同心圆壁与底面围成的筒状结构，其内部设有阳极，放电室通道与阳极之间通过绝缘垫片隔离，二者无直接接触，放电室通道中心处内部与骨架之间夹有内磁线圈，放电室通道内环靠近通道出口处设有发射体、加热丝及隔热层；
所述阳极上开有沿径向向内以及沿轴向向外两个方向的气体分配孔；
放电室通道内环靠近通道出口处，由内向外的结构为：内磁线圈、隔热层、加热丝、放电室通道、发射体。
2.根据权利要求1所述的一种将空心阴极深度集成的阳极层霍尔推力器，其特征在于：所述加热丝的长度略小于所述发射体长度，所述隔热层覆盖长度略大于发射体长度。
3.根据权利要求1所述的一种将空心阴极深度集成的阳极层霍尔推力器，其特征在于：所述阳极在两个方向上开有气体分配孔：一路沿轴线方向向外，将推进剂气体导入阳极出口端及放电室通道内部，用于被电离产生等离子体；另一路沿径向指向轴心，将推进剂气体导入发射体与阳极外侧之间的圆环空间，用于在此处形成稳定的自持放电，提供电子。
4.根据权利要求1所述的一种将空心阴极深度集成的阳极层霍尔推力器，其特征在于：阳极外侧端面与发射体内端面之间在推力器轴线方向上的距离为1-6mm。
5.根据权利要求1所述的一种将空心阴极深度集成的阳极层霍尔推力器，其特征在于：阳极外端面延伸至发射体轴线方向的四分之一到二分之一长度之间。
6.根据权利要求1所述的一种将空心阴极深度集成的阳极层霍尔推力器，所述骨架外侧的多个固定筒为四个。
7.根据权利要求1所述的一种将空心阴极深度集成的阳极层霍尔推力器，所述加热丝缠绕在放电室通道内环靠近通道出口处，所述加热丝绕线一侧与发射体之间隔着放电室通道，所述加热线另一侧被隔热层完全包裹住。
8.根据权利要求7所述的一种将空心阴极深度集成的阳极层霍尔推力器，所述隔热层构成槽状结构，将所述加热丝固定于隔热层固定槽中，隔热层及放电室通道将加热丝完全覆盖住。
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