CN110735775A - 一种霍尔推力器用中空阳极结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种霍尔推力器用中空阳极结构，涉及航天器用霍尔推进技术领域；包括引线螺柱、n个固定螺柱和中空阳极环；其中，中空阳极环为双环结构；引线螺柱轴向和n个固定螺柱的轴向均与中空阳极环轴向平行设置；引线螺柱轴向和n个固定螺柱沿周向均匀固定安装在中空阳极环轴向一端的边缘处；中空阳极环包括小径环、大径环和m个连接肋；其中，小径环和大径环同轴放置；m个连接肋沿轴向均匀设置在小径环和大径环之间，实现将小径环和大径环固定连接；本发明解耦了分配器和阳极组件，增加了推力器的设计自由度，适用于具有缓冲腔结构的霍尔推力器。

Description

一种霍尔推力器用中空阳极结构

技术领域

本发明属于霍尔推进技术领域，涉及一种霍尔推力器用中空阳极结构。

背景技术

霍尔推进技术是目前航天器用电推进的主流技术方向，霍尔推力器主要包括空心阴极、放电室、磁极、磁线圈、阳极/气体分配器、推进剂输送管路和支撑结构；采用霍尔推进技术可以增加航天器有效载荷，降低发射成本，延长使用寿命，是未来提高商业卫星效率，增加竞争力的有效手段。霍尔推力器由空心阴极、放电室、磁极(由前后磁极板，内外磁芯，内外磁屏等组成)、内磁线圈、外磁线圈、阳极/气体分配器、推进剂输送管路及支撑结构等组成。其工作原理为：阴极发射的部分电子进入放电室，在正交的径向磁场与轴向电场的共同作用下向阳极漂移，在漂移过程中与从阳极/气体分配器出来的中性推进剂原子碰撞，使得工质原子电离。由于存在强的径向磁场，在轴向电场的作用下沿轴向高速喷出，从而产生推力。与此同时，阴极发射出的另一部分电子与轴向喷出的离子中和，保持了推力器羽流的宏观电中性。

目前以SPT100为代表的第一代霍尔推力器在型号上实现了广泛应用，在第一代霍尔推力器的基础上，俄罗斯提出了第二代霍尔推力器，其结构上的一个典型特点是增加了增强气体均化作用的缓冲腔，该部分腔体的直径要大于离子加速通道。

霍尔推力器的阳极为推力器施加正电位的零件，主要目的是与空心阴极之间形成电离和加速所需的电场条件。现有技术中，分配器和阳极通常采用一体化设计方法，这种结构是与第一代的直筒形霍尔推力器相适应，在第二代霍尔推力器的结构中。由于分配器需要位于缓冲腔内，阳极需要位于零磁场区。但是零磁场区常位于放电通道内，因此对于第二代霍尔推力器而言，进行一体化的设计的约束条件增加，导致在设计的应用中遇到很多结构设计上的困难。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种霍尔推力器用中空阳极结构，解耦了分配器和阳极组件，增加了推力器的设计自由度。

本发明解决技术的方案是：

一种霍尔推力器用中空阳极结构，包括引线螺柱、n个固定螺柱和中空阳极环；其中，中空阳极环为双环结构；引线螺柱轴向和n个固定螺柱的轴向均与中空阳极环轴向平行设置；引线螺柱轴向和n个固定螺柱沿周向均匀固定安装在中空阳极环轴向一端的边缘处；n为正整数。

在上述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，所述中空阳极环包括小径环、大径环和m个连接肋；其中，小径环和大径环同轴放置；m个连接肋沿轴向均匀设置在小径环和大径环之间，实现将小径环和大径环固定连接；m为正整数。

在上述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，所述小径环为筒状环状结构；小径环的外径小于5mm；小径环径向的侧壁厚度大于1mm；小径环的轴向长度大于5mm。

在上述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，所述大径环为板状环形结构；大径环内径为100-110mm；外径为120-130mm；大径环轴向厚度为1-2mm。

在上述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，所述小径环与大径环之间的轴向距离为10-30mm；n大于等于3；4≤m≤8。

在上述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，所述连接肋为L型板状结构；连接肋包括竖直段和变斜段；竖直段与变斜段在端出垂直固定连接；竖直段的轴向外端与大径环的内壁固定连接；变斜段的轴向外端与小径环轴向端面固定连接。

在上述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，所述变斜段包括第一水平段、倾斜段和第二水平段；其中，第一水平段水平放置，且第一水平段与竖直段垂直固定连接；倾斜段的一端与第一水平段固定连接；倾斜段的另一端与第二水平段固定连接；第二水平段水平放置。

在上述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，所述第一水平段的轴向长度a为18-22mm；第一水平段的厚度b为1.4-1.6mm；第二水平段与倾斜段的连接处与竖直段的距离c为23-27mm；第二水平段的厚度d为0.9-1.1mm；所述倾斜段与水平面的夹角e为150°-170°。

在上述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，大径环的轴向外端设置有q个L形凸台；q个凸台沿周向均匀分布；q为正整数，且q＝n+1；引线螺柱和n个固定螺柱分别对应与q个凸台连接；凸台沿轴向的侧壁与大径环侧壁的连接处为弧形；实现凸台侧壁与大径环侧壁的弧度相同；凸台沿径向的侧壁为扇形结构，扇形侧壁对应的中心角大于等于20°。

在上述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，所述引线螺柱包括柱头、柱杆和扇形板；柱头和柱杆分别安装在扇形板的两侧；柱头和柱杆同轴，且轴线位于扇形板的中心；扇形板的形状与L形凸台的扇形侧壁形状一致；安装时柱头伸入大径环的轴向外端，实现固定连接。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明通过采用直径变化的中空阳极组件结构实现了与带有缓冲腔的霍尔推力器结构上的匹配；

(2)本发明通过带有若干螺柱的中空阳极组件实现阳极组件与推力器底板的连接，将分配器与阳极组件解耦，增加了设计自由度；

(3)本发明通过采用末端带有光柱凸台的螺柱结构实现外部引线与阳极组件的连接；

(4)本发明整体结构紧凑、通用便捷，与现有技术相比，所开发的阳极组件与分配器组件进行了解耦，尤其适用于带有缓冲腔的霍尔推力器

附图说明

图1为本发明中空阳极结构示意图；

图2为本发明中空阳极环结构示意图；

图3为本发明连接肋结构示意图；

图4为本发明引线螺柱结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：

本发明的工作原理为：

由引线螺柱1，固定螺柱2和中空阳极环3组成的中空阳极组件可与霍尔推力器的底板进行直接连接，且实现了与分配器的解耦结构设计。当霍尔推力器工作时，外部电源的高电位通过引线螺柱1接入，使得整个中空阳极组件具备同等电位，由于实现了解耦设计，因此通过改变中空阳极组件的轴向长度可以实现阳极位置的沿轴向的任意变化，而不再受制于分配器的结构限制。该种结构的阳极组件特别适用于带有缓冲腔的霍尔推力器。

图1所示，霍尔推力器用中空阳极结构主要由引线螺柱1、n个固定螺柱2和中空阳极环3组成；引线螺柱1和n个固定螺柱2均匀环绕在中空阳极环3的轴向端面处；其中，中空阳极环3采用双环结构；中空阳极环3包括小径环31、大径环32和m个连接肋33；小径环31和大径环32同轴放置；m个连接肋33沿轴向均匀设置在小径环31和大径环32之间，实现将小径环31和大径环32固定连接；m为正整数。引线螺柱1轴向和n个固定螺柱2的轴向均与中空阳极环3轴向平行设置；引线螺柱1轴向和n个固定螺柱2沿周向均匀固定安装在中空阳极环3轴向一端的边缘处；n为正整数。

其中，小径环31为筒状环状结构；小径环31的外径与霍尔推力器放电通道的尺寸有关，较霍尔推力器放电通道直径要小，一般小5mm左右，其目的是保证在受热膨胀时不会接触到通道壁面；小径环31径向的侧壁厚度大于1mm；该厚度可保证强度满足发射时的力学振动环境。此外，在推力器的工作过程中，整个阳极组件为高电位，通道中电离产生的大量电子在高电位的影响下，会冲刷小径环31径向的侧壁引起温度升高，因此该部分的厚度＞1可以避免结构的温度过高。小径环31的轴向长度大于5mm，用以保证在工作过程中变形可控。阳极组件是霍尔推力器的重要组件，其结构的稳定性直接关系着推力器通道中，电离和加速过程是否稳定，因此需要保证在整个工作过程中，阳极组件都不发生变形。根据前述可知，霍尔推力器在工作时，电子会冲刷阳极组件引起温度上升，因此该部分结构需要大于5mm，使其具备足够大的热容，在温度升高时不会引起大的热变形。大径环32为板状环形结构；大径环32内径为100-110mm；外径为120-130mm；该尺寸设置可满足中等功率1～5kw霍尔推力器的使用需求，且在径向上有10～20mm的差距，以保证强度能够满足力学环境的需求。大径环32轴向厚度为1-2mm；保证在受热及受力学振动环境时的变形可控，不至引起性能变化。如图2。

且小径环31与大径环32之间的轴向距离为10-30mm；该轴向距离取值范围较宽，可适用于不同轴向长度的霍尔推力器的使用需求。该长度根据霍尔推力器中的通道长度以及通道出口到阳极小径环的轴向距离有关。n大于等于3；4≤m≤8。采用肋连接可以减重，4～8个肋的设置可该数量可保证中等功率量级霍尔推力器使用所需的连接强度

连接肋33为L型板状结构，如图3。连接肋33包括竖直段34和变斜段35；竖直段34与变斜段35在端出垂直固定连接；竖直段34的轴向外端与大径环32的内壁固定连接；变斜段35的轴向外端与小径环31轴向端面固定连接。其中，变斜段35包括第一水平段351、倾斜段352和第二水平段353；其中，第一水平段351水平放置，且第一水平段351与竖直段34垂直固定连接；倾斜段352的一端与第一水平段351固定连接；倾斜段352的另一端与第二水平段353固定连接；第二水平段353水平放置。第一水平段351的轴向长度a为18-22mm；第一水平段351的厚度b为1.4-1.6mm；第二水平段353与倾斜段352的连接处与竖直段34的距离c为23-27mm；第二水平段353的厚度d为0.9-1.1mm；第二水平段353的厚度设计与霍尔推力器中的通道尺寸相关，一般设计为直径较放电通道尺寸小1mm。倾斜段352与水平面的夹角e为150°-170°；目的是保证小径环31在受热膨胀时起到缓冲作用。

大径环32的轴向外端设置有q个L形凸台36；q个凸台36沿周向均匀分布；q为正整数，且q＝n+1；引线螺柱1和n个固定螺柱2分别对应与q个凸台36连接；凸台36沿轴向的侧壁与大径环32侧壁的连接处为弧形；实现凸台36侧壁与大径环32侧壁的弧度相同；凸台36沿径向的侧壁为扇形结构，扇形侧壁对应的中心角大于等于20°；其目的是保证中空阳极环和固定螺钉可以实现较大的接触面，保证连接强度。。

图4为引线螺柱的示意图，引线螺柱1包括柱头11、柱杆12和扇形板13；柱头11和柱杆12分别安装在扇形板13的两侧；柱头11和柱杆12同轴，且轴线位于扇形板13的中心；扇形板13的形状与L形凸台36的扇形侧壁形状一致；用以在后续可以通过焊接方式实现稳定可靠连接；安装时柱头11伸入大径环32的轴向外端，实现固定连接。在安装时，将引线螺柱1稍短一侧的柱头11，推入中空阳极环3上的光孔或螺纹孔中。引线螺柱1与中空阳极环3的相对位置符合如下要求，引线螺柱1上的扇形板13与中空阳极环3中L形凸台36相同大小的扇形板需保证同心。采用熔焊的方式将引线螺柱1上扇形板与中空阳极环3中的扇形板进行可靠连接，熔焊方式可以为电子束焊或者激光焊。将固定螺柱2稍短一侧的光柱或者螺柱，推入中空阳极环3上的光孔或螺纹孔中。采用熔焊的方式将螺柱上的部分圆环部分与中空阳极环中相同大小的圆环进行可靠连接，熔焊方式可以为电子束焊或者激光焊。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种霍尔推力器用中空阳极结构，其特征在于：包括引线螺柱(1)、n个固定螺柱(2)和中空阳极环(3)；其中，中空阳极环(3)为双环结构；引线螺柱(1)轴向和n个固定螺柱(2)的轴向均与中空阳极环(3)轴向平行设置；引线螺柱(1)轴向和n个固定螺柱(2)沿周向均匀固定安装在中空阳极环(3)轴向一端的边缘处；n为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，其特征在于：所述中空阳极环(3)包括小径环(31)、大径环(32)和m个连接肋(33)；其中，小径环(31)和大径环(32)同轴放置；m个连接肋(33)沿轴向均匀设置在小径环(31)和大径环(32)之间，实现将小径环(31)和大径环(32)固定连接；m为正整数。

3.根据权利要求2所述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，其特征在于：所述小径环(31)为筒状环状结构；小径环(31)的外径小于5mm；小径环(31)径向的侧壁厚度大于1mm；小径环(31)的轴向长度大于5mm。

4.根据权利要求3所述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，其特征在于：所述大径环(32)为板状环形结构；大径环(32)内径为100-110mm；外径为120-130mm；大径环(32)轴向厚度为1-2mm。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，其特征在于：所述小径环(31)与大径环(32)之间的轴向距离为10-30mm；n大于等于3；4≤m≤8。

6.根据权利要求5所述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，其特征在于：所述连接肋(33)为L型板状结构；连接肋(33)包括竖直段(34)和变斜段(35)；竖直段(34)与变斜段(35)在端出垂直固定连接；竖直段(34)的轴向外端与大径环(32)的内壁固定连接；变斜段(35)的轴向外端与小径环(31)轴向端面固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，其特征在于：所述变斜段(35)包括第一水平段(351)、倾斜段(352)和第二水平段(353)；其中，第一水平段(351)水平放置，且第一水平段(351)与竖直段(34)垂直固定连接；倾斜段(352)的一端与第一水平段(351)固定连接；倾斜段(352)的另一端与第二水平段(353)固定连接；第二水平段(353)水平放置。

8.根据权利要求6或7所述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，其特征在于：所述第一水平段(351)的轴向长度a为18-22mm；第一水平段(351)的厚度b为1.4-1.6mm；第二水平段(353)与倾斜段(352)的连接处与竖直段(34)的距离c为23-27mm；第二水平段(353)的厚度d为0.9-1.1mm；所述倾斜段(352)与水平面的夹角e为150°-170°。

9.根据权利要求5所述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，其特征在于：大径环(32)的轴向外端设置有q个L形凸台(36)；q个凸台(36)沿周向均匀分布；q为正整数，且q＝n+1；引线螺柱(1)和n个固定螺柱(2)分别对应与q个凸台(36)连接；凸台(36)沿轴向的侧壁与大径环(32)侧壁的连接处为弧形；实现凸台(36)侧壁与大径环(32)侧壁的弧度相同；凸台(36)沿径向的侧壁为扇形结构，扇形侧壁对应的中心角大于等于20°。

10.根据权利要求9所述的一种霍尔推力器用中空阳极结构，其特征在于：所述引线螺柱(1)包括柱头(11)、柱杆(12)和扇形板(13)；柱头(11)和柱杆(12)分别安装在扇形板(13)的两侧；柱头(11)和柱杆(12)同轴，且轴线位于扇形板(13)的中心；扇形板(13)的形状与L形凸台(36)的扇形侧壁形状一致；安装时柱头(11)伸入大径环(32)的轴向外端，实现固定连接。

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