CN111022275A - 一种磁等离子体推力器的阳极结构及磁等离子体推力器 - Google Patents

一种磁等离子体推力器的阳极结构及磁等离子体推力器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁等离子体推力器的阳极结构及磁等离子体推力器，由于直筒‑扩张型永磁体与阳极喷管内壁平行，且直筒‑扩张型永磁体内部的磁场与电磁线圈产生的磁场方向相反，这样，由于永磁铁材料本身的导磁特性，直筒‑扩张型永磁体的磁场和电磁线圈的磁场相互作用后，不仅可以将阳极附近的磁场线调整到与阳极的轴线平行，平行于阳极轴线的磁场能有效约束阳极附近的电子，减少高能电子对阳极的轰击，还能在一定程度上降低阳极喷管内壁附近的磁场强度，从而降低阳极附近的霍尔效应，降低阳极的功率沉降；并且，直筒‑扩张型永磁体外部的磁场与阳极出口处电磁线圈的磁场方向相同，可以在降低阳极功率沉降的同时不影响磁等离子体推力器的性能。

Description

一种磁等离子体推力器的阳极结构及磁等离子体推力器
技术领域
本发明涉及电推进推力器技术领域，尤其涉及一种磁等离子体推力器的阳极结构及磁等离子体推力器。
背景技术
电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。
磁等离子体推力器是电推进的一种，利用磁场和电场产生的洛伦兹力对推进剂电离气体进行加速，又被称为洛伦兹力加速器。磁等离子体推力器能够与较高核电功率结合，容易实现小型化，能够提供比其他电推力器更大量级的推力，被认为是未来深空探测的最佳推进方案之一。
在磁等离子体推力器中，阳极功率沉降一直是制约其效率的原因之一。因此，如何降低磁等离子体推力器的阳极功率沉降，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种磁等离子体推力器的阳极结构及磁等离子体推力器，用以降低磁等离子体推力器的阳极功率沉降。
因此，本发明提供了一种磁等离子体推力器的阳极结构，包括：阳极头部1、阳极背板2、永磁体3、第一垫片4以及第二垫片5；其中，
所述阳极背板2为空心圆柱体，所述空心圆柱体的外壁具有内凹且延伸到所述空心圆柱体底面的第一台阶，所述空心圆柱体的内壁具有内凹且延伸到所述空心圆柱体底面的第二台阶；
所述阳极头部1包括焊接在一起的空心圆柱型阳极外壳6和直筒-扩张型阳极喷管7，所述阳极喷管7的内壁具有多个凸起8；所述阳极外壳6的内螺纹与所述第一台阶的外螺纹配合将所述阳极头部1与所述阳极背板2连接在一起；所述第一垫片4位于所述第一台阶与所述阳极外壳6之间，所述第二垫片5位于所述第二台阶与所述阳极喷管7之间；所述阳极背板2、所述阳极外壳6和所述阳极喷管7形成水冷腔9；
所述永磁体3位于所述水冷腔9内，所述永磁体3与所述阳极喷管7通过所述凸起8隔离，所述永磁体3与所述凸起8接触的一面平行于所述阳极喷管7的内壁，所述永磁体3内部的磁场方向与包围所述阳极结构的电磁线圈的磁场方向相反。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述磁等离子体推力器的阳极结构中，所述空心圆柱体的顶面具有至少一个水冷入口10，所述空心圆柱体的底面具有与各所述水冷入口10一一对应的水冷出口11，每个所述水冷入口10与对应的水冷出口11之间通过水冷通道12连通。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述磁等离子体推力器的阳极结构中，所述空心圆柱体的顶面具有至少一个入气口13，所述空心圆柱体的内壁具有与各所述入气口13一一对应的出气口14，每个所述入气口13与对应的出气口14之间通过供气通道15连通。
本发明还提供了一种磁等离子体推力器，包括：电磁线圈16和位于所述电磁线圈16内的阳极结构17；其中，
所述电磁线圈16的出口所在平面与所述阳极结构17的出口所在平面重合，所述阳极结构17为本发明提供的上述磁等离子体推力器的阳极结构。
本发明提供的上述磁等离子体推力器的阳极结构及磁等离子体推力器，由于增设的直筒-扩张型永磁体与阳极喷管的内壁完全平行，且直筒-扩张型永磁体内部的磁场方向与电磁线圈产生的磁场方向相反，这样，由于永磁铁材料本身的导磁特性，直筒-扩张型永磁体的磁场和电磁线圈的磁场相互作用之后，不仅可以将阳极附近的磁场线调整到与阳极的轴线相互平行，平行于阳极轴线的磁场能够有效约束阳极附近的电子，减少高能电子对阳极的轰击，还能在一定程度上降低阳极喷管内壁附近的磁场强度，从而降低阳极附近的霍尔效应，降低阳极的功率沉降，提高磁等离子体推力器的效率；并且，直筒-扩张型永磁体外部的磁场方向与阳极出口处电磁线圈的磁场方向相同，可以在降低阳极功率沉降的同时不会影响磁等离子体推力器的性能。直筒-扩张型永磁体便于加工，将直筒-扩张型永磁体安装在阳极的水冷腔内，不仅不会影响磁等离子体推力器的布局，还可以防止由于阳极喷管的内壁温度过高导致直筒-扩张型永磁体消磁；并且，阳极头部与阳极背板采用垫片与螺纹配合的密封方式，便于拆装和更换直筒-扩张型永磁体。
附图说明
图1为本发明提供的磁等离子体推力器的阳极结构沿YZ平面的截面图；
图2为本发明提供的磁等离子体推力器的阳极喷管的结构示意图；
图3为本发明提供的磁等离子体推力器的阳极结构与电磁线圈作用后磁场的磁力线分布图；
图4为本发明提供的磁等离子体推力器的阳极结构沿XZ平面的截面图；
图5为本发明提供的磁等离子体推力器沿YZ平面的截面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。
本发明提供的一种磁等离子体推力器的阳极结构，沿YZ平面的截面图如图1所示，包括：阳极头部1、阳极背板2、直筒-扩张型永磁体3、第一垫片4以及第二垫片5；其中，
阳极背板2为空心圆柱体，空心圆柱体的外壁具有内凹且延伸到空心圆柱体底面的第一台阶，空心圆柱体的内壁具有内凹且延伸到空心圆柱体底面的第二台阶；
阳极头部1包括焊接在一起的空心圆柱型阳极外壳6和直筒-扩张型阳极喷管7，阳极喷管7的内壁具有多个凸起8(如图2所示)；阳极外壳6的内螺纹与第一台阶的外螺纹配合将阳极头部1与阳极背板2连接在一起；第一垫片4位于第一台阶与阳极外壳6之间，第二垫片5位于第二台阶与阳极喷管7之间；阳极背板2、阳极外壳6和阳极喷管7形成水冷腔9；
直筒-扩张型永磁体3位于水冷腔9内，直筒-扩张型永磁体3与阳极喷管7通过凸起8隔离，直筒-扩张型永磁体3与凸起8接触的一面平行于阳极喷管7的内壁，直筒-扩张型永磁体3内部的磁场方向与包围阳极结构的电磁线圈的磁场方向相反。
本发明提供的上述磁等离子体推力器的阳极结构，由于增设的直筒-扩张型永磁体与阳极喷管的内壁完全平行，且直筒-扩张型永磁体内部的磁场方向与电磁线圈产生的磁场方向相反，这样，由于永磁铁材料本身的导磁特性，直筒-扩张型永磁体的磁场和电磁线圈的磁场相互作用之后，不仅可以将阳极附近的磁场线调整到与阳极的轴线相互平行，磁场的磁力线分布如图3所示，永磁铁的放入使得原本的线圈磁场不再左右对称，使得阳极壁面附近的磁感应强度降低了50％(0.03T)，且对阳极出口处的磁场影响不大。永磁铁的加入可以使磁力线平行于阳极壁面，能够有效约束阳极附近的电子，减少高能电子对阳极的轰击；阳极喷管内壁附近的磁场强度的降低，能降低阳极附近的霍尔效应，降低阳极的功率沉降，提高磁等离子体推力器的效率；并且，直筒-扩张型永磁体外部的磁场方向与阳极出口处电磁线圈的磁场方向相同，可以在降低阳极功率沉降的同时不会影响磁等离子体推力器的性能。直筒-扩张型永磁体便于加工，将直筒-扩张型永磁体安装在阳极的水冷腔内，不仅不会影响磁等离子体推力器的布局，还可以防止由于阳极喷管的内壁温度过高导致直筒-扩张型永磁体消磁；并且，阳极头部与阳极背板采用垫片与螺纹配合的密封方式，便于拆装和更换直筒-扩张型永磁体。
需要说明的是，本发明提供的上述磁等离子体推力器的阳极结构拆装非常方便。首先，将第一垫片和第二垫片分别套在阳极背板的第一台阶和第二台阶上，然后，将加工好的直筒-扩张型永磁体放入焊接好的阳极头部中，最后，通过阳极头部中阳极外壳的内螺纹与阳极背板中第一台阶的外螺纹配合，将阳极头部与阳极背板连接在一起，完成阳极结构的组装。之后，将磁等离子体推力器的其他组件安装好之后，将整个发动机放入电磁线圈中，对电磁线圈通入电流之后，电磁线圈产生的磁场会与直筒-扩张型永磁体的磁场相互作用，得到本发明要求的磁场构型。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器的阳极结构中，第一垫片和第二垫片可以采用石墨垫片，石墨垫片可以起到很好的密封作用，防止冷却水从水冷腔内流出。当然，第一垫片和第二垫片并非局限于石墨垫片这一种材料，还可以为能够实现良好密封作用的其他材料的垫片，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器的阳极结构中，空心圆柱体的顶面具有至少一个水冷入口，如图1所示，空心圆柱体的顶面具有两个水冷入口10，两个水冷入口10对称分布，空心圆柱体的底面具有与各水冷入口10一一对应的水冷出口11，每个水冷入口10与对应的水冷出口11之间通过水冷通道12连通，通过将水冷入口10与水管连接，即可通过水冷通道12向水冷腔9内充入冷却水，以对阳极喷管7和直筒-扩张型永磁体3进行降温。
需要说明的是，在本发明提供的上述磁等离子体推力器的阳极结构中，水冷入口、水冷通道和水冷出口的设计并非局限于如图1所示的上下对称分布这一种设计，可以根据实际情况设计水冷入口、水冷通道和水冷出口的数量和排布，在此不做限定。
在具体实施时，本发明提供的上述磁等离子体推力器的阳极结构，沿XZ平面的截面图如图4所示，空心圆柱体的顶面具有至少一个入气口，图4以空心圆柱体的顶面具有两个入气口13为例，两个入气口13对称分布，空心圆柱体的内壁具有与各入气口13一一对应的出气口14，每个入气口13与对应的出气口14之间通过供气通道15连通，供气通道15可以为弯折90°的形状，通过供气通道15可以将气体通入阳极的放电腔，通过气体放电产生推力。
需要说明的是，在本发明提供的上述磁等离子体推力器的阳极结构中，入气口、供气通道和出气口的设计并非局限于如图4所示的左右对称分布这一种设计，可以根据实际情况设计入气口、供气通道和出气口的数量和排布，在此不做限定。并且，供气通道的形状也并非局限于弯折90°这一种形状，可以为能够实现从阳极背板的顶面进并从阳极背板的内壁出的其他形状，在此不做限定。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种磁等离子体推力器，沿YZ平面的截面图如图5所示，包括：电磁线圈16和位于电磁线圈16内的阳极结构17；其中，电磁线圈16的出口所在平面与阳极结构17的出口所在平面重合，阳极结构17为本发明提供的上述磁等离子体推力器的阳极结构，阳极结构的水冷腔内设有直筒-扩张型永磁体3，直筒-扩张型永磁体3平行于阳极喷管7的内壁，且直筒-扩张型永磁体3内部的磁场方向与电磁线圈16的磁场方相反，这样，由于永磁铁材料本身的导磁特性，直筒-扩张型永磁体3的磁场和电磁线圈16的磁场相互作用之后，不仅可以将阳极附近的磁场线调整到与阳极的轴线相互平行，平行于阳极轴线的磁场能够有效约束阳极附近的电子，减少高能电子对阳极的轰击，还能在一定程度上降低阳极喷管7内壁附近的磁场强度，从而降低阳极附近的霍尔效应，降低阳极的功率沉降，提高磁等离子体推力器的效率；并且，直筒-扩张型永磁体3外部的磁场方向与阳极出口处电磁线圈的磁场方向相同，可以在降低阳极功率沉降的同时不会影响磁等离子体推力器的性能。直筒-扩张型永磁体3便于加工，将直筒-扩张型永磁体3安装在阳极的水冷腔9内，不仅不会影响磁等离子体推力器的布局，还可以防止由于阳极喷管7的内壁温度过高导致直筒-扩张型永磁体3消磁；并且，阳极头部1与阳极背板2采用垫片与螺纹配合的密封方式，便于拆装和更换直筒-扩张型永磁体3。
本发明提供的上述磁等离子体推力器的阳极结构及磁等离子体推力器，由于增设的直筒-扩张型永磁体与阳极喷管的内壁完全平行，且直筒-扩张型永磁体3内部的磁场方向与电磁线圈产生的磁场方向相反，这样，由于永磁铁材料本身的导磁特性，直筒-扩张型永磁体的磁场和电磁线圈的磁场相互作用之后，不仅可以将阳极附近的磁场线调整到与阳极的轴线相互平行，平行于阳极轴线的磁场能够有效约束阳极附近的电子，减少高能电子对阳极的轰击，还能在一定程度上降低阳极喷管内壁附近的磁场强度，从而降低阳极附近的霍尔效应，降低阳极的功率沉降，提高磁等离子体推力器的效率；并且，直筒-扩张型永磁体外部的磁场方向与阳极出口处电磁线圈的磁场方向相同，可以在降低阳极功率沉降的同时不会影响磁等离子体推力器的性能。直筒-扩张型永磁体便于加工，将直筒-扩张型永磁体安装在阳极的水冷腔内，不仅不会影响磁等离子体推力器的布局，还可以防止由于阳极喷管的内壁温度过高导致直筒-扩张型永磁体消磁；并且，阳极头部与阳极背板采用垫片与螺纹配合的密封方式，便于拆装和更换直筒-扩张型永磁体。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种磁等离子体推力器的阳极结构，其特征在于，包括：阳极头部(1)、阳极背板(2)、永磁体(3)、第一垫片(4)以及第二垫片(5)；其中，
所述阳极背板(2)为空心圆柱体，所述空心圆柱体的外壁具有内凹且延伸到所述空心圆柱体底面的第一台阶，所述空心圆柱体的内壁具有内凹且延伸到所述空心圆柱体底面的第二台阶；
所述阳极头部(1)包括焊接在一起的空心圆柱型阳极外壳(6)和直筒-扩张型阳极喷管(7)，所述阳极喷管(7)的内壁具有多个凸起(8)；所述阳极外壳(6)的内螺纹与所述第一台阶的外螺纹配合将所述阳极头部(1)与所述阳极背板(2)连接在一起；所述第一垫片(4)位于所述第一台阶与所述阳极外壳(6)之间，所述第二垫片(5)位于所述第二台阶与所述阳极喷管(7)之间；所述阳极背板(2)、所述阳极外壳(6)和所述阳极喷管(7)形成水冷腔(9)；
所述永磁体(3)位于所述水冷腔(9)内，所述永磁体(3)与所述阳极喷管(7)通过所述凸起(8)隔离，所述永磁体(3)与所述凸起(8)接触的一面平行于所述阳极喷管(7)的内壁，所述永磁体(3)内部的磁场方向与包围所述阳极结构的电磁线圈的磁场方向相反。
2.如权利要求1所述的磁等离子体推力器的阳极结构，其特征在于，所述空心圆柱体的顶面具有至少一个水冷入口(10)，所述空心圆柱体的底面具有与各所述水冷入口(10)一一对应的水冷出口(11)，每个所述水冷入口(10)与对应的水冷出口(11)之间通过水冷通道(12)连通。
3.如权利要求1或2所述的磁等离子体推力器的阳极结构，其特征在于，所述空心圆柱体的顶面具有至少一个入气口(13)，所述空心圆柱体的内壁具有与各所述入气口(13)一一对应的出气口(14)，每个所述入气口(13)与对应的出气口(14)之间通过供气通道(15)连通。
4.一种磁等离子体推力器，其特征在于，包括：电磁线圈(16)和位于所述电磁线圈(16)内的阳极结构(17)；其中，
所述电磁线圈(16)的出口所在平面与所述阳极结构(17)的出口所在平面重合，所述阳极结构(17)为如权利要求1-3任一项所述的磁等离子体推力器的阳极结构。
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