CN111219304B - 一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构 - Google Patents

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Abstract

一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构，属于霍尔推力器技术领域。本发明解决现有采用大高径比设计霍尔推力器通道中径处的轴向磁场梯度低，推力器性能低的问题。本发明包括内磁屏、外磁屏和支撑件，内磁屏、外磁屏的圆心与支撑件的圆心重合，并且内磁屏、外磁屏和支撑件之间通过勾脚和扣槽的相互扣合固定构成内外嵌套的圆筒形结构。本发明在霍尔推力器采用大高径比设计的过程中，将内磁屏和外磁屏不用同一底面连接，不仅具有采用大高径比设计霍尔推力器的提高推力器推重比、减弱壁面侵蚀等优点，使得航天飞行器的有效载荷、使用寿命和机动灵活性有所提高，同时也提高了采用大高径比设计霍尔推力器通道中径处的轴向磁场梯度，提高了推力器的工作性能。

Description

一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构
技术领域
本发明涉及一种霍尔推力器的磁屏结构，具体涉及一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构，属于霍尔推力器技术领域。
背景技术
霍尔推力器是目前应用较为广泛的电推进装置，与传统化学推进装置比较，具有效率高，比冲高以及寿命长等优点。其工作原理是：霍尔推力器通道内存在相互正交的径向磁场和轴向电场，从阴极发射到通道内的电子受到磁场和电场的作用下向阳极漂移，与从气体分配器喷出的工质气体发生碰撞电离，电离出的电子由于质量小，被径向磁场约束在通道内，而离子质量大，磁场基本对其不起作用，在轴向电场力的作用向通道出口加速喷出，从而产生推力。
随着航天事业的不断发展，对霍尔推力器的性能提出了更高的要求。为了实现霍尔推力器长寿命可靠运行，提高航天器的有效载荷，需要更大功率级别的霍尔推力器来满足这一发展要求。传统的高功率霍尔推力器虽然实现了通流面积的扩大，但是却出现了整体结构的体积庞大，推重比小等方面的弱点。因此，大高径比霍尔推力器以减小自身体积和质量，增加推重比为设计目标，对于提高航天飞行器的有效载荷和机动灵活性具有重要的现实意义。
在采用大高径比设计后，霍尔推力器虽然在理论上能做到在相同功率条件下具有更大的推重比和提高航天飞行器的有效载荷和机动灵活性的优点，但由于通道宽度的增加，若采用传统的内外瓷屏一体的结构，所得出的轴向磁场梯度较低，通过简单的磁路仿真调节也很难提高磁场梯度。当磁场梯度较小时，会引起推力器通道内的电离区拉长，等离子体加速效果较差等不良影响，也会加大磁场约束等离子体的难度，对推力器的性能的提升有着一定的影响。因此，提供一种通过磁屏结构改变的方法来做到霍尔推力器通道中径处的轴向磁场梯度的提高是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有采用大高径比设计霍尔推力器通道中径处的轴向磁场梯度低，推力器性能低的问题，提供了一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构。
本发明的技术方案：
一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构，包括内磁屏1、外磁屏2和支撑件3，内磁屏1和外磁屏2通过支撑件3构成内外嵌套的圆筒形结构；所述的内磁屏1为底部设有环状外底板的圆筒形结构，并且在该环状外底板上安装有沿周向均匀分布的4个勾脚；所述的外磁屏2为底部设有环状内底板的圆筒形结构，并且在该环状内底板上安装有沿周向均匀分布的4个勾脚；所述的支撑件3为环状结构，并且在支撑件3的圆环下表面安装有支撑环，在支撑件3的圆环下表面支撑环的内部和外部分别安装有4个安装扣槽5，4个安装扣槽5沿周向均匀分布；所述的内磁屏1、外磁屏2的圆心与支撑件3的圆心重合，并且内磁屏1、外磁屏2和支撑件3之间通过勾脚和扣槽5的相互扣合固定构成内外嵌套的圆筒形结构。
优选的：所述的内磁屏1的环状外底板和外磁屏2的环状内底板位于同一高度平面。
优选的：所述的内磁屏1的环状外底板和外磁屏2的环状内底板之间存在径向间隙。
优选的：所述的内磁屏1的环状外底板和外磁屏2的环状内底板之间的径向间隙宽度为内磁屏1的筒壁和外磁屏2的筒壁之间距离的5％-80％。
优选的：所述的内磁屏1和外磁屏2为高导磁材料制成。
优选的：所述的内磁屏1和外磁屏2采用电工纯铁DT4C制成。
优选的：所述的支撑件3采用钛合金制成。
本发明具有以下有益效果：本发明涉及一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构，在霍尔推力器采用大高径比设计的过程中，将内磁屏和外磁屏不用同一底面连接，不仅具有提高大高径比设计霍尔推力器的推重比、减少壁面侵蚀的作用，使得航天飞行器的有效载荷、使用寿命和机动灵活性有所提高，同时提高了采用大高径比设计霍尔推力器通道中径处的轴向磁场梯度，也通过采用支撑件的扣槽及内、外磁屏的勾脚，达到了使内外瓷屏底面轴向高度相同，通道底部齐平布置的效果，提高了推力器的工作性能。
附图说明
图1是本发明的霍尔推力器的磁屏结构示意图；
图2是本发明的霍尔推力器的磁屏结构的剖视图；
图3是内磁屏的结构示意图；
图4是外磁屏的结构示意图；
图5是支撑件的结构示意图；
图6是采用常规磁屏结构的大高径比霍尔推力器的磁场强度随通道中轴线上位置坐标变化而变化的曲线图；
图7是采用常规磁屏结构的大高径比霍尔推力器通道处的磁场位型状况；
图8是采用本发明的磁屏结构的霍尔推力器的磁场强度随通道中轴线上位置坐标变化而变化的曲线图；
图9是采用本发明磁屏结构的大高径比霍尔推力器通道处的磁场位型状况；
图中1-内磁屏，2-外磁屏，3-支撑件，5-安装扣槽。
具体实施方式
结合附图1至图9说明本发明具体实施方式：本发明是一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构，如图1至图5所示，包括内磁屏1、外磁屏2和支撑件3，内磁屏1和外磁屏2通过支撑件3构成内外嵌套的圆筒形结构；所述的内磁屏1为底部设有环状外底板的圆筒形结构，并且在该环状外底板上安装有沿周向均匀分布的4个勾脚；所述的外磁屏2为底部设有环状内底板的圆筒形结构，并且在该环状内底板上安装有沿周向均匀分布的4个勾脚；所述的支撑件3为环状结构，并且在支撑件3的圆环下表面安装有支撑环，在支撑件3的圆环下表面支撑环的内部和外部分别安装有4个安装扣槽5，4个安装扣槽5沿周向均匀分布；所述的内磁屏1、外磁屏2的圆心与支撑件3的圆心重合，并且内磁屏1、外磁屏2和支撑件3之间通过勾脚和安装扣槽5的相互扣合固定构成内外嵌套的圆筒形结构。如此设置，霍尔推力器在采用大高径比设计的过程中，虽然在理论上能做到在相同功率条件下具有更大的推重比和提高航天飞行器的有效载荷和机动灵活性的优点，但由于通道宽度的增加，若采用传统的内外瓷屏一体的结构，所得出的轴向磁场梯度较低，通过简单的磁路仿真调节也很难提高磁场梯度，造成降低推力器的性能的不良后果，因此本发明将内磁屏1和外磁屏2不用同一底面连接，将推力器的陶瓷通道置于外磁屏2和内磁屏1之间，并水平放置在支撑件3上，通过内磁屏1和外磁屏2通过支撑件3使用勾脚和安装扣槽5构成内外嵌套的圆筒形结构，不仅做到了大高径比设计霍尔推力器的提高推力器推重比的作用，使得航天飞行器的有效载荷和机动灵活性有所提高，同时提高了采用大高径比设计霍尔推力器通道中径处的轴向磁场梯度，并通过勾脚和安装扣槽5的结构，达到了使内外磁屏底面轴向高度相同，通道底部齐平布置的效果，提高了推力器的工作性能。内磁屏1、外磁屏2与支撑件3由图3、图4和图5所示的勾脚和安装扣槽5相互扣合固定，其中扣槽5开口处分为大口与小口两部分，大口可使内外磁屏的勾脚伸入支撑件内，勾脚伸入后通过旋转支撑件3来使勾脚根部到达扣槽小口处，由于小口处具有阻挡屏，将勾脚的顶部突出部分卡在支撑件3内，达到固定内、外磁屏的作用，同时支撑件3与底板固定安装，保证陶瓷通道在支撑件顶部平齐放置的效果。
所述的内磁屏1的环状外底板和外磁屏2的环状内底板位于同一高度平面。
所述的内磁屏1的环状外底板和外磁屏2的环状内底板之间存在径向间隙。
所述的内磁屏1的环状外底板和外磁屏2的环状内底板之间的径向间隙宽度为内磁屏1的筒壁和外磁屏2的筒壁之间距离的5％-80％。
所述的内磁屏1和外磁屏2为高导磁材料制成。
所述的内磁屏1和外磁屏2采用电工纯铁DT4C制成。
所述的支撑件3采用钛合金制成。
本发明采用的磁屏为大高径比霍尔推力器的磁屏结构，内、外磁屏单独加工，并通过支撑件与底板连接安装，在保证强度和陶瓷通道内磁场的中心对称，与普通磁屏产生最大磁场强度基本相同前提的下，较大地增加了通道中心轴线处的磁场梯度，较好的解决了采用大高径比设计的霍尔推力器的通道中心轴线磁场梯度较小的问题。
采用常规磁屏的霍尔推力器，其陶瓷通道内磁场在中心轴线处分布图如图6所示的实线所示(起点为陶瓷通道底部)，可见其通道中心轴线磁场梯度较低，由图6经过计算可以得到，其最大磁场强度大致在185Gs左右，磁场梯度经计算大致为6.1。采用本实施例磁屏的霍尔推力器，其陶瓷通道内磁场在中心轴线处分布图如图6所示，可以明显看出，其通道中心轴线磁场梯度得到了明显的提升，由图8经过计算可以得到，其最大磁场强度也大致在185Gs左右，但磁场梯度经计算大致为11.77，提升了近90％。进一步确定，本发明磁屏结构可较好的提升大高径比设计霍尔推力器的性能
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (7)

1.一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构，其特征在于：包括内磁屏(1)、外磁屏(2)和支撑件(3)，内磁屏(1)和外磁屏(2)通过支撑件(3)构成内外嵌套的圆筒形结构；所述的内磁屏(1)为底部设有环状外底板的圆筒形结构，并且在该环状外底板上安装有沿周向均匀分布的4个环状外底板勾脚；所述的外磁屏(2)为底部设有环状内底板的圆筒形结构，并且在该环状内底板上安装有沿周向均匀分布的4个环状内底板勾脚；所述的支撑件(3)为环状结构，并且在支撑件(3)的圆环下表面安装有支撑环，在支撑件(3)的圆环下表面支撑环的内部和外部分别安装有4个安装扣槽(5)，4个安装扣槽(5)沿周向均匀分布；所述的内磁屏(1)、外磁屏(2)的圆心与支撑件(3)的圆心重合，内磁屏(1)和支撑件(3)之间通过环状外底板勾脚和支撑环内部的安装扣槽(5)相互扣合固定，外磁屏(2)和支撑件(3)之间通过环状内底板勾脚和支撑环外部的安装扣槽(5)相互扣合固定，内磁屏(1)、外磁屏(2)和支撑件(3)构成内外嵌套的圆筒形结构。
2.根据权利要求1所述的一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构，其特征在于：所述的内磁屏(1)的环状外底板和外磁屏(2)的环状内底板位于同一高度平面。
3.根据权利要求1所述的一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构，其特征在于：所述的内磁屏(1)的环状外底板和外磁屏(2)的环状内底板之间存在径向间隙。
4.根据权利要求3所述的一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构，其特征在于：所述的内磁屏(1)的环状外底板和外磁屏(2)的环状内底板之间的径向间隙宽度为内磁屏(1)的筒壁和外磁屏(2)的筒壁之间距离的5％-80％。
5.根据权利要求1所述的一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构，其特征在于：所述的内磁屏(1)和外磁屏(2)为高导磁材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构，其特征在于：所述的内磁屏(1)和外磁屏(2)采用电工纯铁DT4C制成。
7.根据权利要求1所述的一种大高径比霍尔推力器的磁屏结构，其特征在于：所述的支撑件(3)采用钛合金制成。
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