CN111219308A - 一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器，包括推力器支架、陶瓷放电通道、阳极、附加阳极环、外置阴极、内置阴极、外励磁线圈、内励磁线圈，外置阴极安装在近出口侧磁场强度峰值处，支架阴极安装孔和放电通道阴极安装孔同侧布置，内置阴极依次穿过支架阴极安装孔和放电通道阴极安装孔后伸入到陶瓷放电通道内，内置阴极安装在近阳极侧磁场强度峰值处，附加阳极环安装在放电通道零磁点处。本发明在放电通道内安装一个内置阴极提供种子电子，使电离区集中在阳极附近，使用附加阳极环加速离子，使加速区集中在放电通道出口附近，电离和加速过程分离，外置阴极发射的电子用来中和羽流。

Description

一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器

技术领域

本发明属于霍尔推力器技术领域，尤其是涉及一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器。

背景技术

霍尔推力器(Hall Effect Thruster，简称HET)是一种利用正交电磁场电离和加速原子工质，将电能转换为离子动能，获得较高比冲的电推力器。它具有结构简单、比冲高、效率高、工作寿命长、功率密度高、在轨服役时间长等特点，适用于各类航天器的姿态控制、轨道修正、轨道转移、动力补偿、位置保持、重新定位、离轨处理、宇宙探测和星际航行等任务，是目前国际上应用最多最成熟的电推进系统。

霍尔推力器工作原理为两个半径不同的陶瓷套管组成环形等离子放电通道约束等离子体运动，内外永磁铁或内外励磁线圈和磁极共同作用在通道内产生磁场，阴极发射的电子进入放电通道内在正交电磁场的作用下做霍尔漂移，从放电通道底部注入的推进剂与电子发生碰撞产生离子，离子在放电通道电磁场中被电离和加速向后喷出产生推力。

双峰磁场霍尔推力器放电通道中存在两个磁场峰值，磁场梯度大，阴极发射的电子穿过放电通道磁场到达电离区需要克服较大的磁阻，使得电离区的种子电子数量不足，电离不充分进而恶化电离过程和放电性能。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器，在放电通道内安装一个内置阴极提供种子电子，使电离区集中在阳极附近，在零磁点处安装附加阳极环，加速离子，使加速区集中在放电通道出口处，而外置阴极发射的电子用来中和羽流，使用双阴极将霍尔推力器电离和加速过程分离，优化了推力器电离和加速过程进而优化放电特性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器，包括推力器支架、陶瓷放电通道、阳极、附加阳极环、外置阴极、内置阴极、外励磁线圈和内励磁线圈，所述的陶瓷放电通道由两个底部相连且同轴设置的等高的陶瓷管围合而成，两个陶瓷管均放置在推力器支架的底部，所述的外励磁线圈和内励磁线圈均套设在推力器支架的上部，所述的内励磁线圈设置在外励磁线圈内部，且同轴心设置，所述的阳极设置在陶瓷放电通道的底部，且通过多个螺柱与陶瓷放电通道及推力器支架固定连接，其中一个螺柱为进气空心螺柱，所述的外置阴极设置在推力器支架外部，且位于近出口侧磁场强度峰值处，所述推力器支架上设有支架阴极安装孔，在陶瓷放电通道外部的陶瓷管的璧面上设有放电通道阴极安装孔，所述支架阴极安装孔和放电通道阴极安装孔同侧布置，所述的内置阴极依次穿过支架阴极安装孔和放电通道阴极安装孔后伸入到陶瓷放电通道内，所述的内置阴极安装在霍尔推力器的近阳极侧磁场强度峰值处，所述的附加阳极环安装在陶瓷放电通道的零磁点处。

进一步的，所述内置阴极伸入陶瓷放电通道内的长度不大于陶瓷放电通道宽度的二分之一。

进一步的，所述内置阴极、支架阴极安装孔与放电通道阴极安装孔的直径一致。

进一步的，所述支架阴极安装孔和放电通道阴极安装孔为同轴线设置的两个通孔，且两个通孔的轴线与陶瓷放电通道的璧面的垂直线之间的夹角为-60°-60°，特别的，当夹角为0°时，两个通孔为直孔。

进一步的，所述阳极上设有气体分配器，且气体分配器与阳极一体设置。

进一步的，将内励磁线圈和外励磁线圈更换为内永磁环和外永磁环。

相对于现有技术，本发明所述的一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器具有以下优势：

本发明所述的一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器，在放电通道内部安装一个内置阴极用以保证电离区的种子电子能够满足稳定放电的要求，本发明所述的内置阴极设置在近阳极侧磁场强度峰值处，保证放电稳定同时减小电子电流，使电离区集中在阳极附近，在零磁点处安装附加阳极环，使加速区集中在放电通道出口处，外置阴极放置在近出口侧磁场强度峰值处，保证放电稳定同时减小电子电流，使用双阴极将霍尔推力器电离和加速过程分离，优化了推力器电离和加速过程进而优化放电特性，在零磁点处安装附加阳极环，减少跟磁力线交叉，对附加阳极环有保护作用。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器结构示意图；

图2为本霍尔推力器的陶瓷放电通道内磁场强度示意图；

图3为本霍尔推力器的陶瓷放电通道内磁场分布示意图。

附图标记说明：

1-内置阴极，2-推力器支架，2-1-支架阴极安装孔，3-陶瓷放电通道，3-1-放电通道阴极安装孔，4-近阳极侧磁场强度峰值，5-零磁点，6-进气空心螺柱，7-阳极，8-外励磁线圈，9-内励磁线圈，10-外置阴极，11-附加阳极环，12-近出口侧磁场强度峰值。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图3所示，一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器，包括推力器支架2、陶瓷放电通道3、阳极7、附加阳极环11、外置阴极10、内置阴极1、外励磁线圈8和内励磁线圈9，所述的陶瓷放电通道3由两个底部相连且同轴设置的等高的陶瓷管围合而成，两个陶瓷管均放置在推力器支架2的底部，所述的外励磁线圈8和内励磁线圈9均套设在推力器支架2的上部，所述的内励磁线圈9设置在外励磁线圈8内部，且同轴心设置，所述的阳极7设置在陶瓷放电通道3的底部，且通过多个螺柱与陶瓷放电通道3及推力器支架2固定连接，其中一个螺柱为进气空心螺柱6，所述的外置阴极10设置在推力器支架2外部，且位于近出口侧磁场强度峰值12处，所述推力器支架2上设有支架阴极安装孔2-1，在陶瓷放电通道3外部的陶瓷管的璧面上设有放电通道阴极安装孔3-1，所述支架阴极安装孔2-1和放电通道阴极安装孔3-1同侧布置，所述的内置阴极1依次穿过支架阴极安装孔2-1和放电通道阴极安装孔3-1后伸入到陶瓷放电通道3内，所述的内置阴极1安装在霍尔推力器的近阳极侧磁场强度峰值4处，所述的附加阳极环11安装在陶瓷放电通道3的零磁点5处。

内置阴极1伸入陶瓷放电通道3内的长度不大于陶瓷放电通道3宽度的二分之一，不宜伸入过长，防止破坏内置阴极1本身。

内置阴极1、支架阴极安装孔2-1与放电通道阴极安装孔3-1的直径一致。

支架阴极安装孔2-1和放电通道阴极安装孔3-1为同轴线设置的两个通孔，且两个通孔的轴线与陶瓷放电通道3的璧面的垂直线之间的夹角为-60°-60°，特别的，当夹角为0°时，两个通孔为直孔，其余情况下，两个通孔均为斜孔。

阳极7上设有气体分配器，且气体分配器与阳极7一体设置。

将外励磁线圈8和内励磁线圈9更换成外永磁铁和内永磁铁，因为永磁铁相比于线圈励磁，拥有更高的磁能积，也就是说，永磁铁节约了很大的推力器内部励磁空间。

双阴极结构适用于大磁场梯度霍尔推力器。

本发明所述的电离和加速分离的双阴极霍尔推力器结构的具体操作过程为：

所述内置阴极1穿过支架阴极安装孔2-1和放电通道阴极安装孔3-1并固定，使内置阴极1的发射孔位于陶瓷放电通道3内近阳极侧磁场强度峰值4处，推力器工作时内置阴极1发射的电子被限制在电离区，保证电离区的种子电子数量足够，使电离区集中在阳极7附近，由于附加阳极环11的设置，使得阳极7和附加阳极环11之间的电势差不足以加速离子，而附加阳极环11安装在陶瓷放电通道3的零磁点5处，既用以加速离子，使加速区集中在陶瓷放电通道出口附近，又可以减少跟磁力线交叉，对附加阳极环有保护作用，外置阴极10发射的电子用以中和羽流，外置阴极10位于近出口侧磁场强度峰值处，保证放电稳定同时减小电子电流，使推力器电离和加速过程分离，优化推力器的放电性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (6)

1.一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器，包括推力器支架(2)、陶瓷放电通道(3)、阳极(7)、附加阳极环(11)、外置阴极(10)、内置阴极(1)、外励磁线圈(8)和内励磁线圈(9)，所述的陶瓷放电通道(3)由两个底部相连且同轴设置的等高的陶瓷管围合而成，两个陶瓷管均放置在推力器支架(2)的底部，所述的外励磁线圈(8)和内励磁线圈(9)均套设在推力器支架(2)的上部，所述的内励磁线圈(9)设置在外励磁线圈(8)内部，且同轴心设置，所述的阳极(7)设置在陶瓷放电通道(3)的底部，且通过多个螺柱与陶瓷放电通道(3)及推力器支架(2)固定连接，其中一个螺柱为进气空心螺柱(6)，所述的外置阴极(10)设置在推力器支架(2)外部，且位于近出口侧磁场强度峰值(12)处，所述推力器支架(2)上设有支架阴极安装孔(2-1)，在陶瓷放电通道(3)外部的陶瓷管的璧面上设有放电通道阴极安装孔(3-1)，所述支架阴极安装孔(2-1)和放电通道阴极安装孔(3-1)同侧布置，所述的内置阴极(1)依次穿过支架阴极安装孔(2-1)和放电通道阴极安装孔(3-1)后伸入到陶瓷放电通道(3)内，所述内置阴极(1)安装在霍尔推力器的近阳极侧磁场强度峰值(4)处，所述附加阳极环(11)安装在放电陶瓷通道的零磁点(5)处。

2.根据权利要求1所述的一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器，其特征在于：所述的内置阴极(1)伸入陶瓷放电通道(3)内的长度不大于陶瓷放电通道(3)宽度的二分之一。

3.根据权利要求2所述的一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器，其特征在于：所述内置阴极(1)、支架阴极安装孔(2-1)与放电通道阴极安装孔(3-1)的直径一致。

4.根据权利要求3所述的一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器，其特征在于：所述支架阴极安装孔(2-1)和放电通道阴极安装孔(3-1)为同轴线设置的两个通孔，且两个通孔的轴线与陶瓷放电通道(3)的璧面的垂直线之间的夹角为-60°-60°，特别的，当夹角为0°时，两个通孔为直孔。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器，其特征在于：所述阳极(7)上设有气体分配器，且气体分配器与阳极(7)一体设置。

6.根据权利要求1所述的一种电离和加速分离的双阴极霍尔推力器，其特征在于：将内励磁线圈(9)和外励磁线圈(8)更换为内永磁环和外永磁环。

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