CN111238818B - 电推力器点火试验溅射污染防护系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电推力器点火试验溅射污染防护系统及其设计方法，防护系统包括L形试验容器、磁场发生器、磁屏蔽体和溅射靶，L形试验容器包括依次连接的第一段容腔、过渡段容腔和第二段容腔，第一段容腔与第二段容腔相互垂直；推力器设于第一段容腔的自由端，磁屏蔽体罩于推力器外，溅射靶设于第二段容腔的自由端，磁场发生器设于过渡段容腔内；推力器产生羽流粒子，羽流粒子经过空间中磁场发生器产生的磁场，磁场的方向与羽流粒子的运动方向垂直，磁场的强度使得所述粒子恰好能偏转90°射到所述溅射靶上，因此羽流粒子溅射产生的污染物不会直接返回推力器，从而降低推力器受到的溅射污染。

Description

电推力器点火试验溅射污染防护系统及其设计方法

技术领域

本发明一般涉及电推力器点火试验中降低羽流溅射污染的防护装置，具体涉及一种电推力器点火试验溅射污染防护系统及其设计方法。

背景技术

与化学推进相比，电推进可大幅降低发射质量，提高有效载荷和卫星在轨寿命。但其羽流粒子能量非常高，在地面进行验证试验时，由于在有限容积的真空试验舱内进行，羽流打到容器壁面会溅射出大量污染物，这些溅射产物返回推力器或打到其它敏感仪器表面会造成污染沉积或更严重的损伤。

现有的溅射污染防护方案主要从两方面着手，一是采用尽量大的试验容器，因为溅射表面离推力器越远污染越小；另一方面是设置溅射靶来接收羽流粒子，通过对溅射靶结构进行优化设计来降低溅射沉积污染。试验容器不能无限大，因此溅射靶就起着关键作用。溅射靶采用低溅射率的材料制成，结构形式多种多样，但由于溅射产物的漫发射性质，没有哪一种结构形式具有特别明显的溅射污染防护效果。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种电推力器点火试验溅射污染防护系统及其设计方法。

为了克服现有技术的不足，本发明所提供的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种电推力器点火试验溅射污染防护系统，其特殊之处在于，包括L形试验容器、磁场发生器、磁屏蔽体和溅射靶，L形试验容器包括依次连接的第一段容腔、过渡段容腔和第二段容腔，所述第一段容腔与所述第二段容腔相互垂直；

所述推力器设于所述第一段容腔的自由端，所述磁屏蔽体罩于所述推力器外，所述溅射靶设于所述第二段容腔的自由端，所述磁场发生器设于所述过渡段容腔内；

所述推力器用于产生羽流粒子，所述磁场发生器用于在所述羽流粒子经过的空间中产生磁场，所述磁场的方向与所述羽流粒子的运动方向垂直，所述磁场的强度使得所述粒子恰好能偏转90°射到所述溅射靶上。

进一步地，所述过渡段容腔包括折弯线，所述推力器设于所述折弯线中点与所述第一段容腔自由端上缘中点连线的下方。

进一步地，所述磁屏蔽体采用双层同心圆筒结构，所述磁屏蔽体的内径和长度均大于所述推力器。

进一步地，所述磁屏蔽体的材质为高磁导率的材料，所述高磁导率的材料包括高纯铁、硅钢和坡莫合金。

进一步地，所述溅射靶铺设于所述第二段容腔的内壁面，所述溅射靶的厚度要大于10mm，所述溅射靶的材质为碳碳复合材料。

第二方面，本发明提供一种电推力器点火试验溅射污染防护系统的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

根据羽流粒子的速度确定所需磁场的强度，根据羽流粒子的偏转半径确定磁场有效空间的尺寸，由所述磁场的强度和有效空间尺寸选择磁场发生器；

设定所述磁屏蔽体的长度，根据所述偏转磁场的强度来确定所述磁屏蔽体的径向尺寸，根据所述长度和所述径向尺寸选择所述磁屏蔽体；

设定L形试验容器的包络尺寸，根据确定的磁场发生器的尺寸、磁屏蔽体尺寸、羽流粒子的偏转半径确定L形试验容器中第一段容腔和过渡段容腔的尺寸，第二段容腔的尺寸保证溅射靶处于推力器的盲区内。

进一步地，根据所述羽流粒子的速度确定所需磁场的强度包括：将所述羽流粒子的速度代入Lorentz公式，获得所需磁场的强度。

进一步地，根据确定的偏转磁场的强度来确定磁屏蔽体包括：

计算所述磁屏蔽体所需的屏蔽效能，所述磁屏蔽体为双层同心圆筒结构，设定所述双层同心圆筒结构的内径，根据所述双层同心圆筒结构的内径确定外径；

计算所述双层同心圆筒结构的厚度，确定所述双层同心圆筒结构第一层的厚度、第二层的厚度以及所述第一层与所述第二层之间的间隙大小。

进一步地，所述磁屏蔽体所需的屏蔽效能通过下式获得：

其中，H_o为磁屏蔽体外的磁场强度，H_i磁屏蔽体内的磁场强度，SE为屏蔽效能。

进一步地，所述双层同心圆筒结构的外径通过下式获得：

其中，μ_r为磁屏蔽体材质的相对磁导率，ρ为双层同心圆筒结构的内径平方与外径平方的比值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的电推力器点火试验溅射污染防护系统，包括L形试验容器、磁场发生器、磁屏蔽体和溅射靶，L形试验容器包括依次连接的第一段容腔、过渡段容腔和第二段容腔，第一段容腔与第二段容腔相互垂直；推力器设于第一段容腔的自由端，磁屏蔽体罩于推力器外，溅射靶设于第二段容腔的自由端，磁场发生器设于过渡段容腔内；推力器产生羽流粒子，羽流粒子经过空间中磁场发生器产生的磁场，磁场的方向与羽流粒子的运动方向垂直，磁场的强度使得所述粒子恰好能偏转90°射到所述溅射靶上，因此羽流粒子溅射产生的污染物不会直接返回推力器，从而降低推力器受到的溅射污染。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的电推力器点火试验溅射污染防护系统的原理示意图；

图2本发明实施例提供的电推力器点火试验溅射污染防护系统的正面示意图；

图3本发明实施例提供的电推力器点火试验溅射污染防护系统的俯视示意图；

图4本发明实施例提供的电推力器点火试验溅射污染防护系统的侧视示意图；

图5本发明实施例提供的磁屏蔽体的截面示意图；

图6本发明实施例提供的电推力器点火试验溅射污染防护系统的设计方法的流程图。

图中：1-L形试验容器，101-第一段容腔，102-过渡段容腔，103-第二段容腔，2-磁场发生器，3-磁屏蔽体，301-第一层，302-第二层，4-推力器，5-溅射靶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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申请。

如背景技术中提到的，现有的溅射污染防护方案主要从两方面着手，一是采用尽量大的试验容器，因为溅射表面离推力器越远污染越小；另一方面是设置溅射靶来接收羽流粒子，通过对溅射靶结构进行优化设计来降低溅射沉积污染。试验容器不能无限大，因此溅射靶就起着关键作用。溅射靶采用低溅射率的材料制成，结构形式多种多样，但由于溅射产物的漫发射性质，没有哪一种结构形式具有特别明显的溅射污染防护效果。

因此本发明采用另一种思路，绕开溅射靶设计的技术瓶颈，通过将羽流粒子偏转出推力器视线范围来达到降低污染的目的。本申请实施例提供一种电推力器点火试验溅射污染防护系统来有效解决上述问题。

参照图1至图5，其示出了根据本申请实施例的电推力器点火试验溅射污染防护系统的具体结构。防护系统包括L形试验容器1、磁场发生器2、磁屏蔽体3和溅射靶5，L形试验容器1包括依次连接的第一段容腔101、过渡段容腔102和第二段容腔103，所述第一段容腔101与所述第二段容腔103相互垂直。所述推力器4设于所述第一段容腔101的自由端，所述磁屏蔽体3罩于所述推力器4外，所述溅射靶5设于所述第二段容腔103的自由端，所述磁场发生器2设于所述过渡段容腔102内。所述推力器4用于产生羽流粒子，所述磁场发生器2用于在所述羽流粒子经过的空间中产生磁场，所述磁场的方向与所述羽流粒子的运动方向垂直，所述磁场的强度使得所述粒子恰好能偏转90°射到所述溅射靶5上。

所述过渡段容腔102包括折弯线，所述推力器4设于所述折弯线中点与所述第一段容腔101自由端上缘中点连线的下方。由于溅射靶5和推力器4分别位于L形试验容器1的第一段容腔101的自由端和第二段容腔103的自由端，互相看不见，所以溅射靶5上产生的溅射产物不会直接飞回推力器4，理论上溅射沉积污染为零，从而降低推力器4受到的溅射污染。

羽流粒子由位于第一段容腔101内的推力器4喷出，经位于过渡段容腔102内的磁场发生器2偏转90度后射到位于第二段容腔103内的溅射靶5上，溅射靶5与推力器4互相看不见，理论上溅射沉积污染为零。

磁场发生器2采用亥母霍兹线圈，羽流粒子能量很大或所需偏转半径很小时，采用超导线圈来产生足够强的磁场，配备第一冷却系统对磁场发生器2进行降温。所述溅射靶5铺设于所述第二段容腔103的内壁面，所述溅射靶5的厚度要大于10mm，所述溅射靶5的材质为碳碳复合材料，配备第二冷却系统使溅射靶5温度不致过高。其中，第一冷却系统与第二冷却系统共用一个冷源。

所述磁屏蔽体3采用双层同心圆筒结构，所述磁屏蔽体3的内径和长度均大于所述推力器4。所述磁屏蔽体3的材质为高磁导率的材料，所述高磁导率的材料包括高纯铁、硅钢和坡莫合金。磁屏蔽体3罩在推力器4外，将磁场发生器2产生的磁场屏蔽掉，使其不影响推力器4正常工作。

参见图6，其示出了本实施例的电推力器点火试验溅射污染防护系统的设计方法的流程图。

在步骤110中，根据羽流粒子的速度确定所需磁场的强度，根据羽流粒子的偏转半径确定磁场有效空间的尺寸，由所述磁场的强度和有效空间尺寸选择磁场发生器2；

在步骤120中，设定所述磁屏蔽体3的长度，根据所述偏转磁场的强度来确定所述磁屏蔽体3的径向尺寸，根据所述长度和所述径向尺寸选择所述磁屏蔽体3；

在步骤130中，设定L形试验容器1的包络尺寸，根据确定的磁场发生器2的尺寸、磁屏蔽体3的尺寸、羽流粒子的偏转半径确定L形试验容器1中第一段容腔101和过渡段容腔102的尺寸，第二段容腔103的尺寸保证溅射靶5处于推力器4的盲区内。

步骤110中根据所述羽流粒子的速度确定所需磁场的强度包括：将所述羽流粒子的速度代入Lorentz公式，获得所需磁场的强度。

步骤120根据确定的偏转磁场的强度来确定磁屏蔽体3包括：

计算所述磁屏蔽体3所需的屏蔽效能，所述磁屏蔽体3为双层同心圆筒结构，设定所述双层同心圆筒结构的内径，根据所述双层同心圆筒结构的内径确定外径；

计算所述双层同心圆筒结构的厚度，确定所述双层同心圆筒结构第一层301的厚度、第二层302的厚度以及所述第一层301与所述第二层302之间的间隙大小。

需要说明的是，所述磁屏蔽体3所需的屏蔽效能通过下式获得：

其中，H_o为磁屏蔽体外的磁场强度，H_i磁屏蔽体内的磁场强度，SE为屏蔽效能。

需要说明的是，所述双层同心圆筒结构的外径通过下式获得：

其中，μ_r为磁屏蔽体材质的相对磁导率，ρ为双层同心圆筒结构的内径平方与外径平方的比值。

通过下面的例子对上述电推力器点火试验溅射污染防护系统的设计方法进行具体说明：

设L形试验容器1包络尺寸为5m×5m×5m，粒子偏转半径为2m。

假设推力器4口径300mm，羽流粒子主要为正一价氙离子，速度为100km/s，则可根据Lorentz公式算出所需磁场强度为0.068特斯拉。羽流粒子的偏转半径为2m。因此定出磁场发生器2主要指标：磁场的中心强度为0.068特斯拉，磁场有效空间的尺寸为2m×2m×2m。

磁场发生器2产生的磁场强度要大于推力器4内部的磁场强度，推力器4内部的磁场强度一般在0.001特斯拉以上，必须将偏转磁场的磁场强度屏蔽到0.0001特斯拉以下才不会对推力器4产生影响，磁屏蔽体3外的磁场强度H_o为0.068，磁屏蔽体3内的磁场强度H_i为0.0001，则屏蔽效能为：

因此，磁屏蔽体3的屏蔽效能至少需达到57。

因此确定磁屏蔽体3主要指标屏蔽效能为57，磁屏蔽体3材质的磁导率为5000，

推力器4置于磁屏蔽体3内，磁屏蔽体3内径大于推力器4口径，将磁屏蔽体3内径定为480mm，则获得所述双层同心圆筒结构的外径为600mm。磁屏蔽体3的长度上完全覆盖推力器4，优选的为推力器4长度的3倍，

双层同心圆筒结构的厚度为T为60mm，则第一层301与第二层302之间的间隙大小与总厚度的比值(r₁–R₂)/T为1/3时屏蔽效能达到最大。因此可定出双层屏蔽筒截面尺寸为：内筒的内半径r₂＝240mm，外半径R₂＝258.5mm，厚度t₂＝18.5mm；外筒的内半径r₁＝278.5mm，外半径R₁＝300mm，厚度t₁＝21.5mm。双层屏蔽筒总厚度T＝60mm。

根据以上确定的磁场发生器2、磁屏蔽体3、粒子偏转半径，确定L形试验容器1的尺寸。第一段容腔101的内径要大于磁屏蔽体3，定为1000mm。过渡段容腔102要满足粒子偏转半径的要求，同时要容纳下磁场发生器2及其配套设备，配套设备包括第一冷却系统，过渡段容腔102大小根据磁场发生器2的大小确定。为满足2m的粒子偏转半径，考虑到推力器4可能位于第一段容腔101的轴心上，过渡段容腔102的内径定为4m，长度大于2m。第二段容腔103的深度方向与推力器4的轴线方向垂直，其深度要保证溅射靶5和推力器4互相看不见，即要保证推力器4位于折弯线中点与第一段容腔101自由端上缘中点连线的下方。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种电推力器点火试验溅射污染防护系统，其特征在于，包括L形试验容器、磁场发生器、磁屏蔽体和溅射靶，L形试验容器包括依次连接的第一段容腔、过渡段容腔和第二段容腔，所述第一段容腔与所述第二段容腔相互垂直；

所述推力器设于所述第一段容腔的自由端，所述磁屏蔽体罩于所述推力器外，所述溅射靶设于所述第二段容腔的自由端，所述磁场发生器设于所述过渡段容腔内；

所述推力器用于产生羽流粒子，所述磁场发生器用于在所述羽流粒子经过的空间中产生磁场，所述磁场的方向与所述羽流粒子的运动方向垂直，所述磁场的强度使得所述羽流粒子恰好能偏转90°射到所述溅射靶上。

2.根据权利要求1所述的电推力器点火试验溅射污染防护系统，其特征在于，所述过渡段容腔包括折弯线，所述推力器设于所述折弯线中点与所述第一段容腔自由端上缘中点连线的下方。

3.根据权利要求1所述的电推力器点火试验溅射污染防护系统，其特征在于，所述磁屏蔽体采用双层同心圆筒结构，所述磁屏蔽体的内径和长度均大于所述推力器。

4.根据权利要求3所述的电推力器点火试验溅射污染防护系统，其特征在于，所述磁屏蔽体的材质为高磁导率的材料，所述高磁导率的材料包括高纯铁、硅钢和坡莫合金。

5.根据权利要求1所述的电推力器点火试验溅射污染防护系统，其特征在于，所述溅射靶铺设于所述第二段容腔的内壁面，所述溅射靶的厚度要大于10mm，所述溅射靶的材质为碳复合材料。

6.一种如权利要求1所述的电推力器点火试验溅射污染防护系统的设计方法，其特征在于：

根据羽流粒子的速度确定所需磁场的强度，根据羽流粒子的偏转半径确定磁场有效空间的尺寸，由所述磁场的强度和有效空间尺寸选择磁场发生器；

设定所述磁屏蔽体的长度，根据偏转磁场的强度来确定所述磁屏蔽体的径向尺寸，根据所述长度和所述径向尺寸选择所述磁屏蔽体；

设定L形试验容器的包络尺寸，根据确定的磁场发生器的尺寸、磁屏蔽体尺寸、羽流粒子的偏转半径确定L形试验容器中第一段容腔的尺寸、过渡段容腔的尺寸和第二段容腔的尺寸保证溅射靶处于推力器的盲区内。

7.根据权利要求6所述的电推力器点火试验溅射污染防护系统的设计方法，其特征在于，根据所述羽流粒子的速度确定所需磁场的强度包括：

将所述羽流粒子的速度代入Lorentz公式，获得所需磁场的强度。

8.根据权利要求6所述的电推力器点火试验溅射污染防护系统的设计方法，其特征在于，根据确定的偏转磁场的强度来确定磁屏蔽体包括：

计算所述磁屏蔽体所需的屏蔽效能，所述磁屏蔽体为双层同心圆筒结构，设定所述双层同心圆筒结构的内径，根据所述双层同心圆筒结构的内径确定外径；

计算所述双层同心圆筒结构的厚度，确定所述双层同心圆筒结构第一层的厚度、第二层的厚度以及所述第一层与所述第二层之间的间隙大小。

9.根据权利要求8所述的电推力器点火试验溅射污染防护系统的设计方法，其特征在于，所述磁屏蔽体所需的屏蔽效能通过下式获得：

其中，H_o为磁屏蔽体外的磁场强度，H_i磁屏蔽体内的磁场强度，SE为屏蔽效能。

10.根据权利要求9所述的电推力器点火试验溅射污染防护系统的设计方法，其特征在于，

所述双层同心圆筒结构的外径通过下式获得：

其中，μ_r为磁屏蔽体材质的相对磁导率，ρ为双层同心圆筒结构的内径平方与外径平方的比值。

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