CN112012897A - 一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构 - Google Patents

Abstract

本发明一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构，包括金属基座，金属橡胶垫和陶瓷通道；上述三个部件同轴设置，金属橡胶垫固定在金属基座的凹槽中；上述三者通过螺钉实现与霍尔推力器中的其他部件稳定连接。本发明通过带有凹槽的金属基座和不锈钢丝绕制而成的金属橡胶垫、通道陶瓷组成的结构，实现了适应推力器工作前后由于温度变化导致的间隙变化。

Description

一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构

技术领域

本发明涉及一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构，适用于霍尔推力器或其他高温区域需要间隙调整的场合。

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。主要结构如图1所示。

霍尔推力器的磁路系统是其核心部件，磁路系统中包含外线圈组件、外磁极、内磁极、导磁件、内线圈、附加线圈、内磁屏、外磁屏。以上磁路系统可以保证霍尔推力器通道内的磁场具有如下特征：零磁场区和磁力线凸向阳极。这种磁场特征是目前高性能霍尔推力器所常采用的磁场位型。磁路系统和阳极/分配器、陶瓷通道共同组成了霍尔推力器的加速器组件。

根据霍尔推力器的工作原理可知，离子在电场的作用下会朝着通道出口方向运动，但是由于电场方向并不是严格意义上轴向电场，因此总会有部分离子轰击到陶瓷通道的壁面。这样，离子的能量就会被壁面吸收，转化为热量，导致陶瓷温度上升。该温度经由陶瓷会传至与其相连的金属基座。试验和仿真结果表明，对于5kw功率量级的霍尔推力器，连接处的温度在300℃左右，在该温度下，材料均会发生一定程度的热变形。由于陶瓷和金属的热膨胀系数不一致，这会导致工作过程中陶瓷和金属在轴向方向的变形量不同，若经历多次点火，则陶瓷和金属之间的间隙也会产生多次变化，这会引起螺钉连接的松动，降低了产品可靠性。因此在实际的使用过程中，常在陶瓷通道和金属基座之间布置具有弹性的零件进行配合，以满足高温下轴向膨胀量不同的要求。

现有的技术方案中常采用多层钽片或者铜片的方式实现二者连接，但是钽材料和铜片由于比较薄且压缩回弹性不足，且在装配过程中不容易定位。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明提供一种适用于调节霍尔推力器中处于高温端的陶瓷与金属之间由于温度变化引起的轴向间隙变化问题，这种结构适用于大温度变化范围，轴向间隙变化要求大的场合。

本发明的技术解决方案是：一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构，包括金属基座，金属橡胶垫和陶瓷通道；上述三个部件同轴设置，金属橡胶垫固定在金属基座的凹槽中；上述三者通过螺钉实现与霍尔推力器中的其他部件稳定连接。

所述金属基座为圆环结构，所述圆环结构包含第一圆柱面，第二圆柱面，第三圆柱面，第一端面，第二端面和第三端面；所述第一圆柱面为所述金属基座中直径最大的圆柱面，直径大小为D1；所述第三圆柱面为所述金属基座中直径最小的圆柱面，直径大小为D3；所述第二圆柱面的直径大小为D2；所述D1，D2，D3之间的关系满足：D1＞D2＞D3；所述第一端面为第一圆柱面和第三圆柱面之间的连接面，所述第二端面为第二圆柱面和第三圆柱面之间的连接面，所述第三端面为第一圆柱面和第二圆柱面之间的连接面；所示第一端面指向第二端面的方向为轴向，所述第一端面与第二端面之间的轴向长度为L1，所述第二端面与第三端面之间的距离为L2；所述L1大小为1mm，所述L2大小为4～5mm。

所述金属基座，包含有若干通孔，所述通孔数量为3或4，所述通孔直径为7mm，所述通孔在周向方向均匀分布，所述通孔的圆心位于同一个圆上，所述圆为第一圆心圆，所述第一圆心圆与第一圆柱面同轴心，所述第一圆心圆的直径D4,D4＝(D2+D3)/2。

所述金属橡胶垫为圆环结构，所述圆环结构包含第四圆柱面，第五圆柱面，和两个端面；所述第四圆柱面的直径大于所述第五圆柱面的直径，所述两个端面之间的距离为L3，所述L3大小为1～3mm；

所述述金属橡胶垫，包含有与所述金属基座数量相同的通孔，所述通孔直径为7mm，所述通孔在周向方向均匀分布，所述通孔的圆心位于同一个圆上，所述圆为第二圆心圆，所述第二圆心圆与第四圆柱面同轴心，所述第二圆心圆的直径大小与D4相等。

所述陶瓷通道为圆筒形槽状结构，所述圆筒形槽状结构包含四个圆柱面，按照直径不同分别为第六圆柱面，第七圆柱面，第八圆柱面和第九圆柱面；所述圆筒形槽状结构包含四个端面，分别为第四端面，第五端面，第六端面，第七端面；所述第四端面为第六圆柱面和第九圆柱面之间的连接面，所述第五端面为第七圆柱面和第八圆柱面之间的连接面，第七圆柱面，第八圆柱面和第五端面共同组成了陶瓷通道中的槽；所述第六端面为第六圆柱面和第七圆柱面之间的连接面，所述第七端面为第八圆柱面和第九圆柱面之间的连接面。

所述陶瓷通道包含有与所述金属基座数量相同的通孔，所述通孔直径为7mm，所述通孔在周向方向均匀分布，所述通孔的圆心位于同一个圆上，所述圆为第三圆心圆，所述第三圆心圆与第六圆柱面同轴心，所述圆心圆的直径大小与D4相等。

包含的三个零件为同轴心布置，其中金属橡胶垫的第四圆柱面的直径小于金属基座中第二圆柱面的直径，直径之差为0.5mm；所述金属橡胶垫位于所述金属基座中第二圆柱面与第二端面所围成的槽内；所述金属橡胶的第四圆柱面直径等于所述陶瓷通道的第六圆柱面的直径。

所述金属基座、金属橡胶垫与通道陶瓷，三个零件中所包含的数量相同的通孔，对齐布置；且三个零件通过螺钉实现与霍尔推力器中其他零件的连接；所述金属橡胶垫在螺钉预紧力的作用下，两个端面之间的距离减小，在预紧力的作用下，两个端面之间的距离变为L4，L4的大小由预紧力大小决定。

所述金属基座的材料为不锈钢材料；所述金属橡胶垫为不锈钢丝绕制而成，所述不锈钢丝直径为0.08mm～0.12mm；所述陶瓷通道材料为氮化硼。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明的结构中，采用了由不锈钢丝绕制而成，在不同预紧力的作用下，金属橡胶垫的压缩量不同，据此可弥补推力器装配过程中由其他零件组合在一起带来的轴向间隙。保证各零组件紧密连接。

2、本发明的结构中，金属橡胶垫在预紧力作用下会产生轴向压缩，当预紧力去除后，金属橡胶垫将恢复原轴向长度。因此可适用于推力器点火前后导致的高低温变化时带来的轴向间隙变化。且在本发明的结构中，金属橡胶垫只有一层，相比较现有技术方案的多层金属片方式，减少了零件数量，且更容易装配。

3、本发明的结构中，金属基座中的L2的长度可保证通道陶瓷也位于金属基座的凹槽中，实现了陶瓷的径向定位。

附图说明

图1为霍尔推力器结构图；

图2为本发明的结构工程图；

图3为本发明金属基座工程图；

图4为本发明含有四个通孔的金属基座的三维图；

图5为本发明含有三个通孔的金属基座的三维图；

图6为本发明金属橡胶垫的工程图；

图7为本发明金属橡胶垫的三维图；

图8为本发明陶瓷通道的工程图；

图9为本发明陶瓷通道的三维图；

图10为本发明结构与霍尔推力器中其他结构连接的示意图。

具体实施方式

如图3-9所示，本发明一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构由金属基座1，金属橡胶垫2和陶瓷通道3组成。三个零件同轴设置，金属橡胶垫2固定在金属基座1的凹槽中。三者通过螺钉实现与霍尔推力器中的其他部件稳定可靠连接。

金属基座1为圆环结构，包含第一圆柱面，第二圆柱面，第三圆柱面，第一端面，第二端面和第三端面。第一圆柱面为金属基座1中直径最大的圆柱面，直径大小为D1。第三圆柱面为金属基座1中直径最小的圆柱面，直径大小为D3。所第二圆柱面的直径大小为D2。D1，D2，D3之间的关系满足：D1＞D2＞D3。第一端面为第一圆柱面和第三圆柱面之间的连接面，第二端面为第二圆柱面和第三圆柱面之间的连接面，第三端面为第一圆柱面和第二圆柱面之间的连接面。第一端面指向第二端面的方向为轴向，第一端面与第二端面之间的轴向长度为L1，第二端面与第三端面之间的距离为L2。L1大小为1mm，L2大小为3mm。金属基座1，包含有若干通孔，通孔数量为3或4，通孔直径为7mm，通孔在周向方向均匀分布，通孔的圆心位于同一个圆上，该圆名称为圆心圆，圆心圆与第一圆柱面同轴心，圆心圆的直径D4,D4＝D2+D3/2。

金属橡胶垫2为圆环结构，圆环结构包含第四圆柱面，第五圆柱面，和两个端面。第四圆柱面的直径大于第五圆柱面的直径，两个端面之间的距离为L3，L3大小为1～3mm。金属橡胶垫2含有与金属基座1数量相同的通孔，通孔直径为7mm，通孔在周向方向均匀分布，通孔的圆心位于同一个圆上，圆的直径大小与D4相等。

陶瓷通道3为圆筒形槽状结构，圆筒形槽状结构包含四个圆柱面，按照直径大小分别为第六圆柱面，第七圆柱面，第八圆柱面和第九圆柱面。圆筒形槽状结构包含四个端面，分别为第四端面，第五端面，第六端面，第七端面。第四端面为第六圆柱面和第九圆柱面之间的连接面，第五端面为第七圆柱面和第八圆柱面之间的连接面，第七圆柱面，第八圆柱面和第五端面共同组成了陶瓷通道3中的槽。第六端面为第六圆柱面和第七圆柱面之间的连接面，第七端面为第八圆柱面和第九圆柱面之间的连接面。陶瓷通道3包含有与金属基座1数量相同的通孔，通孔直径为7mm，通孔在周向方向均匀分布，通孔的圆心位于同一个圆上，圆的直径大小与D4相等。金属基座1的材料为不锈钢材料。金属橡胶垫2为不锈钢丝绕制而成，所述不锈钢丝直径为0.08mm～0.12mm。陶瓷通道3材料为氮化硼。

金属橡胶垫2的第四圆柱面的直径小于金属基座1中第二圆柱面的直径，直径之差为0.5mm。金属橡胶垫2位于所述金属基座1中第二圆柱面与第二端面所围成的槽内。金属橡胶2的第四圆柱面直径等于所述陶瓷通道的第六圆柱面的直径金属基座1、金属橡胶垫2与通道陶瓷3，三个零件中所包含的数量相同的通孔，对齐布置。且三个零件通过螺钉实现与霍尔推力器中其他零件的连接。金属橡胶垫2在螺钉预紧力的作用下，两个端面之间的距离会减小，在预紧力的作用下，两个端面之间的距离会变为L4，L4的大小由预紧力大小决定，预紧力大小根据推力器装配过程中的试验确认。

本发明的结构通过螺钉连接的方式实现与霍尔推力器中的其他零部件连接，示意图如图10所示。其中1为金属基座、2为金属橡胶垫，3为通道陶瓷，4为霍尔推力器底板，5为螺钉，6为螺母。

本发明的工作原理是：

霍尔推力器中，陶瓷与金属基座连接处的温度在300℃左右，在如此高温下，材料均会发生热变形，由于陶瓷和金属的热膨胀系数不一致，因此会导致陶瓷和金属在轴向上的配合与常温下不同，这就二者之间需要增加具有弹性的零件进行配合，以满足不同温度下轴向间隙不同的要求。本发明通过采用金属橡胶作为陶瓷与金属基座之间的连接结构，满足了不同轴向间隙的使用需求。

与现有技术相比，通过金属基座开槽和单层金属橡胶的方式实现了周向定位，易于装配；通过采用大回弹量的金属橡胶实现了对不同轴向间隙的适应性。由于金属橡胶采用金属丝绕制而成，因此更易于工作在高温区。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构，其特征在于，包括金属基座(1)，金属橡胶垫(2)和陶瓷通道(3)；上述三个部件同轴设置，金属橡胶垫(2)固定在金属基座(1)的凹槽中；上述三者通过螺钉实现与霍尔推力器中的其他部件稳定连接。

2.根据权利要求1中所述的一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构，其特征在于，所述金属基座(1)为圆环结构，所述圆环结构包含第一圆柱面，第二圆柱面，第三圆柱面，第一端面，第二端面和第三端面；所述第一圆柱面为所述金属基座(1)中直径最大的圆柱面，直径大小为D1；所述第三圆柱面为所述金属基座(1)中直径最小的圆柱面，直径大小为D3；所述第二圆柱面的直径大小为D2；所述D1，D2，D3之间的关系满足：D1＞D2＞D3；所述第一端面为第一圆柱面和第三圆柱面之间的连接面，所述第二端面为第二圆柱面和第三圆柱面之间的连接面，所述第三端面为第一圆柱面和第二圆柱面之间的连接面；所示第一端面指向第二端面的方向为轴向，所述第一端面与第二端面之间的轴向长度为L1，所述第二端面与第三端面之间的距离为L2；所述L1大小为1mm，所述L2大小为4～5mm。

3.根据权利要求2中所述的一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构，其特征在于，所述金属基座(1)，包含有若干通孔，所述通孔数量为3或4，所述通孔直径为7mm，所述通孔在周向方向均匀分布，所述通孔的圆心位于同一个圆上，所述圆为第一圆心圆，所述第一圆心圆与第一圆柱面同轴心，所述第一圆心圆的直径D4,D4＝(D2+D3)/2。

4.根据权利要求3中所述的一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构，其特征在于，所述金属橡胶垫(2)为圆环结构，所述圆环结构包含第四圆柱面，第五圆柱面，和两个端面；所述第四圆柱面的直径大于所述第五圆柱面的直径，所述两个端面之间的距离为L3，所述L3大小为1～3mm。

5.根据权利要求4中所述的一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构，其特征在于，所述述金属橡胶垫(2)，包含有与所述金属基座(1)数量相同的通孔，所述通孔直径为7mm，所述通孔在周向方向均匀分布，所述通孔的圆心位于同一个圆上，所述圆为第二圆心圆，所述第二圆心圆与第四圆柱面同轴心，所述第二圆心圆的直径大小与D4相等。

6.根据权利要求5中所述的一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构，其特征在于，所述陶瓷通道(3)为圆筒形槽状结构，所述圆筒形槽状结构包含四个圆柱面，按照直径不同分别为第六圆柱面，第七圆柱面，第八圆柱面和第九圆柱面；所述圆筒形槽状结构包含四个端面，分别为第四端面，第五端面，第六端面，第七端面；所述第四端面为第六圆柱面和第九圆柱面之间的连接面，所述第五端面为第七圆柱面和第八圆柱面之间的连接面，第七圆柱面，第八圆柱面和第五端面共同组成了陶瓷通道(3)中的槽；所述第六端面为第六圆柱面和第七圆柱面之间的连接面，所述第七端面为第八圆柱面和第九圆柱面之间的连接面。

7.根据权利要求6中所述的一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构，其特征在于，所述陶瓷通道(3)包含有与所述金属基座(1)数量相同的通孔，所述通孔直径为7mm，所述通孔在周向方向均匀分布，所述通孔的圆心位于同一个圆上，所述圆为第三圆心圆，所述第三圆心圆与第六圆柱面同轴心，所述圆心圆的直径大小与D4相等。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构，其特征在于，包含的三个零件为同轴心布置，其中金属橡胶垫(2)的第四圆柱面的直径小于金属基座(1)中第二圆柱面的直径，直径之差为0.5mm；所述金属橡胶垫(2)位于所述金属基座(1)中第二圆柱面与第二端面所围成的槽内；所述金属橡胶(2)的第四圆柱面直径等于所述陶瓷通道的第六圆柱面的直径。

9.根据权利要求8中所述的一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构，其特征在于，所述金属基座(1)、金属橡胶垫(2)与通道陶瓷(3)，三个零件中所包含的数量相同的通孔，对齐布置；且三个零件通过螺钉实现与霍尔推力器中其他零件的连接；所述金属橡胶垫(2)在螺钉预紧力的作用下，两个端面之间的距离减小，在预紧力的作用下，两个端面之间的距离变为L4，L4的大小由预紧力大小决定。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种霍尔推力器高温端轴向间隙调整结构，其特征在于，所述金属基座(1)的材料为不锈钢材料；所述金属橡胶垫(2)为不锈钢丝绕制而成，所述不锈钢丝直径为0.08mm～0.12mm；所述陶瓷通道(3)材料为氮化硼。

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