CN112431732A - 一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器，包括同轴安装的磁屏、加速通道、包裹在所述加速通道外侧的磁路、阳极。通过本发明的技术方案，解决了微小型霍尔推力器阳极加工困难的问题；提升了微型霍尔推力器阳极加工精度与气密性；能够满足微型圆柱形霍尔推力器所需的高磁场强度以及轻质要求；解决了微型圆柱霍尔推力器的磁路热效应问题。

Description

一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器

技术领域

本发明属于霍尔推力器技术领域，尤其涉及一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器。

背景技术

电推进技术是一种利用电能电离工质原子并加速喷出获得推力的推进技术，具有比冲高、工作寿命长等特点，已经广泛应用于航天器轨道转移、深空探测等领域。在微推进技术需求增长的背景下，圆柱形永磁霍尔推力器是一种电推进装置小型化的良好解决方案。

与传统霍尔推力器不同，圆柱形永磁霍尔推力器利用电磁混合势阱约束形式。电子由于磁镜效应，向阳极的传导被通道内轴向布置的磁镜限制；当粒子向外射出至羽流区后，由于外界的低电势，而被限制，不会向羽流区远处持续运动，而是返回加速通道中。

圆柱形永磁霍尔推力器可以缓解霍尔推力器小型化过程中热效应、壁面溅射等问题，同时使推力器结构更加紧凑，降低装置总重。在微推进领域具有良好的发展前景。

阳极是圆柱形霍尔推力器的核心组件，除作为电极之外，又是工质的缓冲腔与分配器。目前常见的阳极结构为环型的缓冲腔结构，分为四部分：通道为环状的内腔，作用为缓冲射入的工质气体，使工质气体更加均匀的进入放电通道内部；前端面在周向均匀开孔，使气体在入口截面上分布尽可能的均匀；另有两根细长圆筒，作为工质气体输入的管道，向外连接流量控制器，与外界连通。

对于上述阳极设计，目前的连接方法大多采用点焊与钎焊方法。具体为：阳极前板与阳极通道通过唇边六点点焊；气体管路使用钎焊合金钎焊到通道部件上。此方法对于微型霍尔推力器装置具有如下缺陷：

①微型加工困难。圆柱形霍尔推力器作为电推力器小型化的解决方案，其装置外径约在1-5cm范围内，阳极外径约在0.5-2cm范围内，加工精度要求为亚毫米级别。采用点焊方式进行连接，无法保证亚毫米级别上的加工精度。此外，点焊等传统焊接方式，极易因高温与应力集中等因素导致装置形变，进而导致阳极结构破坏或失效，降低产品可靠性与成品率。

②加工精度低，影响推力器性能。阳极工作条件对缓冲腔和前盖的气密型提出了极高的要求，采用点焊进行连接由于存在焊缝，其气密性往往不佳，需在焊接后进行气密性验证，生产率受到限制。此外，两种焊接方式均有亚毫米级别的焊缝，对于毫米级别的阳极结构来说意味着较大的加工误差，进而对推力器整体性能产生一定影响。

由于微型霍尔推力器尺寸小，需要更高强度的磁场以约束等离子体，从而保证较高的工质电离度。对于目前已有方案，多使用电磁线圈与单磁环进行励磁。电磁线圈虽能保证磁场强度，但装置尺寸重量过大，降低了卫星有效载荷以及装置可靠性；单磁环设置虽达到轻质要求，但微小磁环生成的尖端磁场强度受限，且无法在三维尺度上调整磁场位型，难以实现霍尔推力器多模式的工作需求。

圆柱形霍尔推力器相较于传统霍尔推力器，虽取消了中轴设计，一定程度上减小了热效应集中的问题。但由于微型霍尔推力器尺寸为厘米级，内部核心器件尺寸为毫米级，在装置工作时，等离子体内进行着大量的非弹性碰撞，将对装置器件进行剧烈的热传导与热辐射，其磁路的局部热效应问题仍十分严重。当永磁体实际温度高于居里温度时，永磁体将失效，进而导致装置失效。在永磁体霍尔推力器的工作过程中，磁体温度过高失效是最主要的失效形式。

目前国内对于霍尔推力器的开发大多集中在中、大功率型号，目前已经完成了多个型号的在轨验证。但对于小功率的微型永磁霍尔推力器多处于理论验证和样机实验测量阶段，未开展产品定型与搭载工作，装置设计的优化工作较少。因此亚毫米级尺度下推力器部件的加工工艺优化尚处空白。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器，本发明的具体技术方案如下：

一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器，其特征在于，包括同轴安装的磁屏、加速通道、包裹在所述加速通道外侧的磁路、阳极，其中，

所述磁屏为圆柱形空腔，底部沿周向开孔与背板通过螺钉固定，所述磁屏外壁上设置散热孔；

所述磁路包括自上而下安装的前盖、第一磁环、支撑台、第二磁环和背板，所述第一磁环和所述第二磁环均为环状，同轴安装，两者的轴向位置通过所述支撑台确定，所述背板为中心设置凸台、周向设置耳板的圆盘，所述凸台与所述加速通道相配合、所述耳板与推力架固定连接，所述圆盘内部设置排气孔；所述前盖为边缘设置凸起、内部设置排气孔的圆环，用于定位所述第一磁环；所述支撑台为中间设置凹槽的圆环，所述圆环的底部中间与圆环外沿靠近所述磁屏一侧设置凸起，用于定位所述第一磁环和所述第二磁环；

所述加速通道为底部为阶梯状圆环，上部为圆筒形，通过所述阳极、所述背板的中心凸台、所述支撑台的凸台实现所述加速通道的轴向定位；

所述阳极固定于所述背板上，包括阳极后端和阳极前端，所述阳极后端为两根细长圆筒，所述阳极前端为环状的内腔，所述阳极前端的前端面沿轴向均匀设置气孔，气孔与所述阳极后端的圆筒错开，加工时，所述阳极后端和所述阳极前端独立制作，保证各自的加工精度；而后通过摩擦焊机将前后分体焊接成为阳极整体；

所述霍尔推力器启动时，外置的空心阴极射出高能电子束，受所述阳极影响加速进入所述加速通道，在由所述磁路构成的会切型磁场中被约束在一定范围内往复运动，与从所述阳极中射出的中性原子进行碰撞、电离，最后离子通过电场加速，从所述加速通道中向后喷出，产生推力。

进一步地，所述阳极后端与所述背板的接触处安装绝缘件。

进一步地，所述阳极前端的前端面沿径向均匀设置气孔，气孔朝向与通前端面半径呈锐角。

进一步地，所述磁屏外壁上沿周向均匀设置12个散热孔。

进一步地，所述第一磁环和所述第二磁环均为钐钴合金磁环。

进一步地，所述加速通道由氮化硼制成，所述阳极为不锈钢制成。

进一步地，所述背板、所述前盖和所述支撑台的材料为具有导磁性能的低碳钢。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的摩擦焊阳极结构：

产率高：技术层面上，相同条件下，摩擦焊加工的废品率为钎焊、熔焊等一般焊接方法的1％，显著提升产品的成品率，降低材料耗费与生产成本；

精度高：阳极作为圆柱形霍尔推力器的气体分配器，须保证气密性以维持装置的正常工作状态；与传统点焊或钎焊形式相比，本发明的阳极结构能够提升阳极气密性；同时降低因高温或应力而导致的形变，保证推力器精密部件的加工精度；

节能环保：焊机功率小，与闪光焊相比节省电能约90％；不产生火花、弧光或有害气体，有利于环境保护；且加工时无需去除氧化膜和使用保护气。

2.本发明采用双磁环布局，相较于电磁线圈励磁方案大幅度减轻装置重量；同时相较于单磁环布局，可实现磁镜比更高的会切型尖端磁场，同时更灵活可调，满足电推力器对于多模式的发展需求。

3.本发明的散热型外磁屏结构能够促进磁路散热，针对磁路中温度较高的大磁环，在外磁屏上正对其设置散热孔，促进磁路散热，避免磁体因过热失效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本发明的摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器结构示意图；

图2是本发明的阳极前端轴向视图。

附图标号说明：

1-磁屏，2-第一磁环，3-第二磁环，4-背板，5-前盖，6-支撑台，7-加速通道，8-阳极后端，9-阳极前端。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明解决了微小型霍尔推力器阳极加工困难的问题；提升了微型霍尔推力器阳极加工精度与气密性；能够满足微型圆柱形霍尔推力器所需的高磁场强度以及轻质要求；解决了微型圆柱霍尔推力器的磁路热效应问题。

具体地，如图1所示，一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器，其特征在于，包括同轴安装的磁屏1、加速通道7、包裹在加速通道7外侧的磁路、阳极，其中，

磁屏1为圆柱形空腔，底部沿周向开孔与背板4通过螺钉固定，从两端夹紧内部的其余部件；磁屏1外壁上设置散热孔；

磁路包括自上而下安装的前盖5、第一磁环2、支撑台6、第二磁环3和背板4，第一磁环2和第二磁环3均为环状，同轴安装，两者的轴向位置通过支撑台6确定，背板4为中心设置凸台、周向设置耳板的圆盘，凸台与加速通道7相配合、耳板与推力架固定连接，圆盘内部设置排气孔，当真空舱内抽气时，排气孔将引导装置内腔气体的排出；前盖5为边缘设置凸起、内部设置排气孔的圆环，用于定位第一磁环2；支撑台6为中间设置凹槽的圆环，圆环的底部中间与圆环外沿靠近磁屏1一侧设置凸起，用于定位第一磁环2和第二磁环3；

磁路是使等离子体充分电离、加速产生推力的主要环节，合理的磁场梯度与“磁镜”效应可以将电子约束在一定范围内，促进工质电离，减少壁面损失与高能粒子的对壁溅射，进而提升霍尔推力器的总体效率；

使用双磁环布局，在霍尔推力器轴向前后布置两个钐钴合金磁环，构成高强度的尖端磁场，将等离子体约束在推力器加速通道7的中下游，保护加速通道7的壁免受侵蚀，提升霍尔推力器的使用寿命；同时双磁环布局便于根据不同的通道尺寸与阳极构型进行磁场位型的优化调整。

加速通道7为底部为阶梯状圆环，上部为圆筒形，通过阳极、背板4的中心凸台、支撑台6的凸台实现加速通道7的轴向定位；加速通道7控制等离子体的整体尺度，对等离子体的宏观输运起到决定性的作用；由于加速通道7需在轴向与气体分配器联通，所以在底部沿直径方向开两个具倒角的圆孔。

如图2所示，阳极固定于背板4上，包括阳极后端8和阳极前端9，阳极后端8为两根细长圆筒，作用为：一是作为工质气体输入的管道，向外连接流量控制器，与外界连通；二是作为电极接触电源端子，实现阳极的高电位设置；三是出于部件固定的考虑，阳极将通过两根导气圆筒定位于背板4上，并通过螺栓在轴向固定。阳极前端9为环状的内腔，能够缓冲射入的工质气体，使工质气体更加均匀的进入放电通道内部，阳极前端9的前端面沿轴向均匀设置气孔，尽量分散气体流出的位置，使气体在入口截面上分布尽可能的均匀，气孔与阳极后端8的圆筒错开，加工时，阳极后端8和阳极前端9独立制作，保证各自的加工精度；而后通过摩擦焊机将前后分体焊接成为阳极整体；阳极一方面是提供高电势，使等离子体放电，并生成正向电场，对离子进行加速，另一方面则是向霍尔推力器内注入工质气体；

采用摩擦焊阳极结构，将阳极沿截面剖开，前后两部分分别加工，通过摩擦焊工艺进行焊接。摩擦焊是一种高精度、节能的新型焊接技术，利用焊件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法。其焊缝密实，强度高，焊接全长的最大误差为士0.1毫米。美国MTI等多家国内外公司都已使用摩擦焊技术进行航空航天零部件的焊接。与现有的阳极通道与前盖点焊结合的形式相比，具有更高的成品率与加工精度，提升产品性能、降低生产成本。

霍尔推力器启动时，外置的空心阴极射出高能电子束，受阳极影响加速进入加速通道7，在由磁路构成的会切型磁场中被约束在一定范围内往复运动，与从阳极中射出的中性原子进行碰撞、电离，最后离子通过电场加速，从加速通道7中向后喷出，产生推力。

在一些实施方式中，阳极后端8与背板4的接触处安装绝缘件，使得处于高电势的阳极与其他金属部件绝缘，以保证整个霍尔推力器的正常运行与安全。

在一些实施方式中，阳极前端9的前端面沿径向均匀设置气孔，能够增大中性气体在加速通道内的停留时间，加大中性原子与电子的碰撞概率，进而提升电离率；同时，气孔朝向与通前端面半径呈锐角，能够使工质气体以涡流形式进入加速通道，进一步增强中性原子在加速通道内的电离。

在一些实施方式中，磁屏1外壁上沿周向均匀设置12个散热孔。磁屏采用弱磁性材料制成，置于霍尔推力器外部，采用带有散热孔的外部磁屏结构，削弱添加磁屏对整个装置散热的不利影响，将大幅减免霍尔推力器磁路产生的高强度磁场对外部航天器电元器件的信号干扰，提升航天器可靠性；同时小幅增强霍尔推力器内的磁场强度，加大对等离子体的约束能力，增大电离度，提升霍尔推力器的性能。

在一些实施方式中，第一磁环2和第二磁环3均为钐钴合金磁环。

在一些实施方式中，加速通道7由氮化硼制成，阳极为不锈钢制成。考虑到阳极中腔体与导气通道需用熔焊机焊接成型，在焊缝处将积有少量余料，所以在加速通道7相应的接触位置剖出环状倒角，以便装配。

在一些实施方式中，背板4、前盖5和支撑台6的材料为具有导磁性能的低碳钢。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器，其特征在于，包括同轴安装的磁屏(1)、加速通道(7)、包裹在所述加速通道(7)外侧的磁路、阳极，其中，

所述磁屏(1)为圆柱形空腔，底部沿周向开孔与背板(4)通过螺钉固定，所述磁屏(1)外壁上设置散热孔；

所述磁路包括自上而下安装的前盖(5)、第一磁环(2)、支撑台(6)、第二磁环(3)和背板(4)，所述第一磁环(2)和所述第二磁环(3)均为环状，同轴安装，两者的轴向位置通过所述支撑台(6)确定，所述背板(4)为中心设置凸台、周向设置耳板的圆盘，所述凸台与所述加速通道(7)相配合、所述耳板与推力架固定连接，所述圆盘内部设置排气孔；所述前盖(5)为边缘设置凸起、内部设置排气孔的圆环，用于定位所述第一磁环(2)；所述支撑台(6)为中间设置凹槽的圆环，所述圆环的底部中间与圆环外沿靠近所述磁屏(1)一侧设置凸起，用于定位所述第一磁环(2)和所述第二磁环(3)；

所述加速通道(7)为底部为阶梯状圆环，上部为圆筒形，通过所述阳极、所述背板(4)的中心凸台、所述支撑台(6)的凸台实现所述加速通道(7)的轴向定位；

所述阳极固定于所述背板(4)上，包括阳极后端(8)和阳极前端(9)，所述阳极后端(8)为两根细长圆筒，所述阳极前端(9)为环状的内腔，所述阳极前端(9)的前端面沿轴向均匀设置气孔，气孔与所述阳极后端(8)的圆筒错开，加工时，所述阳极后端(8)和所述阳极前端(9)独立制作，保证各自的加工精度；而后通过摩擦焊机将前后分体焊接成为阳极整体；

所述霍尔推力器启动时，外置的空心阴极射出高能电子束，受所述阳极影响加速进入所述加速通道(7)，在由所述磁路构成的会切型磁场中被约束在一定范围内往复运动，与从所述阳极中射出的中性原子进行碰撞、电离，最后离子通过电场加速，从所述加速通道(7)中向后喷出，产生推力。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器，其特征在于，所述阳极后端(8)与所述背板(4)的接触处安装绝缘件。

3.根据权利要求1或2所述的一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器，其特征在于，所述阳极前端(9)的前端面沿径向均匀设置气孔，气孔朝向与通前端面半径呈锐角。

4.根据权利要求1或2所述的一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器，其特征在于，所述磁屏(1)外壁上沿周向均匀设置12个散热孔。

5.根据权利要求1或2所述的一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器，其特征在于，所述第一磁环(2)和所述第二磁环(3)均为钐钴合金磁环。

6.根据权利要求1或2所述的一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器，其特征在于，所述加速通道(7)由氮化硼制成，所述阳极为不锈钢制成。

7.根据权利要求1或2所述的一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器，其特征在于，所述背板(4)、所述前盖(5)和所述支撑台(6)的材料为具有导磁性能的低碳钢。

Images