CN113503234A - 一种能够产生可控力矩的霍尔推力器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，属于霍尔电推进技术领域。本发明将传统单一的环型气体分配器进行分段设计，将气体分配器的内部缓冲腔利用缓冲腔隔板分割为若干段，采用主体结构为分瓣式结构，使得气体分配器的气密性更好，每一段分配器都分别由一条管路供气，通过控制每条管路供气的气体流量，从而达到通道各区域内氙工质密度不同的目的，本发明的分段设计采用阳极‑多段气体分配器一体化的设计思路，将分段结构作为一个整体施加阳极电压，保证阳极放电电压的一致，使得电压不会做为变量影响放电。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，属于霍尔电推进技术领域。
背景技术
与传统的化学推进相比，电推进技术凭借其比冲高、寿命长以及重量轻等特点，越来越广泛的应用于航天器的南北位置保持、轨道转移、深空探测等飞行任务。这其中又以霍尔电推进技术最成熟、应用最广泛，国外多数在轨电推进航天器均采用霍尔推力器进行位置保持，例如典型的SPT-100霍尔推力器，目前在轨数量接近500台。
霍尔推力器的基本工作原理为：从阴极出射的电子进入推力器通道后，受正交的电磁场影响进行周向的霍尔漂移，同时，从阳极区域排出的氙工质与周向漂移的电子发生碰撞电离，而后氙离子在等离子体自洽形成的电场的作用下加速射出，从而形成轴向的推力。
通常，霍尔推力器采用单供气管供气，氙气工质经过一个整体的气体分配器均化后排入环形通道内参与电离。正因为如此，环形通道内初始氙原子是均匀分布的，因此电离后被加速的氙离子也是均匀出射，在宏观上的反映为产生的轴向总推力经过推力器出口截面的中心。另一方面，受加工误差和电子周向漂移产生的推力偏斜会造成微小的不可控力矩。但一般设计良好的单台霍尔推力器产生的不可控的力矩非常小，通常忽略不计。因此通常认为单台的霍尔推力器不会产生显著的力矩，所以传统的霍尔推力器只能够提供定向的推力，若要提供飞行器的姿态控制，必须要采用多台推力器的布局，这样的设计会增加整星的功率负荷及重量，对整星可靠性也有很大的影响。因此，为了进一步拓展霍尔推力器的业务范围，使其不仅能够提供定向推力，也能够提供显著且可控的力矩，从而使单台的霍尔推力器也能够控制飞行器的姿态，本发明提出了一种能够产生可控力矩的霍尔推力器设计。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种能够产生可控力矩的霍尔推力器。
本发明的技术解决方案是：
一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，该霍尔推力器的气体分配器包括供气管、缓冲腔隔板和主体结构；
供气管还作为阳极电极；
缓冲腔隔板为n个，n不小于3；
主体结构包括内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板和下层隔板，外圈圆筒套在内圈圆筒外面，且在内圈圆筒和外圈圆筒之间安装上层隔板和下层隔板，内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板和下层隔板围成一环形空腔作为缓冲腔；
上层隔板上均匀分布有若干个出气口，出气口一般为几十个；
缓冲腔隔板均匀分布在缓冲腔内部用于将缓冲腔均匀分割成n+1个小腔室，且相邻的各个小腔室之间的气体不连通；
供气管为n+1个，供气管固定连接在下层隔板上，通过供气管能够将气体输入到缓冲腔内，且每个供气管均位于所在的小腔室的中心位置；
一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，该霍尔推力器的气体分配器包括供气管和主体结构；
供气管还作为阳极电极；
主体结构为分瓣式结构，主体结构分为m瓣，主体结构由m瓣形成一个环形结构；
主体结构分为的每瓣均包括内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板、下层隔板、左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板，外圈圆筒套在内圈圆筒外面，且在内圈圆筒和外圈圆筒之间安装上层隔板和下层隔板，安装后通过左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板进行密封，内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板、下层隔板、左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板围成一扇形空腔作为扇形缓冲腔，主体结构一共形成m个扇形缓冲腔，且该m个扇形缓冲腔形成一环形缓冲腔；
上层隔板上均匀分布有若干个出气口，出气口一般为十几个，例如16个；
主体结构分为的每瓣之间的气体不连通；
供气管为m个，供气管固定连接在下层隔板上，通过供气管能够将气体输入到扇形缓冲腔内，且每个供气管均位于所在的主体结构分为的每瓣的中心位置。
考虑到缓冲腔隔板的受热膨胀问题，缓冲腔隔板的材料应与气体分配器的材料相同，通常为无磁不锈钢；
本发明的霍尔推力器的工作过程为：推力的产生与氙原子密度呈正相关，正是因为如此，每条供气管都由一个热节流阀单独控制流量，当需要霍尔推力器提供俯仰或滚动轴方向的力矩时，通过控制阀门改变对应分段区域的气体供给，提高这一区域的气体密度，从而增加局部电离，在周向产生不均匀的推力，进而实现大小、位置都可控的力矩。为保证电子在放电通道内的霍尔漂移不受分段不均匀供气的影响，当提高某一区域的供气量时，其余区域也需要少量通气，但只需保证最基本的电离、电子能够传导即可。
有益效果
(1)将传统单一的环型气体分配器进行分段设计，将气体分配器的内部缓冲腔利用缓冲腔隔板分割为若干段；
(2)本发明采用主体结构3为分瓣式结构，使得气体分配器的气密性更好；
(3)本发明中每一段分配器都分别由一条管路供气，通过控制每条管路供气的气体流量，从而达到通道各区域内氙工质密度不同的目的；
(4)本发明的分段设计采用阳极-多段气体分配器一体化的设计思路，将分段结构作为一个整体施加阳极电压，保证阳极放电电压的一致，使得电压不会做为变量影响放电；
(5)本发明覆盖各功率等级的霍尔推力器，尤其当推力器设计功率越高时，其几何尺寸也越大，气体分配器的直径也就越大，所产生的力矩也就越显著，当需要推力器提供俯仰或滚动的力矩时，通过多条供气管路的非均匀供气，能够产生一个明显并且自主可控的力矩，从而进一步拓展霍尔电推进技术的应用范围。
附图说明
图1传统霍尔推力器的气体分配器的构型及气体流动规律；
图2本发明涉及的分段式气体分配器的构型及气体流动规律；
图3本发明涉及的另一种分段式气体分配器的构型及气体流动规律；
图4两种推力器产生推力的特征。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
通常情况下，传统的设计良好的单台霍尔推力器只能产生可忽略并且不可控的力矩。本发明为了进一步提高单台霍尔推力器的作用，通过提出一种分段供气方式的设计方案，使单台霍尔推力器能够产生显著并且可控的力矩，从而进一步拓展霍尔电推进技术的任务范围。
(1)根据中性气体动力学，工质利用率可以用电离区长度和平均碰撞电离自由程来表述：
其中，Lion为电离区长度，λi为平均碰撞电离自由程，平均自由程与初始中性原子密度呈反比，当初始原子密度增加就会使工质利用率增加，从而增加区域内的离子密度，进而使得在相同加速电压下加速更多地离子，最终增加产生的推力。
通过调节放电通道内不同区域内的中性气体密度，从而产生可控的力矩。
(2)本发明首要的就是对传统的供气装置进行重新设计，传统单一的环型气体分配器(图1)，是通过单供气管进入分配器，经均化后均匀排出，从而在周向上形成均匀的中性气体，最终产生均匀的推力。因此，为产生不均匀的推力，本发明对该种分配器进行分段设计，将气体分配器的内部缓冲腔利用缓冲腔隔板分割为若干个，如图2所示。
(3)考虑到缓冲腔隔板的受热膨胀问题，缓冲腔隔板的材料应与气体分配器的材料相同，通常分配器采用无磁不锈钢焊接，因此缓冲腔隔板的也采用无磁不锈钢材料。
(4)另外，考虑到缓冲腔隔板的受热膨胀以及焊接的复杂性和气密性问题，分段设计也可以采用若干个分体气体分配器焊接，如图3所示。
(5)无论采用哪种分段设计，每一段分配器都分别由一条管路供气，共计n条供气管，从而达到通道各区域内氙工质密度不同的目的。
(6)如图1所示，传统分配器的固定方式由多条固定杆和一条供气管采用螺接的方式固定在底板上。与传统固定方式类似，本发明要求每一条供气管根部都攻有螺纹，使整个气体分配器通过每条供气管的螺接固定在推力器的底板之上。
(7)传统的霍尔推力器，例如SPT系列采用阳极-气体分配器一体化设计，即气体分配器直接施加阳极电压当作阳极实现接收电子的作用。本发明的分段设计仍旧采用阳极-多段气体分配器一体化的设计思路，将分段结构作为一个整体施加阳极电压，保证阳极放电电压的一致，不会造成每一段分配器的阳极电压不同，也就不会使得电压做为变量影响放电。
(8)正如实施方式(1)所分析的那样，推力的产生与氙原子密度呈正相关。因此，每条供气管都由一个流量计或热节流阀单独控制流量，这样才能在周向产生推力的差异，如图4所示。当需要霍尔推力器提供俯仰或滚动轴方向的力矩时，通过控制阀门改变对应分段区域的气体供给，提高这一区域的气体密度，从而增加局部电离，在周向产生不均匀的推力，进而实现大小、位置都可控的力矩。当然，为了控制推力器总功率超差，也要求相应的减小其余区域的流量供给，另外为保证电子在放电通道内的霍尔漂移不受分段不均匀供气的影响，当提高某一区域的供气量时，其余区域要求不能停止供气，而是需要少量通气，但只需保证最基本的电离、电子能够传导即可，因此这一数值为理论上的最大值。
此外，减小每条管道内的流量也可以提高管路和阀门的稳定性和可靠性。
(9)本发明覆盖各功率等级的霍尔推力器，尤其当推力器设计功率越高时，其几何尺寸也越大，气体分配器的直径也就越大，所产生的力矩也就越显著。
实施例1
一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，该霍尔推力器的气体分配器包括供气管1、缓冲腔隔板2和主体结构3；
供气管1还作为阳极电极；
缓冲腔隔板2为三个；
主体结构3包括内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板和下层隔板，外圈圆筒套在内圈圆筒外面，且在内圈圆筒和外圈圆筒之间安装上层隔板和下层隔板，内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板和下层隔板围成一环形空腔作为缓冲腔3；
上层隔板上均匀分布有四十个出气口4；
缓冲腔隔板2均匀分布在缓冲腔3内部用于将缓冲腔3均匀分割成四个小腔室，且相邻的各个小腔室之间的气体不连通；
供气管1为四个，供气管1固定连接在下层隔板上，通过供气管1能够将气体输入到缓冲腔3内，且每个供气管1均位于所在的小腔室的中心位置。
以SPT-100为例，其额定功率为1.35kW，额定流量为5.5mg/s，额定推力为82mN。这里任意例举一种工况：当向其中一根供气管供给4mg/s的流量，为了保证总额定功率和流量不变，向其余三根供气管供给0.5mg/s的流量，流量和推力成固定的比例关系，则此时供给4mg/s一侧的缓冲腔能够产生60mN的推力，其余三个缓冲腔分别产生7mN的推力，这便会产生显著的推力偏差，且这种偏差能够通过流量来进行控制。对于产生力矩的数值，应该有具体型号的卫星质心和霍尔推力器布局的数据才能够确定，因此此处无法给出整星力矩的数值，只提供产生力的差异。
实施例2
一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，该霍尔推力器的气体分配器包括供气管1和主体结构3；
供气管1还作为阳极电极；
主体结构3为分瓣式结构，主体结构3分为四瓣，主体结构3由四瓣形成一个环形结构；
主体结构3分为的每瓣均包括内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板、下层隔板、左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板，外圈圆筒套在内圈圆筒外面，且在内圈圆筒和外圈圆筒之间安装上层隔板和下层隔板，安装后通过左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板进行密封，内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板、下层隔板、左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板围成一扇形空腔作为扇形缓冲腔，主体结构3一共形成四个扇形缓冲腔，且该四个扇形缓冲腔形成一环形缓冲腔；
上层隔板上均匀分布有十个出气口4；
主体结构3分为的每瓣之间的气体不连通；
供气管1为四个，供气管1固定连接在下层隔板上，通过供气管1能够将气体输入到扇形缓冲腔内，且每个供气管1均位于所在的主体结构3分为的每瓣的中心位置。
以SPT-100为例，其额定功率为1.35kW，额定流量为5.5mg/s，额定推力为82mN。这里任意例举一种工况：当向其中一根供气管供给4mg/s的流量，为了保证总额定功率和流量不变，向其余三根供气管供给0.5mg/s的流量，流量和推力成固定的比例关系，则此时供给4mg/s一侧的缓冲腔能够产生60mN的推力，其余三个缓冲腔分别产生7mN的推力，这便会产生显著的推力偏差，且这种偏差能够通过流量来进行控制。对于产生力矩的数值，应该有具体型号的卫星质心和霍尔推力器布局的数据才能够确定，因此此处无法给出整星力矩的数值，只提供产生力的差异。
Claims (10)
1.一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，其特征在于：该霍尔推力器的气体分配器包括供气管、缓冲腔隔板和主体结构；
缓冲腔隔板为n个，n不小于3；
主体结构包括内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板和下层隔板，外圈圆筒套在内圈圆筒外面，且在内圈圆筒和外圈圆筒之间安装上层隔板和下层隔板，内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板和下层隔板围成一环形空腔作为缓冲腔；
上层隔板上均匀分布有若干个出气口；
缓冲腔隔板均匀分布在缓冲腔内部用于将缓冲腔均匀分割成n+1个小腔室，且相邻的各个小腔室之间的气体不连通；
供气管为n+1个，供气管固定连接在下层隔板上，通过供气管能够将气体输入到缓冲腔内。
2.根据权利要求1所述的一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，其特征在于：
每个供气管均位于所在的小腔室的中心位置，上层隔板上均匀分布有十六个出气口。
3.根据权利要求1所述的一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，其特征在于：
缓冲腔隔板的材料与气体分配器的材料相同。
4.根据权利要求3所述的一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，其特征在于：
缓冲腔隔板的材料为无磁不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，其特征在于：
每条供气管都由一个热节流阀单独控制流量，当需要霍尔推力器提供俯仰或滚动轴方向的力矩时，通过控制阀门改变对应分段区域的气体供给，提高这一区域的气体密度，从而增加局部电离，在周向产生不均匀的推力，进而实现大小、位置都可控的力矩。
6.根据权利要求5所述的一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，其特征在于：当提高某一区域的供气量时，其余区域需要降低通气量。
7.一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，其特征在于：该霍尔推力器的气体分配器包括供气管和主体结构；
主体结构为分瓣式结构，主体结构分为m瓣，主体结构由m瓣形成一个环形结构；
主体结构分为的每瓣均包括内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板、下层隔板、左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板，外圈圆筒套在内圈圆筒外面，且在内圈圆筒和外圈圆筒之间安装上层隔板和下层隔板，安装后通过左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板进行密封，内圈圆筒、外圈圆筒、上层隔板、下层隔板、左侧缓冲腔隔板和右侧缓冲腔隔板围成一扇形空腔作为扇形缓冲腔，主体结构一共形成m个扇形缓冲腔，且该m个扇形缓冲腔形成一环形缓冲腔；
上层隔板上均匀分布有若干个出气口4；
主体结构分为的每瓣之间的气体不连通；
供气管为m个，供气管固定连接在下层隔板上，通过供气管能够将气体输入到扇形缓冲腔内，且每个供气管均位于所在的主体结构分为的每瓣的中心位置。
8.根据权利要求7所述的一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，其特征在于：
每个供气管均位于所在的小腔室的中心位置，上层隔板上均匀分布有十六个出气口。
9.根据权利要求7所述的一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，其特征在于：
缓冲腔隔板的材料与气体分配器的材料相同，缓冲腔隔板的材料为无磁不锈钢。
10.根据权利要求7所述的一种能够产生可控力矩的霍尔推力器，其特征在于：
每条供气管都由一个热节流阀单独控制流量，当需要霍尔推力器提供俯仰或滚动轴方向的力矩时，通过控制阀门改变对应分段区域的气体供给，提高这一区域的气体密度，从而增加局部电离，在周向产生不均匀的推力，进而实现大小、位置都可控的力矩，当提高某一区域的供气量时，其余区域需要降低通气量。
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| PB01 | Publication | ||
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