CN114139304B - 霍尔推力器双腔式阳极供气环结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

霍尔推力器双腔式阳极供气环结构的设计方法，包括根据霍尔推力器放电通道结构及尺寸，确定阳极气体分配环外部尺寸；根据雷诺系数和克努增系数大小判断阳极供气环内气体的流动状态；由下缓冲腔内气体流向特性计算下缓冲腔气体流阻比例；由上缓冲腔内气体流向特性计算上缓冲腔气体流阻比例；工质气体均匀性判据分析，计算通气孔、出气孔数量范围以及下缓冲腔高度和上缓冲腔高度的取值范围：以及双腔式阳极供气环内工质气体的定量评价，计算气体质量流量最大差异率和气体质量流量平均差异率。本发明能够计算出缓冲腔内的流阻比例关系，准确得到其内部关键参数合理范围，对阳极气体分配器内工质气体供气均匀性进行定量评价从而降低投入，减少耗费。

Description

霍尔推力器双腔式阳极供气环结构的设计方法

技术领域

本发明涉及霍尔推力器气体均化技术领域，特别是一种霍尔推力器双腔式阳极供气环结构的设计方法。

背景技术

随着我国微小卫星快速发展以及商业航天兴起，霍尔推力器以其结构简单、效率高、工作寿命长等优势而备受期待。霍尔推力器阳极供气环多采用单管进气多孔出气，工质气体注入位置严重偏离阳极供气环的轴心，且单管进气流量等于多个出气孔流量总和。在霍尔推力器的优化研究中发现，放电通道内工质气体分布均匀性是影响其性能的重要因素，当放电通道内气体分布周向不均匀时会导致放电电流增加，并使得放电电流振荡严重，减小推力器的效率和比冲。

目前实现工质内气体均匀分布多采用多层均质或气孔结构的调节来实现。例如中国专利ZL2020108091998公开了一种低功率霍尔推力器用外置式分配器样机一体化结构，通过设计三层腔室结构，气体经过三次掺混实现均化；中国专利公布号为CN110486242A公开了一种双层气腔的霍尔推力器气体分配器，通过在气体分配器不同层次上设置不同角度的狭缝来实现气体的均化。上述两种方式均能够实现阳极气体均化，然而对器件结构上的要求较高，在制备精度和制备成本上都投入较多、耗费较大，且无法定量评价阳极气体分配环供气均匀性。因此，如何克服偏心压力及大流量作用实现均匀分配的同时降低成本，仍然是阳极供气环内部结构设计的难题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种霍尔推力器双腔式阳极供气环结构的设计方法，根据霍尔推力器放电通道的结构及尺寸，计算阳极气体分配环结构设计中内部关键参数，获得合理结构参数并实现供气均匀分布，同时实现对放电通道供气均匀性进行定量评价。

本发明的技术方案是：霍尔推力器双腔式阳极供气环结构的设计方法，包括如下步骤，

S01，根据霍尔推力器放电通道结构及尺寸，确定阳极气体分配环外部尺寸：霍尔推力器放电通道外半径Rout，内半径Rin，放电通道总长Ld，放电通道电离区特征长度Le，设该霍尔推力器的阳极气体分配环的外半径 rout＝Rout-0.5mm，内半径rin＝Rin+0.5mm，阳极分配环总高H＝Ld-Le-L1，其中L1为绝缘陶瓷厚度。

S02，根据雷诺系数和克努增系数大小判断阳极供气环内气体的流动状态：霍尔推力器进气管内雷诺数Re和克努增系数Kn分别为：

式中：Qm为进气管路质量流量，d为进气管道直径，η为流体的黏滞系数，A为进气管道横截面积，为气体平均自由程；

为了满足进气管道内工质气体粘滞流，需满足：

通过公式(1)、(2)能够确定进气管通道的直径范围d。

S03，由下缓冲腔内气体流向特性计算下缓冲腔气体流阻比例：气体进入下缓冲腔内后主要沿着周向流动，下缓冲腔内气体的流动阻力与流导系数成反比，下缓冲腔的横截面积为矩形，根据泊肖叶公式，下缓冲腔内气体周向流阻R_down表达式如下：

其中，μ为推进剂的粘度，L_r为矩形环的中线环形长度，w为矩形环横截面宽度，h_down为下缓冲腔的高度；

计算出隔板上通气孔的气体流阻：所述通气孔多采用圆形孔，第i个通气孔的流阻R_ci表达式为：

其中，μ为推进剂的粘度，L_c为圆孔长度，r为通气孔半径，多个通气孔的流阻为并联关系，因此多个通气孔的总流阻R_{cir_total}表达式为：

R_{cir_total}＝R_c1+R_c2+……R_cn (5)

其中，n为通气孔的数量，从而下缓冲腔内的流阻比例j_down表达式为：

S04，由上缓冲腔内气体流向特性计算上缓冲腔气体流阻比例：上缓冲腔的横截面积同样为矩形，根据泊肖叶公式，上缓冲腔内气体周向流阻R_up表达式如下：

其中，μ为推进剂的粘度，L_r为矩形环的中线环形长度，w为矩形环横截面宽度，h_up为上缓冲腔高度；

计算出气孔的气体流阻：所述出气孔多采用圆形孔，第i个出气孔的流阻R_ei表达式为：

其中，μ为推进剂的粘度，L_exit为出气孔长度，r_exit为出气孔半径，多个出气孔的流阻为并联关系，因此多个出气孔的总流阻R_{e_total}表达式为：

R_{e_total}＝R_e1+R_e2+……R_et (9)

其中，t为出气孔的数量，从而上缓冲腔内的流阻比例j_up表达式为：

S05，工质气体均匀性判据分析，计算通气孔、出气孔数量范围以及下缓冲腔高度h_down和上缓冲腔高度h_up的取值范围：

为了实现霍尔推力器双腔式阳极供气环内工质气体的高度均匀性，下缓冲腔内气体周向流阻R_down需远小于多个通气孔的总流阻R_{cir_total}，上缓冲腔内气体周向流阻R_up需远小于多个出气孔的总流阻R_{cir_tota}l，设相差两个数量级时，能够满足，即需要同时满足如下条件：

通过公式(11)下缓冲腔内的流阻比例j_down、上缓冲腔内的流阻比例j_up需要满足的条件，能够得到通气孔和出气孔数量范围，以及下缓冲腔高度h_down和上缓冲腔高度h_up的取值范围。

S06，霍尔推力器双腔式阳极供气环内工质气体的定量评价，计算气体质量流量最大差异率f_max和气体质量流量平均差异率f_avg：

以出气孔的气体质量流量参数为输出，计算每个出气孔的气体质量流量差异率f_i，分析气体质量流量最大差异率f_max和气体质量流量平均差异率f_avg，其具体的计算公式为：

其中，m_i为第i个出气孔的质量流量；m_avg为出气孔的平均质量流量； M_total为出气孔总质量流量。

本发明进一步的技术方案是：所述绝缘陶瓷厚度的取值范围为1mm～5mm。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

(1)本发明通过建立的阳极气体分配器内工质气体流动物理模型，能够获得缓冲腔内工质气体周向流阻和小孔流阻表达式，实现均匀分布条件下的流阻比例关系，准确得到其内部关键参数合理范围。

(2)本发明提出了供气均匀性的评价指标，能够对阳极气体分配器内工质气体供气均匀性进行定量评价。

(3)本发明的方法无需对阳极气体分配器进行结构上的改进，能够降低投入，减少耗费，且适用于对双腔或多腔式阳极气体分配环气体均质化的设计。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

图1为霍尔推力器双腔式结构的结构示意图；

图2为霍尔推力器双腔式结构阳极供气环的剖视图；

图3为霍尔推力器双腔式结构阳极供气环放电通道的剖视图；

图4为霍尔推力器放电通道结构及尺寸的示意图；

图5为本发明设计方法的流程图；

图6为200W霍尔推力器阳极气体分配环出气孔质量流量变化关系图；

图7为200W霍尔推力器阳极气体分配环出气孔差异率变化关系图。

具体实施方式

实施例一，以现有常见的霍尔推力器双腔式结构为例，现有常见的霍尔推力器双腔式阳极供气环结构如图1-3所示，包括进气管1、下缓冲腔2、隔板3、通气孔4、上缓冲腔5、出气孔6和放电通道7。霍尔推力器双腔式阳极供气环结构的材料常采用不锈钢材料。工作过程中，由进气管1进气，在下缓存腔2内实现第一次气体匀化，然后通过隔板3上的通气孔4进入上缓冲腔5并进行第二次匀化，最后通过外盖板上的出气孔6注入放电通道7进行放电。

如图5所示，霍尔推力器双腔式阳极供气环结构的设计方法，包括如下步骤：

S01，根据霍尔推力器放电通道结构及尺寸，确定阳极气体分配环外部尺寸：具体为，如图4所示，其中Z所示为霍尔推力器双腔式阳极供气环结构的对称轴，霍尔推力器放电通道外半径Rout，内半径Rin，放电通道总长Ld，放电通道电离区特征长度Le，则设该霍尔推力器的阳极气体分配环的外半径 rout＝Rout-0.5mm，内半径rin＝Rin+0.5mm，阳极分配环总高H＝Ld-Le-L1，其中L1为绝缘陶瓷厚度，其取值范围为1mm～5mm。

S02，根据雷诺系数和克努增系数大小判断阳极供气环内气体的流动状态：霍尔推力器进气管1内雷诺数Re和克努增系数Kn分别为：

式中：Qm为进气管路质量流量、即阳极流量，d为进气管道直径，η为流体的黏滞系数(对于20℃的氙气流，黏滞系数为2.1×10^-5kg·m^-1·s^-1)， A为进气管道横截面积，为气体平均自由程。

为了满足进气管道内工质气体粘滞流，需满足：

通过公式(1)、(2)能够确定进气管1通道的直径范围d。

S03，由下缓冲腔2内气体流向特性计算下缓冲腔2气体流阻比例：

气体进入下缓冲腔2内后主要沿着周向流动，下缓冲腔2内气体的流动阻力与流导系数成反比，由于该下缓冲腔2的横截面积为矩形，根据泊肖叶公式，下缓冲腔2内气体周向流阻R_down表达式如下：

其中，μ为推进剂的粘度，L_r为矩形环的中线环形长度，w为矩形环横截面宽度，h_down为下缓冲腔2的高度。

计算出隔板3上通气孔4的气体流阻：所述通气孔4多采用圆形孔，第 i个通气孔4的流阻R_ci表达式为：

其中，μ为推进剂的粘度，L_c为圆孔长度，r为通气孔4半径。多个通气孔4的流阻为并联关系，因此多个通气孔4的总流阻R_{cir_total}表达式为：

R_{cir_total}＝R_c1+R_c2+……R_cn (5)

其中，n为通气孔4的数量，从而下缓冲腔2内的流阻比例j_down表达式为：

S04，由上缓冲腔5内气体流向特性计算上缓冲腔5气体流阻比例：

上缓冲腔5的横截面积同样为矩形，根据泊肖叶公式，上缓冲腔5内气体周向流阻R_up表达式如下：

其中，μ为推进剂的粘度，L_r为矩形环的中线环形长度，w为矩形环横截面宽度，h_up为上缓冲腔高度。

计算出气孔6的气体流阻：所述出气孔6多采用圆形孔，第i个出气孔 4的流阻R_ei表达式为：

其中，μ为推进剂的粘度，L_exit为出气孔6长度，r_exit为出气孔6半径。多个出气孔6的流阻为并联关系，因此多个出气孔6的总流阻R_{e_total}表达式为：

R_{e_total}＝R_e1+R_e2+……R_et (9)

其中，t为出气孔6的数量，从而上缓冲腔5内的流阻比例j_up表达式为：

S05，工质气体均匀性判据分析，计算通气孔、出气孔数量范围以及下缓冲腔高度h_down和上缓冲腔高度h_up的取值范围：

为了实现霍尔推力器双腔式阳极供气环内工质气体的高度均匀性，下缓冲腔2内气体周向流阻R_down需远小于多个通气孔4的总流阻R_{cir_tota}l，此时气体在下缓冲腔2内将主要沿着周向运动，气体获得周向均匀分布之后，再通过多个通气孔4流出；上缓冲腔5内气体周向流阻R_up需远小于多个出气孔6 的总流阻R_{cir_total}，此时气体在上缓冲腔5内将主要沿着周向运动，气体获得周向均匀分布之后，再通过多个出气孔6流出。因此，流阻比例越大，越有利于缓冲腔内气体均匀分布。一般认为相差两个数量级时，能够近似满足该条件。也就是说，为了实现霍尔推力器双腔式阳极供气环放电通道内工质气体的高度均匀性，需要同时满足如下条件：

通过公式(11)下缓冲腔2内的流阻比例j_down、上缓冲腔5内的流阻比例j_up需要满足的条件，能够得到通气孔4和出气孔6数量范围，以及下缓冲腔高度h_down和上缓冲腔高度h_up的取值范围。

S06，霍尔推力器双腔式阳极供气环内工质气体的定量评价，计算气体质量流量最大差异率f_max和气体质量流量平均差异率f_avg：

以出气孔6的气体质量流量参数为输出，计算每个出气孔6的气体质量流量差异率f_i，分析气体质量流量最大差异率f_max和气体质量流量平均差异率 f_avg，其具体的计算公式为：

其中，m_i为第i个出气孔的质量流量；m_avg为出气孔的平均质量流量；M_total为出气孔总质量流量。即得到霍尔推力器双腔式阳极供气环内工质气体的定量评价参数，通过气体质量流量最大差异率f_max和气体质量流量平均差异率 f_avg，能够定量的分析放电通道7内气体分布的均匀性。

以国内200W霍尔推力器阳极气体分配环为计算对象，确定该霍尔推力器阳极气体分配环的外半径Rout为41mm，内半径Rin为31mm，放电通道总长Ld为24mm，放电通道电离区特征长度Le为15mm，绝缘陶瓷厚度L1的取值为2mm。

利用上述霍尔推力器双腔式阳极供气环结构的设计方法对该气体分配换进行设计，得到其通气孔4和出气孔6数量分别为6～10个和20～28个，以及下缓冲腔高度h_down和上缓冲腔高度h_up的高度为：1～3mm。

采用有限元软件对其分配环内的气体进行流体仿真，设置通气孔4和出气孔6数量分别设为10个和24个，以及下缓冲腔高度h_down和上缓冲腔高度h_up的高度设为2mm和2mm。从有限元软件的气体分布仿真结果中能够了解到该结构的霍尔推力器双腔式阳极供气环结构的下缓冲腔2和上缓冲腔5中工质气体分布均匀，且如图6～图7分别示出了200W霍尔推力器阳极气体分配环出气孔质量流量变化关系图和出气孔差异率变化关系图，其中方位角为气体周向角度，进气管路质量流量、即阳极流量Qm为1.0mg/s,计算得到气体质量流量最大差异率f_max和气体质量流量平均差异率f_avg分别约为3.8％和1.8％，由此可见，该设计方法实现了霍尔推力器阳极气体分配换的均匀供气。

Claims (2)

1.霍尔推力器双腔式阳极供气环结构的设计方法，其特征是：包括如下步骤，

S01，根据霍尔推力器放电通道结构及尺寸，确定阳极气体分配环外部尺寸：霍尔推力器放电通道外半径Rout，内半径Rin，放电通道总长Ld，放电通道电离区特征长度Le，设该霍尔推力器的阳极气体分配环的外半径rout＝Rout-0.5mm，内半径rin＝Rin+0.5mm，阳极分配环总高H＝Ld-Le-L1，其中L1为绝缘陶瓷厚度；

S02，根据雷诺系数和克努增系数大小判断阳极供气环内气体的流动状态：霍尔推力器进气管内雷诺数Re和克努增系数Kn分别为：

式中：Qm为进气管路质量流量，d为进气管道直径，η为流体的黏滞系数，A为进气管道横截面积，为气体平均自由程；

为了满足进气管道内工质气体粘滞流，需满足：

通过公式(1)、(2)能够确定进气管通道的直径范围d；

S03，由下缓冲腔内气体流向特性计算下缓冲腔气体流阻比例：气体进入下缓冲腔内后主要沿着周向流动，下缓冲腔内气体的流动阻力与流导系数成反比，下缓冲腔的横截面积为矩形，根据泊肖叶公式，下缓冲腔内气体周向流阻R_down表达式如下：

其中，μ为推进剂的粘度，L_r为矩形环的中线环形长度，w为矩形环横截面宽度，h_down为下缓冲腔的高度；

计算出隔板上通气孔的气体流阻：所述通气孔多采用圆形孔，第i个通气孔的流阻R_ci表达式为：

其中，μ为推进剂的粘度，L_c为圆孔长度，r为通气孔半径，多个通气孔的流阻为并联关系，因此多个通气孔的总流阻R_{cir_total}表达式为：

R_{cir_total}＝R_c1+R_c2+……R_cn (5)

其中，n为通气孔的数量，从而下缓冲腔内的流阻比例j_down表达式为：

S04，由上缓冲腔内气体流向特性计算上缓冲腔气体流阻比例：上缓冲腔的横截面积同样为矩形，根据泊肖叶公式，上缓冲腔内气体周向流阻R_up表达式如下：

其中，μ为推进剂的粘度，L_r为矩形环的中线环形长度，w为矩形环横截面宽度，h_up为上缓冲腔高度；

计算出气孔的气体流阻：所述出气孔多采用圆形孔，第i个出气孔的流阻R_ei表达式为：

其中，μ为推进剂的粘度，L_exit为出气孔长度，r_exit为出气孔半径，多个出气孔的流阻为并联关系，因此多个出气孔的总流阻R_{e_total}表达式为：

R_{e_total}＝R_e1+R_e2+……R_et (9)

其中，t为出气孔的数量，从而上缓冲腔内的流阻比例j_up表达式为：

S05，工质气体均匀性判据分析，计算通气孔、出气孔数量范围以及下缓冲腔高度h_down和上缓冲腔高度h_up的取值范围：

为了实现霍尔推力器双腔式阳极供气环内工质气体的高度均匀性，下缓冲腔内气体周向流阻R_down需远小于多个通气孔的总流阻R_{cir_total}，上缓冲腔内气体周向流阻R_up需远小于多个出气孔的总流阻R_{cir_total}，设相差两个数量级时，能够满足，即需要同时满足如下条件：

通过公式(11)下缓冲腔内的流阻比例j_down、上缓冲腔内的流阻比例j_up需要满足的条件，能够得到通气孔和出气孔数量范围，以及下缓冲腔高度h_down和上缓冲腔高度h_up的取值范围；

S06，霍尔推力器双腔式阳极供气环内工质气体的定量评价，计算气体质量流量最大差异率f_max和气体质量流量平均差异率f_avg：

以出气孔的气体质量流量参数为输出，计算每个出气孔的气体质量流量差异率f_i，分析气体质量流量最大差异率f_max和气体质量流量平均差异率f_avg，其具体的计算公式为：

其中，m_i为第i个出气孔的质量流量；m_avg为出气孔的平均质量流量；M_total为出气孔总质量流量。

2.如权利要求1所述的霍尔推力器双腔式阳极供气环结构的设计方法，其特征是：所述绝缘陶瓷厚度的取值范围为1mm～5mm。