CN114320800B - 利用磁笼约束羽流的霍尔推力器及磁笼结构调节方法 - Google Patents

Abstract

利用磁笼约束羽流的霍尔推力器及磁笼结构调节方法，涉及航天电推进技术领域，本发明的目的是为了解决阴极中置的后加载磁场霍尔推力器羽流发散影响工作性能的问题。在外磁源外侧增设附加线圈励磁，使内磁源内部与外磁源内部的磁通量方向相反，附加线圈与外磁源在外磁源外侧励磁形成的磁通量方向相反，通过调节附加线圈的附加励磁安匝数，使得与附加线圈结构连接处的外磁源发出的磁力线切线与霍尔推力器轴向夹角不小于90°，在该角度下霍尔推力器羽流形态收束。它用于使霍尔推力器羽流形态收束。

Description

利用磁笼约束羽流的霍尔推力器及磁笼结构调节方法

技术领域

本发明涉及航天电推进技术领域，具体为一种用于阴极中置的后加载磁场霍尔推力器羽流约束的近场磁笼结构及实现方法。

背景技术

霍尔推力器是一种利用电场和磁场共同作用将电能转换为工质动能的一种航天电推进装置，具有结构简单、可靠性高、比冲高、效率高等优势，适用于航天器的姿态控制、轨道转移、位置保持等各类任务，是降低航天器总质量、提高平台有效载荷率的最有效手段之一。

后加载磁场霍尔推力器采用将正梯度磁场区向通道下游移动的方式，实现了主要加速区位于通道外，高能离子对放电通道的轰击溅射作用减弱，进而放电通道侵蚀速率显著降低且能量沉积减少，起到了极大延长推力器的工作寿命、扩展工作参数范围的作用。然而，磁场的后加载使得离子的加速过程失去了放电通道的约束，进而导致羽流发散程度增加，效率降低。

此外，采用阴极中置方案的霍尔推力器消除了羽流的不对称性，具有结构紧凑、羽流发散角小的优势。因此，阴极中置的后加载磁场霍尔推力器将具有广阔的应用前景。霍尔推力器普遍采用一个内磁源、多个外磁源的方式形成磁场，由外磁极发出的磁力线分成两股，一股由底板接收，一股由内磁极接收。磁场的后加载使得离子的加速过程主要在内外磁极间磁力线形成的磁笼内完成，因此磁笼内的电场分布是决定羽流形态的最重要因素，其中径向电场是造成羽流发散的最直接原因。径向电场强度主要取决于阴极发射的电子与羽流等离子体的耦合；对于阴极中置的霍尔推力器来说，电子从阴极发射之后在耦合之前首先沿着磁力线分布在磁笼边界上，所以磁笼的结构形状对耦合过程具有重要影响，进而是约束阴极中置的后加载磁场霍尔推力器羽流发散的重要手段。

发明内容

本发明的目的是为了解决阴极中置的后加载磁场霍尔推力器羽流发散影响工作性能的问题，提出了利用磁笼约束羽流的霍尔推力器及磁笼结构调节方法。

利用磁笼约束羽流的霍尔推力器，所述霍尔推力器包括内磁极1、内磁屏2、外磁屏3、外磁极4、底板5、放电通道6、阳极7、阴极8、内磁源11、外磁源12和附加线圈结构，

阴极8、内磁源11、内磁屏2、外磁屏3、阳极7和外磁源12均为圆筒形，放电通道6为圆筒形，且沿放电通道6筒壁厚度方向开设环槽，阴极8、内磁源11、内磁屏2、放电通道6、外磁屏3和外磁源12从内至外依次嵌套，阳极7设置在放电通道6的环槽内，阴极8、内磁源11、内磁屏2、放电通道6、外磁屏3和外磁源12之间均设有间隔；

内磁源11、内磁屏2、放电通道6、外磁屏3和外磁源12的同一端设置在底板5上，外磁极4设置在外磁源12的另一端，内磁极1设置在内磁源11的另一端，

外磁源12的另一端与和内磁源11的另一端齐平，附加线圈结构为圆环形，附加线圈结构设置在外磁极4与外磁源12连接处的外环壁上，

附加线圈结构与外磁源12在外磁源外侧励磁形成的磁通量方向相反；外磁源12与内磁源11励磁形成的磁通量方向相反；

通过调节附加线圈结构的励磁安匝数，使得与附加线圈结构连接处的外磁源12发出的磁力线切线与霍尔推力器轴向夹角不小于90°。

优选地，附加线圈结构包括附加线圈支架9和附加线圈10，

所述附加线圈支架9为环形腔，附加线圈10为环形结构，附加线圈10设置在所述环形腔内，附加线圈支架9设置在外磁极4与外磁源12连接处的外环壁上。

优选地，附加线圈10的励磁安匝数等于线圈励磁电流和匝数的乘积。

优选地，附加线圈10励磁安匝数为-500A到500A。

本发明的有益效果是：

本申请在外磁源外侧增设附加线圈励磁，使内磁源内部与外磁源内部的磁通量方向相反，附加线圈与外磁源在外磁源外侧励磁形成的磁通量方向相反，通过调节附加线圈的附加励磁安匝数，使得与附加线圈结构连接处的外磁源发出的磁力线切线与霍尔推力器轴向夹角不小于90°，在该角度下霍尔推力器羽流形态收束；因此，本申请有效约束羽流，降低羽流发散程度，提高推力器工作性能。

此外，本申请给出的磁笼结构实现方法可实现磁笼结构包络空间范围上的连续变化。其中磁笼包络空间面积在±75％范围内连续可调，磁笼特征夹角从-30度到+120度连续变化。

附图说明

图1为利用磁笼约束羽流的霍尔推力器的近场磁笼结构的立体图；

图2为图1的截面图，该图可看出磁笼在外磁源侧的包络边界与推力器轴向夹角不小于90度；

图3为永磁形式可实现磁笼在外磁源侧的包络边界与推力器轴向夹角不小于90度的霍尔推力器结构示意图；

图4为线圈形式可实现磁笼在外磁源侧的包络边界与推力器轴向夹角不小于90度的霍尔推力器结构示意图；

图5为磁笼结构示意图；

图6为几种磁笼形态图；

图7为几种工况放电图；

图8为几种工况下离子电流密度分布。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器，所述霍尔推力器包括内磁极1、内磁屏2、外磁屏3、外磁极4、底板5、放电通道6、阳极7、阴极8、内磁源11、外磁源12和附加线圈结构，

阴极8、内磁源11、内磁屏2、外磁屏3、阳极7和外磁源12均为圆筒形，放电通道6为圆筒形，且沿放电通道6筒壁厚度方向开设环槽，阴极8、内磁源11、内磁屏2、放电通道6、外磁屏3和外磁源12从内至外依次嵌套，阳极7设置在放电通道6的环槽内，阴极8、内磁源11、内磁屏2、放电通道6、外磁屏3和外磁源12之间均设有间隔；

内磁源11、内磁屏2、放电通道6、外磁屏3和外磁源12的同一端设置在底板5上，外磁极4设置在外磁源12的另一端，内磁极1设置在内磁源11的另一端，

外磁源12的另一端与和内磁源11的另一端齐平，附加线圈结构为圆环形，附加线圈结构设置在外磁极4与外磁源12连接处的外环壁上，

附加线圈结构与外磁源12在外磁源外侧励磁形成的磁通量方向相反；外磁源12与内磁源11励磁形成的磁通量方向相反；

通过调节附加线圈结构的励磁安匝数，使得与附加线圈结构连接处的外磁源12发出的磁力线切线与霍尔推力器轴向夹角不小于90°。

本实施方式中，为保证磁笼位于外磁源侧的边界与推力器轴向的夹角不小于90°，附加线圈与外磁源在外磁源外侧励磁形成的磁通量方向相反。

图3中，1表示内磁极，2表示内磁屏，3表示外磁屏，4表示外磁极，5表示底板，6表示放电通道，7表示阳极，8表示阴极，9表示附加线圈支架，10表示附加线圈支架，11C表示内永磁，指内磁源内部由永磁体组成；12C表示外永磁，指外磁源内部由永磁体组成。图3中的内磁源11和外磁源12均由永磁体组成。

图4中，11A表示内磁芯，也指永磁体，11B表示内线圈；12A表示外磁芯，也指永磁体，12B表示外线圈。图3中的内磁源11和外磁源12均由永磁体和线圈组成。

本申请内磁源11和外磁源12除了图3和图4的组成形式外，还可以是内永磁11C+外磁芯12A和外线圈12B的组合形式，还可以是内磁芯11A和内线圈11B+外永磁12C的组合形式。

因此，内磁源11和外磁源12通常有两种形式，一是线圈和磁芯组合；二是永磁。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器进一步限定，在本实施方式中，附加线圈结构包括附加线圈支架9和附加线圈10，

所述附加线圈支架9为环形腔，附加线圈10为环形结构，附加线圈10设置在所述环形腔内，附加线圈支架9设置在外磁极4与外磁源12连接处的外环壁上。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器进一步限定，在本实施方式中，附加线圈10的励磁安匝数等于线圈励磁电流和匝数的乘积。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器进一步限定，在本实施方式中，附加线圈10励磁安匝数为-500A到500A。

本实施方式中，所述附加励磁安匝数N_e根据设计要求磁笼形态确定。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器进一步限定，在本实施方式中，内磁源11包括永磁体和线圈的任一种或组合，外磁源12包括永磁体和线圈的任一种或组合。

本实施方式中，当内磁源11和外磁源12均采用线圈和永磁体混合的情况下，外线圈励磁电流与内线圈反向。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器进一步限定，在本实施方式中，当内磁源11由永磁体和线圈的组合时，由靠近阴极8侧设置的永磁体和贴近该永磁体的线圈组成内磁源11或由两侧线圈之间设置永磁体的方式组成内磁源11；

当外磁源12由永磁体和线圈的组合时，由靠近外磁屏3侧设置的永磁体和贴近该永磁体的线圈组成外磁源12或由两侧线圈之间设置永磁体的方式组成外磁源12。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式五所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器进一步限定，在本实施方式中，内磁源11的励磁安匝数等于线圈励磁电流和匝数的乘积，

外磁源12的励磁安匝数等于线圈励磁电流和匝数的乘积。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器进一步限定，在本实施方式中，外磁源12的励磁安匝数为-100A到-600A，内磁源11的励磁安匝数为200A到1200A。

本实施方式中，所述内励磁安匝数N_in和外励磁安匝数N_out根据设计要求的磁场强度确定。

具体实施方式九：根据具体实施方式一所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器实现磁笼结构调节方法，在本实施方式中，所述方法包括以下内容：

通过调节附加线圈10励磁安匝数调节磁笼外部结构和磁笼内部结构的磁笼形态，使得与附加线圈结构连接处的外磁源12发出的磁力线切线与霍尔推力器轴向夹角不小于90°。

本实施方式中，根据环型电流形成空间磁场的比奥-萨法尔定律可知：磁笼内部是由内磁极1和外磁极4之间的磁力线组成的；磁笼外部是外磁极4和底板5之间的磁力线组成的；在空间某些位置上，两部分产生的磁场某一分量相互抵消，即磁笼结构。从磁路的励磁考虑，在外磁源外侧增加额外线圈励磁，通过改变磁笼外部的强度实现磁笼结构。具体而言，附加励磁应采用与内励磁同号，与外励磁异号的方式，保证附加线圈励磁与外磁源形成的磁通量方向相反，这样使得特征夹角大。反之，附加励磁与内励磁异号，与外励磁同号，磁笼包络空间减少，特征夹角减少。在此结构基础上，为了保证放电通道内的磁场与原有设计工况一致，可以适当调节内励磁安匝数N_in和外励磁安匝数N_out，保证磁场的一致性。

以1.35kW内外磁源均采用线圈励磁的霍尔推力器参数为基准，调节附加线圈励磁安匝数N_e,保持内励磁安匝数N_in不变，微调外励磁安匝数N_out，保证通道内磁场强度不变的前提下，实现磁笼结构。设置附加励磁安匝数N_e为-400A，即工况1；设置附加励磁安匝数N_e为0A，即工况2；设置附加励磁安匝数N_e为+80A，即工况3A；设置附加励磁安匝数N_e为+150A，即工况3B。对比工况1、2、3A、3B可以发现附加线圈励磁安匝数越大，磁笼包络范围和特征夹角越大，如图6，图6中附图标记1表示工况1，附图标记2表示工况2，附图标记3表示工况3A，附图标记4表示工况3B。

在保持阳极电压、阳极流量、真空度等条件的前提下，调节励磁实现几种工况下的放电，如图7。放电工况1：附加励磁安匝数为负数，磁笼包络范围和特征角减小，羽流无明显边界，呈发散状；放电工况2：附加励磁安匝数为0，磁笼包络范围和特征角处于原始状态，羽流呈现筒状，羽流边界平直，呈聚焦状；放电工况3A(B)：附加励磁安匝数为正数，磁笼包络范围和特征角增大，羽流呈现筒状，羽流边界内倾，呈收束状态。不同工况下的磁路、磁笼及羽流特征如表1所示。采用法拉第探针直线扫描的方式，测量离子电流密度沿径向分布如图8，随着磁笼包络范围和特征角的增大，离子电流密度峰值更靠近中轴线，且大角度区域离子电流密度占比降低，说明羽流发散程度明显降低。从羽流形态和离子电流密度沿径向分布可知，应该保证磁笼位于外磁源外侧部分与推力器轴向夹角不小于90°，以减低羽流的发散程度，以实现阴极中置的后加载磁场霍尔推力器约束羽流。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式九所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器实现磁笼结构调节方法进一步限定，在本实施方式中，所述方法还包括，

通过调节外磁源(12)的励磁安匝数和内磁源(11)的励磁安匝数，调节磁场强度。

本实施方式中，霍尔推力器采用一个内磁源、多个外磁源的方式形成磁场，无论磁源是永磁或者磁芯和线圈，均有由外磁极发出的磁力线形成两股，一股由底板接收，一股由内磁极接收。其中由内磁极与外磁极间磁力线形成的磁笼结构，如图5。后加载磁场霍尔推力器的加速区部分位于通道外，离子的加速过程在内外磁极间磁力线组成磁笼内完成；离子在磁笼内的加速主要受电场分布的影响，因此阴极发射的电子与羽流等离子体的耦合决定了径向电场的强弱，即羽流发散程度。对于阴极中置的霍尔推力器，电子从阴极发射之后在耦合之前首先沿着磁力线分布在磁笼边界上，因此磁笼的结构形状是影响耦合过程的重要因素，故磁笼结构是近场约束羽流的关键手段。采用在外磁源外侧增设附加线圈励磁的方式实现磁笼结构。以内磁源和外磁源均采用磁芯加线圈方式励磁为例，定义磁路及磁笼的关键参数如下：

内线圈励磁电流和匝数的乘积为内励磁安匝数N_in。

外线圈励磁电流和匝数的乘积为外励磁安匝数N_out。

附加线圈励磁电流和匝数的乘积为附加励磁安匝数N_e。

以图4中内线圈励磁电流方向作为基准，与内线圈励磁电流同向为正，反之为负；

内外磁源采用线圈和永磁混合或均为永磁情况下，需要保证：内磁源内部与外磁源内部的磁通量方向相反；

磁笼与霍尔推力器出口端面形成的封闭空间，为磁笼包络空间。

磁笼与外磁源交点处的磁力线切线方向与中轴线夹角，为磁笼特征夹角，如图1中所示。

Claims (10)

1.利用磁笼约束羽流的霍尔推力器，其特征在于，所述霍尔推力器包括内磁极(1)、内磁屏(2)、外磁屏(3)、外磁极(4)、底板(5)、放电通道(6)、阳极(7)、阴极(8)、内磁源(11)、外磁源(12)和附加线圈结构，

阴极(8)、内磁源(11)、内磁屏(2)、外磁屏(3)、阳极(7)和外磁源(12)均为圆筒形，放电通道(6)为圆筒形，且沿放电通道(6)筒壁厚度方向开设环槽，阴极(8)、内磁源(11)、内磁屏(2)、放电通道(6)、外磁屏(3)和外磁源(12)从内至外依次嵌套，阳极(7)设置在放电通道(6)的环槽内，阴极(8)、内磁源(11)、内磁屏(2)、放电通道(6)、外磁屏(3)和外磁源(12)之间均设有间隔；

内磁源(11)、内磁屏(2)、放电通道(6)、外磁屏(3)和外磁源(12)的同一端设置在底板(5)上，外磁极(4)设置在外磁源(12)的另一端，内磁极(1)设置在内磁源(11)的另一端，

外磁源(12)的另一端与和内磁源(11)的另一端齐平，附加线圈结构为圆环形，附加线圈结构设置在外磁极(4)与外磁源(12)连接处的外环壁上，

附加线圈结构与外磁源(12)在外磁源外侧励磁形成的磁通量方向相反；外磁源(12)与内磁源(11)励磁形成的磁通量方向相反；

通过调节附加线圈结构的励磁安匝数，使得与附加线圈结构连接处的外磁源(12)发出的磁力线切线与霍尔推力器轴向夹角不小于90°。

2.根据权利要求1所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器，其特征在于，附加线圈结构包括附加线圈支架(9)和附加线圈(10)，

所述附加线圈支架(9)为环形腔，附加线圈(10)为环形结构，附加线圈(10)设置在所述环形腔内，附加线圈支架(9)设置在外磁极(4)与外磁源(12)连接处的外环壁上。

3.根据权利要求2所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器，其特征在于，附加线圈(10)的励磁安匝数等于线圈励磁电流和匝数的乘积。

4.根据权利要求3所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器，其特征在于，附加线圈(10)励磁安匝数为-500A到500A。

5.根据权利要求1所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器，其特征在于，内磁源(11)包括永磁体和线圈的任一种或组合，外磁源(12)包括永磁体和线圈的任一种或组合。

6.根据权利要求5所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器，其特征在于，当内磁源(11)由永磁体和线圈的组合时，由靠近阴极(8)侧设置的永磁体和贴近该永磁体的线圈组成内磁源(11)或由两侧线圈之间设置永磁体的方式组成内磁源(11)；

当外磁源(12)由永磁体和线圈的组合时，由靠近外磁屏(3)侧设置的永磁体和贴近该永磁体的线圈组成外磁源(12)或由两侧线圈之间设置永磁体的方式组成外磁源(12)。

7.根据权利要求5所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器，其特征在于，内磁源(11)的励磁安匝数等于线圈励磁电流和匝数的乘积，

外磁源(12)的励磁安匝数等于线圈励磁电流和匝数的乘积。

8.根据权利要求7所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器，其特征在于，外磁源(12)的励磁安匝数为-100A到-600A，内磁源(11)的励磁安匝数为200A到1200A。

9.根据权利要求1所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器实现磁笼结构调节方法，其特征在于，所述方法包括以下内容：

通过调节附加线圈(10)励磁安匝数调节磁笼外部结构和磁笼内部结构的磁笼形态，使得与附加线圈结构连接处的外磁源(12)发出的磁力线切线与霍尔推力器轴向夹角不小于90°。

10.根据权利要求9所述的利用磁笼约束羽流的霍尔推力器实现磁笼结构调节方法，其特征在于，所述方法还包括，

通过调节外磁源(12)的励磁安匝数和内磁源(11)的励磁安匝数，调节磁场强度。

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