CN114412739A - 一种大功率霍尔推力器磁路组件 - Google Patents

Abstract

本申请涉及航天器推进技术领域，具体而言，涉及一种大功率霍尔推力器磁路组件，包括外励磁组件、内励磁组件、以及连接骨架，外励磁组件与内励磁组件均为环形；连接骨架设置在外励磁组件与内励磁组件之间，连接外励磁组件与内励磁组件。本申请的磁路组件，外导磁罩和内导磁柱通过轮辐射骨架连接，实现了磁路组件整体轮辐射构型，保证磁场分布均匀性，实现了大功率放电室以及阳极等高温组件工作时热量良好导出，降低了高热量向磁路的传导，提升了磁路的稳定性，进而保障了性能的稳定；同时，通过外导磁罩设置均匀分布窗口，并加隔离网，实现了大功率下大质量大体积励磁线圈的除气和热量的导出，同时规避了环境等离子体进入励磁线圈空间内，防止其可能产生的诱发打火放电。

Description

一种大功率霍尔推力器磁路组件

技术领域

本申请涉及航天器推进技术领域，具体而言，涉及一种大功率霍尔推力器磁路组件。

背景技术

目前，高推功比是满足大功率电推进任务的基本要求。应用大功率的电推进的任务主要包括载人登月货运飞船，在轨服务轨道间转移，载人深空探测等任务。这些任务都要求有较大推力，以尽快达到预定轨道。较之离子推力器(30mN/kW)、磁等离子体动力推进(10mN/kW)、可变比冲磁等离子体推进(25mN/kW)等电推力器，霍尔推力器推功比最高，达到了45-66mN/kW，是满足未来任务的首选。

霍尔推力器的核心在于磁场，磁场决定电子分布，电子分布决定电场分布，电场决定离子束流，进而决定了推力器整体性能，由此形成磁场的霍尔推力器磁路设计则尤为重要。大功率霍尔推力器功率更高，十几kW，甚至上百kW，采用了长度更长、线径更大的励磁线，以产生足够的磁场，这些励磁线圈会产生非常大的出气量，容易在局部形成低气压环境；同时，磁路承受更大的热负载，使得磁路不稳定，甚至磁性材料温度超过了居里温度点，导磁功能消失。

霍尔推力器的常规磁回路可以看成“C”型回路，在开口处形成磁场，在中低功率(通常10kW以下)情况下，常采用主要采用分立导磁柱构型和导磁罩构型；其中，分立导磁柱构型由多根导磁柱连接推力器的底板与外磁极，构成磁回路，导磁柱以一定的角度，均匀分布在放电通道的四周，这种结构为非轴对称结构，会形成一定的磁场不对称性，并且对导磁柱的加工和装配精度要求很高，制造偏差都会最终反映在磁场的周向不均匀性上，进而，磁场引起电子密度的差异性分布，作为电离激发源的电子在放电室内形成不均衡电离，影响推力器性能。而导磁罩结构，则是由一个整体的筒形导磁罩代替导磁柱连接推力器的底板与外磁极构成磁回路。这种方案的特点是导磁罩为轴对称结构，使得磁场得到均化，同时易于保证外磁极与内磁极的同轴度要求，提高通道中磁场的均匀性；然而，这种结构会将放电室、阳极等高温部件完全被磁屏罩在内部，热量不易散发，导致热耗较大，使得推力器效率降低。尤其是在大功率推力器这种情况下，会更加的明显，工作功率往往达到几十kW，甚至于上百kW，其放电时会产生大量的热，如果产生的热量被包裹，不能够良好的散发，会给推力器带来极大的隐患。

针对相关技术中磁场不均、散热不好的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种大功率霍尔推力器磁路组件，以解决相关技术中磁场不均、散热不好的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了一种大功率霍尔推力器磁路组件。

根据本申请的大功率霍尔推力器磁路组件，包括：外励磁组件、内励磁组件、以及连接骨架，其中：外励磁组件与内励磁组件均为环形；连接骨架设置在外励磁组件与内励磁组件之间，连接外励磁组件与内励磁组件。

进一步的，连接骨架为轮辐射骨架。

进一步的，外励磁组件包括外导磁罩、外极靴、以及外导磁底板，外极靴设置在外导磁罩的顶部，外导磁底板设置在外导磁罩的底部；内励磁组件包括内导磁柱、内极靴、以及内导磁底板，内极靴设置在内导磁柱的顶部，内导磁底板设置在内导磁柱的底部。

进一步的，外励磁组件与内励磁组件的横截面均为C型，且相对设置。

进一步的，轮辐射骨架的横截面为H型。

进一步的，轮辐射骨架的外环面与外励磁组件连接，且形成外励磁线圈放置空间；轮辐射骨架的内环面与内励磁组件连接，且形成内励磁线圈放置空间。

进一步的，轮辐射骨架上设置有用于高温组件固定及隔离的支撑陶瓷。

进一步的，外导磁罩环周均匀设置有多个窗口。

进一步的，多个窗口上均设置有隔离网。

进一步的，内导磁柱为中空结构。

在本申请实施例中，提供一种大功率霍尔推力器磁路组件，外导磁罩和内导磁柱通过轮辐射骨架连接，实现了磁路组件整体轮辐射构型，保证磁场分布均匀性，进而实现了大功率放电室以及阳极等高温组件工作时热量良好导出，降低了高热量向磁路的传导，提升了磁路的稳定性，进而保障了性能的稳定；通过外导磁罩设置均匀分布窗口，并加双层隔离网，实现了大功率下大质量大体积励磁线圈的除气和热量的导出，同时规避了环境等离子体进入励磁线圈空间内，防止其可能产生的诱发打火放电；内导磁柱设置为中空结构，且对应内导磁底板中空部分缩小半径；中空结构可提升辐射散热表面积，同时给阴极中置提供空间，较之外导磁罩外的外置阴极结构，降低了推力器整体外轮廓，给空间应用布局提供了极大便利。可见本申请的大功率霍尔推力器磁路组件解决相关技术中磁场不均、散热不好的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的一种大功率霍尔推力器磁路组件的立体剖面放大结构示意图；

图2是根据本申请实施例提供的一种大功率霍尔推力器磁路组件的俯视结构示意图；

图中：1-外极靴、2-支撑陶瓷、3-轮辐射骨架、4-内极靴、5-外导磁罩、6-外导磁底板、7-内导磁底板、8-内导磁柱、9-隔离网、10-外励磁线圈放置空间、11-内励磁线圈放置空间；

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1、图2所示，本申请一种实施例的大功率霍尔推力器磁路组件，包括：外励磁组件、内励磁组件、以及连接骨架，其中：外励磁组件与内励磁组件均为环形；连接骨架设置在外励磁组件与内励磁组件之间，连接外励磁组件与内励磁组件。

具体的，连接骨架为轮辐射骨架3，由于连接骨架的形状类似轮毂，故称之为轮辐射骨架，具体可参照附图1；轮辐射骨架3使得磁路组件整体呈同轴结构，结构简洁、产生磁场均匀。外励磁组件包括外导磁罩5、外极靴1、以及外导磁底板6，外极靴1设置在外导磁罩5的顶部，外导磁底板6设置在外导磁罩5的底部；内励磁组件包括内导磁柱8、内极靴4、以及内导磁底板7，内极靴4设置在内导磁柱8的顶部，内导磁底板7设置在内导磁柱8的底部。外励磁组件与内励磁组件的横截面均为C型，且相对设置，应当说明的是，本处所说的C型只是类似，在部件连接处为直角，而非圆角过渡，具体可参照附图1。

本申请上述实施例的大功率霍尔推力器磁路组件，如图1所示，轮辐射骨架3的横截面优选的为H型，当然本领域技术人员也可根据实际情况设计成其它形状，均属于本申请保护范围。

具体的，轮辐射骨架3的外环面(即靠近外励磁组件的环面)与外励磁组件连接，且形成外励磁线圈放置空间10；轮辐射骨架3的内环面(即靠近内励磁组件的环面)与内励磁组件连接，且形成内励磁线圈放置空间11。具体的连接方式本申请不作具体限定。

进一步的，轮辐射骨架3上设置有用于高温组件固定及隔离的支撑陶瓷2。具体的，高温组件即放电室、阳极等高温组件。支撑陶瓷2用于固定并隔离放电室和阳极等高温组件，将传统放电室与磁路的面接触，优化提升至点接触，削弱放电室等高温组件向磁路高热量传导，提升了磁路的稳定性。

进一步的，外导磁罩5环周均匀设置有多个窗口。多个窗口上均设置有隔离网9，优选的，隔离网9设置内层外层共两层。可实现励磁线圈工作时出气和热量的良好导出，提升磁路整体的稳定性，同时防止外部等离子体进入而引发低气压放电。

进一步的，内导磁柱8为中空结构。极大提升了散热表面积，且中空底部对应的导磁底板进一步增加了表面积，可实现内励磁线圈工作时产生热量的良好导出，并预留中置阴极的位置，缩小了推力器整体外轮廓尺寸，并提升了性能。

本申请的基于轮辐射构型的大功率霍尔推力器磁路组件，包括外导磁罩5、隔离网9、外极靴1、内极靴4、轮辐射骨架3、支撑陶瓷2、内导磁柱8、内外导磁底板6，该大功率霍尔推力器轮辐射构型磁路组件具有简洁、能够产生均匀磁场的特点；其整体呈同轴结构，即励磁内外励磁线圈同轴缠绕，同时又不将放电室和阳极等高温组件进行包裹，将内外励磁组件通过轮辐射结构进行连接，形成这种基于轮辐射构型的大功率霍尔推力器磁路组件，本申请的大功率霍尔推力器磁路组件具有如下优点：

(1)本申请的磁路组件整体轮辐射结构，可以在磁场获得均匀情况下，不必要对放电室、阳极等高温部件包裹，降低了大功率对磁路的高热载，继而提高了推力器的稳定性和可靠性；

(2)本申请的磁路组件，外导磁罩5采用分立窗口加双层隔离网的结构，在保证磁路良好导通的同时，可以实现励磁线工作时的热量以及线圈出气的导出，避免了大质量大体积励磁线圈出气带来的低气压放电的风险，也降低了磁路受热磁饱和的风险。

(3)本申请的磁路组件，内导磁柱8采用中空结构，且对应内导磁底板7中空部分缩小半径，增加了散热表面积，提升了磁路的稳定性，同时预留了阴极中置空间，较之外导磁罩5外的外置阴极结构，降低了推力器整体外轮廓，给空间应用布局提供了极大便利。

(4)本申请的磁路组件，通过磁路放电室和样机的点连接，降低了高温组件向磁路的热传导，提升了磁路的稳定性。

本申请在保证磁场均匀的情况下，规避了放电室和阳极等高温组件向磁路进行热传导的技术难点，很大程度上提升了大功率放电时磁路可靠稳定工作。此外，本申请的轮辐射结构设计思想，利于后续大功率推力器的普遍应用。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大功率霍尔推力器磁路组件，其特征在于，包括：外励磁组件、内励磁组件、以及连接骨架，其中：

所述外励磁组件与所述内励磁组件均为环形；

所述连接骨架设置在所述外励磁组件与所述内励磁组件之间，连接所述外励磁组件与所述内励磁组件。

2.如权利要求1所述的大功率霍尔推力器磁路组件，其特征在于，所述连接骨架为轮辐射骨架。

3.如权利要求2所述的大功率霍尔推力器磁路组件，其特征在于：

所述外励磁组件包括外导磁罩、外极靴、以及外导磁底板，所述外极靴设置在所述外导磁罩的顶部，所述外导磁底板设置在所述外导磁罩的底部；

所述内励磁组件包括内导磁柱、内极靴、以及内导磁底板，所述内极靴设置在所述内导磁柱的顶部，所述内导磁底板设置在所述内导磁柱的底部。

4.如权利要求3所述的大功率霍尔推力器磁路组件，其特征在于，所述外励磁组件与所述内励磁组件的横截面均为C型，且相对设置。

5.如权利要求4所述的大功率霍尔推力器磁路组件，其特征在于，所述轮辐射骨架的横截面为H型。

6.如权利要求5所述的大功率霍尔推力器磁路组件，其特征在于：

所述轮辐射骨架的外环面与所述外励磁组件连接，且形成外励磁线圈放置空间；

所述轮辐射骨架的内环面与所述内励磁组件连接，且形成内励磁线圈放置空间。

7.如权利要求5所述的大功率霍尔推力器磁路组件，其特征在于，所述轮辐射骨架上设置有用于高温组件固定及隔离的支撑陶瓷。

8.如权利要求3所述的大功率霍尔推力器磁路组件，其特征在于，所述外导磁罩环周均匀设置有多个窗口。

9.如权利要求8所述的大功率霍尔推力器磁路组件，其特征在于，多个所述窗口上均设置有隔离网。

10.如权利要求3所述的大功率霍尔推力器磁路组件，其特征在于，所述内导磁柱为中空结构。

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