CN114483504B - 后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法 - Google Patents

Abstract

后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法，涉及霍尔推力器领域。为了解决现有后加载技术中，放电通道壁面倒角形貌设计受磁力线约束，受设计、加工与装配因素影响难以保证零侵蚀的问题。步骤1、定义磁力线特征值为磁力线与通道中心线交点的磁场强度与最大磁场强度之比；步骤2、使放电通道出口与磁极端面平齐，并使放电通道内壁面倒角和外壁面倒角均与选取的磁力线特征值的磁力线相切；步骤3、保持磁力线与内壁面和外壁面在近阳极端端点位置不变，将内壁面的近放电通道出口端端点和外壁面的近放电通道出口端端点均向远离通道中心线方向移动，所述移动范围为大于等于0毫米且小于等于1毫米。用于设计防护离子溅射的放电通道壁面。

Description

后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法

技术领域

本发明涉及放电通道设计，涉及霍尔推力器领域。

背景技术

霍尔推力器是一种利用正交电磁场电离加速工质气体产生推力的电推进装置，主要应用于航天推进领域；霍尔推力器在通道内部形成正交的电磁场，阴极发射的电子在到达通道底部阳极的过程中被磁场约束，绕磁力线做拉莫尔回旋运动；推进剂从通道底部注入，中性原子与电子在通道中碰撞电离，产生大量的离子、电子；离子在轴向电场的作用下高速喷出形成羽流，从而产生推力；霍尔推力器具有结构简单、比冲高、工作可靠等优点，可大大提高航天器的有效载荷率，适用于航天器的位置保持、轨道转移等任务。

近年来空间任务需求发生了巨大改变，空间站阻力补偿、全电推卫星、深空探测等任务对霍尔推力器的总冲、寿命等参数的要求急剧增加，解决长寿命问题是关键。霍尔推力器寿命的最关键制约因素是加速区高能离子对放电通道壁面的溅射侵蚀。放电通道除了维持并参与霍尔推力器内等离子体正常放电外，其还兼有保护霍尔推力器的磁路系统的功能。放电通道壁面被侵蚀后，加速区的高能离子直接轰击磁路结构，磁路结构被离子轰击而产生侵蚀，使得磁场分布偏离设计值，磁路系统持续遭到侵蚀，直到推力器的放电稳定性及性能进一步恶化甚至无法正常工作，这就标志着霍尔推力器的工作寿命彻底终结。

磁场后加载是一种长寿命技术，其正梯度强磁场区域延伸至通道外，使得电离与加速区向通道下游移动，减少高能离子与壁面相互作用范围，降低入射壁面处的离子能量，从而提高推力器寿命。为了使后加载磁场霍尔推力器在设计状态即实现通道壁面无侵蚀，需要将出口壁面做倒角处理。当前的做法是使壁面倒角型线与某条特征磁力线相切。然而，相切设计具有较大的束缚性。首先，需要准确掌握特征磁力线的形状。特征磁力线一般是对磁路进行建模仿真得到，而理想化的建模仿真与实际加工装配的效果或多或少会存在偏差。其次，对壁面倒角形貌的加工精度要求较高。壁面倒角的两个端点必须与同一根磁力线相切。因此，有必要找到相对宽松的设计方法，既可保证壁面零侵蚀，又可维持高的性能水平，以实现拓展设计自由度，提高设计效率的目标。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有后加载技术中，放电通道壁面倒角形貌设计受磁力线约束，受设计、加工与装配因素影响难以保证零侵蚀的问题，提出了后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法。

后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法，该壁面形貌设计方法是基于后加载磁场霍尔推力器实现的，所述方法包括以下步骤：

步骤1、定义磁力线特征值为磁力线与通道中心线交点的磁场强度与最大磁场强度之比；

步骤2、使放电通道出口与磁极端面平齐，并使放电通道内壁面倒角和外壁面倒角均与选取的磁力线特征值的磁力线相切，所述内壁面倒角与磁力线相切的2个交点分别为近阳极端端点和近放电通道出口端端点，所述外壁面倒角与磁力线相切的2个交点分别为近阳极端端点和近放电通道出口端端点；

步骤3、保持磁力线与内壁面和外壁面在近阳极端端点位置不变，将内壁面的近放电通道出口端端点和外壁面的近放电通道出口端端点均向远离通道中心线方向移动，所述移动范围为大于等于0毫米且小于等于1毫米。

优选地，步骤2中，选取的磁力线特征值为5％。

优选地，将内壁面的近放电通道出口端端点和外壁面的近放电通道出口端端点均向远离通道中心线方向移动1mm。

优选地，将内壁面的近放电通道出口端端点和外壁面的近放电通道出口端端点均向远离通道中心线方向移动0.5mm。

本发明的有益效果是：

本申请是基于后加载磁场霍尔推力器实现的，通过改变后加载磁场霍尔推力器中放电通道内壁面和外壁面倒角，降低相切匹配设计对壁面倒角形貌的约束，利用相对宽松的高自由度壁面形貌设计方法，实现后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀放电。

附图说明

图1为特征磁力线选取图；

图2为高性能无溅射壁面形貌倒角设计方法示意图；

图3为相切匹配δr_ie＝δr_oe＝0mm情况下内、外壁面倒角形貌；

图4为δr_ie＝δr_oe＝0.5mm情况下内、外壁面倒角形貌；

图5为δr_ie＝δr_oe＝1mm情况下内、外壁面倒角形貌；

图6为δr_ie＝δr_oe＝0.5mm实验后壁面颜色情况；

图7为δr_ie＝δr_oe＝1mm实验后壁面颜色情况；

图8为不同形貌实验中(300V，50sccm)放电电流与推力曲线图；

图9为不同形貌实验中(300V，50sccm)阳极效率与阳极比冲曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法，该壁面形貌设计方法是基于后加载磁场霍尔推力器实现的，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、定义磁力线特征值为磁力线与通道中心线交点的磁场强度与最大磁场强度之比；

步骤2、使放电通道出口与磁极端面平齐，并使放电通道内壁面2倒角和外壁面1倒角均与选取的磁力线特征值的磁力线相切，所述内壁面2倒角与磁力线相切的2个交点分别为近阳极端端点和近放电通道出口端端点，所述外壁面1倒角与磁力线相切的2个交点分别为近阳极端端点和近放电通道出口端端点；

步骤3、保持磁力线与内壁面2和外壁面1在近阳极端端点位置不变，将内壁面2的近放电通道出口端端点和外壁面1的近放电通道出口端端点均向远离通道中心线方向移动，所述移动范围为大于等于0毫米且小于等于1毫米。

本实施方式中，根据后加载磁路结构对后加载磁场进行仿真，选取特定特征值的磁力线；

确定特定特征值磁力线二维空间分布特征，根据相切匹配原则，确定磁力线与通道壁面在出口段的交点坐标，其中通道出口与磁极端面平齐，内磁极与外磁极轴向位置分别为z_ip与z_op。内壁面近阳极区处，磁力线与壁面交点坐标为(r_ia，z_ia)；内壁面近出口处，磁力线与壁面交点为(r_ie，z_ie)，其中z_ie＝z_ip；外壁面近阳极区，磁力线与壁面交点为(r_oa，z_oa)；外壁面近出口处，磁力线与壁面交点为(r_oe，z_oe)，其中z_oe＝z_op；

保持磁力线与内、外壁面在近阳极端端点位置不变，即(r_ia，z_ia)、(r_oa，z_oa)不变，扩展内、外壁面在近出口的端点位置，向远离通道中心线方向移动端点，即r_ie ^*＝r_ie-δr_ie与r_oe ^*＝r_oe+δr_oe，得到内、外壁面近出口端点为(r_ie ^*，z_ie)、(r_oe ^*，z_oe)。0mm≤δr_ie＝δr_oe≤1mm。

本申请中外壁面1为图6和图7中放电通道外环的内壁，内壁面2为图6和图7中放电通道内环的外壁，图6中的虚线表示通道中心线。本申请主要对外壁面1和内壁面2顶端进行倒角设置。

本申请设置倒角防溅射的原理为：

壁面材料的剥落的原因是荷能离子轰击陶瓷引起了溅射现象。溅射量的多少可以用溅射产额Y这个物理量来定量描述，定义为平均每入射一个粒子从基材表面溅射出来的原子数：

溅射产额Y依赖于基材的成分、微观组织结果及表面形貌。对于特定的基材，Y取决于入射离子的能量E及离子入射方向和材料表面法线方向成的角度θ。

一定能量E、通量J以及入射角度θ的离子数轰击壁面产生的法向侵蚀速率q为：

其中Y_n为能量溅射产额，Y_θ为角度溅射产额，N为基材原子数密度。因此入射壁面离子能量越高、通量越大，侵蚀越严重。

首先应用后加载磁场使得电离与加速区向通道下游移动，减少高能离子与壁面相互作用范围，降低入射壁面处的离子能量。进而通过设置倒角，进一步减少入射壁面的离子通量与能量。

电子沿磁力线运动，沿磁力线电位φ可表达为：

其中，φ₀为磁力线在通道中心位置电势，T_e0为磁力线在通道中心线位置电子温度，n_e为电子密度，n_e0为磁力线在通道中心线位置电子密度。

电子沿磁力线运动阻抗很小，根据无碰撞欧姆定律，沿磁力线运动过程中电子温度变化可忽略不计，即：

▽_||T_e＝0

当电子温度T_e较低时，热化电势偏差可忽略，由于近阳极区电子温度低，因此对于近阳极的磁力线，沿磁力线电势分布也保持不变：

φ≈φ₀

后加载磁场的磁力线具有凸向阳极的大曲率的特征，根据磁力线等温、等电势的特性，与壁面相切的磁力线将近阳极区高电位与低电子温度引入壁面位置。

采用本申请的倒角时，磁力线用高电位保护壁面不受离子轰击，当离子能量小于磁力线电位时，离子无法跨越磁力线撞击壁面，这降低了入射壁面的离子通量。另一方面由于近阳极端磁力线不与壁面相交，电子不会撞击并积累在壁面上，这降低了壁面鞘层对入射壁面离子的加速作用，降低撞击壁面的离子能量。根据仿真与试验结果发现，当壁面与特征值为5％的磁力线相切时，壁面对防护离子溅射具有优异效果。进一步将出口端倒角端点向远离通道中心线方向移动，壁面仍受磁力线保护，保持无侵蚀状态。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法进一步限定，在本实施方式中，步骤2中，选取的磁力线特征值为5％。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法进一步限定，在本实施方式中，将内壁面2的近放电通道出口端端点和外壁面1的近放电通道出口端端点均向远离通道中心线方向移动1mm。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法进一步限定，在本实施方式中，将内壁面2的近放电通道出口端端点和外壁面1的近放电通道出口端端点均向远离通道中心线方向移动0.5mm。

本实施方式中，选取δr_ie＝δr_oe＝0.5mm和δr_ie＝δr_oe＝1mm两种情况；

以1.35kW的后加载磁场霍尔推力器磁路参数为基准，通道内径为70mm，通道外径为100mm。通过与特征值为5％的磁力线相切，可以得到相切情况下壁面倒角形貌，内壁面倒角轴向宽度为4mm，径向长度为2.8mm，外壁面倒角轴向宽度3.9mm，径向宽度3.4mm。如图3所示。

在相切形貌基础上，沿径向将内、外壁面近出口端点向远离通道中心线方向移动0.5mm，即δr_ie＝δr_oe＝0.5mm。内壁面倒角轴向宽度为4mm，径向长度3.3mm，外壁面倒角轴向宽度3.9mm，径向宽度3.9mm，如图4所示。

在相切形貌基础上，沿径向将内、外壁面近出口端点向远离通道中心线方向移动1mm，即δr_ie＝δr_oe＝1mm。内壁面倒角轴向宽度为4mm，径向长度3.8mm，外壁面倒角轴向宽度3.9mm，径向宽度4.4mm，如图5所示。

氮化硼陶瓷原本为白色，根据长时间点火实验后的壁面颜色，可以分析壁面防护离子溅射效果。如果实验后壁面仍然为白色，则证明溅射速率大于沉积速率，防护离子溅射能力较差。如果实验后壁面为沉积镀膜的黑色，则证明沉积速率大于溅射速率，壁面防护离子溅射能力优异。δr_ie＝δr_oe＝0.5mm情况与δr_ie＝δr_oe＝1mm情况在实验后壁面颜色分别如图6和图7所示。

在相同电压(300V)与相同质量流量(50sccm)的Xe工质下，对不同通道形貌进行放电实验，测量推力器放电特性。从图8与图9的实验结果可以看出，通过沿径向扩展通道倒角，可以避免相切匹配对壁面倒角形貌在设计与加工方面的约束，提高壁面形貌设计自由度，保证推力器在无侵蚀条件下兼备高性能特性。

本实施方式有一个重要的前提，就是应用后加载磁场，即必须是后加载磁场霍尔推力器。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法进一步限定，在本实施方式中，放电通道的材质为氮化硼陶瓷。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法进一步限定，在本实施方式中，所述方法还包括步骤4，

步骤4、对确定好内壁面2和外壁面1倒角后的步骤3进行点火实验，实验后，放电通道内壁面2和外壁面1均为黑色，证明内壁面2和外壁面1上的离子沉积速率大于离子溅射速率，则说明通过对放电通道内壁面2和外壁面1的倒角设置，内壁面2和外壁面1对离子溅射具有防护能力。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法，该壁面形貌设计方法是基于后加载磁场霍尔推力器实现的，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、定义磁力线特征值为磁力线与通道中心线交点的磁场强度与最大磁场强度之比；

步骤2、使放电通道出口与磁极端面平齐，并使放电通道内壁面(2)倒角和外壁面(1)倒角均与选取的磁力线特征值的磁力线相切，所述内壁面(2)倒角与磁力线相切的2个交点分别为近阳极端端点和近放电通道出口端端点，所述外壁面(1)倒角与磁力线相切的2个交点分别为近阳极端端点和近放电通道出口端端点；

步骤3、保持磁力线与内壁面(2)和外壁面(1)在近阳极端端点位置不变，将内壁面(2)的近放电通道出口端端点和外壁面(1)的近放电通道出口端端点均向远离通道中心线方向移动，所述移动范围为大于等于0毫米且小于等于1毫米。

2.根据权利要求1所述的后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法，其特征在于，步骤2中，选取的磁力线特征值为5％。

3.根据权利要求1所述的后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法，其特征在于，将内壁面(2)的近放电通道出口端端点和外壁面(1)的近放电通道出口端端点均向远离通道中心线方向移动1mm。

4.根据权利要求1所述的后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法，其特征在于，将内壁面(2)的近放电通道出口端端点和外壁面(1)的近放电通道出口端端点均向远离通道中心线方向移动0.5mm。

5.根据权利要求1所述的后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法，其特征在于，放电通道的材质为氮化硼陶瓷。

6.根据权利要求1所述的后加载磁场霍尔推力器高性能无侵蚀壁面形貌设计方法，其特征在于，所述方法还包括步骤4，

步骤4、对确定好内壁面(2)和外壁面(1)倒角后的步骤3进行点火实验，实验后，放电通道内壁面(2)和外壁面(1)均为黑色，证明内壁面(2)和外壁面(1)上的离子沉积速率大于离子溅射速率，则说明通过对放电通道内壁面(2)和外壁面(1)的倒角设置，内壁面(2)和外壁面(1)对离子溅射具有防护能力。

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