CN114810527B - 低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构 - Google Patents

Abstract

低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构，包括出气通道组件、进气管、支撑杆、外壁筒和盖板。出气通道组件包括底座、同轴密封焊接于底座上的出气通道筒和气体缓冲筒。气体缓冲筒端面圆周上设有轴向出气小孔，外侧壁圆周上设有与导流小孔连通的径向导流小孔；外壁筒与出气通道组件同轴设置，圆环形盖板与出气通道组件同轴设置，盖板内径与出气通道组件第二突出部内端面平行，盖板外径与外壁筒内半径相同，出气通道组件、进气管、支撑杆、外壁筒和盖板通过焊接固定。本发明通过内外缓冲腔提高了气体匀化效果；气体从通道出口附近逆向注入放电通道，显著延长了气体在放电通道内停留时间，有效改善低功率霍尔推力器的性能。

Description

低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构

技术领域

本发明涉及霍尔推力器分配器结构领域，特别是一种低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构。

背景技术

近年来，随着微小卫星以及微纳卫星的兴起，低功率霍尔推力器也得到快速发展，百瓦级甚至更低功率的霍尔推力器迎来广阔应用前景。由于霍尔推力器功率越低，其结构尺寸越小，这便给推力器的设计、加工、组装工艺等带来困难。在霍尔推力器结构中，气体分配器置于放电通道内部内提供工质气体。为了将供气管路里的气体均匀注入放电通道，气体分配器设计有缓冲腔结构，气体在缓冲腔匀化后再均匀注入通道内。比如千瓦级霍尔推力器中，气体分配器设计为复杂的双缓冲腔。低功率霍尔推力器整体结构偏小，缓冲腔空间受限条件下，气体匀化效果越不明显；另外，低功率霍尔推力器尺寸随着功率的降低而不断减小，气体分配器零件尺寸过小而难以加工、焊接、以及组装等；最后低功率霍尔推力器放电通道尺寸过小，使得通道内气体停留时间不够进而电离不充分，这也是低功率霍尔推力器性能下降的主要原因之一。

现有的气体均匀化一般采用多腔结构，反复缓冲匀化来实现，但是仍然存在均匀化不充分或成本较高的问题。例如中国专利CN112012898A公开了一种低功率霍尔推力器用通道外置式分配器阳极一体化结构，包括导气柱、固定柱、进气腔室、单排孔腔室、双排孔腔室、通道腔室，通过将分配器与陶瓷通道在设计上进行了解耦，使得分配器的设计不再受制于陶瓷通道，且无需增加缓冲腔结构。虽然能够实现阳极气体匀化，但由于器件上设置的通孔较多使得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，同时采用多腔室匀化增大了推力器的径向包络尺寸，与追求小型化、低成本的低功率霍尔推力器的设计理念是相背的。另外该方案对推力器放电通道气体工质利用率偏低问题没有做出有益改进。因此，如何在放电通道空间有限的条件下，尽可能的提高气体分布均匀性以及提高工质利用率，是低功率霍尔推力器产品气体分配器研制面临的主要问题。

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低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构，能够将工质气体充分缓冲匀化，再逆向注入放电通道，显著提高气体在通道内的停留时间，提高工质利用率，增加推力器的性能。

本发明的技术方案是：低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构，包括出气通道组件、进气管、支撑杆、外壁筒和盖板。

所述出气通道组件包括底座、出气通道筒和气体缓冲筒，出气通道筒和气体缓冲筒同轴固定安装于底座上；在底座底面开有进气管定位通孔、第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔。

所述出气通道筒为圆环形结构，出气通道筒的上端面在整个周向上径向向外延伸形成第一突出部。

所述气体缓冲筒为圆环形结构，气体缓冲筒的上端面在整个周向上径向向内延伸形成第二突出部，气体缓冲筒的上端面外侧壁周向上轴向向外延伸形成第三突出部，第二突出部的上端面靠近内侧周向上轴向向外延伸形成第四突出部，第三突出部和第四突出部的厚度均小于圆环宽度；第二突出部的下端面圆周上均匀设有多个出气小孔，出气小孔的开口方向为轴向；沿着第三突出部外侧壁圆周上均匀设有多个导流小孔，导流小孔的开口方向为径向，所述出气小孔与导流小孔连通。

所述进气管的外径与底座底部进气管定位通孔的直径相同，进气管插入进气管定位通孔内，进气管的上端面与出气通道组件底部的上端面齐平，在出气通道组件底部下端面将进气管与出气通道组件进行密封焊接固定。

所述支撑杆的外径与底座底部第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔的直径相同，两根支撑杆分别插入第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔内，支撑杆的上端面分别与第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔的底部相接触，并在出气通道组件底部下端面将两根支撑杆与出气通道组件进行焊接固定。

所述外壁筒为圆环筒状结构，外壁筒与出气通道组件同轴设置且其外半径与出气通道组件底座的半径相同，外壁筒嵌套在出气通道组件底部的上端面，外壁筒的下端面与出气通道组件底部的上端面进行密封焊接固定。

所述盖板为圆环形，盖板与出气通道组件同轴设置，圆环形盖板的内径与出气通道组件第二突出部的内端面平行设置，圆环形盖板的外径与外壁筒的内半径相同；分别在盖板的下端面与出气通道组件第三突出部的上端面交接处，以及盖板的外端面与外壁筒的内半径交接处进行密封焊接。

本发明进一步的技术方案是：所述底座是圆形，厚度为4mm，进气管定位通孔、第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔圆心距离底座圆心的距离相等。

本发明再进一步的技术方案是：所述第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔与进气管定位通孔之间夹角均为90°；第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔的孔深均为2mm，进气管定位通孔、第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔的孔径均为3mm。

本发明更进一步的技术方案是：所述出气小孔直径为0.3mm，导流小孔直径为0.2-0.5mm，进气管的内径为1.5mm。

本发明更进一步的技术方案是：所述外壁筒、盖板和出气通道组件的外壁共同形成外缓冲腔，气体缓冲筒的上端面、第二突出部、第三突出部、第四突出部和盖板共同形成内缓冲腔，出气通道筒外壁、第一突出部和气体缓冲筒内壁共同形成放电通道。

本发明更进一步的技术方案是：气体进气管进入外缓冲腔中，在该外缓冲腔内实现一次匀化，然后通过导流小孔进入内缓冲腔中做二次匀化，最后由出气小孔沿着轴向逆向注入放电通道，气体逆向进入放电通道内，碰到通道底部后将反向运动，最终从通道出口流出，全程在通道内参与电离过程。

本发明更进一步的技术方案是：所述出气通道组件和盖板均采用导磁材料；所述进气管、支撑杆和外壁筒均采用不锈钢材料制作。

本发明更进一步的技术方案是：所述出气通道组件和盖板均采用DT4C或者1J22。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

本发明通过设置外缓冲腔和内缓冲腔，在气体缓冲筒上设置与进气管进气方向垂直的导流小孔，以及在内缓冲腔设置与导流小孔垂直的出气小孔，在未改变推力器包络的基础上提高了气体匀化效果；气体经过缓冲腔匀化后从通道出口附近沿着轴向逆向注入放电通道，相比现有从通道底部沿着轴向正向注入技术，改变了气体在通道内的注入位置和流动方向，使得气体在放电通道内的扩散路径延长至原来的2倍，停留时间相应增加了1倍，一方面提高了气体在通道内的均匀性，另一方面显著增大工质气体的电离率，提高了霍尔推力器的电离性能。

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

附图1为本发明出气通道组件的结构图；

附图2为附图1的仰视图；

附图3为附图1中I部分的放大图；

附图4为本发明分配器阳极一体结构的示意图；

附图5为现有技术中气体分配器的剖视图。

具体实施方式

实施例，如附图1-4所示，低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构，包括出气通道组件1、进气管2、支撑杆3、外壁筒4和盖板5。

所述出气通道组件1包括底座1-1、出气通道筒1-2和气体缓冲筒1-3，出气通道筒1-2和气体缓冲筒1-3同轴密封焊接于底座1-1上。所述底座1-1是圆形，厚度为4mm，在底座1-1底面半径为R1的圆周上依次开有进气管定位通孔1-1-1、第一支撑杆定位盲孔1-1-2和第二支撑杆定位盲孔1-1-3，且第一支撑杆定位盲孔1-1-2和第二支撑杆定位盲孔1-1-3与进气管定位通孔1-1-1之间夹角均为90°。第一支撑杆定位盲孔1-1-2和第二支撑杆定位盲孔1-1-3的孔深均为2mm，进气管定位通孔1-1-1、第一支撑杆定位盲孔1-1-2和第二支撑杆定位盲孔1-1-3的孔径均为3mm。

所述出气通道筒1-2为圆环形结构，出气通道筒1-2的上端面在整个周向上径向向外延伸形成第一突出部1-2-1。

所述气体缓冲筒1-3为圆环形结构，气体缓冲筒1-3的上端面在整个周向上径向向内延伸形成第二突出部1-3-1，气体缓冲筒1-3的上端面外侧壁周向上轴向向外延伸形成第三突出部1-3-2，第二突出部1-3-1的上端面靠近内侧周向上轴向向外延伸形成第四突出部1-3-3，第三突出部1-3-2和第四突出部1-3-3的厚度均小于圆环宽度；第二突出部1-3-1的下端面圆周上均匀设有多个出气小孔1-3-4，出气小孔1-3-4的开口方向为轴向，出气小孔直径为0.3mm；沿着第三突出部1-3-2外侧壁圆周上均匀设有多个导流小孔1-3-5，导流小孔1-3-5的开口方向为径向，导流小孔1-3-5直径为0.2-0.5mm，所述出气小孔1-3-4与导流小孔1-3-5连通。

所述进气管2的外径与底座1-1底部进气管定位通孔1-1-1的直径相同，进气管2的内径为1.5mm，进气管2插入进气管定位通孔1-1-1内，进气管2的上端面与出气通道组件1底部的上端面齐平，在出气通道组件1底部下端面将进气管2与出气通道组件1进行密封焊接固定。

所述支撑杆3的外径与底座1底部第一支撑杆定位盲孔1-1-2和第二支撑杆定位盲孔1-1-3的直径相同，两根支撑杆3分别插入第一支撑杆定位盲孔1-1-2和第二支撑杆定位盲孔1-1-3内，支撑杆3的上端面分别与第一支撑杆定位盲孔1-1-2和第二支撑杆定位盲孔1-1-3的底部相接触，并在出气通道组件1底部下端面将两根支撑杆3与出气通道组件1进行焊接固定。

所述外壁筒4为圆环筒状结构，外壁筒4与出气通道组件1同轴设置且其外半径与出气通道组件1底座1-1的半径相同，外壁筒4嵌套在出气通道组件1底部的上端面，外壁筒4的下端面与出气通道组件1底部的上端面进行密封焊接固定。

所述盖板5为圆环形，盖板5与出气通道组件1同轴设置，圆环形盖板5的内径与出气通道组件1第二突出部1-3-1的内端面平行设置，圆环形盖板5的外径与外壁筒4的内半径相同。分别在盖板5的下端面与出气通道组件1第三突出部1-3-2的上端面交接处，以及盖板5的外端面与外壁筒4的内半径交接处进行密封焊接。

所述外壁筒4、盖板5和出气通道组件1的外壁共同形成外缓冲腔，气体缓冲筒1-3的上端面、第二突出部1-3-1、三突出部1-3-2、第四突出部1-3-3和盖板5共同形成内缓冲腔，出气通道筒1-2外壁、第一突出部1-2-1和气体缓冲筒1-3内壁共同形成放电通道。

所述出气通道组件1和盖板5均采用导磁材料，例如DT4C或者1J22。所述进气管2、支撑杆3和外壁筒4均采用不锈钢材料制作。

气体从贮供单元流出，从该分配器阳极一体结构的进气管2进入外缓冲腔中，在该外缓冲腔内实现一次匀化，然后通过导流小孔1-3-5在气体缓冲筒1-3的上端面、第二突出部1-3-1、第三突出部1-3-2、第四突出部1-3-3和盖板5形成的内缓冲腔中进行二次匀化，最后由出气小孔1-3-4逆向注入出气通道筒1-2外壁、第一突出部1-2-1和气体缓冲筒1-3内壁形成的放电通道中，在气体压力的作用下，绝大部分气体从出气小孔1-3-4沿着轴向朝放电通道内喷入放电通道底部，极少部分由放电通道的出气口直接逃逸出去；气体朝着放电通道内扩散，当碰见放电通道底部后将反向运动，即沿着放电通道出口方向扩散流出通道，气体在放电通道内全程参与电离过程。

该分配器阳极一体结构一方面通过设置导流小孔1-3-5的气流方向与进气管2的气流方向垂直，避免了进气管2流入的气体直接从导流小孔1-3-5流出，从而在外缓冲腔内对气体起到很好的扰匀效果；另一方面，导流小孔1-3-5的气流方向亦与出气小孔1-3-4的气流方向垂直，进一步提高了内缓冲腔内气体的均匀性。

为了进一步明晰该分配器阳极一体结构放电通道内气体均匀性，采用有限元软件进行仿真分析，首先在有限元仿真软件中按照1：1的比例对气体分配器进行模型构建，然后结合低功率霍尔推力器的额定工作参数，以阳极1的气体流量1sccm为进气管流量，仿真得到该工况下分配器阳极一体结构内的气体密度分布，从气体密度分布能够知道，该低功率霍尔推力器的外置式逆向注入气体分配器在工作过程中，在放电通道内气体分布均匀性较好，很好的实现了气体均匀的设计目标。

将上述分配器阳极一体结构与如附图5所示的现有技术CN112012898A中采用的气体分配器进行比较，能够看出上述分配器阳极一体结构由于气体的扩散路径经过外缓冲腔、内缓冲腔再从内缓冲腔逆向注入放电通道，气体在放电通道内的扩散路径约为通道长度的2倍，而现有技术中气体在放电通道内扩散路径的长度仅为通道长度，因此，气体在放电通道内停留的时间显著增加，使得气体与电子的碰撞概率增大，进而提高了霍尔推力器的效率。

Claims (7)

1.低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构，其特征是：包括出气通道组件、进气管、支撑杆、外壁筒和盖板；

所述出气通道组件包括底座、出气通道筒和气体缓冲筒，出气通道筒和气体缓冲筒同轴固定安装于底座上；在底座底面开有进气管定位通孔、第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔；

所述出气通道筒为圆环形结构，出气通道筒的上端面在整个周向上径向向外延伸形成第一突出部；

所述气体缓冲筒为圆环形结构，气体缓冲筒的上端面在整个周向上径向向内延伸形成第二突出部，气体缓冲筒的上端面外侧壁周向上轴向向外延伸形成第三突出部，第二突出部的上端面靠近内侧周向上轴向向外延伸形成第四突出部，第三突出部和第四突出部的厚度均小于圆环宽度；第二突出部的下端面圆周上均匀设有多个出气小孔，出气小孔的开口方向为轴向；沿着第三突出部外侧壁圆周上均匀设有多个导流小孔，导流小孔的开口方向为径向，所述出气小孔与导流小孔连通；

所述进气管的外径与底座底部进气管定位通孔的直径相同，进气管插入进气管定位通孔内，进气管的上端面与出气通道组件底部的上端面齐平，在出气通道组件底部下端面将进气管与出气通道组件进行密封焊接固定；

所述支撑杆的外径与底座底部第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔的直径相同，两根支撑杆分别插入第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔内，支撑杆的上端面分别与第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔的底部相接触，并在出气通道组件底部下端面将两根支撑杆与出气通道组件进行焊接固定；

所述外壁筒为圆环筒状结构，外壁筒与出气通道组件同轴设置且其外半径与出气通道组件底座的半径相同，外壁筒嵌套在出气通道组件底部的上端面，外壁筒的下端面与出气通道组件底部的上端面进行密封焊接固定；

所述盖板为圆环形，盖板与出气通道组件同轴设置，圆环形盖板的内径与出气通道组件第二突出部的内端面平行设置，圆环形盖板的外径与外壁筒的内半径相同；分别在盖板的下端面与出气通道组件第三突出部的上端面交接处，以及盖板的外端面与外壁筒的内半径交接处进行密封焊接；

所述外壁筒、盖板和出气通道组件的外壁共同形成外缓冲腔，气体缓冲筒的上端面、第二突出部、三突出部、第四突出部和盖板共同形成内缓冲腔，出气通道筒外壁、第一突出部和气体缓冲筒内壁共同形成放电通道。

2.如权利要求1所述的低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构，其特征是：所述底座是圆形，厚度为4mm，进气管定位通孔、第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔圆心距离底座圆心的距离相等。

3.如权利要求2所述的低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构，其特征是：所述第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔与进气管定位通孔之间夹角均为90°；第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔的孔深均为2mm，进气管定位通孔、第一支撑杆定位盲孔和第二支撑杆定位盲孔的孔径均为3mm。

4.如权利要求1所述的低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构，其特征是：所述出气小孔直径为0.3mm，导流小孔直径为0.2-0.5mm，进气管的内径为1.5mm。

5.如权利要求1所述的低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构，其特征是：气体进气管进入外缓冲腔中，在该外缓冲腔内实现一次匀化，然后通过导流小孔进入内缓冲腔中进行二次匀化，最后由出气小孔沿着轴向逆向注入放电通道，碰到放电通道底部后将反向运动，最终从通道出口流出。

6.如权利要求1所述的低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构，其特征是：所述出气通道组件和盖板均采用导磁材料；所述进气管、支撑杆和外壁筒均采用不锈钢材料制作。

7.如权利要求6所述的低功率霍尔推力器的气体逆向注入分配器阳极一体结构，其特征是：所述出气通道组件和盖板均采用DT4C或者1J22。

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