CN115681052A - 霍尔推力器、具有其的设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及霍尔推力器、具有其的设备及其使用方法。所述霍尔推力器的导磁回路包括：用于产生磁场的内磁元件，所述内磁元件位于所述霍尔推力器的中心处；外磁元件，所述外磁元件围绕所述内磁元件，并且所述外磁元件的末端具有径向向内的凸起尖部；以及导磁内芯，所述导磁内芯安装于所述内磁元件的末端，所述导磁内芯的内侧与所述凸起尖部之间构成放电通道，其中，所述霍尔推力器还包括阳极/气体分配器，所述阳极/气体分配器的阳极端面伸入到所述内磁元件与所述外磁元件之间、与所述内磁元件与所述外磁元件相隔并且接近所述放电通道。本发明能够在微小功率、微小流量、低损耗、简单结构的情况下实现微牛甚至亚微牛级推力。

Description

霍尔推力器、具有其的设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及空间推进技术领域；具体而言，本发明涉及霍尔推力器、具有其的设备及其使用方法。

背景技术

霍尔推力器是一种空间电推进装置，被广泛应用于空间推进领域，也是当前空间飞行器的首选推进装置之一。例如，其典型的应用场合包括应用于卫星的姿轨控与深空探测主推进装置。

图1示出了一种传统稳态等离子体霍尔推力器的工作原理。如图中所示，在推力器内部有一对互相垂直的电场F1和磁场F2，电场沿轴向方向，磁场沿径向方向。阴极1是一个维持稳定放电的电子源，其产生的电子在阳极高电位的吸引下进入径向磁场区域，电子在径向磁场与轴向电场的E×B电磁力的作用下，做周向漂移运动，形成了周向的电子电流。工质气体通过阳极2进入环形放电室，再到达径向电子漂移区，电子与工质气体中的中性原子激烈碰撞并使其电离。在轴向电场的作用下，推力器内部的离子产生轴向加速度，并最终高速喷出，形成反推力。

对于这种霍尔推力器而言，过高的放电电压会引起放电通道3内的电荷积累与放电，损伤陶瓷放电通道，而且较高的放电电压会使放电通道承载过高的功率沉积从而影响推力器的综合性能。因此，这种推力器一般工作在较低的电压状况下，降低放电电阻从而进一步降低放电通道3壁面热功率沉积与损耗。

这种霍尔推力器难以实现极低的工作流量、放电电流及放电功率。另外，这种霍尔推力器的推力下限一般也较高，且在小推力工作模式下效率与比冲一般较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了霍尔推力器、具有其的设备及其使用方法，从而解决或者至少缓解了现有技术中存在的上述问题和其他方面的问题中的一个或多个。

为了实现前述目的，根据本发明的第一方面提供了一种霍尔推力器，其中，所述霍尔推力器的导磁回路包括：

用于产生磁场的内磁元件，所述内磁元件位于所述霍尔推力器的中心处；

外磁元件，所述外磁元件围绕所述内磁元件，并且所述外磁元件的末端具有径向向内的凸起尖部；以及

导磁内芯，所述导磁内芯安装于所述内磁元件的末端，所述导磁内芯的内侧与所述凸起尖部之间构成放电通道，

其中，所述霍尔推力器还包括阳极/气体分配器，所述阳极/气体分配器的阳极端面伸入到所述内磁元件与所述外磁元件之间、与所述内磁元件与所述外磁元件相隔并且接近所述放电通道。

可选地，在如前所述的霍尔推力器中，所述内磁元件为中空圆柱形的永磁体，所述外磁元件和所述导磁内芯为金属导磁体，并且所述内磁元件具有高磁场强度和高居里温度，所述外磁元件和所述导磁内芯具有高磁导率和高居里温度。

可选地，在如前所述的霍尔推力器中，所述导磁内芯的外周套设有六硼化镧材料的保护环，并且所述保护环与所述凸起尖部对齐。

可选地，在如前所述的霍尔推力器中，所述导磁内芯包括上导磁内芯和下导磁内芯，所述上导磁内芯和所述下导磁内芯上下叠置，所述保护环被夹置于所述上导磁内芯和所述下导磁内芯之间。

可选地，在如前所述的霍尔推力器中，所述霍尔推力器具有内铜芯，所述上导磁内芯的下端置于所述下导磁内芯的顶部的凹槽中，所述下导磁内芯具有中心通孔，所述内铜芯的上端穿过所述通孔并且将所述上导磁内芯、所述下导磁内芯及所述保护环保持在一起。

可选地，在如前所述的霍尔推力器中，所述霍尔推力器的外壳包括限定中空结构的侧壁和底座，所述侧壁用作所述外磁元件，所述侧壁和所述底座一体加工成型，所述底座包括底座内圈，并且，所述内铜芯的下端固定于所述底座内圈，所述内磁元件在所述下导磁内芯和所述底座内圈之间套设于所述内铜芯上，并且被所述下导磁内芯和所述底座内圈夹紧。

可选地，在如前所述的霍尔推力器中，所述阳极/气体分配器为双层空心阳极/气体分配器，其包括焊接在一起的底座、第一缓冲腔及第二缓冲腔，所述底座内为连接螺柱或进气管，所述连接螺柱与所述进气管穿过所述霍尔推力器的外壳的底座，并且所述连接螺柱与所述进气管外分别套设有绝缘柱从而与所述霍尔推力器的外壳的底座绝缘。

可选地，在如前所述的霍尔推力器中，所述霍尔推力器具有外置无工质阴极。

为了实现前述目的，根据本发明的第二方面提供了一种具有如前述第一方面中任一项所述的霍尔推力器的设备，所述设备为人造卫星或空间站。

为了实现前述目的，根据本发明的第三方面提供了一种如前述第一方面中任一项所述的霍尔推力器的使用方法，所述方法包括冷气推进模式和/或电推进模式，其中：

所述冷推进模式为在没有阳极供电的情况下从所述阳极/气体分配器分配工质气体并自所述放电通道直接将所述工质气体排出；

所述电推进模式为在向所述阳极/气体分配器提供工质气体使所述工质气体进入放电通道的情况下，施加电场和磁场使所述工质气体电离并出射高速离子。

本发明能够在微小功率、微小流量、低损耗、简单结构的情况下实现微牛甚至亚微牛级推力。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将更加显然。应当了解，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是现有技术霍尔推力器的工作原理示意图；

图2是根据本发明的霍尔推力器的一个实施例的立体示意图；

图3是图2中霍尔推力器的剖视示意图；以及

图4是图3中霍尔推力器的局部放大剖视示意图。

附图标记：F1：电场；F2：磁场；1：阴极；2：阳极；3：放电通道；10：霍尔推力器；11-外磁元件；12-上导磁内芯；13-下导磁内芯；14-保护环；15-内铜芯；16-内磁元件；17-阳极/气体分配器；18-进气管；19-连接螺柱；20-绝缘柱。

具体实施方式

参照附图和具体实施例，下面将以示例方式来说明根据本发明的霍尔推力器、具有其的设备及其使用方法的结构组成、特点和优点等，然而所有描述不应用于对本发明形成任何限制。

此外，对于在本文提及的实施方式中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，本发明仍然允许在这些技术特征（或其等同物）之间继续进行任意组合或者删减而不存在任何的技术障碍，从而应当认为这些根据本发明的更多实施方式也是在本文的记载范围之内。

还需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图2是根据本发明的霍尔推力器的一个实施例的立体示意图。具体地，图中示出了该霍尔推力器10的外壳（其包括外磁元件11及其一体底座）、上导磁内芯12、保护环14、阳极/气体分配器17、绝缘柱20。

图中的外磁元件11构成霍尔推力器10的外壳的环形部分。从图上可以看出，除外磁元件11之外，该霍尔推力器10的外壳还包括与外磁元件11一体的底座外圈。该底座外圈和外磁元件11可以由相同材料制成。

该底座外圈所在平面垂直于所述外磁元件11的轴向。该底座外圈上可以周向均匀地布置有安装孔，例如四个安装孔。在图中仅可以看到其中的三个安装孔。在不同的实施例中，安装孔的数量可变，例如可以为更少或者更多数量的安装孔。通过这些安装孔，可以将霍尔推力器安装到需要被推动的设备上，这些设备可以例如但不限于人造卫星、空间站等。

另外，这种一体加工成型的推力器外壳还具有可塑性强的优点，方便后续磁场的优化设计。

同时，图中还示出了绝缘柱20，它们均沿霍尔推力器10的轴向延伸，示例为呈圆柱形，并且从霍尔推力器的外壳的底座内圈（见图3）伸出。在该实施例中，霍尔推力器可包括四个绝缘柱20，但图中仅可以看到其中的三个。在不同的实施例中，也可以具有更少或更多数量的绝缘柱20。这些绝缘柱20可以由陶瓷材料制成。阳极/气体分配器17的进气管18与连接螺柱19位于这些绝缘柱20内，从而与霍尔推力器的外壳绝缘。

图2中仅简单地示出了该霍尔推力器的外部构造。图3则更详细地示出了该霍尔推力器的内部构造。具体地，图3是图2中霍尔推力器10的剖视示意图。从图中可以看出，这种霍尔推力器10主要包括：外磁元件11；上导磁内芯12；下导磁内芯13；保护环14；内铜芯15；内磁元件16；阳极/气体分配器17；进气管18；连接螺柱19；绝缘柱20。

在该实施例中，内磁元件16、外磁元件11、上导磁内芯12、下导磁内芯13共同构成导磁回路。阳极/气体分配器17的阳极可以产生轴向电场。磁场和电场相互垂直，使得周向运动的电子与轴向排出的气体工质发生电离碰撞产生等离子体，并且在电场的作用下使产生的离子加速向外喷出，形成推力。后面会结合图4详细描述该霍尔推进器10的具体工作原理。

在导磁回路中，内磁元件16可以为永磁体，外磁元件11和导磁内芯可以为金属导磁体，并且内磁元件16、外磁元件11和导磁内芯具有高磁导率（或磁场强度）和高居里温度（例如超过800℃）。在工作中，内磁元件16产生的强磁场首先通过霍尔推力器的外壳底座导送至外壳的上部凸起尖部，并穿过放电空腔到达上下导磁内芯12、13，最后回到内磁元件16的另外一极，形成闭合导磁回路，完成推力器磁场位型的构建。

如图中所示，用于产生磁场的内磁元件16位于霍尔推力器的中心处。内磁元件16为中空圆柱形的永磁体。该内磁元件16可以有较强的磁场强度（例如，可在放电通道中心处产生超过一千高斯的磁场强度），使其可在小尺寸的放电通道内产生强大的径向磁场完成对电子的约束，有效减少其壁面损失，提升电离率。由于内磁元件16具有高居里温度（例如超过800℃），可在400摄氏度的高温下保持良好的工作性能，故内磁元件16可承受较大的功率沉积而不产生退磁现象，在高功率沉积的工作状况下也可产生较强的磁场，确保推力器的正常磁场位型。

外磁元件11围绕内磁元件16，并且外磁元件11的末端具有径向向内的凸起尖部。该凸起尖部与保护环14对齐，适于无壁放电通道的形成。

从图中可以看出，霍尔推力器10的外壳包括限定中空结构的侧壁和底座，底座包括底座外圈和底座内圈，该侧壁用作外磁元件11，侧壁和底座内圈、底座外圈一体加工成型。霍尔推力器外壳10的该一体加工成型中空结构为霍尔推力器的内部结构提供了支撑。在该底座内圈上可周向均匀地布置有四个孔，用于进气管18与连接螺柱19的定位与连接。所述外磁元件11用于代替一般霍尔推力器的外部永磁铁或线圈进行推力器磁场的构建。

在图示示例中，上导磁内芯12和下导磁内芯13分别为独立部件。上导磁内芯12、下导磁内芯13位于内磁元件16的末端，上导磁内芯12、下导磁内芯13与凸起尖部之间构成放电通道。上导磁内芯12和下导磁内芯13上下叠置，保护环14被夹置于上导磁内芯12和下导磁内芯13之间，并且与凸起尖部对齐。

所述保护环14可以为环状片，安装在上导磁内芯12与下导磁内芯下之间的槽内，并通过上导磁内芯12、下导磁内芯13与内铜芯15固定连接压紧。

在可选的实施例中，上导磁内芯12和下导磁内芯13也可以为一体制成的导磁内芯，在导磁内芯的外周套设有保护环14，并且保护环与凸起尖部对齐。

该保护环14可以由六硼化镧材料制成。相较于常规石墨或钽保护环，所述保护环14材料为六硼化镧，既可作为保护环14保护推力器内环，又可在离子的轰击作用下，产生电子。该电子一方面可经阳极电压加速获得能量，进入放电通道内，并被径向磁场束缚，进行周向霍尔漂移，在漂移过程中作为电离电子电离来自轴向的工质气体，在损失能量后进行跨场漂移到达阳极，行成电子放电电流；另一方面可在束流等离子体电势的吸引下，与出射的束流离子中和，使束流的电性降低，降低对外置阴极（如果有）电子电流的需求；且在工作流量较小的情况下，所述保护环14产生的电子可以基本满足推力器对电离与中和的电子的需求，取代外置阴极，维持自持放电，降低系统功率，延长外置阴极寿命。可见，在此实施例中的保护环有效的利用了其位置特性，赋予了保护环更多的功能、有效提升了霍尔推力器的电离率，并一定程度上中和了束流离子。

霍尔推力器具有内铜芯15。如图中所示，上导磁内芯12中有螺纹孔，上导磁内芯12的下端置于下导磁内芯13的顶部的凹槽中，下导磁内芯具有中心通孔，内铜芯5的上端螺柱穿过通孔并且将上导磁内芯12、下导磁内芯13及保护环14保持在一起。

内铜芯15的下端通过台阶固定于霍尔推力器的外壳的底座上，环形的内磁元件16安装至内铜芯15上，具体是在下导磁内芯12和该底座之间套设于内铜芯15上，并且被下导磁内芯12和与底座夹紧。由此，内铜芯15将外磁元件11、上导磁内芯12、下导磁内芯13、保护环14与内磁元件16连接定位至同一轴心，并压紧索牢，保证其固定。铜材质的内铜芯与这些磁元件放置在一起，方便它们的导热，有益于降低其功率沉积。

如图中所示，所述霍尔推力器10还包括阳极/气体分配器17，阳极/气体分配器17的阳极端面伸入到内磁元件16与外磁元件11之间、与所述内磁元件16与所述外磁元件11相隔并且接近放电通道。通过如此设置，阳极/气体分配器17伸入霍尔推力器10内部的部分与内磁元件16、外磁元件11隔开，因而内磁元件16的外壁、外磁元件11的内壁不会形成放电腔或放电通道的侧壁，避免在此处形成壁面热功率沉积与损耗。

从图中可以看出，阳极/气体分配器17为双层空心阳极/气体分配器，其包括焊接例如激光焊接在一起的底座、第一缓冲腔及第二缓冲腔，底座周向均布有连接螺柱与进气管。

第二缓冲腔的顶部或侧面周向均匀布置有一系列进气孔，用于工质气体的分配。阳极/气体分配器17最下层底座内为三根连接螺柱19与一根进气管18，并穿过霍尔推力器的导磁外壳连接至外部组件。连接螺柱19与进气管18穿过霍尔推力器的外壳的底座，并且连接螺柱与进气管外分别套设有绝缘柱20从而与霍尔推力器的外壳的底座绝缘。

所述阳极/气体分配器17为双层进气结构，且底层进气腔内的进气口的直径可以大于上层进气腔内的进气口的直径，完成对气体工质的均匀化。所述阳极/气体分配器17的出气孔可以置于其顶端面，构成常规的顶端周向圆孔出气结构。也可将出气孔置于侧面周向，上端面为一平面，此种结构可有效避免阳极/气体分配器17端面沉积镀膜导致的出气孔孔径不均，进而导致出气量不均。所述阳极/气体分配器17的阳极顶层端面距放电通道出口下端距离可以为例如1-5毫米，放电通道短，阳极距放电通道出口近，为一种典型的阳极层霍尔推力器。

所述绝缘柱20可以为陶瓷制成的，套装于连接螺柱19与进气管18外部，并穿过霍尔推力器的外壳，且绝缘柱20置于外壳内部的部分的外径大于外壳上的装配孔，绝缘柱20置于外壳外部的部分的外径等于外壳上的装配孔，通过控制置于外壳内部的绝缘柱20的长度来完成对阳极/气体分配器17的定位，并用于对阳极/气体分配器17与外壳的绝缘。

在本实施例中，各部件的材料可以示例为如下所述：外磁元件11、上导磁内芯12与下导磁内芯13材料为耐高温高磁导率导磁材料（例能够承受的工作温度可达500℃）；所述保护环14材料为六硼化镧；所述内铜芯15材料为红铜；所述内磁元件16材料为耐高温高居里温度永磁铁（例如居里温度超过800℃，工作温度可达500℃）；所述阳极/气体分配器17、进气管18与连接螺柱19材料为钽；所述绝缘陶瓷柱20材料为氧化铝陶瓷。

由此，该实施例的霍尔推力器可以具有如下的特征与优点：由于该霍尔推力器中的导磁材料（包括外磁元件11、上导磁内芯12、下导磁内芯13）具有高导磁率，故可有效地代替常规霍尔力器的外磁线圈，完成磁场位型的构建；由于这些导磁材料有较高的居里温度（例如超过800℃的居里温度），故这些导磁材料可承受较大的功率沉积并且同时可以保持较高的导磁率，确保推力器的正常磁场位型；由于所述导磁材料为金属，故可有效避免电荷积累导致的电弧放电，且由于有较高的导热系数，可有效缓解功率沉积导致的高工作温度，作为放电腔的一部分，所述金属导磁材料拥有相较于陶瓷放电腔更低的二次电子发射系数，这导致金属放电腔的鞘层电势明显低于陶瓷放电腔的鞘层电势，有效阻止电子向放电腔壁面迁移，减小了避免损失；由于等离子体的准中性条件，离子的壁面损失也会相应的减少，可有效缓解由于粒子径向迁移导致的功率沉积与损失。

图4是图3中霍尔推力器的局部放大剖视示意图，其中示出了离子、中性原子、电子及其运动示意。

在图中，在保护环14和外磁元件11的凸起尖部之间的区域下游部分大致为加速区的开端区域，离子在此区域开始被加速，上游部分大致为电离区，离子多在此区域产生。

以下对三个过程A、B、C进行阐述：（A）高能离子轰击六硼化镧保护环14，使其发射电子，产生的电子一部分随高能高速离子流向羽流区，中和离子，另一部分在阳极高电势的吸引下，重新加速回到电离区，继续电离工质气体；（B）离子经轴向电场的加速射出放电通道，形成推力；（C）电离电子与工质气体发生电离碰撞后损失能量，向阳极迁移，形成电子电流。

在可选的实施例中，霍尔推力器可以另外具有外置无工质阴极。在其它方面，霍尔推力器的构成、材料与特征优势均与其它实施例相同。在该实施例中添加了外置无工质阴极作为外部电子源，需要两路电路与一路气路。下述为该实施例的工作流程。应当了解，该本实施例的工作流程不应被此流程限制，可根据不同的部组件构成与具体任务需求灵活变更。

该霍尔推力器在点火启动时使用的电子包括空间原初电子与外置阴极电子；在推力器工作过程中，外置阴极不断地为推力器放电通道内的电离提供电子，并为出射束流离子的中和提供电子。外部电子源由于较阳极/气体分配器17的相对位置较远，故阴极电子可以在阳极高压的加速下携带更高的能量进行周向霍尔漂移，提升电离率。另一方面，阴极可产生足量的电子用于中和出射的束流离子，保证束流的准中性。由于增设了外部电子源，在大流量工况下较无阴极的实施例有着更高的电离率与更高的推力与比冲。

本实施例已作在实验室的弱力测量扭摆上进行了系列相关实验，在工质气体的极小流量下，以千伏量级的放电电压成功的获得了微牛级的推力覆盖范围，且暂未观察到外部放电与放电腔内打火，放电电流振荡也较为微弱，推力器与外置阴极总功率高，有着极高的推功比。

在此还提出了具有前述霍尔推力器的设备，例如但不限于人造卫星或空间站，以用于其轨道调节等并且控制性能稳定可靠。例如，在一种人造卫星中，可以采用两个推力器簇共携带四个上述霍尔推力器，四路电路、四路管路、无外置阴极，极大地简化了系统构成，降低了系统总重量与总功耗。经验证，在冷气推进模式下可获得0.1-150微牛的推力范围覆盖，在电推进模式可获得5-100微牛的推力范围覆盖，因而证实了其稳定性与可靠性。

在此还提出了使用前述各实施例中的霍尔推力器的方法，其可以包括冷推进模式和电推进模式。在这些使用中，该霍尔推力器的方案中可以有或无额外外置阴极，仅需一路气路与一路电路。

在前述霍尔推力器的冷推进模式中，在没有阳极供电的情况下从所述阳极/气体分配器分配工质气体并自放电通道直接将工质气体排出。在这种冷气推进模式下，无需阳极供电，仅需一路气路即可完成工作，可产生亚微牛级推力。工质气体通过进气管18进入阳极/气体分配器17，经双腔完成工质气体的均匀化后从阳极/气体分配器17的顶端出气孔流出，进入放电腔中，后流出霍尔推力器，直接产生有效推力。

在前述霍尔推力器的电推进模式中包括以下步骤：在阳极/气体分配器提供工质气体使工质气体进入放电通道中，施加电场和磁场使工质气体电离并出射高速离子。在这种电推进模式下需要对阳极进行高压供电，并需要一路气体。其工作过程包括：工质气体首先通过进气管18进入阳极/气体分配器17，经双腔完成工质气体的均匀化后从阳极/气体分配器17的顶端出气孔流出，进入放电腔中；阳极电源开启，对阳极施加电压，空间中的原初电子经阳极高电势的吸引开始进入放电通道，获得较高的电子能量，并在接近阳极/气体分配器17的过程中被内磁元件16产生的高强度径向磁场约束，围绕着周向做霍尔漂移，在漂移的过程中与来自轴向的工质气体发生电离碰撞，电离工质气体产生等离子体；碰撞后的电子失去大部分电子能量并开始做周向漂移，进入阳极/气体分配器17，形成电子电流；被电离的工质气体产生等离子体，等离子体中的电子一部分再被阳极加速后被径向磁场束缚，继续作为电离电子维持等离子体的产生，另一部分经跨场漂移流向阳极/气体分配器17，产生稳定的电子放电电流；被电离的工质气体产生等离子体，等离子体中的离子经轴向强电场的加速以极高的速度射出放电腔产生推力；其中部分离子会直接轰击至保护环14上，在离子的持续轰击下，六硼化镧保护环14可在高速离子的持续轰击下维持稳定的电子发射；六硼化镧保护环14发射的电子一部分在阳极高电位的吸引下向轴向运动，获得电子能量，并在此过程中被径向磁场约束，沿周向做霍尔漂移，在漂移的过程中与来自轴向的工质气体发生电离碰撞，持续产生等离子体，另一部分电子脱离阳极高电位与径向磁场的束缚，运动至放电通道外，在加速区等离子体电势的吸引下，与出射的高速离子进行中和，完成束流的自发中和。整个工作流程中，由于这种霍尔推力器的特性，推力器可工作在极低的工质气体流量下。至此，这些实施例的推力器，在原初电子与六硼化镧保护环14电子的维持下，进入了稳定的放电过程，此时推力器的放电电流、电离率与推力较初始状态均有较大的提升，且由于短放电通道与无壁的特性，电离区与加速区均一定程度上进行了外移，尤其加速区基本位于放电通道外侧，有效的减缓了了粒子与壁面的作用，降低了流向壁面的离子流，进而降低了避免损失，减缓了高能离子对保护环的轰击溅射。

上述为前述方法中霍尔推力器的工作流程。应当了解，本发明各实施例的工作流程不应受此流程限制，而是可以根据不同的部组件构成与具体任务需求灵活变更。

结合以上描述可以了解，本发明的各实施例的设计思路与传统思路不同。在本发明中，为实现微牛级推力，霍尔推力器通过磁元件的结构和/或选材，增强了径向约束磁场（例旭超过1500Gs），在使用中可以减小工质气体流量（例如0.1sccm，缩小了至少一个数量级）、极大地增加放电电压（例如常规工作电压超过1000V）。这样，通过增强径向约束磁场，使电子可被稳定束缚在周向磁场中做霍尔漂移，但同时强径向磁场也增加了电子跨场向阳极传导的难度，故而提升了阳极放电电压。一方面高放电电压提升了电子的能量，使其对于工质气体的电离能力更为出色，在小流量工况下也可产生客观的等离子体，另一方面通过增大放电电压增强放电电子电流，维持推力器的稳定放电。

本实施例霍尔推力器的放电腔属于一种短电离与加速区的无壁放电腔室，可减缓由于高电阻率导致的对于放电腔壁面的功率沉积；且高居里温度内磁元件16与耐高温导磁材料可有效适应较高的电阻率导致的功率损耗与沉积。

进一步地，所述极高的放电电压，例如千伏高压，可有效提高出射束流离子的出射速度，一方面可有效提升推力器比冲，另一方面可有效提升推力器推力。同时，较高速度的离子对六硼化镧保护环4的轰击可使其产生更多的电子，辅助电离。

霍尔推力器的阳极端面距放电通道出口较近，且放电腔内无壁面，形成了短电离/加速区的无壁放电腔结构，此结构缩短了电离区与加速区，且可通过合理的磁场设计使负磁场梯度区与大电势降区亦即加速区外移至放电通道外，尽量避免了等离子体与壁面的作用，使电离与加速两个重要的物理过程延伸至放电通道出口及其外侧，形成部分磁屏蔽，有效减缓了高能粒子对壁面及保护环14的轰击刻蚀，同时也有效的降低了放电腔与保护环的功率沉积，可有效提高推力器寿命。

相比之下，传统的稳态等离子体霍尔推力器与阳极层霍尔推力器的放电电压一般在200-600V之间，极少超过1000伏特；对于传统稳态等离子体推力器，过高的放电电压会引起陶瓷放电通道内的电荷积累与放电，损伤陶瓷放电通道，且较高的放电电压会使陶瓷放电通道承载过高的功率沉积从而影响推力器的综合性能，故传统稳态等离子体推力器一般工作在较低的电压状况下。因而，对于传统的一般阳极层霍尔推力器，本着降低放电电压从而降低放电电阻从而进一步降低放电通道壁面热功率沉积与损耗的观念，会选择适当的径向磁场以获取较低的等离子体电阻率与较低的放电电压。基于上述传统思路设计出来的稳态等离子体推力器与阳极层霍尔推力器较难实现极低的工作流量、放电电流与放电功率，进一步的，其推力下限一般也较高，且在小推力工作模式下效率与比冲一般较低。

因而，在本发明的前述实施例中，霍尔推力器及其使用方法的特点可以在于以下各方面中的一种或多种：

千伏高压、低流量放电，增强电子电离能力，提升电离率，提升出射离子速度，进而提升推力与比冲，使推力器可在极低的功率下产生稳定的微牛级推力；

短电离/加速区的无壁放电腔，且阳极端面距放电通道出口较近，通过合理的磁场设计可将加速区外移至放电通道外，无壁放电腔与外移加速区有效地形成了部分屏蔽，减缓了粒子对放电腔与保护环的轰击，减小了功率沉积并有效延长了推力器寿命；

六硼化镧保护环，承担保护环的作用的同时，可作为被动电子源，在小流量放电情况下替代外置阴极，减少系统功耗与体积，精简系统构成，降低任务成本；

高磁导率金属导磁材料，也有较高的居里温度，作为磁场设计的重要组成部分，用于替代外磁线圈或外磁铁，金属材料可有效的减小热功率负载；

耐高温与高场强内磁元件，有较高的局里温度，在较高的功率沉积的情况下也可在狭窄的放电通道内产生较强的径向磁场；

作为冷气推力器可弥补电推力器推力下限不足的问题，拓展推进系统的推力覆盖范围。

前述实施例的最终效果可以包括如下中的一个或多个：

可在极小流量工况下以极高的放电电压，在不需要额外阴极的情况下维持稳定的工作状况，以极低的功率与较高的比冲产生稳定的微牛级推力；

霍尔推力器结构简洁紧凑，仅需极少的部组件，且装配过程简单，对装配精度并无较高的要求；

无需额外的点火装置、电源与气路，仅需一路供气与一路高压供电即可工作，通过空间原初电子与六硼化镧保护环14产生的电子即可完成点火与自持放电，降低了对点火的需求，并有效缩短了推进系统点火时间，可在数秒之内完成快速点火，有效提升了系统的响应速度；

工作稳定可靠，仅需阳极/气体分配器17一路供电与供气即可在小流量下通过六硼化镧保护环14维持稳定的自持放电，在大流量下配合外置阴极即构成常规常见的霍尔推力器系统；

在电推力器无法达到极小推力（如亚微牛）的情况下，可关闭电源作为一款纯冷气推力器使用，通过直接喷出经阳极/气体分配器17均匀化之后的工质气体来直接产生推力，从而实现极小推力范围的覆盖。

本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施方式进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种霍尔推力器，其特征在于，所述霍尔推力器的导磁回路包括：

用于产生磁场的内磁元件，所述内磁元件位于所述霍尔推力器的中心处；

外磁元件，所述外磁元件围绕所述内磁元件，并且所述外磁元件的末端具有径向向内的凸起尖部；以及

导磁内芯，所述导磁内芯安装于所述内磁元件的末端，所述导磁内芯的内侧与所述凸起尖部之间构成放电通道，

其中，所述霍尔推力器还包括阳极/气体分配器，所述阳极/气体分配器的阳极端面伸入到所述内磁元件与所述外磁元件之间、与所述内磁元件与所述外磁元件相隔并且接近所述放电通道。

2.如权利要求1所述的霍尔推力器，其中，所述内磁元件为中空圆柱形的永磁体，所述外磁元件和所述导磁内芯为金属导磁体，并且所述内磁元件具有高磁场强度与高居里温度，所述外磁元件和所述导磁内芯具有高磁导率和高居里温度。

3.如权利要求1或2所述的霍尔推力器，其中，所述导磁内芯的外周套设有六硼化镧材料的保护环，并且所述保护环与所述凸起尖部对齐。

4.如权利要求3所述的霍尔推力器，其中，所述导磁内芯包括上导磁内芯和下导磁内芯，所述上导磁内芯和所述下导磁内芯上下叠置，所述保护环被夹置于所述上导磁内芯和所述下导磁内芯之间。

5.如权利要求4所述的霍尔推力器，其中，所述霍尔推力器具有内铜芯，所述上导磁内芯的下端置于所述下导磁内芯的顶部的凹槽中，所述下导磁内芯具有中心通孔，所述内铜芯的上端穿过所述通孔并且将所述上导磁内芯、所述下导磁内芯及所述保护环保持在一起。

6.如权利要求5所述的霍尔推力器，其中，所述霍尔推力器的外壳包括限定中空结构的侧壁和底座，所述侧壁用作所述外磁元件，所述侧壁和所述底座一体加工成型，所述底座包括底座内圈，并且，所述内铜芯的下端固定于所述底座内圈，所述内磁元件在所述下导磁内芯和所述底座内圈之间套设于所述内铜芯上，并且被所述下导磁内芯和所述底座内圈夹紧。

7.如权利要求1或2所述的霍尔推力器，其中，所述阳极/气体分配器为双层空心阳极/气体分配器，其包括焊接在一起的底座、第一缓冲腔及第二缓冲腔，所述底座内为连接螺柱或进气管，所述连接螺柱与所述进气管穿过所述霍尔推力器的外壳的底座，并且所述连接螺柱与所述进气管外分别套设有绝缘柱从而与所述霍尔推力器的外壳的底座绝缘。

8.如权利要求1所述的霍尔推力器，其中，所述霍尔推力器具有外置无工质阴极。

9.一种具有如前述权利要求1至8中任一项所述的霍尔推力器的设备，所述设备为人造卫星或空间站。

10.一种如前述权利要求1至8中任一项所述的霍尔推力器的使用方法，所述方法包括冷气推进模式和/或电推进模式，其中：

所述冷推进模式为在没有阳极供电的情况下从所述阳极/气体分配器分配工质气体并自所述放电通道直接将所述工质气体排出；

所述电推进模式为在向所述阳极/气体分配器提供工质气体使所述工质气体进入放电通道的情况下，施加电场和磁场使所述工质气体电离并出射高速离子。

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