CN115681058A - 多工作模式霍尔推进系统及具有其的航天器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子体推进装置技术领域，具体涉及一种多工作模式霍尔推进系统及具有其的航天器。多工作模式霍尔推进系统包括阳极组件、阴极组件、第一电源、第二电源、控制开关等。通过设置第一电源和第二电源，将第一电源的阴极与外磁极连接，并设置控制开关，通过控制控制开关的通断，配合第一电源和第二电源，来改变霍尔推进系统的工作模式，使得霍尔推进系统能够在多工作模式下工作，以适应各类不同需求的推进任务。根据不同的任务需求与推进器状况可以有五种不同的工作模式，分别为：小推力自放电模式、无阴极自中和‑阴极辅助点火模式、阴极辅助点火模式、系统无损耗的阴极全功率模式和系统损耗的阴极全功率模式。

Description

多工作模式霍尔推进系统及具有其的航天器

技术领域

本发明涉及等离子体推进装置技术领域，具体涉及多工作模式霍尔推进系统及具有其的航天器。

背景技术

霍尔推进器为一种先进的电推进装置，拥有高比冲、高推功比、高寿命与低成本的突出特点，作为姿态轨道调节装置、升轨离轨装置、主推进装置与无拖曳补偿装置被广泛应用于各类卫星平台上。在霍尔推进器中推进剂被电离并生成等离子体。霍尔推进器通过径向磁场与轴向电场将电子约束在磁场中，并利用电子电离推进剂产生等离子体，自洽的等离子体电势降加速离子喷出推力器放电通道产生推力，其余电子在束流离子的电势的吸引下中和羽流中的离子。

现有技术中的霍尔推进系统多为单工作模式，即使是可变工况的多工作模式也一般是非连续的高功率和低功率两种模式。这也就导致了常规的霍尔推进系统的可调节性较差，工作模式单一，对任务的覆盖性与普适性较差。并且所有霍尔推进器都需要阴极与阳极配合工作才可形成有效推力，阴极的功率在整个推进系统中又占有相当的比重，拉低了推进器总效率与推功比。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的霍尔推进器工作模式单一，对任务的覆盖性与普适性较差的缺陷，从而提供一种多工作模式霍尔推进系统及具有其的航天器。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种多工作模式霍尔推进系统，包括：

阳极组件，其包括内磁极和外磁极，外磁极呈环状套设在内磁极外，内磁极与外磁极之间预留有放电通道，放电通道内安装有气体分配器；

阴极组件，其包括热屏、加热器和发射体，加热器设于发射体一端，热屏套设在发射体外，加热器用于将发射体加热至电子发射温度，热屏的用于减少发射体和加热器的热耗散，尽量维持加热器与发射体的温度。阴极组件用于在霍尔推进系统工作时向阳极组件发射电子；

第一电源，其正极与气体分配器连接，其负极与热屏连接；

第二电源，其正极与加热器连接，其负极与热屏连接，加热器与热屏之间导电连接。

可选地，第一电源的负极一侧还连接有外磁极，外磁极与热屏并联，第一电源与外磁极之间安装有控制开关。

可选地，还包括阴极绝缘座，安装在阳极组件的一侧，阴极绝缘座朝向阳极组件的一侧设置有安装斜面，安装斜面倾斜设置，阴极组件安装在安装斜面上。

可选地，还包括推进器绝缘座，阳极组件安装在推进器绝缘座上，以使阳极组件与阴极组件电势隔离。

可选地，推进器绝缘座与推进器绝缘座均固定安装在系统安装座上。

可选地，阴极组件并联设置有至少两个，阴极组件之间互为备份。

可选地，互为备份的阴极组件在阳极组件周围间隔布置。

可选地，互为备份的阴极组件并列安装在阳极组件的同一侧。

可选地，第二电源的负极和第二电源的正极还可以分别连接在加热器的两端。本发明还提供一种航天器，具有本发明所述的多工作模式霍尔推进系统。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的多工作模式霍尔推进系统，包括：阳极组件，其包括内磁极和外磁极，外磁极呈环状套设在内磁极外，内磁极与外磁极之间预留有放电通道，放电通道内安装有气体分配器；阴极组件，其包括热屏、加热器和发射体，加热器设于发射体一端，热屏套设在发射体外，加热器用于将发射体加热至电子发射温度，热屏的用于减少发射体和加热器的热耗散，尽量维持加热器与发射体的温度。阴极组件用于在霍尔推进系统工作时向阳极组件发射电子；第一电源，其正极与气体分配器连接，其负极与热屏连接；第二电源，其正极与加热器连接，其负极与热屏连接，加热器与热屏之间导电连接。

在霍尔推进系统工作时，通过设置第一电源和第二电源，利用第一电源工作或第一电源与第二电源配合工作来改变霍尔推进系统的工作模式，使得霍尔推进系统能够在多工作模式下工作，以适应各类不同需求的推进任务。当第一电源单独工作时，依靠大流量产生的大离子通量迅速加热阴极组件中的发射体，产生电子并逐渐起辉，起辉后调节流量至额定工况，依靠高能离子的轰击对阴极表面进行稳定持续的加热，产生少量电子参与放电，故无需阴极功率，大大降低的系统总功耗，提升了推进系统效率。但相应的无额外的电子对束流离子进行中和，故该工作模式下悬浮电势会偏高，适用于对推力比冲要求较高，且对悬浮电势要求不高的空间任务。当第一电源与第二电源配合工作时，首先开启第二电源，将阴极组件预热至预定温度后，开启第一电源，阴极产生电子起辉稳定放电，待霍尔推进系统工作状况稳定后，关闭第二电源，霍尔推进系统依靠已形成的稳定工作状况继续稳定放电。通过依靠阴极组件的电子来形成初始起辉放电，且无需大流量工况，在阴极组件形成稳定放电后，关闭第二电源，进入第一电源单独工作的工作模式。在第一电源与第二电源配合工作时，待霍尔推进系统工作状况稳定后也可不关闭第二电源，在此模式下，由于阴极热功率的加热，阴极组件中的发射体可产生足量的电子用于推进器的电离与束流离子的中和，因此在此工作模式下，霍尔推进系统的推力与比冲均会略微上升，悬浮电势降低至接近0V。但由于阴极热功率的加热，霍尔推进系统总功耗增加，霍尔推进系统总效率相应减少，该工作模式具有普适性，可工作在霍尔推进系统工作寿命周期内的所有阶段，是所有工作模式中最稳定可靠的一种工作模式，但同时也是阴极消耗较大的一种工作模式。

2.本发明提供的多工作模式霍尔推进系统，第一电源的负极一侧还连接有外磁极，外磁极与热屏并联，第一电源与外磁极之间安装有控制开关。

通过将第一电源的负极与外磁极连接，并设置控制开关，通过控制控制开关的通断，配合第一电源和第二电源，能够进一步改变霍尔推进系统的工作模式，使其能够在更多不同需求的工况下运行。需启动第一电源，控制开关接通，关闭第二电源。在此工作模式下，霍尔推进系统以阳极的气体分配器为正，外磁极为负进行放电，放电较为简单，无需阴极功率，此时离子大部分直接经过外磁极与控制开关回到第一单元的负极，仅有少数离子作为束流被引出推进器，故此模式产生的推力较小，且无外部电子源提供中和电子，故此模式的悬浮电势也会偏高，该模式适用于对推力需求较小，且对载荷悬浮电势要求不高的空间任务。

3.本发明提供的多工作模式霍尔推进系统，阴极组件并联设置有至少两个，阴极组件之间互为备份。在霍尔推进系统工作过程中，阴极组件损耗较大，阴极组件会逐渐失效使得霍尔推进系统无法顺利启动。通过设置并联的备份阴极组件，在某一阴极组件逐渐失效后，利用另一阴极组件工作，仍可使霍尔推进系统正常运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施方式中提供的多工作模式霍尔推进系统的工作原理图。

图2为本发明的实施方式中提供的多工作模式霍尔推进系统的结构示意图。

图3为本发明的实施方式中提供的多工作模式霍尔推进系统的工作模式选择示意图。

附图标记说明：1、第一电源；2、第二电源；3、控制开关；4、内磁极；5、外磁极；6、气体分配器；7、放电通道；8、热屏；9、发射体；10、加热器；11、阴极绝缘座；12、安装斜面；13、推进器绝缘座；14、系统安装座。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1至图3所示为本实施例提供的一种多工作模式霍尔推进系统，包括阴极组件、阳极组件、第一电源1和第二电源2。

阳极组件包括内磁极4和外磁极5，外磁极5呈环状套设在内磁极4外，内磁极4与外磁极5之间预留有放电通道7，放电通道7内安装有气体分配器6。阳极组件用于吸引电子，为电子提供能量并电离中性气体产生离子，加速离子使之喷出放电通道7产生推力。内磁极4与外磁极5在放电通道7内构成沿径向的磁场，在作为阳极的气体分配器6产生的轴向电场的共同作用下，电子在正交电磁场中做霍尔漂移，并电离中性气体产生离子，并产生等离子体电势降，产生离子加速电场，完成自洽的电离加速过程。

阴极组件包括热屏8和发射体9，热屏8套设在发射体9外，发射体9的一端抵接安装有加热器10，以便于加热器10与发射体9之间传热。阴极组件用于在霍尔推进系统工作时向阳极组件发射电子。阴极组件的发射体9产生电子，一部分电子在阳极组件的高电势的吸引下进入放电通道7参与电离，另一部分电子用于中和出射的离子束流。加热器10用于加热发射体9，使发射体9达到临界电子发射温度，即可发射电子供电离与中和使用。热屏8用于反射发射体9发射出的热辐射，降低发射体9的热耗散，有效降低加热器10功率。加热器一端与第二电源连接，另一端的接头焊接在热屏上，以使加热器与热屏之间导电连接。本实施例中阴极组件为加热式无工质阴极，通过作为加热器的加热电阻丝加热发射体，使发射体达到电子发射温度，从而发射电子，供阳极组件使用，热屏作为一个辅助部件，用于减少发射器的热耗散，从而降低阴极组件的功率，提高效率。第二电源的一端接至加热器上，另一端接至热屏上，发射体上无电极接口。在其他实施例中，第二电源的两端可直接接在加热器的两端。第一电源1的正极与气体分配器6连接，第一电源1的负极与热屏8连接。第一电源1的负极一侧还与外磁极5连接，外磁极5与热屏8并联，第一电源1与外磁极5之间安装有控制开关3。第二电源2的正极与加热器10连接，第二电源2的负极与热屏8连接。第二电源2用于为发射体9加热，使其达到电子发射温度。

在阳极组件的一侧安装有阴极绝缘座11，阴极绝缘座11朝向阳极组件的一侧设置有安装斜面12，安装斜面12向上倾斜设置，阴极组件安装在安装斜面12上。阳极组件安装在推进器绝缘座13上，以使阳极组件与阴极组件电势隔离。推进器绝缘座13与推进器绝缘座13均固定安装在系统安装座14上。霍尔推进系统通过系统安装座14安装在航天器上。

阴极组件并联设置有至少两个，阴极组件之间互为备份。互为备份的阴极组件在阳极组件周围间隔布置或呈圆周阵列状等间距布置，或者互为备份的阴极组件并列安装在阳极组件的同一侧。本实施例中的阴极组件设置有一对，一对互为备份的阴极组件并列安装在阴极绝缘座11的安装斜面12上。

本实施例中提供的多工作模式霍尔推进系统，在首次开机时需执行以下操作：

首先接入卫星电源，系统上电；在系统上电后进行系统电路及控制的自检程序，确保推进系统电控的正常运转；电控确认正常后，保持气罐阀门关闭，开启后续所有气阀，进行气储供系统管路中存留和残余气体的排放；气储供系统排气完毕后，进行阴极组件的初次排气，加热器10加热至略大于正常工况的温度，持续15分钟，进行发射体9中残余气体和杂质的排放；所有准备程序完毕，打开气罐阀门，根据工作状况的需求设置工作电压、阴极电流与气体流量等工作参数。

多工作模式霍尔推进系统根据不同的任务需求与推进器状况可以有五种不同的工作模式，分别为：小推力自放电模式、无阴极自中和-阴极辅助点火模式、阴极辅助点火模式、系统无损耗的阴极全功率模式和系统损耗的阴极全功率模式。

小推力自放电模式运行时，需启动第一电源1，连接外磁极5的控制开关3，关闭第二电源2。在此工作模式下，霍尔推进系统以阳极组件的气体分配器6为正，外磁极5为负进行放电，放电较为简单，无需阴极功率，此时离子大部分直接经过外磁极5与控制开关3回到第一电源1的负极，仅有少数离子作为束流被引出推进器，故此模式产生的推力较小，且无外部电子源提供中和电子，故此模式的悬浮电势也会偏高。小推力自放电模式适用于对推力需求较小，且对载荷悬浮电势要求不高的空间任务。

无阴极自中和模式运行时，需关闭控制开关3，关闭第二电源2，按照以下工作流程工作：将输出气体的工作流量设置为额定流量的两倍以上，等待流量稳定；随后开启第一电源1，在大流量大离子通量的冲击加热下，阴极组件的发射体表面发射一定量的电子参与放电；等待霍尔推进器雪崩放电，霍尔推进器成功起辉进入稳定工况，随后将气体的流量降低回额定工况流量，进入无阴极自中和模式运行。

不同于小推力自放电模式，无阴极自中和模式以阴极组件为负极，离子的一小部分通过阴极组件流回第一电源1的负极，另外的大部分作为束流离子被引出放电通道7，产生推力，故此模式产生的推力要高于小推力自放电模式。此模式在推进器形貌正常，磁场位型无变形，且阴极工况正常时可快速启动，一般适用于霍尔推进系统的前半寿命周期，随着推进器刻蚀的产生，磁场位型的偏移及阴极发射能力的降低，该工作模式便难以实现。无阴极自中和模式起始时依靠大流量产生的大离子通量迅速加热阴极组件，产生电子并逐渐起辉，起辉后调节流量至额定工况，依靠高能离子的轰击对阴极组件表面进行稳定持续的加热，产生少量电子参与放电，故无需阴极功率，能够大大降低的系统总功耗，提升了推进系统效率。但相应的无额外的电子对束流离子进行中和，故该工作模式下悬浮电势会偏高。无阴极自中和模式适用于对推力比冲要求较高，且对悬浮电势要求不高的空间任务。

阴极辅助点火模式运行时，需关闭控制开关3，按照以下工作流程工作：开启第二电源2，将阴极工作电流设置为阴极全功率模式的数值，等待阴极达到预期温度；设置气体额定流量，等待气流稳定；开启第一电源1，推进器依靠阴极组件的发射体产生的电子起辉，稳定放电；待推进器工作状况稳定后，关闭第二电源2，推进器依靠已形成的稳定工作状况继续稳定放电。

与无阴极自中和模式不同的是，阴极辅助点火模式需依靠阴极组件的发射体发射的电子来形成初始起辉放电，且无需大流量工况，在依靠阴极形成稳定放电后，关闭第二电源2，即进入和无阴极自中和模式一致的放电模式。在无阴极自中和模式由于推进器刻蚀、磁场位型变形、阴极组件逐渐失效无法顺利启动时，可依靠阴极全功率来进行初始雪崩起辉过程的产生，进入稳定放电后即可进行稳定自持放电，再次进入无阴极自中和模式。该模式的推力、悬浮电势及其他工作特性与无阴极自中和模式的特性一致。

阴极全功率模式运行时，需关闭控制开关3，其余工作流程与阴极辅助点火模式中关闭第二电源2前的工作流程一致，工作过程中全程加载阴极热功率，第二电源2不关闭。在此模式下，由于阴极热功率的加热，阴极组件可产生足量的电子用于推进器的电离与束流离子的中和，因此在此工作模式下，推进系统推力与比冲均会略微上升，悬浮电势降低至接近0V。但由于阴极热功率的加热，系统总功耗增加，推进系统总效率相应减少。阴极全功率模式具有普适性，可工作在推进系统工作寿命周期内的所有阶段，是所有工作模式中最稳定可靠的一种工作模式，但同时也是阴极消耗较大的一种工作模式。阴极全功率模式适用于对推力比冲需求高，且对推进系统悬浮电势有着严格要求的卫星平台或任务。

无阴极自中和模式、阴极辅助点火模式与阴极全功率模式可以有以下随推进器工况的递进关系，在推进器刻蚀轻微、磁场位型完整、阴极组件正常时，三种工作模式均可稳定运行，产生较大推力与比冲。在推进器经过一定的刻蚀，磁场变形或阴极性能下降时，无阴极自中和模式失效，需通过第二电源2工作来进行推进器雪崩起辉的点火过程。在推进系统进入寿命末期，阳极组件及阴极组件均下降的情况下，需维持阴极功率才可维持推进器的稳定运行，此时仅有阴极全功率模式有效。

通过设置第一电源1和第二电源2，将第一电源1的负极与外磁极5连接，并设置控制开关3，通过控制控制开关3的通断，配合第一电源1和第二电源2，来改变霍尔推进系统的工作模式，使得霍尔推进系统能够在多工作模式下工作，以适应各类不同需求的推进任务。

实施例2

本实施例提供一种航天器，具有实施例1中所述的多工作模式霍尔推进系统。航天器可以为人造地球卫星、空间探测器、货运飞船、飞船、空间站和航天飞机、空天飞机。多工作模式霍尔推进系统作为航天器推进系统中的一部分，推动航天器在太空中运动。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种多工作模式霍尔推进系统，其特征在于，包括：

阳极组件，其包括内磁极（4）和外磁极（5），所述外磁极（5）呈环状套设在所述内磁极（4）外，所述内磁极（4）与所述外磁极（5）之间预留有放电通道（7），所述放电通道（7）内安装有气体分配器（6）；

阴极组件，其包括热屏（8）和发射体（9），所述发射体（9）一端安装有加热器（10），所述热屏（8）套设在所述发射体（9）外，所述阴极组件用于向所述阳极组件发射电子；

第一电源（1），其正极与所述气体分配器（6）连接，其负极与所述热屏（8）连接；

第二电源（2），其正极与所述加热器（10）连接，其负极与所述热屏（8）连接，所述加热器与所述热屏之间导电连接。

2.根据权利要求1所述的多工作模式霍尔推进系统，其特征在于，所述第一电源（1）的负极一侧还连接有所述外磁极（5），所述外磁极（5）与所述热屏（8）并联，所述第一电源（1）与所述外磁极（5）之间安装有控制开关（3）。

3.根据权利要求1或2所述的多工作模式霍尔推进系统，其特征在于，还包括阴极绝缘座（11），安装在所述阳极组件的一侧，所述阴极绝缘座（11）朝向所述阳极组件的一侧设置有安装斜面（12），所述安装斜面（12）朝向所述放电通道的出口倾斜设置，所述阴极组件安装在所述安装斜面（12）上。

4.根据权利要求3所述的多工作模式霍尔推进系统，其特征在于，还包括推进器绝缘座（13），所述阳极组件安装在所述推进器绝缘座（13）上，以使所述阳极组件与所述阴极组件电势隔离。

5.根据权利要求4所述的多工作模式霍尔推进系统，其特征在于，所述推进器绝缘座（13）与所述推进器绝缘座（13）均固定安装在系统安装座（14）上。

6.根据权利要求1或2所述的多工作模式霍尔推进系统，其特征在于，所述阴极组件并联设置有至少两个，所述阴极组件之间互为备份。

7.根据权利要求6所述的多工作模式霍尔推进系统，其特征在于，互为备份的所述阴极组件在阳极组件周围间隔布置。

8.根据权利要求6所述的多工作模式霍尔推进系统，其特征在于，互为备份的所述阴极组件并列安装在阳极组件的同一侧。

9.根据权利要求1或2所述的多工作模式霍尔推进系统，其特征在于，第二电源的负极和第二电源的正极还可以分别连接在加热器的两端。

10.一种航天器，其特征在于，具有权利要求1至9任一项所述的多工作模式霍尔推进系统。

Images