CN115681059A - 反向进气的电推力器、空间设备及其推进方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的反向进气的电推力器、空间设备及其推进方法，属于空间推进技术领域，包括：壳体，具有气腔，气腔具有放电通道；气体分配器，具有环形本体，环形本体设置在气腔内，环形本体的底面连接有进气柱，环形本体的底面设置有若干出气口，出气口的朝向与进气柱内工质气体的流向相反；本发明的反向进气的电推力器，通过气体分配器的设置，对进入的工质气体进行转向，然后通过环形本体上的若干出气口均匀的释放到壳体的气腔内，从而减小了工质气体的初始动能，减小了工质气体泄露，增加了工质气体在气腔内的滞留时间，提高了放电通道中工质气体的均匀性，提高在气腔内对工质的电离率，降低了推力器的电流振荡，使能够产生更多的离子，动能更强。

Description

反向进气的电推力器、空间设备及其推进方法

技术领域

本发明涉及空间推进技术领域，具体涉及一种反向进气的电推力器、空间设备及其推进方法。

背景技术

电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但不限于应用于卫星的姿轨控制与深空探测主推进装置，具体包括霍尔推力器、离子推力器等。

图1示出了一种传统稳态等离子体电推力器的工作原理。如图1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P2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，做周向霍尔漂移运动，形成了周向的电子电流。工质气体通过阳极气体分配器P1沿轴向进入环形放电室，再到达周向电子漂移区，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。

现有技术中的电推力器，尤其针对微、低功率电推力器，存在着工质气体均匀化不足、工质气体泄露、流量难以降低、推力器体积较大、微小功率下点火困难等系列问题。

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电推力器存在的工质气体均匀化不足、工质气体泄露、流量难以降低的缺陷，从而提供一种反向进气的电推力器及空间设备推进方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种反向进气的电推力器，包括：

壳体，所述壳体内具有用于容纳工质气体的气腔，所述气腔具有放电通道；

气体分配器，具有环形本体，所述环形本体设置在所述壳体的气腔内，所述环形本体的底面连接有进气柱，所述环形本体的底面设置有若干出气口，所述出气口的朝向与所述进气柱内工质气体的流向相反。

可选地，所述气体分配器的环形本体的顶面沿周向均匀间隔设置有若干阳极件。

可选地，所述阳极件为朝向所述放电通道的尖锥结构。

可选地，所述气体分配器的环形本体内具有分配腔和缓冲腔，所述分配腔与所述进气柱连通，所述缓冲腔与所述出气口连通，所述缓冲腔与所述分配腔之间通过若干气孔连通。

可选地，所述气体分配器的环形本体悬空设置在所述气腔内。

可选地，所述壳体包括：导磁底板和导磁外壳，所述导磁底板和所述导磁外壳通过紧固件连接。

可选地，所述气体分配器的进气柱外套设有绝缘柱，所述绝缘柱通过螺纹结构安装在所述导磁底板上。

可选地，所述导磁底板上通过螺纹结构安装有内套筒，所述内套筒中设置有内磁元件，所述内套筒的远离所述导磁底板的一端安装有导磁内芯，所述内磁元件被所述导磁内芯压紧。

本发明提供一种空间设备，包括上述方案中所述的反向进气的电推力器。

本发明提供一种空间设备推进方法，采用上述方案中所述的反向进气的电推力器，首先工质气体从进气柱进入到气体分配器内，然后从环形本体的底面出气口排出至壳体的气腔内；

在壳体的气腔内，部分气体通过电离形成离子，在轴向电场的作用下，离子产生轴向加速度，并最终通过放电通道高速喷出，形成反推力。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的反向进气的电推力器，通过气体分配器的设置，对进入的工质气体进行转向，然后通过环形本体上的若干出气口均匀的释放到壳体的气腔内，从而减小了工质气体的初始动能，减小了工质气体泄露，增加了工质气体在气腔内的滞留时间，提高了放电通道中工质气体的均匀性，提高在气腔内对工质的电离率，降低了推力器的电流振荡，使能够产生更多的离子，动能更强。

2.本发明提供的反向进气的电推力器，放电阳极件设置为朝向放电通道的尖锥结构，在气体分配器的顶端周向均匀分布的尖锥阳极件，形成尖锥阳极阵列，尖锥结构可有效增强推力器点火放电能力，增强电离效果，提升电离率。从而解决现有反向进气的电推力器在微小功率下点火困难的问题。

3.本发明提供的空间设备，由于包括了上述所述的反向进气的电推力器，因此具有上述所述的优点。

4.本发明提供的空间设备推进方法，由于采用了上述所述的反向进气的电推力器，因此具有上述所述的优点。

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为传统稳态等离子体反向进气的电推力器的工作原理图；

图2为本发明的实施例中提供的反向进气的电推力器的一种具体实施方式的主视剖视图；

图3为图2中气体分配器的顶部结构立体图；

图4为气体分配器的底部结构立体图；

图5为图2中壳体的导磁外壳的立体图；

图6为图2中壳体的导磁底座的立体图；

图7为图2中绝缘柱的立体图；

图8为图2中反向进气的电推力器的立体图；

图9为图3中气体分配器的上盖的立体图；

图10为气体分配器的下盖的立体图；

图11为本实施例提供的反向进气的电推力器的工作原理示意图。

附图标记说明：

1、导磁外壳；2、导磁底板；3、放电通道；4、气腔；5、环形本体；6、进气柱；7、出气口；8、分配腔；9、缓冲腔；10、阳极件；11、隔板；12、绝缘柱；13、内套筒；14、内磁元件；15、导磁内芯；16、上盖；17、下盖；18、内环台阶；19、外环台阶；20、环形延伸板；21、外置阴极。

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，可以根据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。

本实施例提供一种反向进气的电推力器，用于空间飞行器的空间电推进，例如卫星的姿轨控制等。

如图2所示，为本实施例提供的反向进气的电推力器的一种具体实施方式，包括：壳体和气体分配器，所述壳体内具有用于容纳工质气体的气腔4，所述气腔4具有放电通道3；所述气体分配器包括环形本体5和进气柱6，所述环形本体5设置在所述壳体的气腔4内，所述进气柱6伸出所述壳体。所述气体分配器的环形本体5上具有出气口7，所述出气口7朝下设置。也就是说，所述出气口7的朝向与所述进气柱6内工质气体的流向相反。所述气体分配器的环形本体5内具有与所述进气柱6连通的分配腔8，还具有缓冲腔9，所述缓冲腔9与所述分配腔8通过若干气孔连通，所述出气口7设置在所述缓冲腔9上。

本实施例提供的反向进气的电推力器，通过气体分配器的设置，对进入的工质气体进行转向，然后通过缓冲腔9上的若干出气口7均匀的释放到壳体的气腔4内，从而减小了工质气体的初始动能，减小了工质气体泄露，增加了工质气体在放电通道3与气腔4内的滞留时间，提高了放电通道3中工质气体的均匀性，提高在气腔4内对工质的电离率，降低了推力器的电流振荡，使能够产生更多的离子，动能更强。

如图2所示，本实施例提供的反向进气的电推力器中，所述气体分配器的出气口7与所述壳体的放电通道3的朝向相反，从而进一步的使工质气体在气腔4内滞留，减小工质气体的初始动能，避免工质气体外泄。

如图2所示，本实施例提供的反向进气的电推力器中，所述气体分配器的朝向所述放电通道3的一面上设置有用于放电的阳极件10。通过该阳极件10的放电，对工质气体进行电离，从而使工质气体失去电子产生离子。所述阳极件10为朝向放电通道3的尖锥结构，尖锥结构可有效增强推力器点火放电能力，增强电离效果，提升电离率，从而解决现有反向进气的电推力器在微小功率下点火困难的问题。

如图3所示，本实施例提供的反向进气的电推力器中，在气体分配器的顶端周向均匀分布的若干阳极件10，构成尖锥阳极阵列。通过该尖锥阳极阵列可均匀的对气腔4内的工质气体进行电离。

如图2所示，本实施例提供的反向进气的电推力器中，所述分配腔8的两侧分别设有一个所述缓冲腔9。所述分配腔8内设置有朝向所述进气柱6方向延伸的隔板11，通过所述隔板11将所述分配腔8分隔成两个腔体，每个腔体对应一个所述缓冲腔9。从而进入分配腔8的工质气体被隔板11分成两部分，一部分进入一个缓冲腔9内，另一部分进入另一个缓冲腔9内，从而进一步对工质气体进行均匀分散。

如图4所示，所述气体分配器的底面，均匀间隔设置有若干出气口7，该出气口7与内部缓冲腔9连通，用于将缓冲腔9内的工质气体导出。

如图2所示，本实施例提供的反向进气的电推力器中，所述气腔4为圆环形腔室，所述气体分配器的环形本体5悬空设置在所述气腔4内。由于气体分配器悬空设置，从而更有利于工质气体从出气口7排出。而气腔4的圆环形腔室和气体分配器的环形主体的设置，更加有利于工质气体的均匀分布。

如图9、图10所示，所述气体分配器的环形本体5，包括：上盖16和下盖17，所述上盖16中具有开口朝下的环形腔体，所述下盖17上具有用于承接所述上盖16的内环台阶18和外环台阶19，通过内环台阶18和外环台阶19的限位，提高上盖16和下盖17之间安装时的精确对位。所述上盖16和所述下盖17之间可通过氩弧焊或电子束焊接连接。

如图9、图10所示，所述下盖17上在内环台阶18和外环台阶19之间，具有朝上延伸的两个环形延伸板20，通过两个所述环形延伸板20用于形成环形凹槽，在所述环形凹槽内设置有用于连接进气柱6的进气口。在每个环形延伸板20上具有若干用于通过工质气体的通孔，两个环形延伸板20上的通孔可以同相位，也可以交错排布形成相位差。在所述内环台阶和所述外环台阶上分别具有用于排出气体的出气口7。在所述上盖16的环形腔体内位于内壁和外壁之间具有朝下延伸的隔板11。将上盖16和下盖17扣合之后，所述下盖17的两个环形延伸板20分别抵接到上盖16的环形腔体的顶部，所述上盖16的隔板11插入两个环形延伸板20中间，且隔板11的高度小于环形延伸板20的高度，在隔板11与下盖17之间存有间隙，以便于从进气口进入工质气体。当工质气体从下盖17的进气口进入后，被上盖16的环形延伸板20分成两部分，一部分通过一侧的环形延伸板20上的通孔进入第一缓冲腔9，另一部分通过另一侧的环形延伸板20上的通孔进入第二缓冲腔9，然后分别从出气口7排出。如此提高了排出工质气体的均匀性。

如图2所示，本实施例提供的反向进气的电推力器中，所述壳体包括：导磁底板2和导磁外壳1，所述导磁外壳1和导磁底板2构成推力器磁场传导的外磁路，所述导磁底板2和所述导磁外壳1之间密封连接。

具体的，如图5、图6所示，所述导磁外壳1的用于与导磁底板2连接的一端的圆周上，设有用于嵌入密封件的凹槽。将密封件嵌入凹槽后，通过导磁底板2与该圆周密封件接触，从而实现导磁底板2和所述导磁外壳1之间密封。所述导磁外壳1和所述导磁底板2上分别具有用于通过紧固件连接的法兰，将导磁外壳1和导磁底板2组装后，通过紧固件进行固定连接。

如图2、图7所示，本实施例提供的反向进气的电推力器中，所述气体分配器的进气柱6外套设有绝缘柱12，所述绝缘柱12密封安装在所述导磁底板2上。所述绝缘柱12一端具有螺纹，通过该螺纹用于与导磁底座固定连接，在绝缘柱12的下沿具有用于嵌入密封件的凹槽，将密封件嵌入该凹槽后用于与导磁底座接触，从而实现绝缘柱12与导磁底座之间的密封连接。所述导磁柱的中心具有用于穿过进气柱6的通孔，并具有部分朝向上方延伸的支撑柱，通过该支撑柱可用于支撑在气体分配器的环形主体的底部。

如图2、图8所示，本实施例提供的反向进气的电推力器中，所述导磁底板2上密封安装有用于容纳内磁元件14的内套筒13，所述内套筒13具有朝向远离所述导磁底板2的方向的开口，所述开口上适于连接导磁内芯15。具体的，所述导磁内芯15可通过磁吸力与内磁元件14吸附连接，且导磁内芯15和内套筒13可通过氩弧焊或电子束焊接连接。所述内磁元件14沿轴向设置于所述气腔4的中心部，用于提供反向进气的电推力器运行所需的磁场。所述导磁内芯15为圆柱加凸台结构，圆柱面与导磁内芯15相接，凸台面作为推力器放电通道壁。所述内套筒13的底端具有用于安装在导磁底座上的螺纹杆，所述内套筒13的主体的底面上具有用于嵌入密封件的凹槽，将密封件嵌入凹槽内后用于与导磁底座接触，从而实现内套筒13与导磁底座之间的密封连接。所述内磁元件14、导磁内芯15和内套筒13构成反向进气的电推力器的磁场源及磁场传导的内磁路。所述导磁外壳1、导磁底板2、导磁内芯15、内磁元件14和内套筒13构建了低功率反向进气的电推力器完整磁场位型。

需要说明的是，本实施例提供反向进气的电推力器中，所述导磁外壳1、导磁底板2和导磁内芯15的材料均为耐高温导磁材料。所述内磁元件14的材料为耐高温永磁体。所述气体分配器的上盖16和下盖17以及固定螺柱的材料为耐溅射金属材料。所述内套筒13的材料为铜，所述阳极件10的材料为钨。所述绝缘柱12的材料为耐高温高分子材料或陶瓷材料。所述密封件为密封圈，材料为耐高温高分子材料。上述材料均为现有技术中的常规材料。

如图1所示，本实施例提供的反向进气的电推力器，有三组密封件，用于密封壳体内部空间，防止工质气体外泄。

本实施例提供的反向进气的电推力器安装时，包括以下步骤：

S1：将内磁元件14安装至内套筒13的中空结构中，紧接着将导磁内芯15的下圆柱部分也安装至内套筒13中空结构中，内磁元件14与导磁内芯15通过磁吸力吸附连接，再将内套筒13末端与导磁内芯15拐角处焊接连接，完成内磁组件的组装。

S2：将气体分配器的上盖16和下盖17对准限位并焊接至一起，再在气体分配器上安装尖锥和进气柱6，并通过焊接连接至一起，完成气体分配器的组装。

S3：将气体分配器的进气柱6穿过绝缘柱12的中空结构，并通过密封胶将进气柱6与绝缘柱12连接固定。

S4：将绝缘柱12的底部凹槽套上密封圈，使其底部带螺纹的圆柱穿过导磁底板2上的绝缘柱12安装孔，并使用螺母将绝缘柱12和气体分配器固定在导磁底板2上，并将密封圈压紧。

S5：将内套筒13的底部凹槽套上密封圈，使其底部带螺纹的圆柱穿过导磁底板2上的内套筒13安装孔，并使用螺母将内套筒13固定在导磁底板2上，并将密封圈压紧。

S6：将导磁外壳1的底部凹槽套上密封圈，再将导磁外壳1安装孔对准导磁底板2上的三个导磁外壳1安装孔，使用螺栓和螺母将导磁外壳1和导磁底板2连接固定，并将密封圈压紧。

S7：至此反向进气的电推力器组装完成；

S8：可选地，将反向进气的电推力器通过导磁底板2上的三个外部安装孔固定安装至所需测试、实验或卫星设备上。

本实施例还提供一种空间设备，采用上述实施例中所述的反向进气的电推力器进行空间推进或姿态调整。

本实施例还提供一种空间设备推进方法，采用上述实施例中所述的反向进气的电推力器，如图1所示，首先工质气体从进气柱6进入到气体分配器的分配腔8内，被分配腔8中的隔板11分配至两侧，进行依次均匀化。

然后，工质气体通过若干气孔渗透到缓冲腔9内，进行二次均匀化。

然后，工质气体再从出气口7朝向与进气柱6内工质气体流向相反的方向进入到壳体的气腔4内，进行三次均匀化。

如图11所示，工作时还包括外置阴极21，用于产生电子。工质气体充满气腔4后，再沿周向正向向放电通道出口流动，进入预电离区与电离区被电离，产生推力，或是直接流出推力器。在反向进气的电推力器的壳体的气腔4内通过阳极件10放电，从工质气体内电离出离子，在轴向电场的作用下，离子产生轴向加速度，并最终通过放电通道3高速喷出，形成反推力。

在本实施例的低功率反向进气的电推力器中，通过特殊的气体分配器结构设计、轴向反向出气和放电气腔4三次均匀化。对工质气体进行充分有效的均匀化，降低了工质气体的流动速度，提高了预电离区和电离区的工质气体密度，提升放电效果；同时尖锥结构的阳极件10可有效增强推力器点火放电能力，增强电离效果，提升电离率；以上技术特点有效的提升了推力器的综合效果。

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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种反向进气的电推力器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体包括：导磁底板（2）和导磁外壳（1），所述导磁底板（2）和所述导磁外壳（1）通过紧固件连接，所述导磁底板（2）上通过螺纹结构安装有内套筒（13），所述内套筒（13）中设置有内磁元件（14），所述内套筒（13）的远离所述导磁底板（2）的一端安装有导磁内芯（15），所述内磁元件（14）被所述导磁内芯（15）压紧，所述壳体内具有用于容纳工质气体的气腔（4），所述气腔（4）具有放电通道（3）；

气体分配器，具有环形本体（5），所述环形本体（5）设置在所述壳体的气腔（4）内，所述环形本体（5）的底面连接有进气柱（6），所述环形本体（5）的底面设置有若干出气口（7），所述出气口（7）的朝向与所述进气柱（6）内工质气体的流向相反。

2.根据权利要求1所述的反向进气的电推力器，其特征在于，所述气体分配器的环形本体（5）的顶面沿周向均匀间隔设置有若干阳极件（10）。

3.根据权利要求2所述的反向进气的电推力器，其特征在于，所述阳极件（10）为朝向所述放电通道（3）的尖锥结构。

4.根据权利要求1所述的反向进气的电推力器，其特征在于，所述气体分配器的环形本体（5）内具有分配腔（8）和缓冲腔（9），所述分配腔（8）与所述进气柱（6）连通，所述缓冲腔（9）与所述出气口（7）连通，所述缓冲腔（9）与所述分配腔（8）之间通过若干气孔连通。

5.根据权利要求1所述的反向进气的电推力器，其特征在于，所述气体分配器的环形本体悬空设置在所述气腔（4）内。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的反向进气的电推力器，其特征在于，所述气体分配器的进气柱（6）外套设有绝缘柱（12），所述绝缘柱（12）通过螺纹结构安装在所述导磁底板（2）上。

7.一种空间设备，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的反向进气的电推力器。

8.一种空间设备推进方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的反向进气的电推力器，首先工质气体从进气柱（6）进入到气体分配器内，然后从环形本体（5）的底面出气口（7）排出至壳体的气腔（4）内；

在壳体的气腔（4）内，部分气体通过电离形成离子，在轴向电场的作用下，离子产生轴向加速度，并最终通过放电通道（3）高速喷出，形成反推力。

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