CN115681061B - 阳极磁屏组件及霍尔推力器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阳极磁屏组件，包括：磁屏，为具有凹槽的环体；所述凹槽沿磁屏的周向设置；所述凹槽的开口朝向磁屏轴向的一端；在磁屏开口处的两侧壁的壁厚逐渐缩小形成尖端结构；气体分配器，具有进气孔和出气孔，适于兼做霍尔推力器的阳极；所述气体分配器设置于所述凹槽中，出气孔位于靠近所述凹槽的开口处。该装置通过端结构使得霍尔推力器的磁场与电场两者均得到改善和增强，从而发挥了磁屏与阳极一体化集成的协同作用。

Description

阳极磁屏组件及霍尔推力器

技术领域

本发明涉及空间电推进装置技术领域，具体涉及一种阳极磁屏组件及霍尔推力器。

背景技术

霍尔推力器为一种先进空间电推进装置，其主要包括空心阴极、放电室、磁极、磁线圈、阳极/气体分配器、推进剂输送管路和支撑结构，其通过电场与磁场形成自洽的等离子体放电及加速过程，表现为：对电子进行约束，电离中性气体并产生离子，电场对离子进行加速，形成高速粒子，产生推力。其一般由内磁线圈，外磁线圈产生内外圈磁场，并使用导磁材料进行磁场的传导和磁场的构建，所以霍尔推力器中的大部分材料为铁一类的导磁材料。

而磁屏用于对磁场位型进行调控，以获得合适的磁场位型。而气体分配器一般同时作为霍尔推力器的阳极使用，其既用于将中性气体充分均匀化后释放到放电通道中，也作为构建电场的部件。现有技术中具有将气体分配器即阳极与磁屏集成一体的方案，但往往都是将两者之间进行简单叠加组合在一起，两者功能之间相互独立，未产生协同增强的相互作用。

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的阳极与磁屏集成一体结构功能间相互独立、未能协同提高的缺陷。

为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案为：

一种阳极磁屏组件，包括：

磁屏，为具有凹槽的环体；所述凹槽沿磁屏的周向设置；所述凹槽的开口朝向磁屏轴向的一端；在磁屏开口处的两侧壁的壁厚逐渐缩小形成尖端结构；

气体分配器，具有进气孔和出气孔，适于兼做霍尔推力器的阳极；所述气体分配器设置于所述凹槽中，出气孔位于靠近所述凹槽的开口处。

可选地，在尖端结构的尖部设置有磁屏镀层，磁屏镀层由耐高温耐溅射刻蚀材料制成。

可选地，所述耐高温耐溅射刻蚀材料为钛、钼或钨。

可选地，出气孔朝向磁屏的径向开设，在磁屏上开设有与出气孔相连通且朝向相同的磁屏气孔。

可选地，在所述气体分配器的内外两侧均设置有出气孔。

可选地，所述气体分配器包括：

底板，开设有进气孔，并位于所述凹槽的底部；

一层缓冲件，一端与底板相连，并开设有一级缓冲腔；一级缓冲腔与进气孔连通；

二层缓冲件，设置在一层缓冲件的另一端，并开设有二级缓冲腔；二级缓冲腔通过通气孔与一级缓冲腔连通，出气孔具有多个，并均布在二级缓冲腔与外界之间。

可选地一级缓冲腔与二层缓冲件均呈开槽结构；一层缓冲件与底板密封性连接使一级缓冲腔合围成为腔室；二层缓冲件与一层缓冲件密封性连接使二级缓冲腔合围成为腔室。

可选地，一级缓冲腔与二级缓冲腔的容积相等。

可选地，在所述凹槽的底部贯穿开设有安装孔，在底板上设置有进气管与固定螺柱，进气管与进气孔连通，进气管与固定螺柱穿过安装孔伸至磁屏1之外。

一种霍尔推力器，包括：

霍尔推力器主体；

阳极磁屏组件，结构如前所述，并安装在所述霍尔推力器主体中。

通过采用上述技术方案，本发明具有如下技术效果：

1.本发明提供的阳极磁屏组件，通过将磁屏变成阳极的一部分，使磁屏不仅具有调节磁场位型的作用，还变成阳极的一部分，从而施加放电高压。此外通过在所述凹槽的开口处设置尖端结构，从而使磁屏增加对磁力线的吸引能力，更能发挥其调节磁场位型的作用；并且尖端结构还可增强局部电场，从而提升推力器放电能力；另外尖端结构的坡面有效地增大了中性气体与阳极的有效接触面积，直接增大了电离区域，可有效提升中性气体电离率，提高推力器效率、推力与比冲。综上，尖端结构在磁屏与阳极中均发挥了相关作用，使得霍尔推力器的磁场与电场两者均得到改善和增强，从而发挥了磁屏与阳极一体化集成的协同作用。此外，因为本装置的磁屏与气体分配器采用了分体结构设计，气体分配器是位于磁屏的凹槽之内的，其仅限制了两者在径向上的位置，并未限制轴向和周向上的位置，这相对于将两者一体化的方案，可便于磁屏与气体分配器两者进行组合优化，例如磁屏与气体分配器之间的轴向位置可调，从而可视情况来调节气体分配器出口距凹槽开口之间的距离，从而根据推进器磁场特性改善中性气体的释放路径，以对电离过程优化；并且磁屏如设有其他非回转结构，磁屏与气体分配器两者周向之间相对位置也可调节，从而提高两者的适配灵活性与性能优化空间。

2.本发明提供的阳极磁屏组件，通过设置磁屏镀层，避免因部分的离子具有回流现象，从而轰击阳极表面产生热量并在表面镀膜，从而保持磁屏免受溅射镀膜后影响其调节磁场位型的功能。

3. 本发明提供的阳极磁屏组件，通过使出气孔沿径向设置，沿磁屏轴向运动的回流离子便不会对出气孔造成溅射镀膜，从而提高了设备使用寿命。

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为本发明实施例1的第一种实施方式的结构示意剖视图；

图2为本发明实施例1的第一种实施方式的结构示意立体图；

图3为本发明实施例1的第一种实施方式的磁屏的结构示意立体图；

图4为本发明实施例1的第一种实施方式的气体分配器的结构示意立体图；

图5为本发明实施例1的第二种实施方式的结构示意剖视图；

图6为本发明实施例1的第二种实施方式的结构示意立体图；

图7为本发明实施例1在安装于霍尔推力器之后所形成的磁场位型示意图。

附图标记说明：

1、磁屏；2、底板；3、一层缓冲件；4、二层缓冲件；5、磁屏镀层；6、进气管；7、固定螺柱；8、进气孔；9、一级缓冲腔；10、通气孔；11、二级缓冲腔；12、出气孔；13、磁屏气孔；14、安装孔；15、尖端结构。

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。

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

本实施例提供一种阳极磁屏组件。

在一种实施方式中，如图1至4所示，其包括磁屏1和气体分配器。磁屏1的材料可为海伯柯合金（HiperCo）或电工纯铁，其形状为具有凹槽的环体；所述凹槽沿磁屏1的周向设置；所述凹槽的开口朝向磁屏1轴向的一端。在磁屏1的周向截面上、即图1所示的截面上，所述凹槽开口处的两侧壁的壁厚逐渐缩小形成尖端结构15；尖端结构15即可如图1中所示的一侧为坡面一侧为直面的形式，也可两侧均为坡面。尖端结构15的角度优选为45°或60°，不必过于尖锐。气体分配器具有进气孔8和出气孔12，气体分配器可选用钼或者不锈钢等材料制作，以适于兼做霍尔推力器的阳极；所述气体分配器设置于所述凹槽中，出气孔12位于靠近所述凹槽的开口处。

该装置通过将磁屏1变成阳极的一部分，使磁屏1不仅具有调节磁场位型的作用，还变成阳极的一部分，从而施加放电高压。此外通过在所述凹槽的开口处设置尖端结构15，从而使磁屏1增加对磁力线的吸引能力，更能发挥其调节磁场位型的作用（参见图7所示）；并且尖端结构15还可增强局部电场，从而提升推力器放电能力；另外尖端结构15的坡面有效地增大了中性气体与阳极的有效接触面积，直接增大了电离区域，可有效提升中性气体电离率，提高推力器效率、推力与比冲。综上，尖端结构15在磁屏与阳极中均发挥了相关作用，使得霍尔推力器的磁场与电场两者均得到改善和增强，从而发挥了磁屏与阳极一体化集成的协同作用。此外，因为本装置的磁屏1与气体分配器采用了分体结构设计，气体分配器是位于磁屏1的凹槽之内的，其仅限制了两者在径向上的位置，并未限制轴向和周向上的位置，这相对于将两者一体化的方案，可便于磁屏1与气体分配器两者进行组合优化，例如磁屏1与气体分配器之间的轴向位置可调，从而可视情况来调节气体分配器出口距凹槽开口之间的距离，从而根据推进器磁场特性改善中性气体的释放路径，以对电离过程优化；并且磁屏1如设有其他非回转结构，磁屏1与气体分配器两者周向之间相对位置也可调节，从而提高两者的适配灵活性与性能优化空间。

以上述实施方式为基础，在一种可选的实施方式中，如图1至3所示，在尖端结构15的尖部设置有磁屏镀层5，磁屏镀层5由耐高温耐溅射刻蚀材料制成。所述耐高温耐溅射刻蚀材料可为钛、钼或钨。设置磁屏镀层5是因部分的离子具有回流现象，从而轰击阳极表面产生热量并在表面镀膜，而磁屏1与阳极一体化后，尖端结构15具有更强的局部电场，从而成为溅射镀膜的重点区域。而磁屏1在镀膜后会在一定程度上影响其调节磁场位型的功能，故而优选在尖端结构15的尖部设置有磁屏镀层5以进行保护。

以上述实施方式为基础，在一种可选的实施方式中，如图1至4所示，出气孔12朝向磁屏1的径向开设，在磁屏1上开设有与出气孔12相连通且朝向相同的磁屏气孔13。作为另一种实施方式，如图5和6所示，出气孔12朝向磁屏1的轴向开设，且因出气孔12直接通向外界而无需再设置磁屏气孔13。但优选采用出气孔12沿磁屏1径向设置的方案，因为上面提到的离子回流现象，如果出气孔12沿轴向设置会在离子不断溅射镀膜的过程中造成堵塞，或者即便不堵塞也会缩小孔径而造成气体分配不均匀，因此使出气孔12沿径向设置后，沿磁屏1轴向运动的离子便不会对出气孔12造成溅射镀膜，从而提高了设备使用寿命。

以上述实施方式为基础，在一种可选的实施方式中，如图1至4所示，在所述气体分配器的内外两侧均设置有出气孔12，使其既可朝向环体内侧出气，也同时可朝向环体外侧出气，这样在主体结构相同的情况下，通过内外两侧出气孔12可令中性气体得到更充分更均匀地散布，从而使中性气体在其后的放电通道内得到更有效的电离。

以上述实施方式为基础，在一种可选的实施方式中，如图1和4所示，所述气体分配器包括：底板2、一层缓冲件3和二层缓冲件4。底板2开设有进气孔8，并位于所述凹槽的底部。一层缓冲件3的一端与底板2相连，一层缓冲件3上开设有一级缓冲腔9；一级缓冲腔9与进气孔8连通。二层缓冲件4设置在一层缓冲件3的另一端，并开设有二级缓冲腔11。二级缓冲腔11通过通气孔10与一级缓冲腔9连通。出气孔12具有多个，并均布在二级缓冲腔11与外界之间。这种结构的气体分配器通过两级缓冲结构，每级缓冲腔发挥气流匀化作用，从而使从进气孔8进入的中性气体最终在均布的出气孔12中得以均匀吹出，使其后的中性气体的电离过程更充分和高效。

以上述实施方式为基础，在一种可选的实施方式中，如图1所示，一级缓冲腔9与二层缓冲件4均呈开槽结构、即呈敞开式的开放槽体；一层缓冲件3与底板2密封性连接、例如焊接，使一级缓冲腔9合围成为腔室；二层缓冲件4与一层缓冲件3密封性连接，使二级缓冲腔11合围成为腔室。这种开槽结构相比于中空结构有利于加工制造，之后再通过其他部件共同合围成为腔室的方案可从总体上降低产品制造成本，有利于批量生产。

以上述实施方式为基础，在一种可选的实施方式中，如图1所示，一级缓冲腔9与二级缓冲腔11的容积相等。这样有利于在中性气体输入量稳定的情况下，使两级缓冲腔的压力均衡，从而使两腔之间的通气孔10的气流均衡稳定，避免出现湍流扰动而造成气体分配不均。

以上述实施方式为基础，在一种可选的实施方式中，如图1和2所示，在所述凹槽的底部贯穿开设有安装孔14，在底板2上设置有进气管6与固定螺柱7，进气管6与进气孔8连通，进气管6与固定螺柱7穿过安装孔14伸至磁屏1之外。这种结构有利于本装置的连接，在本装置使用时，所述凹槽的底部是更靠近霍尔推力器底部的，这样在磁屏1底端处设置相应进气管6与固定螺柱7可便于安装，避免相应连接结构影响另一端的放电通道。而进气管6与固定螺柱7均穿过磁屏1而与底板2相连，是因为磁屏1的材料通常强度较低，而相对更高强度的底板2可提供一个稳定的连接平台。

实施例2

本实施例提供一种霍尔推力器。

在一种实施方式中，包括霍尔推力器主体和阳极磁屏组件。霍尔推力器主体便是霍尔推力器一些主要部件。而这里的阳极磁屏组件其结构如实施例1所述的，并安装在所述霍尔推力器主体中。因为该霍尔推力器使用了实施例1所述的阳极磁屏组件，其次具有结构紧凑的优点，并且还具有磁屏与阳极一体化集成后的协同效应，通过尖端结构15使得霍尔推力器的磁场与电场两者均得到改善和增强。

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他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创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种阳极磁屏组件，其特征在于，包括：

磁屏（1），为具有凹槽的环体；所述凹槽沿磁屏（1）的周向设置；所述凹槽的开口朝向磁屏（1）轴向的一端；在磁屏（1）开口处的两侧壁的端部，壁厚逐渐缩小形成尖端结构（15）；

气体分配器，具有进气孔（8）和出气孔（12），适于兼做霍尔推力器的阳极；所述气体分配器设置于所述凹槽中，出气孔（12）位于靠近所述凹槽的开口处；所述气体分配器的顶部与磁屏（1）侧壁贴合；

出气孔（12）朝向磁屏（1）的径向开设，在磁屏（1）上开设有与出气孔（12）相连通且朝向相同的磁屏气孔（13）。

2.根据权利要求1所述的阳极磁屏组件，其特征在于，

在尖端结构（15）的尖部设置有磁屏镀层（5），磁屏镀层（5）由耐高温耐溅射刻蚀材料制成。

3.根据权利要求2所述的阳极磁屏组件，其特征在于，所述耐高温耐溅射刻蚀材料为钛、钼或钨。

4.根据权利要求1所述的阳极磁屏组件，其特征在于，在所述气体分配器的内外两侧均设置有出气孔（12）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的阳极磁屏组件，其特征在于，所述气体分配器包括：

底板（2），开设有进气孔（8），并位于所述凹槽的底部；

一层缓冲件（3），一端与底板（2）相连，并开设有一级缓冲腔（9）；一级缓冲腔（9）与进气孔（8）连通；

二层缓冲件（4），设置在一层缓冲件（3）的另一端，并开设有二级缓冲腔（11）；二级缓冲腔（11）通过通气孔（10）与一级缓冲腔（9）连通；出气孔（12）具有多个，并均布在二级缓冲腔（11）与外界之间。

6.根据权利要求5所述的阳极磁屏组件，其特征在于，一级缓冲腔（9）与二层缓冲件（4）均呈开槽结构；一层缓冲件（3）与底板（2）密封性连接使一级缓冲腔（9）合围成为腔室；二层缓冲件（4）与一层缓冲件（3）密封性连接使二级缓冲腔（11）合围成为腔室。

7.根据权利要求6所述的阳极磁屏组件，其特征在于，一级缓冲腔（9）与二级缓冲腔（11）的容积相等。

8.根据权利要求5所述的阳极磁屏组件，其特征在于，在所述凹槽的底部贯穿开设有安装孔（14），在底板（2）上设置有进气管（6）与固定螺柱（7），进气管（6）与进气孔（8）连通，进气管（6）与固定螺柱（7）穿过安装孔（14）伸至磁屏（1）之外。

9.一种霍尔推力器，其特征在于，包括：

霍尔推力器主体；

权利要求1至8中任一项所述的阳极磁屏组件，安装在所述霍尔推力器主体中。

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