CN115711208B - 一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构 - Google Patents

Abstract

一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构，它包含分配器底座、一级挡板、供气管、二级挡板和三级挡板；一级挡板密封安装在分配器底座的凹槽内，二级挡板的外底面封装在分配器底座的凹槽的顶部；一级挡板和分配器底座围成第一底部缓冲腔，一级挡板、二级挡板和分配器底座围成第二底部缓冲腔，三级挡板的外底面固定在二级挡板上，三级挡板与二级挡板的侧壁之间形成侧部缓冲腔，二级挡板的内外环壁顶部固定有陶瓷管，阳极、阳极绝缘陶瓷板分别与三级挡板侧壁具有间隙。本发明直接在放电通道的下游供气，可有效提升电离区的气体密度，解决后加载霍尔推力器电离区中性原子密度下降及电离效率降低的问题。

Description

一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构

技术领域

本发明涉及霍尔推力器，具体涉及一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构。

背景技术

霍尔推力器是一种利用磁约束电离工质气体，静电场加速离子的电推进装置，它具有结构简单、比冲高、寿命长、可靠性好等优势，因而近年来受到国内外研究机构的广泛关注。传统霍尔推力器拓扑结构及磁场强度分布分别如图1和图2所示，其放电通道内磁场具有正梯度且最大磁场强度位于放电通道内部，阳极(气体分配器)位于环形放电通道底部，工质气体原子通过阳极均化后进入放电通道，与电子碰撞电离产生离子，因此放电通道可根据轴向空间分布实现的具体功能依次划分为近阳极区、电离区、加速区。气体流动的相关理论研究显示在霍尔推力器内中性气体流动可近似为自由分子流，因此中性气体原子在进入通道后在压力梯度作用下自由扩散，可以预见在霍尔推力器这种半开口U形放电通道内气体密度是从阳极表面的最高值沿着轴向单调降低的(如图2所示)。由霍尔推力器电离相关理论可知电离速率S_ion＝β(T_e)n_en_a，其中β为电离反应系数，与电子温度T_e正相关，n_e为电子密度，n_a为中性原子密度。可见，工质电离速率与气体原子密度n_a成正比。而电离区距离阳极表面具有一定的距离，因此，原子密度会显著低于近阳极区，由此可见传统的出气方式不利于工质高效电离的发生。此外，随着霍尔推力器磁路构型的发展，目前广泛采用的“后加载”磁场将通道内部的最大磁场强度推移到通道外部从而改变通道内等离子体的分布，使得电离区外移至通道出口甚至部分位于通道外，若仍采用传统出气方案则电离区气体密度会进一步下降，导致后加载霍尔推力器电离效率的下降。这也说明目前的“后加载”设计理念下磁场与中性气体流场设计没有得到完全匹配，进一步考虑高比冲霍尔推力器工质流量普遍偏低，充分电离矛盾更为突出，需要针对电离区外移原子密度下降进行新的供气方案设计，以此优化流场分布进而保证高效电离，提升高比冲后加载推力器性能。此外，霍尔推力器高比冲的实现依赖放电电压的提升，而高电压下电场的增强必然导致电子能量升高，若电子到达阳极前未经过充分的冷却或能量的回收，则与阳极复合的电子剩余能量过高，最终宏观表现为阳极结构材料高温过热甚至融化损坏，对高比冲霍尔推力器的可靠性、稳定性及工程应用前景造成不利影响。

公开号CN114412740A涉及一种霍尔推力器的轴对称进气结构，目的在于解决气体分布周向均匀性问题，采用轴对称分布的分流气路或者凸台结构，以避开安装螺孔、通线孔的干涉，并保证工质气体从进气管到达径向缓冲腔室的轴对称分布特性。没有解决中性气体到达电离区位置时密度大幅下降的问题。

公开号CN110307132A涉及一种提高气体均匀性的霍尔推力器定位结构，目的在于防止推力器工作后温度上升导致螺栓连接不牢固，气体分配器径向位置没有定位结构就会在重力的作用下偏向通道一侧，导致供气不均匀的问题。

公开号CN106837722A涉及一种采用轻质一体化阳极的霍尔推力器，采用了一个金属壁面做缓冲腔，但是其结构最后出气位置仍然在通道底部，通道底部设置一个多孔结构增加流阻提升气体均匀性，目的是提升气体均化，没有解决中性气体到达电离区位置时密度大幅下降的问题。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构，该结构直接在放电通道的下游供气，可有效提升电离区的气体密度，进而解决后加载霍尔推力器电离区中性原子密度下降、电离效率降低的问题。

一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构包含分配器底座、一级挡板、供气管、二级挡板、三级挡板和套管；分配器底座、二级挡板和三级挡板均为环形槽式结构；

一级挡板密封安装在分配器底座的凹槽内，二级挡板的外底面封装在分配器底座的凹槽的顶部；一级挡板和分配器底座围成第一底部缓冲腔，一级挡板、二级挡板和分配器底座围成第二底部缓冲腔，三级挡板的外底面固定在二级挡板上，三级挡板与二级挡板的侧壁之间形成侧部缓冲腔，二级挡板的内外环壁顶部固定有陶瓷管，三级挡板的内底面布置有阳极绝缘陶瓷板，阳极布置在阳极绝缘陶瓷板上，阳极、阳极绝缘陶瓷板分别与三级挡板侧壁具有间隙，三级挡板、阳极和陶瓷管形成放电通道；

所述分配器底座的底面沿周向均布有N个通孔，N为偶数，其中N/2个通孔上安装有底座螺柱13，其中一个底座螺栓为供气管4，供气管4与第一底部缓冲腔I相通，其余N/2个通孔用于阳极1的阳极螺柱12引出，底座螺柱13和阳极螺柱12周向相间布置，一级挡板上开有一级出气孔，二级挡板的底部开有二级出气孔，二级出气孔与间隙连通。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明的供气结构，可改变气体进入放电通道的轴向位置，进而实现中性气体流场的后加载，与后加载磁场相匹配，提升电离区的气体密度，改善电离效率。另外，将供电阳极置于供气源头的上游，可有效降低阳极电子剩余能量，减少阳极热沉积避免阳极过热的发生，同时可通过推力器外部回路切换实现供电与供气的分离与结合，为霍尔推力器设计提供了更高的自由度。此外，将传统霍尔推力器的放电通道壁面与气体分配器两个功能性零部件合二为一，起到了简化拓扑结构、降低尺寸及重量的作用。

本发明针对电子温度高的特点优化流场设计，利用近阳极区中性气体原子与电子的碰撞对电子能量进行回收与再利用，降低阳极电子剩余能量、改善阳极过热等不稳定因素对高比冲霍尔推力器正常放电造成的不确定性影响，提升放电稳定性。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1为传统霍尔推力器拓扑结构图；

图2为霍尔推力器磁场强度及中性气体密度轴向分布图；

图3为本发明适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构的示意图；

图4为本发明适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构示意图，图中未含有绝缘陶瓷套管；

图5为本发明适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构示意图；

图6为实施例中传统和本发明的中性气体轴向分布仿真结果示意图；

图7为实施例中传统和本发明的中性气体周向分布仿真结果示意图；

其中：1、阳极，3-1、一级出气孔，2、阳极绝缘陶瓷板，3、一级挡板，4、供气管，5、分配器底座，6、二级挡板，6-1、二级出气孔，7、三级挡板，8、陶瓷管，9、绝缘陶瓷套管，10、螺柱引出套管，11、放电通道，12、阳极螺柱，13、底座螺柱，I、第一底部缓冲腔，II、第二底部缓冲腔，III、侧部缓冲腔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

结合图3-图5说明，本实施方式的一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构包含分配器底座5、一级挡板3、供气管4、二级挡板6和三级挡板7；分配器底座5、二级挡板6和三级挡板7均为环形槽式结构；

一级挡板3密封安装在分配器底座5的凹槽内，二级挡板6的外底面封装在分配器底座5的凹槽的顶部；一级挡板3和分配器底座5围成第一底部缓冲腔I，一级挡板3、二级挡板6和分配器底座5围成第二底部缓冲腔II，三级挡板7的外底面固定在二级挡板6上，三级挡板7与二级挡板6的侧壁之间形成侧部缓冲腔III，二级挡板6的内外环壁顶部固定有陶瓷管8，三级挡板7的内底面布置有阳极绝缘陶瓷板2，阳极1布置在阳极绝缘陶瓷板2上，阳极1、阳极绝缘陶瓷板2分别与三级挡板7侧壁具有间隙，三级挡板7、阳极1和陶瓷管8形成放电通道11；

所述分配器底座5的底面沿周向均布有N个通孔，N为偶数，其中N/2个通孔上安装有底座螺柱13，其中一个底座螺栓为供气管4，供气管4与第一底部缓冲腔I相通，其余N/2个通孔用于阳极1的阳极螺柱12引出，底座螺柱13和阳极螺柱12周向相间布置，一级挡板3上开有一级出气孔3-1，二级挡板6的底部开有二级出气孔6-1，二级出气孔6-1与间隙连通。

本实施方式供气结构的放电通道采用金属与陶瓷分段连接，其中，金属壁面段采用双层金属壁结构(分配器底座5、二级挡板6和三级挡板7均为环形槽式结构)，在金属壁底部供给中性气体，经过底部与侧壁缓冲腔(第一底部缓冲腔I、第二底部缓冲腔II和侧部缓冲腔III)的多级缓冲均化后从侧壁局部位置进入放电通道11，即将传统霍尔推力器的放电通道上游更换为金属材料，利用金属材料力学性能好可成薄壁件的特点，将壁面与气体分配器两个功能性零部件合二为一，起到了简化推力器拓扑结构、降低尺寸及重量的作用，同时有效提升通道下游电离区的原子密度，强化电离。另一方面，可将导电的阳极1单独作为一个零部件置于放电通道底部，而金属壁面(气体分配器)与阳极1之间电隔离从而实现供气供电的功能分离，供气位置位于供电阳极下游(陶瓷管8区域)，从而在近阳极区为中性气体创造出一个高密度的缓冲区，电子需要穿越该缓冲区才能到达阳极表面形成放电回路，在这个过程中会消耗电子能量起到一定的“预电离”作用，更为重要的是能够降低阳极1接收的电子能量从而避免阳极结构材料过热现象的发生。

进一步地，如图4和图5所示，阳极螺柱12从三级挡板7、二级挡板6、一级挡板3、阳极绝缘陶瓷板2的通孔处引出至放电通道11外部。

为了保证工作可靠，如图4所示，供气结构与阳极1之间绝缘设置，阳极螺柱12的外侧套设有绝缘陶瓷套管9。

为了提高运行的可靠性，所述供气结构直接作为放电通道壁面的一部分，所述三级挡板7的材质为耐高温低膨胀合金，优选地选择钛合金材料。所述放电通道11为半封闭放电通道。也即所述供气结构与陶瓷管8、阳极1、阳极绝缘陶瓷板2组合形成U形的半封闭放电通道。

下面结合实施例对本发明作具体的说明：

实施例1、如图3-图5所示；一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构包含分配器底座5、一级挡板3、供气管4、二级挡板6和三级挡板7；分配器底座5、二级挡板6和三级挡板7均为环形槽式结构；

一级挡板3密封安装在分配器底座5的凹槽内，二级挡板6的外底面封装在分配器底座5的凹槽的顶部；一级挡板3和分配器底座5围成第一底部缓冲腔I，一级挡板3、二级挡板6和分配器底座5围成第二底部缓冲腔II，三级挡板7的外底面固定在二级挡板6上，三级挡板7与二级挡板6的侧壁之间形成侧部缓冲腔III，二级挡板6的内外环壁顶部固定有陶瓷管8，三级挡板7的内底面布置有阳极绝缘陶瓷板2，阳极1布置在阳极绝缘陶瓷板2上，阳极1、阳极绝缘陶瓷板2分别与三级挡板7侧壁具有间隙，三级挡板7、阳极1和陶瓷管8形成放电通道11；

所述分配器底座5的底面均匀分布6个通孔，其中三个用于安装并焊接供气管4，三个用于阳极1的阳极螺柱12引出至放电通道11外部，供气管4的通孔与阳极1的阳极螺柱引出通孔相间分布。绝缘陶瓷套管9的外侧套设有螺柱引出套管10。所述螺柱引出套管10周向3个分别置于分配器底座5、一级挡板3、二级挡板6的底座螺柱13引出孔处，焊接连接为一体。

所述供气管4置于分配器底座5对应的安装孔上，并在连接位置焊接为一体。

所述分配器底座5的凹槽内侧壁设置台阶上，一级挡板3置于分配器底座5的台阶上，并在内外壁两侧焊接为一体。

所述二级挡板6置于分配器底座5的外侧台阶上，并在连接位置焊接为一体。

所述三级挡板7底部具有定位槽，槽定位在二级挡板6顶部安装面的外侧。

一级出气孔3-1为多个出气孔，多个出气孔呈单环形布置。一级挡板3为单排孔板，在一级挡板3上沿周向均布有18个直径均为0.5mm的小出气孔，增加流阻，实现气体周向均化。

二级出气孔6-1呈双环布置，双环出气孔分别靠近二级挡板6的内外壁布置。二级挡板6为双排孔板，底部靠近侧壁分别沿周向均布有18个出气孔，出气孔直径均为0.5mm，安装时二级挡板6与一级挡板3的出气孔错开，周向相间分布。实验表明，直径就是越小越好，越小流阻越大，但是考虑加工制造的问题最小为0.5mm左右。

所述陶瓷管8底部具有安装凹槽，置于二级挡板6侧壁的顶部。

所述阳极绝缘陶瓷板2置于三级挡板7的U型槽底部。

工作时，在底部的供气管4注入工质气体经过第一底部缓冲腔Ⅰ、第二底部缓冲腔Ⅱ和侧部缓冲腔III的多级缓冲均化后从侧壁进入放电通道11。

所述供气结构直接作为放电通道壁面的一部分，使用耐高温低膨胀合金制成，优选地选择钛合金材料。所述供气结构与陶瓷管8、阳极1、阳极绝缘陶瓷板2组合形成U形的半封闭放电通道11。

所述放电通道11分两部分，上游为金属壁区(位于放电通道11内的三级挡板7的上部区域)，下游为陶瓷壁(放电通道11内的陶瓷管8区域)，优选地，金属壁区(三级挡板7壁)、阳极1采用钛合金制成，陶瓷壁(陶瓷管8)采用氮化硼制成。

所述阳极1顶部为同心回转结构，阳极1的底部周向均布有3个阳极螺柱12，用于连接推力器外部的电源。底座螺柱13与阳极螺柱12可实现分别供电，可分别连接至推力器外部回路中，可通过外回路中的开关控制阳极与金属壁接通与绝缘。

实施例2、基于上述技术方案，通过改变二级挡板6与三级挡板7侧壁的高度，可改变气体进入放电通道11的位置，放电通道的总长度为25mm，优选地分别设置进气位置与阳极表面距离h分别为0、6、12或17mm进行仿真验证，如图6和图7所示。

基于上述技术方案，进行中性气体流动仿真实验，各个算例的初始条件设置完全一致，结果如图6所示。与传统结构对比，本实施例的供气结构的下游出气方式能够显著提升预期电离区的气体密度，其中，供气位置距离阳极表面距离h＝6mm与12mm效果较佳，电离区气体数密度最高值达到5.2×10¹⁹m^-3相比传统结构的4.4×10¹⁹m^-3提升近20％。此外，预期电离区的气体周向分布结果如图7所示，可见下游出气与传统结构可达到相似的周向均匀程度。综上所述，本实施例的下游出气在保证气体周向分布均匀的前提下，可有效提升电离区的气体密度，从而为气体的充分电离提供有利条件。本实施例改变了中性气体进入放电通道的位置，可在预期电离区注入工质原子，实现流场的后加载。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (9)

1.一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构，其特征在于：包含分配器底座(5)、一级挡板(3)、供气管(4)、二级挡板(6)和三级挡板(7)；分配器底座(5)、二级挡板(6)和三级挡板(7)均为环形槽式结构；

一级挡板(3)密封安装在分配器底座(5)的凹槽内，二级挡板(6)的外底面封装在分配器底座(5)的凹槽的顶部；一级挡板(3)和分配器底座(5)围成第一底部缓冲腔(I)，一级挡板(3)、二级挡板(6)和分配器底座(5)围成第二底部缓冲腔(II)，三级挡板(7)的外底面固定在二级挡板(6)上，三级挡板(7)与二级挡板(6)的侧壁之间形成侧部缓冲腔(III)，二级挡板(6)的内外环壁顶部固定有陶瓷管(8)，三级挡板(7)的内底面布置有阳极绝缘陶瓷板(2)，阳极(1)布置在阳极绝缘陶瓷板(2)上，阳极(1)、阳极绝缘陶瓷板(2)分别与三级挡板(7)侧壁具有间隙，三级挡板(7)、阳极(1)和陶瓷管(8)形成放电通道(11)，所述三级挡板(7)的材质为耐高温低膨胀合金，阳极(1)采用钛合金制成；改变二级挡板(6)与三级挡板(7)侧壁的高度，可改变气体进入放电通道(11)的位置；

所述分配器底座(5)的底面沿周向均布有N个通孔，N为偶数，其中N/2个通孔上安装有底座螺柱(13)，其中一个底座螺栓为供气管(4)，供气管(4)与第一底部缓冲腔(I)相通，其余N/2个通孔用于阳极(1)的阳极螺柱(12)引出，底座螺柱(13)和阳极螺柱(12)周向相间布置，一级挡板(3)上开有一级出气孔(3-1)，二级挡板(6)的底部开有二级出气孔(6-1)，二级出气孔(6-1)与间隙连通。

2.根据权利要求1所述一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构，其特征在于：阳极螺柱(12)从三级挡板(7)、二级挡板(6)、一级挡板(3)、阳极绝缘陶瓷板(2)的通孔处引出至放电通道(11)外部。

3.根据权利要求1所述一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构，其特征在于：阳极螺柱(12)的外侧套设有绝缘陶瓷套管(9)。

4.根据权利要求2所述一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构，其特征在于：绝缘陶瓷套管(9)的外侧套设有螺柱引出套管(10)。

5.根据权利要求1所述一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构，其特征在于：所述放电通道(11)为半封闭放电通道。

6.根据权利要求1所述一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构，其特征在于：一级出气孔(3-1)为多个出气孔，多个出气孔呈单环形布置。

7.根据权利要求1所述一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构，其特征在于：二级出气孔(6-1)呈双环布置，双环出气孔分别靠近二级挡板(6)的内外壁布置。

8.根据权利要求1或7所述一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构，其特征在于：一级出气孔(3-1)和二级出气孔(6-1)错位排布。

9.根据权利要求1所述一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构，其特征在于：进气位置至阳极(1)的表面的距离h为6mm、12mm或者17mm。