CN115875224B - 一种霍尔推力器用固体工质储备式阳极结构及金属流量控制方法 - Google Patents

Abstract

一种霍尔推力器用固体工质储备式阳极结构及金属流量控制方法，它包含双层气体分配器和阳极环，双层气体分配器固定在放电通道的底面，阳极环固定在双层气体分配器上方的放电通道的两个环形壁面上，双层气体分配器和阳极环相互绝缘并连接各自的阳极电源，双层气体分配器的下层供给气体工质，并具有径向出气孔，双层气体分配器的上层储备有固体金属工质，双层气体分配器的上层表面固定有多孔板，多孔板具有使固体金属工质加热挥发的蒸汽逸出的出气孔。该阳极结构填充有气体工质和固体金属工质，可进行协同工作，以控制金属工质的加热温度；在霍尔推力器低流量放电时，供给部分易电离的金属工质，优化了霍尔推力器电离过程。

Description

一种霍尔推力器用固体工质储备式阳极结构及金属流量控制 方法

技术领域

本发明涉及霍尔推力器阳极结构，具体涉及一种霍尔推力器用固体工质储备式阳极结构及金属流量控制方法。

背景技术

霍尔推力器是一种利用正交电磁场电离加速工质气体产生推力的电推进装置，主要应用于航天推进领域。霍尔推力器在通道内部形成正交的电磁场，阴极发射的电子在到达通道底部阳极的过程中被磁场约束，绕磁力线做拉莫尔回旋运动。推进剂从通道底部注入，中性原子与电子在通道中碰撞电离，产生大量的离子、电子。离子在轴向电场的作用下高速喷出形成羽流，从而产生推力。它具有结构简单、比冲高、工作可靠等优点，可大大提高航天器的有效载荷率。

未来空间任务对电推力器提出了宽参数变化范围内高性能稳定工作的要求。航天器对动力的需求由不同的任务背景、不同的任务段、不同的工作环境以及不同的推力器形态等决定，不同任务背景、不同任务段的输入条件会发生变化。轨道转移和位置保持是航天器在轨机动的两种最主要任务。其中，轨道转移需要推力器工作在大推力状态，而位置保持需要推力器工作在高比冲状态。且随着卫星距地球的远近、或者位于太阳的阴阳两面，推力器的实际工况都需变化。再以火星、小行星探测等深空任务为例，任务期内不仅太阳能供给随时间、距离、位置的变化而变化，而且星际航行、绕飞等不同任务段对推力与比冲的需求差异亦很大，功率变化需达到1：10的比例；又如地球重力场测量、引力波探测等空间精密科学实验要求对卫星实现高精度、低噪声的无拖曳控制，需要推力大范围连续可调。因此，单一的某一个或某几个工作点无法有效适应航天器空间任务的多样性。

然而，基于当前设计理念的霍尔推力器均只能在一个较窄的工况内高效稳定放电。目前推力器在变工况参数运行条件下的效率均具有相同的变化规律：随着放电电压的增大，效率总是先增加再减小；随着工质流量的降低，效率快速下降。在低功率运行以及高比冲(高放电电压)运行时，推力器需要将工质流量维持在较低的数值，而这会导致电离过程不充分，进而影响推力器性能。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种霍尔推力器用固体工质储备式阳极结构及金属流量控制方法，该阳极结构填充有气体工质和固体金属工质，可进行协同工作，以控制金属工质的加热温度，在霍尔推力器低流量放电时，供给部分易电离的金属工质，优化了霍尔推力器电离过程。

一种霍尔推力器用固体工质储备式阳极结构包含双层气体分配器和阳极环，所述双层气体分配器固定在放电通道的底面，并与放电通道的两个环形壁面具有间隙，阳极环固定在双层气体分配器上方的放电通道的两个环形壁面上，双层气体分配器和阳极环相互绝缘并连接各自的阳极电源，双层气体分配器的下层供给气体工质，并具有径向出气孔，双层气体分配器的上层储备有固体金属工质，双层气体分配器的上层表面固定有多孔板，多孔板与固体金属工质非浸润，多孔板上具有使固体金属工质加热挥发的蒸汽逸出的出气孔。

一种采用固体工质储备式阳极结构的霍尔推力器，包含内磁极、内铁芯、内线圈、内磁屏、放电通道、外磁极、外磁屏、外线圈、外壳和底板；所述内铁芯、内磁屏、放电通道、外磁屏和外壳均为环形结构，依次远离轴线并固定在底板上，所述内磁极、外磁极分别固定在内铁芯和外壳的上表面上，所述内线圈和外线圈分别缠绕在线圈架上，并将线圈架固定在底板上；所述放电通道内布置有固体工质储备式阳极结构，所述固体工质储备式阳极结构包含双层气体分配器和阳极环，所述双层气体分配器固定在放电通道的底面，并与放电通道的两个环形壁面具有间隙，阳极环固定在双层气体分配器上方的放电通道的两个环形壁面上，双层气体分配器和阳极环相互绝缘并连接各自的阳极电源，双层气体分配器的下层供给气体工质，并具有径向出气孔，双层气体分配器的上层储备有固体金属工质，双层气体分配器的上层表面设有多孔板，多孔板与固体金属工质非浸润，多孔板上具有使固体金属工质加热挥发的蒸汽逸出的出气孔。

一种霍尔推力器用固体工质储备式阳极结构的金属流量控制方法，通过控制双层气体分配器和阳极环之间的电位差，形成对电子的竞争关系进而控制固体金属工质的加热温度，从而控制固体金属工质的流量，在低流量下，固体金属工质与气体工质共同工作，双层气体分配器的下层供给气体工质，采用径向出气至放电通道内，当固体金属工质融化为液体时，非润湿液体与多孔板上的毛细管接触，毛细管上固有表面张力会抵消所施加的压力，从而阻止液体进入毛细管，此时，多孔板会将金属液体限制在双层气体分配器内，金属蒸汽逸出至放电通道内，径向气体和轴向气体供给，优化霍尔推力器电离。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明设计了储备式双层气体分配器，在霍尔推力器低流量放电时，供给部分易电离的金属工质，优化霍尔推力器电离过程，提高霍尔推力器性能，阳极结构填充有气体工质和固体金属工质，可进行协同工作，通过控制双层气体分配器和阳极环的电位差，形成对电子的竞争关系，控制金属工质的加热温度从而控制金属工质的流量，优化了霍尔推力器电离过程，提高了霍尔推力器工作性能。

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为本发明的霍尔推力器用固体工质储备式阳极结构与放电通道布置关系示意图；

图2为本发明的霍尔推力器用固体工质储备式阳极结构的整体示意图；

图3为本发明的霍尔推力器用固体工质储备式阳极结构的主剖视示意图；

图4为去掉多孔板后的双层气体分配器的示意图；

图5为采用固体工质储备式阳极结构的霍尔推力器的示意图；

图6为固体工质储备式阳极结构的工作原理示意图；

图7为固体工质储备式阳极结构霍尔推力器电路连接示意图；

图8为实施例中铋工质蒸发压力随温度的关系图。

其中：1-内磁极，2-内铁芯，3-内线圈，4-内磁屏，5-放电通道，6-外磁极，7-外磁屏，8-外线圈，9-外壳，10-底板，11-双层气体分配器，11-1下腔体，12-阳极环，13-多孔板，14-固体金属工质。

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。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。

第一实施方式

实施例1、基于当前设计理念的霍尔推力器均只能在一个较窄的工况内高效稳定放电。目前推力器在变工况参数运行条件下的效率均具有相同的变化规律：随着放电电压的增大，效率总是先增加再减小；随着工质流量的降低，效率快速下降。在低功率运行以及高比冲(高放电电压)运行时，推力器需要将工质流量维持在较低的数值，而这会导致电离过程不充分，进而影响推力器性能。

为此，本实施例提供一种霍尔推力器用固体工质储备式阳极结构，以应用于霍尔推力器中，如图1-图4所示，包含双层气体分配器11和阳极环12，所述双层气体分配器11固定在放电通道5的底面，并与放电通道5的两个环形壁面具有间隙，阳极环12固定在双层气体分配器11上方的放电通道5的两个环形壁面上，双层气体分配器11和阳极环12相互绝缘并连接各自的阳极电源，双层气体分配器11和阳极环12具有电位差，双层气体分配器11的下层供给传统气体工质，例如氙、氪，并具有径向出气孔，双层气体分配器11的上层储备有的固体金属工质14为具有低电离能、大碰撞面的铋，双层气体分配器11的上层表面固定有的多孔板13材质为钼，钼与铋非浸润，多孔板13上具有使固体金属工质14加热挥发的蒸汽逸出的出气孔。

试验表明，铋金属在真空下蒸发压力与温度关系如图8所示。形成1Pa的压力需要667℃，形成0.1Pa的压力需581℃，而形成0.01Pa的压力仅需516℃。霍尔推力器阳极温度完全可以达到600℃以上，足以蒸发金属工质用于辅助电离。

电离过程主要受两种参数影响，电离能越低、碰撞截面越大，越容易电离。金属铋的第一电离能为7.3eV，小于氙的12.1eV和氪的14eV。金属铋的碰撞截面为8.0×10-16cm²，大于氙的5.0×10-16cm²和氪的3.7×10-16cm²。铋的电离效果好且无毒、便宜，因此是金属工质的首选。多孔钼板与铋液体相互非浸润，且钼耐温高，在高温下仍能保持孔结构，因此，多孔钼板作为双层气体分配器11的上表面的首选。多孔板也可被耐高温强度高的不锈钢替代。

实施例2、基于实施例1相同的结构，阳极环12的材质为无磁不锈钢；除多孔板13外，双层气体分配器11其余部分的材质为无磁不锈钢。无磁不锈钢没有磁性，不会影响霍尔推力器磁路，且其耐高温，便宜、易加工，因此是双层气体分配器11除多孔板外的其余构造以及阳极环12的首选。

实施例3、基于实施例2相同的结构，如图7所示，双层气体分配器11和阳极环12各经过一个滤波模块后连接电源，滤波模块用于降低噪声，保护电源。气体分配器电源和阳极环电源相互绝缘，通过调节二者电源输出改变双层气体分配器11和阳极环12之间的电位差，形成对电子的竞争关系，通过控制轰击在双层气体分配器11上的电子数量来控制金属的加热温度，进而控制金属工质的流量。

实施例4、如图3所示，基于实施例1-3任意一个实施例的双层气体分配器11，进一步限定所述双层气体分配器11的构造，其纵向轴截面为矩形的圆环腔体结构，包含相隔设置的下腔体11-1和上凹槽，下腔体11-1内供给气体工质，并具有径向出气孔，上凹槽内放置有固体金属工质14，上凹槽顶面固定有多孔板13。下腔体和上凹槽整体构成U形槽结构，U形槽结构与放电通道5具有间隙，加工制作方便。

第二实施方式

实施例5、基于上述实施例1-4的任意一项实施例，提供一种所述采用固体工质储备式阳极结构的霍尔推力器，如图1-图8所示，包含内磁极1、内铁芯2、内线圈3、内磁屏4、放电通道5、外磁极6、外磁屏7、外线圈8、外壳9和底板10；所述内铁芯2、内磁屏4、放电通道5、外磁屏7和外壳9均为环形结构，依次远离轴线并固定在底板10上，所述内磁极1、外磁极6分别固定在内铁芯2和外壳9的上表面上，所述内线圈3和外线圈8分别缠绕在线圈架上，并将线圈架固定在底板10上；

所述放电通道5内布置有固体工质储备式阳极结构，所述固体工质储备式阳极结构包含双层气体分配器11和阳极环12，所述双层气体分配器11固定在放电通道5的底面，并与放电通道5的两个环形壁面具有间隙，阳极环12固定在双层气体分配器11上方的放电通道5的两个环形壁面上，双层气体分配器11和阳极环12相互绝缘并连接各自的阳极电源，双层气体分配器11的下层供给气体工质，并具有径向出气孔，双层气体分配器11的上层储备有固体金属工质14，双层气体分配器11的上层表面设有多孔板13，多孔板13与固体金属工质14非浸润，多孔板13上具有使固体金属工质14加热挥发的蒸汽逸出的出气孔。径向出气孔0.5-0.6mm，多孔板内孔为微米级孔，有毛细管的作用，有阻液排蒸汽的功能。双层气体分配器11和阳极环12的电位差为±20V以上，通过控制双层气体分配器11阳极环12之间的电位差控制电子流向，电位高的一方吸引电子轰击从而升温，进而控制金属工质的加热温度，研究发现阳极电势相差±20V以上，足以将90％以上的电子吸引。

第三实施方式

实施例6、基于上述实施例的霍尔推力器，一种霍尔推力器用固体工质储备式阳极结构的金属流量控制方法，通过控制双层气体分配器11和阳极环12之间的电位差，形成对电子的竞争关系进而控制固体金属工质14的加热温度，从而控制固体金属工质14的流量，在低流量下，固体金属工质14与气体工质共同工作，双层气体分配器11的下层供给气体工质，采用径向出气至放电通道5内，当固体金属工质14融化为液体时，非润湿液体与多孔板13上的毛细管接触，毛细管上固有表面张力会抵消所施加的压力，从而阻止液体进入毛细管，此时，多孔板13会将金属液体限制在双层气体分配器内，金属蒸汽逸出至放电通道5内，径向气体和轴向气体供给，优化霍尔推力器电离。双层气体分配器11下层供给传统气体工质(如氙、氪)，采用径向出气的方式。上层储备有固体金属工质，金属工质加热挥发，蒸汽通过表面的多孔板逸出，供给推力器的电离过程。通过控制双层气体分配器11和阳极环12之间的电位差控制电子流向，电位高的一方吸引电子轰击从而升温，进而控制金属工质的加热温度。通过设计新型的阳极结构，在低流量下，固体工质与气体工质共同工作，利用固体工质电离能低、碰撞截面大的优点，优化低流量下的推力器性能。并通过控制双层气体分配器和阳极环之间的电位，形成对电子的竞争关系，控制金属的加热温度从而控制金属工质的流量。在低流量下，固体金属工质与气体工质共同工作，利用固体工质电离能低、碰撞截面大的优点，优化低流量下的推力器性能，进而供给推力器的电离过程。

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)

1.一种采用固体工质储备式阳极结构的霍尔推力器，包含内磁极（1）、内铁芯（2）、内线圈（3）、内磁屏（4）、放电通道（5）、外磁极（6）、外磁屏（7）、外线圈（8）、外壳（9）和底板（10）；所述内铁芯（2）、内磁屏（4）、放电通道（5）、外磁屏（7）和外壳（9）均为环形结构，依次远离轴线并固定在底板（10）上，所述内磁极（1）、外磁极（6）分别固定在内铁芯（2）和外壳（9）的上表面上，所述内线圈（3）和外线圈（8）分别缠绕在线圈架上，并将线圈架固定在底板（10）上；

其特征在于：所述放电通道（5）内布置有固体工质储备式阳极结构，所述固体工质储备式阳极结构包含双层气体分配器（11）和阳极环（12），所述双层气体分配器（11）固定在放电通道（5）的底面，并与放电通道（5）的两个环形壁面具有间隙，阳极环（12）固定在双层气体分配器（11）上方的放电通道（5）的两个环形壁面上，双层气体分配器（11）和阳极环（12）相互绝缘并连接各自的阳极电源，双层气体分配器（11）的下层供给气体工质，并具有径向出气孔，双层气体分配器（11）的上层储备有固体金属工质（14），双层气体分配器（11）的上层表面设有多孔板（13），多孔板（13）与固体金属工质（14）非浸润，多孔板（13）上具有使固体金属工质（14）加热挥发的蒸汽逸出的出气孔。

2.根据权利要求1所述一种采用固体工质储备式阳极结构的霍尔推力器，其特征在于：所述多孔板（13）为钼板。

3.根据权利要求1所述一种采用固体工质储备式阳极结构的霍尔推力器，其特征在于：所述阳极环（12）的材质为无磁不锈钢。

4.根据权利要求1所述一种采用固体工质储备式阳极结构的霍尔推力器，其特征在于：除多孔板（13）外，所述双层气体分配器（11）其余部分的材质为无磁不锈钢。

5.根据权利要求1所述一种采用固体工质储备式阳极结构的霍尔推力器，其特征在于：所述双层气体分配器（11）的纵向轴截面为矩形的圆环腔体结构，包含相隔设置的下腔体（11-1）和上凹槽，下腔体（11-1）内供给气体工质，并具有径向出气孔，上凹槽内放置有固体金属工质（14），上凹槽顶面固定有多孔板（13）。

6.根据权利要求1所述一种采用固体工质储备式阳极结构的霍尔推力器，其特征在于：

所述多孔板（13）为耐高温不锈钢板。

7.根据权利要求1所述一种采用固体工质储备式阳极结构的霍尔推力器，其特征在于：

所述固体金属工质（14）为铋，所述多孔板（13）为钼板，所述双层气体分配器（11）和阳极环（12）的材质均为无磁不锈钢。

8.一种根据权利要求1或7所述的采用固体工质储备式阳极结构的霍尔推力器的电离控制方法，其特征在于：通过控制双层气体分配器（11）和阳极环（12）之间的电位差，形成对电子的竞争关系进而控制固体金属工质（14）的加热温度，从而控制固体金属工质（14）的流量，在低流量下，固体金属工质（14）与气体工质共同工作，双层气体分配器（11）的下层供给气体工质，采用径向出气至放电通道（5）内，当固体金属工质（14）融化为液体时，非润湿液体与多孔板（13）上的毛细管接触，毛细管上固有表面张力会抵消所施加的压力，从而阻止液体进入毛细管，此时，多孔板（13）会将金属液体限制在双层气体分配器内，金属蒸汽逸出至放电通道（5）内，径向气体和轴向气体供给，优化霍尔推力器电离。

9.根据权利要求8所述一种采用固体工质储备式阳极结构的霍尔推力器的电离控制方法，其特征在于：双层气体分配器（11）和阳极环（12）的电位差为±20V以上。

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