CN115898802B - 霍尔推力器、包括其的空间设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及霍尔推力器、包括其的空间设备及其使用方法。所述霍尔推力器包括：呈环形的导磁外壳；圆片结构的导磁底板，其与导磁外壳围成圆柱形内部空间；沿轴向设置于内部空间的中心部的内磁元件；位于内磁元件顶部的导磁内芯；以及内套筒，其主体部分为中空筒状，用于放置内磁元件和导磁内芯，内套筒在主体部分的底部设有圆柱凸起，圆柱凸起延伸穿过导磁底板并且通过螺母将内套筒与导磁底板固定，并且霍尔推力器具有阳极/气体分配器及阳极磁屏，阳极磁屏套设在阳极/气体分配器的外周，其呈环状且由导磁材料制成。通过阳极磁屏，霍尔推力器的阳极能有效地约束工质气体及进行均匀化、消弱推力器外部剩磁矩，提高比冲与工质利用率。

Description

霍尔推力器、包括其的空间设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及空间推进技术领域；具体而言，本发明涉及霍尔推力器、包括其的空间设备及其使用方法。

背景技术

霍尔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。

图1示出了一种传统稳态等离子体霍尔推力器的工作原理。如图中所示，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A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B进入环形放电室，再到达径向电子漂移区，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。

现有技术中的霍尔推力器，尤其针对小型永磁霍尔推力器，存在着阳极约束工质气体及进行均匀化不足、存在推力器外部剩磁矩较高，阳极端面磁场强度较大，点火阈值高，并且比冲与工质利用率则有待提高等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了霍尔推力器、包括其的空间设备及其使用方法，从而解决或者至少缓解了现有技术中存在的上述问题和其它方面的问题中的一个或多个。

为了实现前述目的，根据本发明的第一方面提供了一种霍尔推力器，其中，所述霍尔推力器包括：

导磁外壳，所述导磁外壳呈环形；

导磁底板，所述导磁底板为圆片结构，并且与所述导磁外壳围成圆柱形内部空间；

内磁元件，所述内磁元件沿轴向设置于所述内部空间的中心部；

导磁内芯，所述导磁内芯位于所述内磁元件顶部；以及

内套筒，所述内套筒的主体部分为中空筒状，用于放置所述内磁元件和所述导磁内芯，所述内套筒在所述主体部分的底部设有圆柱凸起，所述圆柱凸起延伸穿过所述导磁底板并且通过螺母将所述内套筒与所述导磁底板固定，

并且，所述霍尔推力器具有阳极/气体分配器及阳极磁屏，所述阳极磁屏套设在所述阳极/气体分配器的外周，所述阳极磁屏呈环状并且由导磁材料制成。

在如前所述的霍尔推力器中，可选地，所述霍尔推力器包括：

外保护环，所述外保护环为圆环状结构，所述外保护环的形状贴合所述导磁外壳的下游部分形状，所述外保护环的下部外径等于所述导磁外壳的上部凸起部分的内径，所述外保护环的上部外径等于所述导磁外壳的最上部外径；

上内保护环，所述上内保护环呈下端开放的截顶圆锥形，所述上内保护环罩在所述导磁内芯的上部圆台并且其形状贴合所述导磁内芯，所述上内保护环限位安装电子发射材料环；

下内保护环，所述下内保护环为圆环片结构，所述下内保护环的中心圆孔的直径等于所述导磁内芯的下部圆柱的直径，用于所述导磁内芯的穿过安装，并且所述下内保护环通过所述导磁内芯与所述内套筒夹紧定位安装。

在如前所述的霍尔推力器中，可选地，所述电子发射材料环为圆环结构，所述电子发射材料环套设于所述导磁内芯的上部圆台上端的台阶部，并且通过所述下内保护环与所述导磁内芯对所述电子发射材料环进行限位安装。

在如前所述的霍尔推力器中，可选地，所述阳极/气体分配器为双层空心阳极/气体分配器，其包括焊接在一起的底座、第一缓冲腔及第二缓冲腔，所述底座内为连接螺柱或进气管；

所述连接螺柱与所述进气管首先穿过T型绝缘柱，再通过T型绝缘柱穿过所述导磁底板，其中通过所述连接螺柱将所述阳极/气体分配器使用螺母通过所述阳极磁屏进行固定限位，使得所述阳极/气体分配器与所述导磁外壳和所述导磁底板绝缘。

在如前所述的霍尔推力器中，可选地，所述阳极磁屏为凹槽环状结构，所述阳极磁屏的底部布置有四个直径大于所述阳极/气体分配器的进气柱与固定螺柱的直径的限位通孔，所述阳极磁屏的内部凹槽内径等于所述阳极/气体分配器的内径，所述阳极磁屏的内部凹槽外径等于所述阳极/气体分配器的外径，将所述阳极/气体分配器限制在所述阳极磁屏内部，从而实现对所述阳极/气体分配器的限位。

在如前所述的霍尔推力器中，可选地，所述T型绝缘柱为T型中空结构，所述T型中空结构的直径大于所述阳极/气体分配器的底座上的进气柱或连接螺柱的直径，所述T型绝缘柱的下部圆筒的外径等于所述T型绝缘柱的安装孔的直径，通过所述T型中空结构完成对所述T型绝缘柱、所述阳极/气体分配器与所述阳极磁屏的上下限位，并且所述T型绝缘柱的下部圆筒外部具有螺纹线，通过螺母实现所述T型绝缘柱与所述导磁底板的限位固定。

在如前所述的霍尔推力器中，可选地，所述导磁外壳、所述导磁底板、所述导磁内芯与所述阳极磁屏的材料均为耐高温导磁材料；所述内磁元件为耐高温永磁体；所述上内保护环、下内保护环与所述外保护环的材料为金属耐溅射材料或陶瓷材料；所述电子发射材料环的材料为可发射电子的材料；所述阳极/气体分配器的材料为金属耐溅射材料；所述内套筒的材料为铜；所述T型绝缘柱的材料为耐高温高分子材料或陶瓷材料。

在如前所述的霍尔推力器中，可选地，所述霍尔推力器包括外置无工质阴极。

为了实现前述目的，根据本发明的第二方面提供了一种空间设备，其中，所述空间设备包括如前述第一方面中任一项所述的霍尔推力器。

为了实现前述目的，根据本发明的第三方面提供了如前述第一方面中任一项所述的霍尔推力器的使用方法，所述方法包括冷气推进模式和/或电推进模式，其中：

所述冷气推进模式为在没有阳极供电的情况下从所述阳极/气体分配器分配工质气体并自放电通道直接将所述工质气体排出；

所述电推进模式为在向所述阳极/气体分配器提供工质气体使所述工质气体进入所述放电通道的情况下，施加电场和磁场使所述工质气体电离并出射高速离子，

并且，所述工质气体为氮气、氩气、氪气、氙气或碘。

在本发明的霍尔推力器、包括其的空间设备及其使用方法中，通过设置阳极磁屏，霍尔推力器的阳极能有效地约束工质气体及进行均匀化、消弱推力器外部剩磁矩，降低阳极端面磁场强度，降低推力器点火阈值，提高比冲与工质利用率。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将更加显然。应当了解，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是现有技术霍尔推力器的工作原理图；

图2是根据本发明的霍尔推力器的一种实施例的示意性剖视图，其中有保护环有电子发射材料环无外置阴极；

图3示意性地示出了图2中霍尔推力器的局部放电机理；

图4是根据本发明的霍尔推力器的另一实施例的示意性剖视图，其中有保护环有电子发射材料环有外置阴极；

图5示意性地示出了图4中霍尔推力器的局部放电机理；

图6是根据本发明的霍尔推力器的再一实施例的示意性剖视图，其中有保护环无电子发射材料环有外置阴极；

图7示意性地示出了图6中霍尔推力器的局部放电机理；

图8是根据本发明的霍尔推力器的又一实施例的示意性剖视图，其中无保护环无电子发射材料环有外置阴极；以及

图9示意性地示出了图8中霍尔推力器的局部放电机理。

附图标记：A-阴极；B-阳极气体分配器；F1-电场；F2-磁场；1-导磁外壳；2-导磁底板；3-导磁内芯；4-内磁元件；5-外保护环；6-上内保护环；7-电子发射材料环；8-下内保护环；9-阳极磁屏；10-阳极/气体分配器；11-内套筒；12-T型绝缘柱；13-无工质阴极。

具体实施方式

参照附图和具体实施例，下面将以示例方式来说明根据本发明的霍尔推力器、包括其的空间设备及其使用方法的结构组成、特点和优点等，然而所有描述不应用于对本发明形成任何限制。

此外，对于在本文提及的实施方式中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，本发明仍然允许在这些技术特征（或其等同物）之间继续进行任意组合或者删减而不存在任何的技术障碍，从而应当认为这些根据本发明的更多实施方式也是在本文的记载范围之内。

还需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

对于传统霍尔推力器，由于其结构限制，无法实现上述的一系列工作特性，如下所述：传统的小中大霍尔推力器的功率范围大致从100至100KW，功率高于本发明至少一个半数量级。为实现该种数量级的功率，需设计合适的放电通道尺寸、磁场强度与工作流量，此种霍尔推力器的放电通道尺寸一般高于本发明至少一个数量级，需要的磁场强度一般为200-400高斯，为了在该种尺寸内以合适的功率获得需求的磁场强度，一般使用电磁线圈来完成磁场的构造。在上述放电通道尺寸、磁场强度与功率的约束下，该种霍尔推力器的工作流量一般被限定在大于5sccm的范围上，在亚sccm级别的流量上无法点火工作。基于以上所述的尺寸，磁场强度与功率，该种传统霍尔推力器在高压工作(超过1000V)时会产生较高的热功率沉积，导致推力器磁路组件与阳极的工作状况收到严重影响，无法长时间稳定工作。并且，传统霍尔推力器的陶瓷放电通道在高电压放电的情况下会产生电荷积累导致的微放电效应，损伤陶瓷放电腔，缩短推力器寿命。以上缺陷决定了该种霍尔推力器不具备高电压稳定工作的特性，且工作流量在功率与放电通道尺寸的限制下也无法降低。

为获得更高的放电通道出口处最大磁场强度、低工质气体流量与高工作电压，缩小了该推力器放电通道的内外直径，以获得更高的磁场强度（800-2000高斯）。基于该种小尺度构型，该推力器可稳定的工作在亚sccm的流量工况级别。基于以上磁场与流量特性，该推力器的工作功率可限定在数瓦级别（1-5W，加外置阴极可拓展至10W级别），从而在工作过程中的产生的热功率沉积导致的导磁元件、内磁原件与阳极/气体分配器的温度影响可完全忽略，这使得该推力器可稳定工作在高电压工况（500-4000V）下而不会产生过大热量对工作状况产生影响。

对于霍尔推力器，增高放电电压会直接增加电子的能量，使其更容易电离工质气体，并且直接提升了二价或三价离子的产生几率，提升束流离子中的高价离子比例。束流离子中多价离子比例的提升会一定程度上减小推力并提升比冲，符合需要的微小功率、微小推力、高比冲与宽范围的设计理念。并且，阳极高电压可使由六硼化镧保护环产生的电子在短路径中也可获得较大的能量，使其具有参与工质气体电离碰撞的能力，提升了工质气体电离率，进一步提升了推力器推力，比冲与效率。由于上述高压工作特性，使本发明拥有较强的电离能力，可使用多种工质气体，拓宽了本发明的适用范围，降低了任务成本。

图2是根据本发明的霍尔推力器的一种实施例的示意性剖视图，其中有保护环有电子发射材料环无外置阴极。

从图中可以看出，该霍尔推力器基于阳极磁屏蔽，主要包括导磁外壳1、导磁底板2、导磁内芯3、内磁元件4、外保护环5、上内保护环6、电子发射材料环7、下内保护环8、阳极磁屏9、阳极/气体分配器10、内套筒11及T型绝缘柱12。

如图中所示，霍尔推力器具有阳极/气体分配器10及阳极磁屏9，阳极磁屏9套设在阳极/气体分配器10的外周。阳极磁屏9呈环状并且由导磁材料制成。

在阳极/气体分配器10外套设了使用导磁材料制作的阳极磁屏，例如环状阳极磁屏蔽环，有效地降低了穿过阳极的磁力线数量，降低了阳极断面的磁场强度，增强了向阳极迁移的电子的迁移率，增强了推力器的放电能力，尤其是增强了低电压时推力器的起辉能力。

另外，通过阳极磁屏蔽与磁场设计、通过对磁路的设计使放电通道内形成凸向阳极表面磁力线，且放电通道中线磁场最强点基本外移至放电通道出口下端外部，亦即将大部分加速区外移至放电通道外，有效减缓了出射高能离子对放电通道尤其是其末端的轰击刻蚀，延长了推力器寿命。

从图中可以看出，霍尔推力器还可以包括导磁外壳1、导磁底板2、内磁元件4、导磁内芯3以及内套筒11。

导磁外壳1为一体加工成型，为环形结构，用于构建外环的磁场，且导磁外壳1前端有径向向内的凸起尖端，其末端有一段外延的凸台，其中周向均匀分布了四个螺纹孔，用于与导磁底板2的安装。导磁外壳1用于代替外部永磁铁或线圈进行推力器磁场的构建。导磁外壳1呈环形，其环形构型对工质气体的路径及束流有较好的约束效果，并且环状进气能够有效地约束工质气体并进行有效均匀化。

导磁底板2为圆片结构，并且与导磁外壳1围成圆柱形内部空间。具体地，如图中所示，导磁底板2可以为圆片结构，并可以布置有三种尺寸共十三个安装通孔，分别为四个导磁外壳1安装孔、四个T型绝缘柱12固定孔、四个外部安装孔与一个内套筒11安装孔。其中四个导磁外壳1安装孔与四个T型绝缘柱12安装孔位于同一组正交的直径上。另外四个外部安装孔与位于与上述正交直径组有45度相位差的另一组正交直径线上。内套筒11可以安装孔位于圆片正中央。

如图中所示，导磁外壳1与导磁底板2构成了外磁路。内磁元件4沿轴向设置于二者围成的内部空间的中心部。内磁元件4可以为圆柱形永磁铁，为霍尔推力器提供磁场。内磁元件4的直径可以等于内套筒11的内部空筒的直径，从而可直接安装入内套筒11中。

内磁元件4产生的强磁场首先通过导磁底板2底座导送至导磁外壳1的上部凸起尖端，并穿过放电空腔到达导磁内芯3，最后回到内磁元件4的另外一极，形成闭合导磁回路，完成推力器磁场位型的构建。

由于内磁元件4有较强的磁场强度（放电通道中线处磁场强度近0.2T），使其可在小尺寸的放电通道内产生强大的径向磁场完成对电子的约束，有效减少其壁面损失，提升电离率。又由于所述内磁元件4有较好的高温特性，可在四百摄氏度的高温下保持良好的工作性能，故内磁元件4可承受较大的功率沉积而不产生退磁现象，在高功率沉积的工作状况下也可产生较强的磁场，确保推力器的正常磁场位型。

导磁内芯3位于内磁元件4顶部。导磁内芯3上部可以为圆台结构，中下部均为圆柱结构，且下部圆柱的直径等于内磁元件4的直径，下部圆柱的高度等于内套筒11的内部空筒的高度减去内磁元件4的高度再加上下内保护环8的高度。导磁内芯3与内磁元件4通过高强度磁力吸附固定安装，并可对下内保护环8进行限位安装，完成中心内磁路的构建。

内套筒11的主体部分为中空筒状，用于放置内磁元件4和导磁内芯3，内套筒11在主体部分的底部设有圆柱凸起，圆柱下凸起上刻有螺纹线，螺纹线尺寸稍小于安装通孔的尺寸，圆柱凸起延伸穿过导磁底板2并且通过螺母将内套筒11与导磁底板2固定。如图中所示，内套筒11的上部主体部分为中空筒状，其中用于放置内磁原件4与导磁内芯3。

霍尔推力器还包括外保护环5、上内保护环6和下内保护环8。

外保护环5为圆环状结构，外保护环5的形状贴合导磁外壳1的下游部分形状，外保护环5的下部外径等于导磁外壳1的上部凸起部分的内径，外保护环5的上部外径等于导磁外壳1的最上部外径。

上内保护环6呈下端开放的截顶圆锥形，上内保护环6罩在导磁内芯3的上部圆台并且其形状贴合导磁内芯3，上内保护环6限位安装电子发射材料环7。上内保护环6的下部内径可以等于导磁内芯3上部圆台底部直径、外径可以等于电子发射材料环7的外径，其上部内径可以等于导磁内芯3上部圆台上部直径。

下内保护环8为圆环片结构，下内保护环8的中心圆孔的直径等于导磁内芯3的下部圆柱的直径，用于导磁内芯3的穿过安装，并且下内保护环8通过导磁内芯3与内套筒11夹紧定位安装。

前述外保护环5、上内保护环6、下内保护环8起到了保护推力器导磁材料免受高能出射离子的轰击刻蚀的作用，确保了磁场的稳定构建，有效延长了推力器运作寿命，维持了长时间飞行任务中的推力器工作的一致性。各个保护环材料可根据不同的需求选择为耐溅射金属材料，形成导电金属放电通道壁，这种结构一般适合长期任务需求；也可选择陶瓷材料，形成有可观的二次电子发射系数的不导电放电通道壁。该保护环可便捷拆卸，在小流量工况下，离子电流较小，对推力器内外环的轰击较弱，即便拆卸也可拥有较长的工作寿命。

电子发射材料环7为圆环结构，电子发射材料环7套设于导磁内芯3的上部圆台上端的台阶部，并且通过下内保护环8与导磁内芯3对电子发射材料环7进行限位安装。电子发射材料环7的内径可以等于导磁内芯3中部圆柱结构的外径，其外径可以等于下内保护环8的外径。

所述电子发射材料环7可作为推力器保护环内环的一部分，保护导磁内芯3，又可在离子的轰击作用下，产生电子：该电子一方面可经阳极高电势加速获得能量，进入放电通道内，并被径向磁场束缚，进行周向霍尔漂移，在漂移过程中作为电离电子电离来自轴向的工质气体，在损失能量后进行跨场漂移到达阳极，形成电子放电电流；另一方面可在束流等离子体电势的吸引下，与出射的束流离子中和，使束流的电性降低，降低对外置阴极电子电流的需求；且在工作流量较小的情况下，所述电子发射材料环7产生的电子可以基本满足推力器对电离与中和的电子的需求，取代外置阴极，维持自持放电，降低系统功率，延长外置阴极寿命。电子发射材料环可便捷拆卸，在小流量工况下，对电子需求量较小，即便拆卸，推力器也可正常工作。

阳极/气体分配器10为双层空心阳极/气体分配器，其包括焊接在一起的底座、第一缓冲腔及第二缓冲腔。底座内为连接螺柱或进气管。连接螺柱与进气管首先穿过T型绝缘柱12，再通过T型绝缘柱12穿过导磁底板2。其中，通过连接螺柱将阳极/气体分配器10使用螺母通过阳极磁屏9进行固定限位，使得阳极/气体分配器10与导磁外壳1和导磁底板2绝缘。

进而，阳极/气体分配器10为双层进气结构，且底层进气腔内的进气口的直径大于上层进气腔内的进气口的直径，以完成对气体工质的均匀化。所述阳极/气体分配器10的出气孔可置于其顶端面，构成常规的顶端周向圆孔出气结构，也可配合阳极磁屏9将出气孔置于侧面周向，上端面为一平面，此种结构可有效避免阳极/气体分配器10端面沉积镀膜导致的出气孔孔径不均，进而导致出气量不均。所述阳极/气体分配器10与阳极磁屏9的顶层端面距放电通道出口下端距离近，放电通道短，为一种典型的阳极层霍尔推力器。

阳极磁屏9为凹槽环状结构，阳极磁屏9的底部布置有四个直径略大于阳极/气体分配器10的进气柱与固定螺柱的直径的限位通孔，阳极磁屏9的内部凹槽内径等于阳极/气体分配器10的内径，阳极磁屏9的内部凹槽外径等于阳极/气体分配器10的外径，将阳极/气体分配器10限制在阳极磁屏9内部，从而实现对阳极/气体分配器10的限位。

阳极磁屏9使用与导磁外壳1相同的材料将阳极/气体分配器10包裹起来，将原本横穿阳极/气体分配器10的磁力线吸引至阳极磁屏9的凹型通路中去，有效减少了通过阳极/气体分配器10端面的磁力线数，有效降低了阳极端面的磁场强度，使向阳极迁移的电子迁移电阻降低，电子迁移率增高，放电电流增高，使推力器在低电压下更容易起辉放电，拓展了推力器推力下限。

在导磁外壳1、导磁底板2、导磁内芯3、内磁元件4与阳极磁屏9的综合作用下，在推力器放电通道内形成了凸向阳极的磁力线构型，且通道中线上的径向磁场最强区基本位于放电通道出口处下游，亦即电势降极大区外移至放电通道外，使离子加速区基本位于放电通道外部，且凸向阳极的磁力线构型可对离子的径向运动进行有效的约束，对推力器的束流进行有效的聚焦，最终形成了加速区外移与束流聚焦的综合效果，有效降低了束流离子对内外保护环的剧烈轰击作用，由于聚焦效果也降低了放电束流对卫星本体的影响，延长了推力器的运行寿命并提升了推力器对卫星的兼容适配性。

T型绝缘柱12为T型中空结构，T型中空结构的直径略大于阳极/气体分配器10的底座上的进气柱或连接螺柱的直径，T型绝缘柱12的下部圆筒的外径等于T型绝缘柱12的安装孔的直径，通过T型中空结构完成对T型绝缘柱12、阳极/气体分配器10与阳极磁屏9的上下限位，并且T型绝缘柱12的下部圆筒外部具有螺纹线，通过螺母实现T型绝缘柱12与导磁底板2的限位固定。

T型绝缘柱12可对阳极/气体分配器10的位置进行灵活变更限位，通过更换不同尺寸的T型绝缘柱12，可灵活调节阳极/气体分配器10端面距放电通道出口的距离。且T型绝缘柱12的材料可选择易加工耐高温的高分子材料，也可选择绝缘性好耐高温的陶瓷材料。

如前所述，导磁外壳1、导磁底板2、导磁内芯3与阳极磁屏9的材料均为耐高温导磁材料，例如其在300℃度的高温下仍有良好工作特性。内磁元件4为耐高温永磁体，例如其在超过400℃的高温下仍有良好的工作特性。外保护环5、上内保护环6、下内保护环8的材料为金属耐溅射材料或陶瓷材料。电子发射材料环7的材料为可发射电子的材料，例如钡钨、硼化镧。阳极/气体分配器10的材料为金属耐溅射材料。内套筒11的材料为铜。T型绝缘柱12的材料为耐高温高分子材料或陶瓷材料。

由于导磁外壳1、导磁底板2、导磁内芯3的导磁材料有较好的磁导率，可有效的代替常规霍尔推力器的外磁线圈，完成磁场位型的构建。又由于导磁外壳1、导磁底板2、导磁内芯3的导磁材料有较好的高温特性（300℃度的高温下仍有良好工作特性），故其有可承受较大的功率沉积而同时可以保持较高的导磁率，确保推力器的正常磁场位型。再由于导磁外壳1、导磁底板2、导磁内芯3的导磁材料可以为金属，可有效避免电荷积累导致的电弧放电，且由于有良好的导热性能，可有效缓解功率沉积导致的高工作温度进一步导致推力器工作状态不稳定。作为放电腔的一部分，金属导磁材料拥有相较于陶瓷放电腔更低的二次电子发射系数，这导致金属放电腔的鞘层电势明显低于陶瓷放电腔的鞘层电势，有效阻止电子向放电腔壁面迁移，又由于等离子体的准中性条件，离子的壁面损失也会相应的减少。这能够有效缓解由于粒子径向迁移导致的功率沉积与功率损失。

下面为该实施例的霍尔推力器的装配流程，主要分为三个部分，即内磁路装配体的连接组装、阳极装配体的组装与导磁底板上的整合安装与最终总装配。

（1）内磁路装配体的连接组装：

首先将内磁元件4装配进内套筒11内部；将上内保护环6安装到导磁内芯3的上部圆台结构上，两者通过耐高温粘合胶粘合；在上内保护环6与导磁内芯3中部圆柱的限位作用下，将电子发射材料环7安装至导磁内芯3中部圆柱结构处；随后将下内保护环8安装至导磁内芯3下部圆柱结构上去，形成导磁内芯装配体；将导磁内芯装配体通过导磁内芯3下部圆柱结构安装至内套筒11中去，通过强磁吸引力将导磁内芯3与其上部零件固定限位，完成内磁路结构的装配。

（2）阳极装配体的组装：

首先将阳极/气体分配器10安装至阳极磁屏9的环状凹槽中去，其中进气柱与连接螺母通过阳极磁屏9底部的四个安装通孔穿出；再将每一个进气柱/连接螺柱上套入一个T型绝缘柱12，并使用螺母通过连接螺柱将阳极/气体分配器10与阳极磁屏9组装体与T型绝缘柱固定；完成阳极装配体的组装。

（3）导磁底板2上的部组件整合与最终总装配：

将内磁路装配体通过导磁底板2中心的安装通孔使用螺母连接牢固；再将阳极/气体分配器装配体通过导磁底板2上的四个T型绝缘住12安装孔使用螺母连接牢固，至此，导磁底板2上的所有零部件组装完成；将外保护环5使用耐高温粘合胶粘合至导磁外壳1上；使用螺栓穿过导磁外壳1安装通孔将导磁外壳1固定安装至导磁底板2上，完成整个推力器的组装装配过程。

图3示意性地示出了图2中霍尔推力器的局部放电机理。该图为图2中霍尔推力器的局部放大剖视示意图，其中示出了离子、中性原子、电子及其运动示意。

在图中，在上和下内保护环6、8和外保护环5的凸起尖部之间的灰色区域下游部分大致为加速区的开端区域，离子在此区域开始被加速，上游部分大致为电离区，离子多在此区域产生。

以下对图示中的三个过程A、B、C进行阐述：（A）高能离子轰击电子发射材料环7，使其发射电子，产生的电子一部分随高能高速离子流向羽流区，中和离子，另一部分在阳极高电势的吸引下，重新加速回到电离区，做周向霍尔漂移，继续电离工质气体，形成等离子体；（B）离子在下游加速区经轴向电场的加速射出放电通道，形成推力；（C）电离电子与工质气体发生电离碰撞后损失能量，向阳极迁移，形成电子电流。

下述为图2中本发明的实施例的工作流程与使用方法。

在该实施例中，无额外外置阴极，仅需一路气路与一路电路。在阳极/气体分配器提供工质气体使工质气体进入放电通道中，施加电场和磁场使工质气体电离并出射高速离子。在这种电推进模式下需要对阳极进行高压供电，并需要一路气体。其工作过程包括：工质气体首先通过进气管进入阳极/气体分配器10，经双腔完成工质气体的均匀化后从阳极/气体分配器10的顶端出气孔流出，进入放电腔中；阳极电源开启，对阳极施加高电压，空间中的原初电子经阳极高电势的吸引开始进入放电通道，获得较高的电子能量，并在接近阳极/气体分配器10的过程中被内磁元件4产生的高强度径向磁场约束，围绕着周向做霍尔漂移，在漂移的过程中与来自轴向的工质气体发生电离碰撞，电离工质气体产生等离子体；碰撞后的电子失去大部分电子能量并开始做周向漂移，进入阳极/气体分配器10，形成电子电流；被电离的工质气体产生等离子体，等离子体中的电子一部分再被阳极加速后被径向磁场束缚，继续作为电离电子维持等离子体的产生，另一部分经跨场漂移流向阳极/气体分配器10，产生稳定的电子放电电流；被电离的工质气体产生等离子体，等离子体中的离子经轴向强电场的加速以极高的速度射出放电腔产生推力；其中部分离子会直接轰击至上和下内保护环6、8、内保护环5与电子发射材料环7上，在离子的持续轰击下，电子发射材料环7可在高速离子的持续轰击下维持稳定的电子发射；电子发射材料环7发射的电子一部分在阳极高电位的吸引下向轴向运动，获得电子能量，并在此过程中被径向磁场约束，沿周向做霍尔漂移，在漂移的过程中与来自轴向的工质气体发生电离碰撞，持续产生等离子体，另一部分电子脱离阳极高电位与径向磁场的束缚，运动至放电通道外，在加速区等离子体电势的吸引下，与出射的高速离子进行中和，完成束流的自发中和。整个工作流程中，由于这种推力器的特性，推力器可工作在极低的工质气体流量下。

该实施例的推力器，在原初电子与电子发射材料环7电子的维持下，进入了稳定的放电过程，此时推力器的放电电流、电离率与推力较初始状态均有较大的提升，且由于磁场位型的设计与加速区的外移，出射离子具有较小的束流发散角并且加速效应主要发生在放电通道下游及其外部，有效的减缓了了粒子与保护环壁面的作用，降低了流向壁面的离子流，进而降低了壁面损失，避免了了高能离子对导磁材料轰击溅射。

在本实施例中该推力器可工作在极高放电电压（超过1000 V）、极低的工作流量（小于1 sccm）与极小的功率（小于5 W）下稳定的工作放电，产生数微牛至百微牛级推力，无需额外外置电子源与点火装置，大大简化了系统构成，降低了任务成本。

上述为前述实施例中霍尔推力器的工作流程。应当了解，本发明各实施例的工作流程不应受此流程限制，而是可以根据不同的部组件构成与具体任务需求灵活变更。

图4是根据本发明的霍尔推力器的另一实施例的示意性剖视图，其中有保护环有电子发射材料环有外置阴极。在该实施例中，霍尔推力器可以包括外置无工质阴极13。

该实施例在图2中实施例的基础上增设了外置无工质阴极，用于增强推力器的电子量，提升电离率，提升束流中和效果，综合提升推力器的总体工作性能，可拓展推力器的最大工作推力与比冲。

图5示意性地示出了图4中霍尔推力器的局部放电机理。该图是本实施例中霍尔推力器的局部放大剖视示意图，其中示出了离子、中性原子、电子及其运动示意。

在图中，在上和下内保护环6、8和外保护环5的凸起尖部之间的灰色区域下游部分大致为加速区的开端区域，离子在此区域开始被加速，上游部分大致为电离区，离子多在此区域产生。

以下对五个过程A、B、C、D、E进行阐述：（A）高能离子轰击电子发射材料环7，使其发射电子，产生的电子一部分随高能高速离子流向羽流区，中和离子，另一部分在阳极高电势的吸引下，重新加速回到电离区，做周向霍尔漂移，继续电离工质气体，形成等离子体；（B）离子在下游加速区经轴向电场的加速射出放电通道，形成推力；（C）电离电子与工质气体发生电离碰撞后损失能量，向阳极迁移，形成电子电流；（D）外置阴极产生的一部分电子在阳极高电势的吸引下获得能量，进入放电通道内的电离区做周向霍尔漂移，并电离来自轴向的工质气体，增强电离效果；（E）外置阴极产生的另一部分电子在等离子体电势的吸引下随束流离子流向束流区下游，中和束流离子，增强了中和能力。

本实施例的工作流程与图2、图3实施例的工作流程基本一致，由于增加了外置阴极，所以有更多的电子参与到电离区的轴线霍尔漂移电离过程与束流区的离子中和过程，提升了推力器综合性能，拓展了推力上限，有效提升了推力器比冲与效率；系统总功率拓展到了十W级别，推力覆盖范围拓展到十微牛至数百微牛级别。

图6是根据本发明的霍尔推力器的再一实施例的示意性剖视图，其中有保护环无电子发射材料环有外置无工质阴极。该实施例在图4、图5实施例的基础上取消了电子发射材料环，保留了上、下内保护环6、8和外保护环5，精简了推力系统构成，仍然拥有外置无工质阴极。

图7示意性地示出了图6中霍尔推力器的局部放电机理。该图是本实施例中霍尔推力器的局部放大剖视示意图，其中示出了离子、中性原子、电子及其运动示意。

在图中，在上和下内保护环6、8和外保护环5的凸起尖部之间的灰色区域下游部分大致为加速区的开端区域，离子在此区域开始被加速，上游部分大致为电离区，离子多在此区域产生。

以下对四个过程A、B、C、D进行阐述：（A）离子在下游加速区经轴向电场的加速射出放电通道，形成推力；（B）电离电子与工质气体发生电离碰撞后损失能量，向阳极迁移，形成电子电流；（C）外置阴极产生的一部分电子在阳极高电势的吸引下获得能量，进入放电通道内的电离区做周向霍尔漂移，并电离来自轴向的工质气体，在本实施例中的推力器的电离电子几乎全部来自外置阴极；（D）外置阴极产生的另一部分电子在等离子体电势的吸引下随束流离子流向束流区下游，中和束流离子，在本实施例中的推力器的电离电子几乎全部来自外置阴极。

该实施例的工作流程与图2、图3及图4、图5的实施例的工作流程基本一致，由于取消了电子发射材料环7，所以内部无法自发的为推力器的运行提供电子，需借助外部阴极进行点火与放电过程，该外置阴极产生的电子作为主要电子参与到电离区的轴线霍尔漂移电离过程与束流区的离子中和过程，保障了推力器的稳定运行；且上和下内保护环6、8和外保护环5的存在保护了导磁外壳1、导磁底板2、导磁内芯3的导磁材料，延长了推力器的运行寿命。

图8是根据本发明的霍尔推力器的又一实施例的示意性剖视图，其中无保护环无电子发射材料环有外置阴极。该实施例给出了一种附加外置无工质阴极的霍尔推进系统。该实施例在图6、图7实施例的基础上取消了上和下内保护环6、8和外保护环5，精简了推力系统构成，仍然拥有外置无工质阴极。

图9示意性地示出了图8中霍尔推力器的局部放电机理。该图是本实施例中霍尔推力器的局部放大剖视示意图，其中示出了离子、中性原子、电子及其运动示意。

在图中，在上和下内保护环6、8和外保护环5的凸起尖部之间的灰色区域下游部分大致为加速区的开端区域，离子在此区域开始被加速，上游部分大致为电离区，离子多在此区域产生。

以下对五个过程A、B、C、D进行阐述：（A）离子在下游加速区经轴向电场的加速射出放电通道，形成推力；（B）电离电子与工质气体发生电离碰撞后损失能量，向阳极迁移，形成电子电流；（C）外置阴极产生的一部分电子在阳极高电势的吸引下获得能量，进入放电通道内的电离区做周向霍尔漂移，并电离来自轴向的工质气体，在本实施例中的推力器的电离电子几乎全部来自外置阴极；（D）外置阴极产生的另一部分电子在等离子体电势的吸引下随束流离子流向束流区下游，中和束流离子，在本实施例中的推力器的电离电子几乎全部来自外置阴极。

本实施例的工作流程与图5、图6实施例的工作流程完全一致，由于取消了电子发射材料环7，所以内部无法自发地为推力器的运行提供电子，需借助外部阴极进行点火与放电过程，该外置阴极产生的电子作为主要电子参与到电离区的轴线霍尔漂移电离过程与束流区的离子中和过程，保障了推力器的稳定运行；并且由于取消了上和下内保护环6、8和外保护环5，高能离子将直接对导磁外壳1与导磁内芯3进行轰击，但在小流量工况下，离子对导磁外壳1与导磁内芯3的轰击刻蚀极为有限，在一定的任务情况下完全可忽略不计。

在另一可选实施例中给出了本发明的一种使用方法，将本发明作为一种纯冷气推力器进行运作。在本实施例所述的霍尔推力器的冷气推进模式中，在没有阳极供电的情况下从所述阳极/气体分配器10分配工质气体并自放电通道直接将工质气体排出。在这种冷气推进模式下，无需阳极供电，仅需一路气路即可完成工作，可产生亚微牛级推力。工质气体通过进气管进入阳极/气体分配器10，经双腔完成工质气体的均匀化后从阳极/气体分配器10的顶端出气孔流出，进入放电腔中，后流出霍尔推力器，直接产生有效推力。该实施例描述的纯冷气推进模式可产生亚微牛级推力，有效地弥补了本发明在电推进模式下推力下限不足的问题，将本发明的推力覆盖范围拓展至亚微牛至数百微牛级别。

在再一可选实施例中给出了本发明的一种使用方法，本发明将使用多种的不同的工质气体进行工作。该实施例可使用例如：氮气、氩气、二氧化碳、氪气、氙气、碘、铋等固体或气体工质，也可使用混合工质，极大的拓展了本发明的使用范围，任务适用性，尤其的可对其进行改造作为吸气式推进系统来适应多种复杂恶劣的工作环境;

根据本发明的另一方面提供了具有如前述实施例中任一项所述的霍尔推力器的设备，所述设备可以为人造卫星或空间站。

根据本发明的再一方面提供了一种如前述实施例中任一项所述的霍尔推力器的使用方法，所述方法包括冷气推进模式和/或电推进模式，其中：所述冷气推进模式为在没有阳极供电的情况下从所述阳极/气体分配器分配工质气体并自所述放电通道直接将所述工质气体排出；所述电推进模式为在向所述阳极/气体分配器提供工质气体使所述工质气体进入放电通道的情况下，施加电场和磁场使所述工质气体电离并出射高速离子。在霍尔推力器的该使用方法中，所述方法包括使用不同的工质气体，如氮气、氩气、氪气、氙气、碘等。

通过本发明以上各个方面中的一种或多种，能够在微小低功率沉积、微小流量、低损耗、简单结构的情况下实现微牛甚至亚微牛级推力。具体地，本发明各实施例可实现的有益技术效果包括但不限于如下各项中的一个或多个：

（1）在阳极/气体分配器内外套设了使用导磁材料制作的环状阳极磁屏蔽环，有效的降低了穿过阳极的磁力线数量，降低了阳极断面的磁场强度，增强了向阳极迁移的电子的迁移率，增强了推力器的放电能力，尤其是增强了低电压时推力器的起辉能力；

（2）通过对磁路的设计使放电通道内形成凸向阳极表面磁力线，且放电通道中线磁场最强点基本外移至放电通道出口下端外部，亦即将大部分加速区外移至放电通道外，有效降低了高能离子对放电通道末端的轰击刻蚀，延长了推力器工作寿命；

（3）在放电通道内环设置电子发射材料环，一方面可作为保护环使用，另一方面由于高能离子的轰击，可产生一定量的电子，该电子可跟随等离子体电位流向放电通道外，作为中和电子，中和束流离子，降低推力器对外部电子源的需求；另一方面，阳极可作为触持级吸引电子，使该电子获得能量，进入电离区参与电离，提升电离率，进一步提升推力器性能；且此电子发射材料环可便捷拆卸，在小流量工况下，对电子需求量较小，即便拆卸，推力器也可正常工作；

（4）在放电通道内外环均设置了内外环保护环，使产生的高能离子无法直接轰击导磁材料，确保了磁场的稳定构建，延长了推力器的运行寿命；且所述保护环材料可选择为金属材料或陶瓷材料，且随着材料的更换，推力器工作性能也会有不同的提升；且该保护环可便捷拆卸，在小流量工况下，离子电流较小，对推力器内外环的轰击较弱，即便拆卸也可拥有较长的工作寿命；

（5）采用高磁导率高居里温度导磁材料与高磁化率高居里温度永磁铁构建磁场，可在高功率负载下正常工作，保证推力器磁场位型的稳定构建；

（6）基于本推力器的独特结构与磁场设计，使本发明可在小流量，微小功率的工况下工作；又由于微小的功率级别，致使本发明的工作电压可拓展至数千伏（5000V）而不会产生较大的功率负载影响推力器正常运行，拓宽了推力器推力覆盖范围与比冲覆盖范围；

（7）基于以上高压工作特性，本发明拥有极强的电离能力，可使用多种工质气体，不局限于氙气，氪气等等，推力器对不同工质的适应性强，可有效节省任务成本；

（8）基于以上高压工作特性，本推力器中的电子能量会较常规霍尔推力器更高，会产生更高比例的高价离子，高价离子比例的升高使推力器推力略微降低，比冲增高，使该推力器拥有了较低的推力下限与较高的比冲，符合对推力器微牛至百微牛级的推力范围覆盖的需求；

（9）在不加电的情况下可作为一种纯冷气推力器使用弥补电推进模式推力下限不足的问题，极大的拓展了推力覆盖范围；以及

（10）本发明基于上下模块的模块化设计，部组件构成精简，装配明晰便捷，且可根据任务需求灵活变更拆卸部组件，构成简洁，使用方便。

本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施方式进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种霍尔推力器，其特征在于，所述霍尔推力器包括：

导磁外壳，所述导磁外壳呈环形；

导磁底板，所述导磁底板为圆片结构，并且与所述导磁外壳围成圆柱形内部空间；

内磁元件，所述内磁元件沿轴向设置于所述内部空间的中心部；

导磁内芯，所述导磁内芯位于所述内磁元件顶部；以及

内套筒，所述内套筒的主体部分为中空筒状，用于放置所述内磁元件和所述导磁内芯，所述内套筒在所述主体部分的底部设有圆柱凸起，所述圆柱凸起延伸穿过所述导磁底板并且通过螺母将所述内套筒与所述导磁底板固定，

并且，所述霍尔推力器具有阳极/气体分配器及阳极磁屏，所述阳极磁屏套设在所述阳极/气体分配器的外周，所述阳极磁屏呈环状并且由导磁材料制成。

2.如权利要求1所述的霍尔推力器，其中，所述霍尔推力器包括：

外保护环，所述外保护环为圆环状结构，所述外保护环的形状贴合所述导磁外壳的下游部分形状，所述外保护环的下部外径等于所述导磁外壳的上部凸起部分的内径，所述外保护环的上部外径等于所述导磁外壳的最上部外径；

上内保护环，所述上内保护环呈下端开放的截顶圆锥形，所述上内保护环罩在所述导磁内芯的上部圆台并且其形状贴合所述导磁内芯，所述上内保护环限位安装电子发射材料环；

下内保护环，所述下内保护环为圆环片结构，所述下内保护环的中心圆孔的直径等于所述导磁内芯的下部圆柱的直径，用于所述导磁内芯的穿过安装，并且所述下内保护环通过所述导磁内芯与所述内套筒夹紧定位安装。

3.如权利要求2所述的霍尔推力器，其中，所述电子发射材料环为圆环结构，所述电子发射材料环套设于所述导磁内芯的上部圆台上端的台阶部，并且通过所述下内保护环与所述导磁内芯对所述电子发射材料环进行限位安装。

4.如权利要求2所述的霍尔推力器，其中，所述阳极/气体分配器为双层空心阳极/气体分配器，其包括焊接在一起的底座、第一缓冲腔及第二缓冲腔，所述底座内为连接螺柱或进气管；

所述连接螺柱与所述进气管首先穿过T型绝缘柱，再通过T型绝缘柱穿过所述导磁底板，其中通过所述连接螺柱将所述阳极/气体分配器使用螺母通过所述阳极磁屏进行固定限位，使得所述阳极/气体分配器与所述导磁外壳和所述导磁底板绝缘。

5.如权利要求1所述的霍尔推力器，其中，所述阳极磁屏为凹槽环状结构，所述阳极磁屏的底部布置有四个直径大于所述阳极/气体分配器的进气柱与固定螺柱的直径的限位通孔，所述阳极磁屏的内部凹槽内径等于所述阳极/气体分配器的内径，所述阳极磁屏的内部凹槽外径等于所述阳极/气体分配器的外径，将所述阳极/气体分配器限制在所述阳极磁屏内部，从而实现对所述阳极/气体分配器的限位。

6.如权利要求4所述的霍尔推力器，其中，所述T型绝缘柱为T型中空结构，所述T型中空结构的直径大于所述阳极/气体分配器的底座上的进气柱或连接螺柱的直径，所述T型绝缘柱的下部圆筒的外径等于所述T型绝缘柱的安装孔的直径，通过所述T型中空结构完成对所述T型绝缘柱、所述阳极/气体分配器与所述阳极磁屏的上下限位，并且所述T型绝缘柱的下部圆筒外部具有螺纹线，通过螺母实现所述T型绝缘柱与所述导磁底板的限位固定。

7.如权利要求4所述的霍尔推力器，其中，所述导磁外壳、所述导磁底板、所述导磁内芯与所述阳极磁屏的材料均为耐高温导磁材料；所述内磁元件为耐高温永磁体；所述上内保护环、下内保护环与所述外保护环的材料为金属耐溅射材料或陶瓷材料；所述电子发射材料环的材料为可发射电子的材料；所述阳极/气体分配器的材料为金属耐溅射材料；所述内套筒的材料为铜；所述T型绝缘柱的材料为耐高温高分子材料或陶瓷材料。

8.如权利要求1至7中任一项所述的霍尔推力器，其中，所述霍尔推力器包括外置无工质阴极。

9.一种空间设备，其特征在于，所述空间设备包括如前述权利要求1至8中任一项所述的霍尔推力器。

10.如权利要求1至7中任一项所述的霍尔推力器的使用方法，所述方法包括冷气推进模式和/或电推进模式，其中：

所述冷气推进模式为在没有阳极供电的情况下从所述阳极/气体分配器分配工质气体并自放电通道直接将所述工质气体排出；

所述电推进模式为在向所述阳极/气体分配器提供工质气体使所述工质气体进入所述放电通道的情况下，施加电场和磁场使所述工质气体电离并出射高速离子，

并且，所述工质气体为氮气、氩气、氪气、氙气或碘。

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