CN116190040A - 一种外部放电等离子体推力器磁场结构及推力器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种外部放电等离子体推力器磁场结构及推力器。外部放电等离子体推力器磁场结构包括内磁组件和外磁组件。内磁组件为永磁结构，磁通方向与推力器轴线平行；外磁组件为电励磁结构，磁通方向与推力器轴线平行，环绕于内磁组件周围，且外磁组件与内磁组件之间形成阳极安装空间，外磁组件的前端与内磁组件的前端之间形成连续磁场，以消除外磁组件的磁分界面。外部放电等离子体推力器采用上述外部放电等离子体推力器磁场结构。通过采用永磁和电磁的混合励磁方式以及匹配性设计，能够消除外磁组件的磁场分界面，改变磁场位型，从而削弱外磁组件前端区域的电场径向分量，减小外部放电等离子体推力器的羽流发散角，提高推力器的效率。

Description

一种外部放电等离子体推力器磁场结构及推力器
技术领域
本申请涉及外部放电等离子体推力器技术领域，尤其涉及应用于一种外部放电等离子体推力器磁场结构及推力器。
背景技术
外部放电等离子体推力器(External Discharge Plasma Thruster，EDPT)作为一种低功率小型外部放电等离子体推力器，该推力器将传统霍尔推力器的阳极和气体分配器移至推力器出口，采用极性相反的内外磁环形成磁场，利用强磁镜场和E×B场交替约束等离子体，形成开放空间式的放电区域。显示出长寿命的潜在性能优势，是目前最具潜力的小型外部放电等离子体推力器之一。但是，EDPT目前面临羽流发散，效率(≤48％)偏低的问题，是制约推力器性能提升的关键技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供应用于一种外部放电等离子体推力器磁场结构及推力器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种外部放电等离子体推力器磁场结构，包括：
内磁组件，为永磁结构，磁通方向与推力器轴线平行；以及
外磁组件，为电励磁结构，磁通方向与推力器轴线平行，环绕于所述内磁组件周围，且所述外磁组件与所述内磁组件之间形成阳极安装空间，所述外磁组件的前端与所述内磁组件的前端之间形成连续磁场，同时，励磁方式设置中，保证所述外磁组件与所述内磁组件所产生磁场的磁通方向相同，以消除所述外磁组件的磁分界面。
可选的，所述外部放电等离子体推力器磁场结构还包括：
外磁屏，包裹于所述外磁组件外，且前端面向所述内磁组件顶部的部分具有缺口；以及
内磁屏，包裹于所述内磁组件外，且前端开放使所述内磁组件的顶部外露。
可选的，所述阳极安装空间环绕所述内磁组件，所述内磁屏与所述外磁屏相连，并屏蔽于所述阳极安装空间的后端。
可选的，在所述内磁组件的朝向上，所述内磁组件的前端低于所述外磁组件的前端，形成内陷空间。
可选的，所述内磁组件的前端向前逐渐收缩，使得所述内磁组件呈上窄下宽的锥状结构。
与现有技术相比，本发明的外部放电等离子体推力器磁场结构的有益效果是：采用永磁和电磁的混合励磁方式，设置二者磁通方向一致，能够消除外磁组件的磁场分界面；以上励磁方式与外磁屏的匹配性设计，能够削弱外磁组件前端区域的电场径向分量，减小外部放电等离子体推力器的羽流发散角，提高推力器的效率；同时，在励磁组件周围设置匹配性的内、外磁屏，可消除推力器周围非有效放电区域的磁场，将磁能约束于推力器前端的有效放电区中，这不仅可以最大程度的降低推力器对周围航天器电子组件的电磁干扰，而且有利于提升能量利用率。
本申请还提供一种外部放电等离子体推力器，包括：
以上任一项所述的外部放电等离子体推力器磁场结构；以及
阳极组件，所述阳极组件设于所述外部放电等离子体推力器磁场结构的阳极安装空间内。
可选的，采用形成有内陷空间的所述外部放电等离子体推力器磁场结构；
所述阳极组件的前端面设有工质喷孔，所述阳极组件的前端面沿所述内陷空间倾斜布置，以使所述工质喷孔向所述内陷空间倾斜。
可选的，多个所述工质喷孔环绕所述内磁组件环形分布，各个所述工质喷孔沿周向倾斜，以使喷出的气体工质向所述内陷空间螺旋汇聚。
可选的，所阳极组件内部为空腔，下部设有供气管和供电电极；所述供气管的气体工质经过所述阳极组件的空腔从所述工质喷孔喷入所述外部放电等离子体推力器磁场结构的内陷空间，所述供电电极和所述供气管分别外套绝缘套以相互间隔。
可选的，所述外部放电等离子体推力器还包括陶瓷外壁，所述陶瓷外壁隔离于所述阳极组件的两侧及后端，并延伸覆盖所述内磁组件的前端面和所述外磁组件的前端面。
与现有技术相比，本发明的外部放电等离子体推力器的有益效果与上述外部放电等离子体推力器磁场结构的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对本领域技术人员来说，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。
为了更完整地理解本申请及其有益效果，下面将结合附图来进行说明。其中，在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。
图1为本申请实施例提供外部放电等离子体推力器的剖视图。
图2为图1中A向的局部放大图。
图3为本申请实施例提供外部放电等离子体推力器的磁感线的状态图。
图4为本申请图1中外部放电等离子体推力器的磁场结构示意图。
图5为本申请所基于的经典外部放电等离子体推力器的结构示意图。
1-内磁组件；11-内磁屏；2-外磁组件；21-外磁屏；3-内陷空间；4-阳极组件；41-工质喷孔；42-供气管；43-供电电极；5-陶瓷外壁；6-绝缘套；
7-外壁；8-阳极。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的发明人基于对外部放电等离子体推力器的深入研究发现，在外部放电等离子体推力器的近场羽流区，经典EDPT采用内外两组永磁体作为励磁组件，这两组永磁体无论极性相同还是相反都会在外壁7附近存在磁尖端，在推力器侧面的阴极附近存在磁场分界面(如图5所示，磁场分界面将磁场分为相似连接的磁力线的独立区域)。这种磁场位型下，从推力器一侧阴极引出的主要电子群体趋向于沿外侧磁力线到达外壁7附近的磁尖端，然后横越外磁极磁场分界面周围的磁力线到达阳极8。由于外壁7磁尖端附近处于强磁场区，电子在该区域电阻最大，该区域电势降显著，是推力器的主要加速区，而且由于该区域电场径向分量很大，导致离子束流沿径向加速，这是造成该推力器羽流发散效率低的主要原因。
请参考附图1～4，本申请实施例提供应用于一种外部放电等离子体推力器磁场结构，采用这种外部放电等离子体推力器磁场结构的外部放电等离子体推力器可作为微小卫星的动力系统，用于执行在轨位置保持、姿态调整、轨道提升、离轨等多种轨道任务。
外部放电等离子体推力器磁场结构包括内磁组件和外磁组件。内磁组件为永磁结构，磁通方向与推力器轴线平行。外磁组件为电励磁结构，磁通方向与推力器轴线平行，环绕于内磁组件周围，且外磁组件与内磁组件之间形成阳极安装空间，外磁组件的前端与内磁组件的前端之间形成连续磁场，以消除外磁组件的磁分界面。
与现有技术相比，本发明的外部放电等离子体推力器磁场结构的有益效果是：采用永磁和电磁的混合励磁方式以及匹配性设计，能够消除外磁组件的磁场分界面，改变磁场位型，从而削弱外磁组件前端区域的电场径向分量，减小外部放电等离子体推力器的羽流发散角，提高推力器的效率。外磁组件外包裹外磁屏，也能够一定程度上削减外磁组件侧面和后方的磁场，降低磁场对推力器的推进系统其他组件的干扰。
具体实现时，须保证内磁组件和外磁组件的磁通方向一致，均平行于外部放电等离子体推力器的轴线正方向或者反方向。内磁组件前端和外磁组件前端之间的磁场可以是由内磁组件指向外磁组件，也可以是由外磁组件指向内磁组件。
可选的，内磁组件和外磁组件可以安装在外壳中固定。可选的，内磁组件可以采用采用Sm2Co12材料。可选的，外磁组件可以采用“工”字型的电磁线圈；电磁线圈置于推力器外侧，可以在不开仓、不拆装推力器的情况下仅通过调整电磁线圈电流方向实现磁力线方向的灵活调整。可选的，外磁组件可以是有多个电磁线圈组成，多个电磁线圈环绕分布于内磁组件的周围。
作为一个可能的实施方式，外部放电等离子体推力器磁场结构还包括外磁屏和内磁屏。
外磁屏包裹于外磁组件外，且前端面向内磁组件顶部的部分具有缺口，以消除外磁组件的磁分界面。内磁屏包裹于内磁组件外，且前端开放使内磁组件的顶部外露。本实施例以及其他实施例的外磁屏和内磁屏设计，也能够进一步改变磁场位型，有助于消除外磁组件的磁场分界面，削弱外磁组件前端区域的电场径向分量。
外磁组件外包裹外磁屏，内磁组件外包裹内磁屏，能够一定程度上削减推力器侧面和后方的磁场，降低磁场对推力器的推进系统其他组件的干扰。可选的，外磁屏和内磁屏采用高磁导率的坡莫合金材质。
作为一个可能的实施方式，阳极安装空间环绕内磁组件，内磁屏与外磁屏相连，并屏蔽于阳极安装空间的后端。能够进一步的削减内磁组件和外磁组件后方的磁场，减少对推力器的推进系统其他组件的干扰。更具体的，内磁组件的后端和外磁组件的后端相连，将阳极安装空间的后端封闭。内磁屏和外磁屏整体可以是呈回转体结构，其剖面图呈“山”字型形貌。
作为一个可能的实施方式，在内磁组件的朝向上(图1中的正上方)，内磁组件的前端低于外磁组件的前端，形成内陷空间。降低内磁组件前端和外磁组件前端之间的磁感线的径向发散度，促进加速电场向轴向偏转，有利于离子束流向推力器中心聚焦，从而提升羽流聚焦效率。具体实现时，可选的，外磁组件采用多个电磁线圈组成，各个电磁线圈的前端面在高度方向平齐，内磁组件的前端面低于各个电磁线圈的前端面形成内陷空间。
作为一个可能的实施方式，内磁组件的前端向前逐渐收缩，使得内磁组件呈水瓶形。使内磁组件前端的磁力线更加集中，提升电离区域的磁场强度，最大程度的降低磁场在非放电区域的损耗。可选的，内磁组件前端的外侧壁设有斜面，斜面的一端连接内磁组件的前端面，使得内磁组件呈水瓶形，以便于内磁组件和外磁组件之间的磁感线沿轴向方向向推力器的出口羽流相汇聚。
请参考附图1～4，本申请实施例提供采用上述外部放电等离子体推力器磁场结构的外部放电等离子体推力器。
外部放电等离子体推力器包括以上任一项的外部放电等离子体推力器磁场结构和阳极组件。阳极组件设于外部放电等离子体推力器磁场结构的阳极安装空间内。
安装到设备上后，设备上安装有阴极组件，阴极组件位于外磁极组件的外侧。工作时，阳极组件接入电源正极，阴极组件接入电源负极，使得阳极组件与阴极组件之间形成电场。可选的，阳极组件可以是环形，并环绕阳极组件设置。可选的，阳极组件的材质可以选用现有的耐等离子体侵蚀的材质。
作为一个可能的实施方式，采用形成有内陷空间的外部放电等离子体推力器磁场结构；阳极组件的前端面设有工质喷孔，阳极组件的前端面沿内陷空间倾斜布置，以使工质喷孔向内陷空间倾斜。外部放电等离子体推力器磁场结构形成内陷空间，使得阳极组件的前端面形成斜面，从而使原本朝向正前方的工质喷孔，向内陷空间倾斜。
进一步的，多个工质喷孔环绕内磁组件环形分布，各个工质喷孔沿周向倾斜，以使喷出的气体工质向内陷空间螺旋汇聚。
工质喷孔除向内陷空间倾斜外，同时还沿周向倾斜，使得喷出的气体向内陷空间螺旋汇聚。此种设计可产生涡旋状气流场，以便均化有效放电区域内的气体周向分布，有效降低气体向周围空间的扩散速度，提升工质气体在推力器有效放电区域内的驻留时间，为提升推力器的电离效率提供了保障；也使得使形成的等离子体向推力器的轴线附近聚焦，增大推力器有效电压区域的工质原子密度，提升推力器的电离效率，降低因电离振荡引发等离子体的不稳定性。
具体实现时，可选的，阳极组件呈环形，并且截面呈梯形，使得上端面可以是呈环形的锥面，各个工质喷孔可以是垂直于阳极组件外表面的母线并沿周向倾斜45°。
作为一个可能的实施方式，阳极组件内部为空腔，下部设有供气管和供电电极；供气管的气体工质经过阳极组件的空腔从工质喷孔喷入外部放电等离子体推力器磁场结构的内陷空间，供电电极和供气管分别外套绝缘套以相互间隔。
供气管连通于阳极组件，外部气源通过供气管与阳极组件的空腔连通，以便于为推力器提供连续、稳定的工质气体。供电电极连接于阳极组件，外部电源通过供电电极与阳极组件相连，为推力器提供连续、稳定的电压。可选的，供气管、供电电极呈圆柱体，材质为不锈钢。可选的，阳极组件的内腔可以是环绕内磁组件的环形，多个工质喷孔均匀的分布在阳极组件的前端面。
供气管和供电电极分离式设计，可降低推力器后端的气体高压击穿的情况，为推力器的安全、稳定和高效的工作提供硬件的支持。绝缘套能够进一步的提高供气管和供电电极的绝缘性能，可选的，绝缘套的材料为聚四氟乙烯。
作为一个可能的实施方式，外部放电等离子体推力器还包括陶瓷外壁，陶瓷外壁隔离于阳极组件的两侧及后端，并延伸覆盖内磁组件的前端面和外磁组件的前端面。通过陶瓷外壁实现阳极组件与内磁组件、外磁组件等结构之间的电绝缘。
具体实现时，可选的，陶瓷外壁沿阳极安装空间的内壁设置，形成位于内磁组件和外磁组件之间的凹槽，用于安装阳极组件。陶瓷外壁呈回转体结构，陶瓷外壁为氮化硼陶瓷材质。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请的描述中，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一个或者更多个特征。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种外部放电等离子体推力器磁场结构，其特征在于，包括：
内磁组件，为永磁结构，磁通方向与推力器轴线平行；以及
外磁组件，为电励磁结构，磁通方向与推力器轴线平行，环绕于所述内磁组件周围，且所述外磁组件与所述内磁组件之间形成阳极安装空间，所述外磁组件的前端与所述内磁组件的前端之间形成连续磁场，以消除所述外磁组件的磁分界面。
2.根据权利要求1所述的一种外部放电等离子体推力器磁场结构，其特征在于，所述外部放电等离子体推力器磁场结构还包括：
外磁屏，包裹于所述外磁组件外，且前端面向所述内磁组件顶部的部分具有缺口；以及
内磁屏，包裹于所述内磁组件外，且前端开放使所述内磁组件的顶部外露。
3.根据权利要求2所述的一种外部放电等离子体推力器磁场结构，其特征在于，所述阳极安装空间环绕所述内磁组件，所述内磁屏与所述外磁屏相连，并屏蔽于所述阳极安装空间的后端。
4.根据权利要求1所述的一种外部放电等离子体推力器磁场结构，其特征在于，在所述内磁组件的朝向上，所述内磁组件的前端低于所述外磁组件的前端，形成内陷空间。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种外部放电等离子体推力器磁场结构，其特征在于，所述内磁组件的前端向前逐渐收缩，使得所述内磁组件呈水瓶形。
6.一种外部放电等离子体推力器，其特征在于，包括：
权利要求1至5任一项所述的一种外部放电等离子体推力器磁场结构；以及
阳极组件，所述阳极组件设于所述外部放电等离子体推力器磁场结构的阳极安装空间内。
7.根据权利要求6所述的一种外部放电等离子体推力器，其特征在于，采用形成有内陷空间的所述外部放电等离子体推力器磁场结构；
所述阳极组件的前端面设有工质喷孔，所述阳极组件的前端面沿所述内陷空间倾斜布置，以使所述工质喷孔向所述内陷空间倾斜。
8.根据权利要求7所述的一种外部放电等离子体推力器，其特征在于，多个所述工质喷孔环绕所述内磁组件环形分布，各个所述工质喷孔沿周向倾斜，以使喷出的气体工质向所述内陷空间螺旋汇聚。
9.根据权利要求7所述的一种外部放电等离子体推力器，其特征在于，所阳极组件内部为空腔，下部设有供气管和供电电极；所述供气管的气体工质经过所述阳极组件的空腔从所述工质喷孔喷入所述外部放电等离子体推力器磁场结构的内陷空间，所述供电电极和所述供气管分别外套绝缘套以相互间隔。
10.根据权利要求6所述的一种外部放电等离子体推力器，其特征在于，所述外部放电等离子体推力器还包括陶瓷外壁，所述陶瓷外壁隔离于所述阳极组件的两侧及后端，并延伸覆盖所述内磁组件的前端面和所述外磁组件的前端面。
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