CN116412095A - 霍尔推力器的轴对称供气气体分配器 - Google Patents

霍尔推力器的轴对称供气气体分配器 Download PDF

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CN116412095A CN202310420947.7A CN202310420947A CN116412095A CN 116412095 A CN116412095 A CN 116412095A CN 202310420947 A CN202310420947 A CN 202310420947A CN 116412095 A CN116412095 A CN 116412095A
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于达仁
李鸿
丁明浩
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Abstract

霍尔推力器的轴对称供气气体分配器，涉及航天电推进技术领域。解决了霍尔推力器工质气体进入放电通道内时呈非对称分布，造成非对称放电影响的问题。本发明包括n级气体腔室结构；n级气体腔室结构包括相互连通的n级腔室，分别为第一级至第n级腔室；当前级腔室的出气孔作为下一级腔室的进气孔，且第i级腔室有2i‑1个进气孔和2i个出气孔，均周向均匀分布；每级腔室内的每个进气孔对应两个出气孔，且该进气孔至与其对应的两个出气孔之间的出气行程相同。保证每级腔室的工质气体从进气到出气的沿程损失一致，实现供气时的轴对称性与均匀性。本发明主要用于霍尔推力器上。

Description

霍尔推力器的轴对称供气气体分配器
技术领域
本发明属于航天电推进技术领域。
背景技术
霍尔推力器是一种利用正交电磁场电离原子工质、加速生成的离子，将电能转换为离子动能的推力装置。霍尔推力器工作时，工质气体需要被对称均匀地注入进放电通道，以维持推力器通道内的高性能稳定放电过程。目前，气体分配器多采用小孔憋气-多级缓冲的结构来保证工质气体注入时的对称均匀性。
目前，小孔憋气-多级缓冲的气体分配器结构是通过缓冲腔的结构来降低气体周向分布的非均匀性，这种结构存在以下弊端：
(1)周向单点位进气导致固有的工质气体非均匀分布属性。目前的气体分配器因为推力器结构的限制，采用周向单进气管进气；周向上，进气管与气体分配器不同周向位置上的供气孔之间的行程均有差异，进而造成供气的周向非均匀分布。
(2)对小孔的直径加工精度和小孔的周向分布均匀性提出极高的要求。小孔憋气增加气体均匀性是通过下游小孔来增大下游的流阻，进而实现工质气体在腔室内沿着周向扩散；同时，工质气体从气体分配器进气管到出射小孔之间的沿程阻力存在差异。因此，需要用过小孔孔径的加工精度和周向分布均匀性来消除沿程阻力差异的影响、控制通道内工质气体分布的均匀性。因此，小孔憋气的设计对于出气孔的加工精度和小孔的周向分布提出了更为严苛的要求。
(3)多级缓冲腔设计及其大截面尺寸结构导致的气体分配器空间尺寸和重量的增加。气体分配器的存在会占用一部分霍尔推力器的结构空间，并增加了推力器的整体重量。同时，小孔憋气的结构设计需要结合多级缓冲腔室的结构，以实现更好的气体均化效果；同时，圆环状缓冲腔室的截面面积需要足够大，以实现工质气体沿着周向更好地均化。但是，多级缓冲腔室和大截面缓冲腔室结构将会增加气体分配器的空间尺寸和总体重量，不利于航天器总体质量与成本控制。
综上，在霍尔推力器设计过程中，传统气体分配器供气的方案受制于工质气体流动过程中沿程阻力差异的影响，严重依赖气体缓冲的过程和最终效果；这对小孔直径加工误差要求很高，增加加工成本，并会造成气体分配器空间尺寸和总体重量的增加。因此，需要一种新的气体分配器结构设计方案，消除沿程阻力差异的影响，消除气体缓冲的过程，实现工质气体注入放电通道时的轴对称分布，并消除传统气体分配器的弊端。
发明内容
本发明目的是为了解决霍尔推力器工质气体进入放电通道内时呈非对称分布，造成非对称放电影响的问题；本发明提供了一种霍尔推力器的轴对称供气气体分配器。
霍尔推力器的轴对称供气气体分配器，包括n级气体腔室结构；
n级气体腔室结构包括相互连通的n级腔室，分别为第一级至第n级腔室；当前级腔室的出气孔作为下一级腔室的进气孔，且第i级腔室有2i-1个进气孔和2i个出气孔；每级腔室内的每个进气孔对应两个出气孔，且该进气孔至与其对应的两个出气孔之间的出气行程相同；i＝1,2，……n；
第一级腔室的一个进气孔作为轴对称供气气体分配器的进气孔；
第n级腔室的2n个出气孔均作为轴对称供气气体分配器的出气孔。
优选的是，n级气体腔室结构的各级腔室沿着轴向分布，且由下至上分别为第一级至第n级腔室。
优选的是，n级气体腔室结构的各级腔室沿着轴向分布时，n级气体腔室结构为：
每级腔室包括两个上、下分布的圆环形板，且位于下方的圆环形板的上表面设有沉槽，沉槽的径向截面为圆环形，且位于上方的圆环形板盖合在位于下方的圆环形板上，二者之间形成径向截面为圆环形的腔体；
第i级腔室的2i-1个进气孔设置在该级腔室中位于下方的圆环形板上，且所有的进气孔沿周向均匀分布；
第i级腔室的2i个出气孔设置在该级腔室中位于上方的圆环形板上，且所有的出气孔沿周向均匀分布；
相邻的两级腔室共用同一个圆环形板，并将当前级腔室中位于上方的圆环形板，作为下一级腔室中位于下方的圆环形板。
优选的是，每级腔室中位于上方的圆环形板与位于下方的圆环形板接触处的缝隙采用焊接的方式进行密封。
优选的是，n级气体腔室结构的各级腔室沿着径向分布。
优选的是，n级气体腔室结构的各级腔室沿着径向分布，且径向方向上依次为第一级至第n级腔室，各级腔室为径向截面为圆环形的腔体。
优选的是，n级气体腔室结构为：
n级气体腔室结构包括圆环形板和盖板；
在圆环形板上表面由内至外方向上加工有n个沉槽，且相邻的两个沉槽之间由一个肋脊分隔；沉槽的径向截面为圆环形；
盖板盖合在圆环形板上，且n个沉槽与盖板之间形成径向方向上依次分布的n个径向截面为圆环形的腔体，且每一个径向截面为圆环形的腔体作为一级腔室；最内侧的圆环形的腔体作为第一级腔室或第n级腔室；
第i级腔室和第i+1级腔室之间的肋脊上设有2i个气孔，且该2i个气孔作为第i级腔室的出气孔，还作为第i+1级腔室的进气孔；
每个肋脊上的气孔沿周向均匀分布。
优选的是，n级气体腔室结构的各级腔室沿着径向分布，且径向方向上依次为第一级至第n级腔室，第i级腔室包括2i-1个径向截面为扇形的腔体，且2i-1个径向截面为扇形的腔体沿圆周方向均匀分布。
优选的是，n级气体腔室结构为：
n级气体腔室结构包括圆环形板和盖板；
在圆环形板上表面由内至外或由外至内方向上加工有n级沉槽单元，第i级沉槽单元包括2i-1个沉槽，沉槽的径向截面为扇形；
盖板盖合在圆环形板上，每级沉槽单元与盖板之间形成一级腔室，共形成n级腔室；最内侧的腔室作为第一级腔室或第n级腔室；
第i级腔室包括2i-1个径向截面为扇形的腔体，且2i-1个径向截面为扇形的腔体沿圆周方向均匀分布；第i级腔室的扇形的腔体所对应的圆心角为
Figure BDA0004186755750000031
当前级腔室的每个扇形的腔体的两端面分别与下一级腔室中相邻的两个扇形的腔体的中部连接处形成气孔；该气孔作为当前级腔室的出气孔，还作为下一级腔室的进气孔。
优选的是，轴对称供气气体分配器的出气孔的出气方向为轴向出气、径向出气或与轴向成角度出气。
优选的是，轴对称供气气体分配器分流支路的排布方式可以是径向排布和轴向排布的组合。
本申请主要进行了以下的设计：
1、本发明霍尔推力器的轴对称供气气体分配中，主要是通过构建行程相同的多支路腔室，保证同一级腔室内进气孔到出气孔之间的沿程阻力相同，进而实现均匀供气；
2、还可以根据推力器通道尺寸，选择分流支路的排布方式，可以选择轴向排布、径向排布，或者二者的组合；
3、构建多级分流支路腔室，来实现气体分配器出气孔数量的增加，分流支路级数可以根据气体分配器结构尺寸和均化程度要求来设定；或者，在最后一级环形腔室构建缓冲腔，直接增多出气小孔的数量，进一步实现供气均化的效果；同时，气体分配器出气孔的结构形状可以根据出气的方向进行相应的变化，如轴向出气、径向出气等。
本发明的优点：
1、本发明霍尔推力器的轴对称供气气体分配器能够轴对称供气，具有均化工质气体的作用，结构及装配简单；本发明的分流气路的作用是保证进气孔到出气孔的行程相同，不需要具有缓冲效果；因此，腔室的截面可以采用小尺寸设计，继而保证气体分配器的宏观尺寸较小、空间占用小、且质量轻；
2、本发明霍尔推力器的轴对称供气气体分配器的腔室的气路为轴对称结构，具有轴对称供气的特性，气体注入到放电通道时，不需要考虑传统单管非对称进气结构的小孔憋气效果，因此，对于出气孔的孔径的加工精度要求降低，便于实现。
附图说明
图1是各级腔室沿着轴向分布时，3级气体腔室结构的装配图；附图标记2为进气管，附图标记1-1-3为气孔；
图2是对图1装配过程中的轴向剖视图；
图3是各级腔室沿着径向由内至外分布、且各级腔室为径向截面为圆环形的腔体时，3级气体腔室结构的装配图；
图4是各级腔室沿着径向由内至外分布、且各级腔室为径向截面为扇形的腔体时，3级气体腔室结构的装配图；
图5是各级腔室沿着径向分布时，3级气体腔室结构的一种特殊形式的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
结合图1说明实施例1，本实施例1所述的霍尔推力器的轴对称供气气体分配器，包括n级气体腔室结构1；其中，
n级气体腔室结构1包括相互连通的n级腔室，分别为第一级至第n级腔室；当前级腔室的出气孔作为下一级腔室的进气孔，且第i级腔室有2i-1个进气孔和2i个出气孔；每级腔室内的每个进气孔对应两个出气孔，且该进气孔至与其对应的两个出气孔之间的出气行程相同；i＝1,2，……n；
第一级腔室的一个进气孔作为轴对称供气气体分配器的进气孔；
第n级腔室的2n个出气孔均作为轴对称供气气体分配器的出气孔。
本实施例中，每级腔室内的每个进气孔对应两个出气孔，且该进气孔至与其对应的两个出气孔之间的出气行程相同，保证了每级腔室内进气孔与出气孔在投影方向上不重叠，使每级腔室内每个进气孔到与其对应的两个出气孔的行程一致，保证每级腔室的工质气体从进气到出气的沿程损失一致，实现供气时的轴对称性与均匀性。
具体应用时，第一级腔室的一个进气孔通过进气管2接收外来气体，具体见图1、图3和图4。n级气体腔室结构1的各级腔室可沿着轴向分布，还可沿着径向分布。第n级气体腔室的出气孔数目可以根据设计要求自行设定，均匀分布。
进一步的，参见图1和图2，n级气体腔室结构1的各级腔室沿着轴向分布，且由下至上分别为第一级至第n级腔室，此时，n级气体腔室结构1为：
每级腔室包括两个上、下分布的圆环形板1-1，且位于下方的圆环形板1-1的上表面设有沉槽1-1-1，沉槽1-1-1的径向截面为圆环形，且位于上方的圆环形板1-1盖合在位于下方的圆环形板1-1上，二者之间形成径向截面为圆环形的腔体；
第i级腔室的2i-1个进气孔设置在该级腔室中位于下方的圆环形板1-1上，且所有的进气孔沿周向均匀分布；
第i级腔室的2i个出气孔设置在该级腔室中位于上方的圆环形板1-1上，且所有的出气孔沿周向均匀分布；
相邻的两级腔室共用同一个圆环形板1-1，并将当前级腔室中位于上方的圆环形板1-1，作为下一级腔室中位于下方的圆环形板1-1。
应用时，圆环形腔体的截面面积大小可以根据具体结构设计进行调整；参见图1和图2，每级腔室中位于上方的圆环形板1-1与位于下方的圆环形板1-1接触处的缝隙通过焊接的方式进行封闭。每级腔室内的每个进气孔对应两个出气孔，且该进气孔至与其对应的两个出气孔之间的出气行程相同，该进气孔的投影位置位于所对应的两个出气孔投影位置之间的中间位置处。
进一步的，各级腔室沿着径向分布时，各级腔室的排序可由内至外径向分布、也可由外之内分布、也可打乱次序分布。
更进一步的，参见图3，各级腔室沿着径向方向上依次分布时，n级气体腔室结构1的第一种结构：
n级气体腔室结构1的各级腔室沿着径向分布，且径向方向上依次为第一级至第n级腔室，各级腔室为径向截面为圆环形的腔体；此时，n级气体腔室结构1为：
n级气体腔室结构1包括圆环形板1-1和盖板1-2；
在圆环形板1-1上表面由内至外方向上加工有n个沉槽1-1-1，且相邻的两个沉槽1-1-1之间由一个肋脊1-1-2分隔；沉槽1-1-1的径向截面为圆环形；
盖板1-2盖合在圆环形板1-1上，且n个沉槽1-1-1与盖板1-2之间形成径向方向上依次分布的n个径向截面为圆环形的腔体，且每一个径向截面为圆环形的腔体作为一级腔室；最内侧的圆环形的腔体作为第一级腔室或第n级腔室；
第i级腔室和第i+1级腔室之间的肋脊1-1-2上设有2i个气孔1-1-3，且该2i个气孔1-1-3作为第i级腔室的出气孔，还作为第i+1级腔室的进气孔；每一级别腔室中，一个进气孔对应相邻的两个出气孔；周向上，进气孔在相邻两个出气孔中间位置，进气孔到出气孔的行程相同；
每个肋脊1-1-2上的气孔1-1-3沿周向均匀分布。
本优选方式中，参见图3，圆环形板1-1和盖板1-2接触处的缝隙采用焊接的方式进行密封。且盖板1-2的结构只要能覆盖n个沉槽1-1-1并形成腔体即可，不限于各种结构，可根据实际应用情况进行加工制作。第n级腔室的2i个出气孔可设置在盖板1-2上或圆环形板1-1的周向。
图3中，给出了n取值为3时，各级腔室沿着径向由内至外分布的3级气体腔室结构1的第一种结构示意图。
更进一步的，参见图4，各级腔室沿着径向方向上依次分布时，n级气体腔室结构1的第二种结构：
n级气体腔室结构1包括圆环形板1-1和盖板1-2；
在圆环形板1-1上表面由内至外或由外至内方向上加工有n级沉槽单元，第i级沉槽单元包括2i-1个沉槽1-1-1，沉槽1-1-1的径向截面为扇形；
盖板1-2盖合在圆环形板1-1上，每级沉槽单元与盖板1-2之间形成一级腔室，共形成n级腔室；最内侧的腔室作为第一级腔室或第n级腔室；
第i级腔室包括2i-1个径向截面为扇形的腔体，且2i-1个径向截面为扇形的腔体沿圆周方向均匀分布；第i级腔室的扇形的腔体所对应的圆心角为
Figure BDA0004186755750000071
当前级腔室的每个扇形的腔体的两端面分别与下一级腔室中相邻的两个扇形的腔体的中部连接处形成气孔1-1-3；该气孔1-1-3作为当前级腔室的出气孔，还作为下一级腔室的进气孔。
本优选方式中，第n级腔室的2i个出气孔可设置在盖板1-2上或圆环形板1-1的周向。第1级的进气孔的径向位置可以根据设计需求设定在不同的径向位置上。参见图4，圆环形板1-1和盖板1-2接触处的缝隙采用焊接的方式进行密封。盖板1-2的结构只要能覆盖n个沉槽1-1-1并形成腔体即可，不限于各种结构，可根据实际应用情况进行加工制作。图4中给出了一种异形结构的盖板1-2，该盖板为最为简单的一种结构，仅将沉槽1-1-1覆盖即可，也可将盖板1-2整体设置成圆环形结构。
图4中，给出了n取值为3时，各级腔室沿着径向由内至外分布的3级气体腔室结构1的第二种结构示意图。
图5中，给出了n取值为3时，各级腔室沿着径向分布的3级气体腔室结构1的第三种结构示意图，该种结构是各级腔室不进行由内至外，或由外至内的分布，是一种特殊的形式，其中，一级腔室在最内层，二级腔室在最外层、三级腔室在一级和二级腔室之间。图5与图4的区别在于，各级腔室的排布次序不同，实现气体分配器出气孔，即最后一级腔室出气孔的径向位置可以根据实际需要设定。
更进一步的，无论各级腔室沿着径向分布，还是轴向分布，本发明轴对称供气气体分配器的出气孔(即末级分配器的出气孔)的出气方向为轴向出气、径向出气或与轴向成角度出气。优选地，轴对称供气气体分配器的出气孔的数量可以根据实际需要增大数量，进而将末级分流腔室可以实现缓冲腔室的功能。
更进一步的，具体应用时，可根据具体实际应用场景，采用的轴对称供气气体分配器可包含各级腔室沿着径向分布或轴向分布的轴对称供气气体分配器的组合。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.霍尔推力器的轴对称供气气体分配器，其特征在于，包括n级气体腔室结构(1)；
n级气体腔室结构(1)包括相互连通的n级腔室，分别为第一级至第n级腔室；当前级腔室的出气孔作为下一级腔室的进气孔，且第i级腔室有2i-1个进气孔和2i个出气孔；每级腔室内的每个进气孔对应两个出气孔，且该进气孔至与其对应的两个出气孔之间的出气行程相同；i＝1,2，……n；
第一级腔室的一个进气孔作为轴对称供气气体分配器的进气孔；
第n级腔室的2n个出气孔均作为轴对称供气气体分配器的出气孔。
2.根据权利要求1所述的霍尔推力器的轴对称供气气体分配器，其特征在于，n级气体腔室结构(1)的各级腔室沿着轴向分布，且由下至上分别为第一级至第n级腔室。
3.根据权利要求2所述的霍尔推力器的轴对称供气气体分配器，其特征在于，n级气体腔室结构(1)的各级腔室沿着轴向分布时，n级气体腔室结构(1)为：
每级腔室包括两个上、下分布的圆环形板(1-1)，且位于下方的圆环形板(1-1)的上表面设有沉槽(1-1-1)，沉槽(1-1-1)的径向截面为圆环形，且位于上方的圆环形板(1-1)盖合在位于下方的圆环形板(1-1)上，二者之间形成径向截面为圆环形的腔体；
第i级腔室的2i-1个进气孔设置在该级腔室中位于下方的圆环形板(1-1)上，且所有的进气孔沿周向均匀分布；
第i级腔室的2i个出气孔设置在该级腔室中位于上方的圆环形板(1-1)上，且所有的出气孔沿周向均匀分布；
相邻的两级腔室共用同一个圆环形板(1-1)，并将当前级腔室中位于上方的圆环形板(1-1)，作为下一级腔室中位于下方的圆环形板(1-1)。
4.根据权利要求3所述的霍尔推力器的轴对称供气气体分配器，其特征在于，每级腔室中位于上方的圆环形板(1-1)与位于下方的圆环形板(1-1)接触处的缝隙采用焊接的方式进行密封。
5.根据权利要求1所述的霍尔推力器的轴对称供气气体分配器，其特征在于，n级气体腔室结构(1)的各级腔室沿着径向分布。
6.根据权利要求5所述的霍尔推力器的轴对称供气气体分配器，其特征在于，n级气体腔室结构(1)的各级腔室沿着径向分布，且径向方向上依次为第一级至第n级腔室，各级腔室为径向截面为圆环形的腔体。
7.根据权利要求6所述的霍尔推力器的轴对称供气气体分配器，其特征在于，n级气体腔室结构(1)为：
n级气体腔室结构(1)包括圆环形板(1-1)和盖板(1-2)；
在圆环形板(1-1)上表面由内至外方向上加工有n个沉槽(1-1-1)，且相邻的两个沉槽(1-1-1)之间由一个肋脊(1-1-2)分隔；沉槽(1-1-1)的径向截面为圆环形；
盖板(1-2)盖合在圆环形板(1-1)上，且n个沉槽(1-1-1)与盖板(1-2)之间形成径向方向上依次分布的n个径向截面为圆环形的腔体，且每一个径向截面为圆环形的腔体作为一级腔室；最内侧的圆环形的腔体作为第一级腔室或第n级腔室；
第i级腔室和第i+1级腔室之间的肋脊(1-1-2)上设有2i个气孔(1-1-3)，且该2i个气孔(1-1-3)作为第i级腔室的出气孔，还作为第i+1级腔室的进气孔；
每个肋脊(1-1-2)上的气孔(1-1-3)沿周向均匀分布。
8.根据权利要求5所述的霍尔推力器的轴对称供气气体分配器，其特征在于，n级气体腔室结构(1)的各级腔室沿着径向分布，且径向方向上依次为第一级至第n级腔室，第i级腔室包括2i-1个径向截面为扇形的腔体，且2i-1个径向截面为扇形的腔体沿圆周方向均匀分布。
9.根据权利要求8所述的霍尔推力器的轴对称供气气体分配器，其特征在于，n级气体腔室结构(1)为：
n级气体腔室结构(1)包括圆环形板(1-1)和盖板(1-2)；
在圆环形板(1-1)上表面由内至外或由外至内方向上加工有n级沉槽单元，第i级沉槽单元包括2i-1个沉槽(1-1-1)，沉槽(1-1-1)的径向截面为扇形；
盖板(1-2)盖合在圆环形板(1-1)上，每级沉槽单元与盖板(1-2)之间形成一级腔室，共形成n级腔室；最内侧的腔室作为第一级腔室或第n级腔室；
第i级腔室包括2i-1个径向截面为扇形的腔体，且2i-1个径向截面为扇形的腔体沿圆周方向均匀分布；第i级腔室的扇形的腔体所对应的圆心角为
Figure QLYQS_1
当前级腔室的每个扇形的腔体的两端面分别与下一级腔室中相邻的两个扇形的腔体的中部连接处形成气孔(1-1-3)；该气孔(1-1-3)作为当前级腔室的出气孔，还作为下一级腔室的进气孔。
10.根据权利要求1所述的霍尔推力器的轴对称供气气体分配器，其特征在于，轴对称供气气体分配器的出气孔的出气方向为轴向出气、径向出气或与轴向成角度出气。
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CN117825033A (zh) * 2024-03-04 2024-04-05 国科大杭州高等研究院 电推力器气体分配器的检测方法

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