WO2024146568A2 - 一种自维持霍尔推力系统的运行方法以及无工质阴极及包括其的霍尔推力器、空间设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种自维持霍尔推力系统的运行方法，属于空间推进技术领域，包括以下步骤：向霍尔推力器内通入工质气体，通过加热件加热电子发射体产生电子，等离子体输出霍尔推力器后朝向阴极器的方向进行束流，通过等离子体对电子发射体进行加热，将加热件与电源之间的电连接切断，使系统自维持运行；本申请的自放电自维持霍尔推力系统的运行方法，在启动时，可依靠加热件对电子发射体进行加热从而产生电子，通过电子发射体和阳极之间配合进行工质气体的电离，等离子体束流轰击并加热电子发射体，使电子发射体产生电子，以维持稳定的放电，此后可关闭加热件的电源，节省功耗。本申请还涉及无工质阴极及包括其的霍尔推力器、空间设备。

Description

一种自维持霍尔推力系统的运行方法以及无工质阴极及包括其的霍尔推力器、空间设备

本申请要求在2023年01月03日提交中国专利局、申请号为202310000692.9、发明名称为“一种自维持霍尔推力系统的运行方法”以及在2023年01月03日提交中国专利局、申请号为202310000673.6、发明名称为“无工质阴极及包括其的霍尔推力器、空间设备”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请涉及空间推进技术领域，具体涉及一种自维持霍尔推力系统的运行方法以及无工质阴极及包括其的霍尔推力器、空间设备。

背景技术

在航天器推进中，霍尔推力器是电推力器(Electricthruster)的一种，霍尔推力器可使用多种推进剂，最常用的是氙。其他推进剂还包括氪、氩、铋、碘、镁和锌等。使用时，霍尔推力器将电子约束在磁场中，并利用电子电离推进剂，利用电场加速离子产生推力，并中和束流中的离子。

现有技术的霍尔推力器，一般采用空心阴极或热阴极产生电子，通过对空心阴极注入气体并加热可产生电子，而热阴极直接进行加热即可产生电子，部分电子在阳极高电势的吸引下向放电通道内迁移，并被正交电磁场约束做周向霍尔漂移，在此过程中与沿放电通道轴向运动的推进剂发生电离碰撞，产生离子，离子在电子产生的电势降与阳极高压的作用下被加速至万米每秒的速度迅速喷出放电通道，形成束流离子，产生推力。

然而，采用现有技术的方案，空心阴极或热阴极的运行需要功率或气体的持续提供，在微低功率霍尔推进系统中，热阴极的功率占比较大，导致系统的总推力效率降低，使系统推功比降低。

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。

阴极是霍尔推力器的重要组成部件，为推力器提供电离电子与中和电子。现有技术中的霍尔推力器阴极结构及安装复杂，可靠性低，加热温度高，需消耗大量工质并且效率有待提高。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于克服现有技术中的霍尔推力器需要采用热阴极持续消耗功率的缺陷，从而提供一种自维持霍尔推力系统的运行方法。此外，本申请还提供了无工质阴极及包括其的霍尔推力器、空间设备，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。

为了解决上述技术问题，根据本申请的第一方面提供一种自维持霍尔推力系统的运行方法，包括：霍尔推力器和设置在所述霍尔推力器外部的阴极器，运行时包括以下步骤：

向霍尔推力器内通入工质气体；

将阴极器的加热件与电源电连接，通过所述加热件的加热使所述阴极器的电子发射体产生电子，从而对所述霍尔推力器内的工质气体进行电离生成等离子体，所述等离子体输出霍尔推力器后朝向阴极器的方向进行束流；

等离子体束流与电子发射体接触后，通过等离子体对电子发射体进行加热，将加热件与电源之间的电连接切断，使系统自维持运行。

可选地，所述霍尔推力器的阳极与第一电源的正极电连接。

可选地，所述阴极器的电子发射体与所述第一电源的负极电连接。

可选地，所述霍尔推力器的壳体与所述第一电源的负极电连接。

可选地，所述电子发射体为环形结构，工作时，所述等离子体形成的束流通过所述电子发射体的内环向外喷射。

可选地，所述加热件为设置在所述电子发射体外圈的环形结构。

可选地，所述阴极器的外壳内形成有用于安装所述霍尔推力器的安装腔。

可选地，所述阴极器的加热件连接的电源为第二电源。

可选地，所述工质气体通过气体分配器通入霍尔推力器的壳体。

可选地，所述气体分配器与阳极为一体结构。

为了解决上述技术问题，根据本发明申请的第二方面提供了一种无工质阴极，其中，所述无工质阴极具有：

环状发射体，所述环状发射体材料为电子发射材料，所述环状发射体为中空环状结构；以及

支撑环座，所述支撑环座内部限定有推力器本体容置空间，所述环状发射体固定在所述支撑环座内。

可选地，在如前所述的无工质阴极中，所述环状发射体的内圈有面向所述容置空间的锥角。

可选地，在如前所述的无工质阴极中，所述环状发射体的内圈有面向所述容置空间的5度至15度的锥角。

可选地，在如前所述的无工质阴极中，所述无工质阴极具有置于所述支撑环座内的加热器以及加热器外壳，所述加热器外壳为环形带凹槽的结构，所述加热器被绕制在所述凹槽内，并且所述环状发射体安装至所述加热器外壳内使得所述加热器能够通过所述加热器外壳对所述环状发射体进行加热。

可选地，在如前所述的无工质阴极中，所述无工质阴极具有上陶瓷环及下陶瓷环，所述上陶瓷环及所述下陶瓷环均具有垂直的环形侧壁和带通孔的平面底壁从而所述上陶瓷环与所述下陶瓷环均构成凹型中空陶瓷环，所述加热器外壳、所述加热器及所述环形发射体居于其间；

并且所述下陶瓷环的环形侧壁的外径等于所述上陶瓷环的环形侧壁的内径，所述下陶瓷环安装至所述上陶瓷环从而完成对所述下陶瓷环的径向定位，所述上陶瓷环的深度与所述下陶瓷环的高度相等。

可选地，在如前所述的无工质阴极中，所述下陶瓷环的平面底壁的通孔内径小于所述环状发射体的底面外径、大于所述环状发射体的底面内径，所述上陶瓷环的平面底壁的通孔内径小于所述环状发射体的顶面外径、大于所述环状发射体的顶面内径；

所述下陶瓷环的环形侧壁的内径等于所述加热器外壳的外径从而将包裹着所述环 状发射体的所述加热器外壳进行径向定位，并且所述环状发射体、所述加热器外壳的厚度等于所述上陶瓷环和所述下陶瓷环之间的凹槽的深度。

可选地，在如前所述的无工质阴极中，所述支撑环座的内侧壁上形成有内部凸起，所述内部凸起限定在所述容置空间的顶部，所述内部凸起的内径小于所述下陶瓷环的外径，并且所述支撑环座的外径等于所述上陶瓷环的外径从而能够完成对所述下陶瓷环、所述上陶瓷环、所述环状发射体及所述加热器外壳的径向定位。

可选地，在如前所述的无工质阴极中，所述无工质阴极包括上部固定环和固定底座，所述上部固定环固定在所述支撑环座的顶部，所述固定底座固定在所述支撑环座的底部，

所述上部固定环为凸型结构，所述凸型结构的凸起部分的外径与所述上陶瓷环的外径相等，所述凸型结构的底部的外径与所述支撑环座的最外部直径相等，并且所述上部固定环的凸起部分通过所述上陶瓷环将所述下陶瓷环、所述加热器、所述加热器外壳、所述环状发射体保持在所述内部凸起上，

并且，所述固定底座为环形结构，所述环形结构的外径等于所述支撑环座的最外部直径。

为了解决上述技术问题，根据本申请的第三方面提供了一种霍尔推力器，其中，所述霍尔推力器包括如前述第二方面中任一项所述的无工质阴极及推力器本体，所述推力器本体安装于所述固定底座并且位于容置空间内。

为了解决上述技术问题，根据本申请的第四方面提供了一种空间设备，其中，所述空间设备的推力器包括如前述第三方面所述的霍尔推力器。

本申请技术方案，具有如下优点：

1.本申请提供的自放电自维持霍尔推力系统的运行方法，在启动时，可依靠加热件对电子发射体进行加热从而产生电子，电子发射体作为阴极与壳体内的阳极进行配合，通过电子发射体和阳极之间进行工质气体的电离，生成等离子体，然后等离子体束流被引出壳体的放电通道，被引出的等离子体轰击并加热电子发射体，使电子发射体产生电子，部分电子继续参与工质气体的电离，以维持稳定的放电，此后可关闭加热件的电源，节省功耗。

2.根据本申请的无工质阴极及包括其的霍尔推力器、空间设备具有结构及安装简单、可靠性高、无工质且效率高等优点。进一步地，一些方面的霍尔推力器能够实现双重工作模式(被动与主动工作模式)，并且能够根据情况在两种模式之间切换，在被动工作模式下启动时间短，无需功耗，提升了推进系统的效率并节省了总功率，被动模式适用于小流浪，小推力的工作状况。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1是现有技术霍尔推力器的原理图；

图2为本申请第一方面的实施例中提供的自维持霍尔推力系统的运行方法的一种实施方式的流程图；

图3为本申请第一方面的实施例中提供的自维持霍尔推力系统的一种实施方式的主视剖视图；

图4为图3中阴极器的主视剖视图；

图5为本申请第一方面的实施例中提供的自维持霍尔推力系统的第二种实施方式的主视剖视图。

图6是根据本申请第二方面的无工质阴极的一个实施例的剖视示意图；

图7是图6的无工质阴极的局部示意图；

图8是图6的无工质阴极的立体示意图；

图9是包括图6的无工质阴极的霍尔推力器的剖视示意图及在主动工作模式下的线路连接图；

图10是包括图6的无工质阴极的霍尔推力器的剖视示意图及在被动工作模式下的线路连接图；以及

图11为阴极与霍尔推力器组合体的局部放大剖视图，其中示出了离子、电子、中性原子运动轨迹及相关工作机理与过程。

附图标记说明：
1、霍尔推力器；2、壳体；3、阳极；4、阴极器；5、外壳；6、电子发射体；7、
加热件；8、放电通道；9、第一电源；10、第二电源；A-阴极；B-阳极气体分配器；11-固定底座；12-支撑环座；13-下陶瓷环；14-上陶瓷环；15-上部固定环；16-环状发射体；17-加热器；18-加热器外壳；19-容置空间；20-内部凸起；21-阳极；22-磁线圈；23-推力器外壳。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有做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。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例提供的自放电自维持霍尔推力系统的运行方法，适用于微功率运行。

如图2所示，为本申请第一方面的实施例提供的自维持霍尔推力系统的运行方法的一种具体实施方式，包括：霍尔推力器1和设置在所述霍尔推力器1外部的阴极器4，运行时，包括以下步骤：

向霍尔推力器1内通入工质气体；

将阴极器4的加热件7与电源电连接，通过所述加热件7的加热使所述阴极器4的电子发射体6产生电子，从而对所述霍尔推力器1内的工质气体进行电离生成等离子体，所述等离子体输出霍尔推力器1后朝向阴极器4的方向进行束流；

等离子体束流与电子发射体6接触后，通过等离子体对电子发射体6进行加热，将加热件7与电源之间的电连接切断，使系统自维持运行。

本实施例提供的自放电自维持霍尔推力系统的运行方法，在启动时，可依靠加热件7对电子发射体6进行加热从而产生电子，电子发射体6作为阴极与壳体2内的阳极3进行配合，通过电子发射体6和阳极3之间进行工质气体的电离，生成等离子体，然后等离子体束流被引出壳体2的放电通道8，被引出的等离子体轰击并加热电子发射体6， 使电子发射体6产生电子，部分电子继续参与工质气体的电离，以维持稳定的放电，此后可关闭加热件7的电源，节省功耗。

如图3所示，本实施例提供的自维持霍尔推力系统中，所述霍尔推力器1的阳极3与第一电源9的正极电连接，所述霍尔推力器1的壳体2与第一电源9的负极电连接；工作时，通过所述阳极3与所述壳体2之间的放电，对工质气体进行电离。可选的，所述阴极器4的电子发射体6与第一电源9的负极电连接；通过该设置，当在霍尔推力器1的壳体2内积累足够的等离子体后，通过切断壳体2与第一电源9的电连接，仅保留电子发射体6与第一电源9的电连接，仅使电子发射体6作为阴极，可对等离子体朝向电子发射体6方向进行引导，从而使等离子体更加快速的通过放电通道8向外喷出。另外，作为一种可替换实施方式，可仅使所述阴极器4的电子发射体6与第一电源9的负极电连接，从而在启动之初，通过电子发射体6作为负极与霍尔推力器1的阳极3配合对工质气体进行电离。另外，也可以仅使所述霍尔推力器1的壳体2与第一电源9的负极电连接，从而使被电离的工质气体被自然的朝向电子发射体6方向束流。

如图4所示，本实施例提供的自维持霍尔推力系统中，所述电子发射体6为环形结构，工作时，所述等离子体形成的束流通过所述电子发射体6的内环向外喷射。

所述加热件7为设置在所述电子发射体6外圈的环形结构。

所述阴极器4的外壳5内形成有用于安装所述霍尔推力器1的安装腔。

如图5所示，为本申请第一方面实施例提供的自维持霍尔推力系统的第二种实施方式，其中，所述阴极器4的加热件7与第二电源10电连接，通过所述第二电源10用于使所述加热件7进行加热工作。所述霍尔推力器1的阳极3与第一电源9电连接，所述电子发射体6与所述第一电源9的负极电连接。通过上述设置，将加热件7的电源和用于电离的高压电源进行分开设置，可进行分别控制，保证工作稳定性。另外，作为一种可替换实施方式，所述加热件7的也可以与所述第一电源9电连接，通过所述第一电源9进行加热。

如图5所示，本实施例提供的自维持霍尔推力系统中，所述工质气体通过气体分配器通入霍尔推力器1的壳体2，所述阳极3与所述气体分配器为一体结构。通过该设置，可避免重新设置阳极3的问题，保证进行电离的空间。另外，作为一种可替换实施方式，所述阳极3也可以与所述气体分配器进行分别设置。

本申请第一方面的实施例提供的自维持霍尔推力系统具有如下优势，使其可尤其更适配于微小功率电推力器，具有双重工作模式：被动工作模式与主动工作模式。其中被动工作模式适用于微小流量工况，主动工作模式适用于较大流量工作状况。在被动工作模式中，无需开启加热，通过霍尔推力器1出射的高能离子的轰击加热电子发射体6，使电子发射体6发射电子，完全无需功率，属于被动发射电子的阴极；在主动工作模式中，开启加热件7，通过加热件7与出射离子的双重加热电子发射体6，使电子发射体6发射足量电子，属于主、被动联合工作状态阴极。

本申请第一方面的实施例提供的自维持霍尔推力系统中，阴极为无工质工作，依靠霍尔推力器1出射的高能离子将发射体材料中的电子轰击出来，作为电离或中和电子；在推力器微小流量工况、对电子量需求较低的情况下，可被动工作，实现无功率工作。另外，在被动工作模式下，由于依赖于原初电子，可通过霍尔推力器1完成点火，点火后离子出射至电子发射体6表面后在短时间内即可完成电子的发射，几乎无需启动时间。

图6是根据本申请的第二方面的无工质阴极的一个实施例的剖视示意图。

如图中所示，该无工质阴极包括固定底座11、支撑环座12、下陶瓷环13、上陶瓷环14、上部固定环15、环状发射体16、加热器17、加热器外壳18等。该无工质阴极的整体为中空环形结构，可以外置使用于霍尔推力器，将推力器本体包裹在其中。在使用中，推力器本体可以被容置在容置空间19中。

在图示示例中，该无工质阴极具有环状发射体16和支撑环座12。

环状发射体16的材料为电子发射材料。电子发射材料环在离子的轰击作用下可以产生电子，如此产生的电子可以基本满足推力器对电子的需求，尤其适用于微小功率霍尔推力器。

在该实施例中，环状发射体16亦为中空环状结构。为了提升电子发射率，环状发射体的内圈有面向容置空间19的锥角，该锥角可以为例如5度至15度。在可选的实施例中，该锥角可以为10度。经过这种设置，可通过牺牲小部分的束流离子来换取束流离子与环状发射体16的更大的接触面积，使轰击加热效果更为明显，从而提升电子发射率。

支撑环座12内部限定有霍尔推力器本体容置空间19，环状发射体16固定在支撑环座12内。环状发射体16与支撑环座12、上部固定环15、固定底座11电绝缘。推力器本体容置在容置空间19内，从而能够与该无工质阴极一起组合形成霍尔推进系统。

如图所示，在该实施例中，无工质阴极还具有置于支撑环座12内的加热器17以及加热器外壳18。加热器外壳18为环形带凹槽的结构，加热器被绕制在凹槽内，并且环状发射体16安装至加热器外壳18内使得加热器17能够通过加热器外壳18对环状发射体16进行加热，使其达到电子发射温度。

例如，环状发射体16的外径可以等于加热器外壳18的内径，将环状发射体16安装至加热器外壳18内，完成对环状发射体16的径向定位。环状发射体16的高度可以等于加热器外壳18的厚度。

图7是图6的无工质阴极的局部示意图。从图中可以看出，加热器外壳18为截面呈U型，其凹槽在环形加热器外壳18的一端开口。加热器17可以通过该开口而置于凹槽内，并且通过加热器外壳18的侧壁分别与环状发射体16以及其它部件隔开。

结合图6和图7可以看出，在该实施例中，无工质阴极还可以具有上陶瓷环14及下陶瓷环13。例如，下陶瓷环13与上陶瓷环14的材料可以为氮化硼陶瓷。下陶瓷还13与上陶瓷环14保证了环状发射体16与固定底座11、支撑环座12与上部固定环15等的绝缘。

如图所示，上陶瓷环14及下陶瓷环13均具有垂直的环形侧壁和带通孔的平面底壁从而上陶瓷环14与下陶瓷环13均构成凹型中空陶瓷环，上陶瓷环144和下陶瓷环13轴向开口方向相反地设置，下陶瓷环13位于上陶瓷环14的凹型中空空间内。加热器外壳18、加热器17及环形发射体16被夹置于上陶瓷环14与下陶瓷环13之间、位于由上陶瓷环14和下陶瓷环13分别的凹型中空空间共同限定的空间内。

在该实施例中，下陶瓷环13的环形侧壁的外径等于上陶瓷环14的环形侧壁的内径，下陶瓷环13安装至上陶瓷环14从而完成对下陶瓷环13的径向定位，上陶瓷环14的深度与下陶瓷环13的高度相等。在替代的实施例中，下陶瓷环13和上陶瓷环14之间可以为过盈配合，以使得二者配合牢固，作为模块便于组装。

可选地，在图示实施例中，下陶瓷环13的平面底壁的通孔内径小于环状发射体16的底面外径、大于环状发射体13的底面内径，因而，环状发射体16能够被保持在下陶瓷环13上。上陶瓷环14的平面底壁的通孔内径小于环状发射体16的顶面外径、大于环状发射体16的顶面内径，因而，环状发射体16能够被保持在上陶瓷环4下。由此，环状发射体16被保持于上陶瓷环14与下陶瓷环13之间。

另外，下陶瓷环113的环形侧壁的内径等于加热器外壳18的外径从而将包裹着环状发射体16的加热器外壳18进行径向定位，并且环状发射体16、加热器外壳18的厚度等于上陶瓷环14和下陶瓷环13之间的凹槽的深度。在替代的实施例中，下陶瓷环13与加热器外壳18之间可以为过盈配合，从而它们可以模块化地安装在一起，以便于组装。

为了将加热器17、环状发射体16等固定于支撑环座12，支撑环座12的内侧壁上可以形成有内部凸起20，内部凸起20限定在容置空间19的顶部。内部凸起20的内径小于下陶瓷环13的外径，并且支撑环座12的外径等于上陶瓷环14的外径从而能够完成对下陶瓷环13、上陶瓷环14、环状发射体16及加热器外壳18的径向定位。

根据图示实施例，可以看出，无工质阴极包括上部固定环15和固定底座11。如图所示，上部固定环15固定在支撑环座12的顶部，固定底座11固定在支撑环座12的底部。支撑环座12、固定底座11与上部固定环15的材料可以为不锈钢。

上部固定环15与支撑环座12可以通过螺栓连接至一起，支撑环座12与固定底座11可以通过螺栓连接至一起，保证了整个阴极内部组件(例如下陶瓷环13、上陶瓷环14、上部固定环15、环状发射体16、加热器17、加热器外壳18等)的紧密连接。

上部固定环15为凸型结构，凸型结构的凸起部分的外径可以与上陶瓷环14的外径相等，凸型结构的底部的外径可以与支撑环座12的最外部直径相等，并且上部固定环15的凸起部分通过上陶瓷环14将下陶瓷环13、加热器17、加热器外壳18、环状发射体16保持在内部凸起20上，实现了对上陶瓷环14、下陶瓷环13、加热器17、加热器外壳18、环状发射体16等的轴向定位。上部固定环15的突起结构的高度加上陶瓷环14的高度可以等于支撑环座12内部至内部凸起20的凹进深度。

固定底座11为环形结构，环形结构的外径可以等于支撑环座12的最外部直径。

图8是图6的无工质阴极的立体示意图，图中示出了该无工质阴极的固定底座11、支撑环座12、上陶瓷环14、上部固定环15、环状发射体16等。从图中可以看出，该无工质阴极整体上为中空环形结构。

该无工质阴极尤其外置适用于微小功率霍尔推力器，其可以拥有无工质、低/无功率、双模式、快组装、模块化等特性中的一种或多种。

例如，具备加热器的实施例中阴极可以有主动与被动两种工作模式，且两种工作模式均无需工质即可完成电子发射。

所述被动工作模式为无功率模式，适用于小流量，对电子量需求不高的情况；在此模式下，通过推力器出射高能离子的轰击加热，来使环状发射体16发射电子，用于增强电离或用于中和束流离子；所述主动工作模式需要开启加热器17产生加热功率来对环状发射体116进行加热，适用于较大流量，对电子量需求较高的情况；在此模式下，在加热器17与出射高能离子的共同加热下，环状发射体16可发射大量电子，用于增强的电离或用于中和束流离子。

在上述两种工作模式下，均需霍尔推力器产生的高能离子对环状发射体16进行轰击加热来产生电子，用于增强电离或用于中和束流离子。在霍尔推力器中，安装在内部的推力器本体的阳极充当了常规阴极中的触持级或栅极的作用，阳极的高电位可将电子向阳极吸引并加速电子；电子流向阳极的过程中会被径向磁场束缚区束缚，并且其中做周向霍尔漂移，和来自轴向的工质气体发生电离，生成等离子体。

在本申请中阴极可根据具体的霍尔推力器的尺寸、磁场位型与束流发散角进行合理的尺寸设计及安装位置的确定，确保本申请的阴极尽可能的减少对出射束流的阻碍，且又保证出射的电子可沿磁力线在阳极高电位的吸引下顺利到达径向磁场束缚区与阳极端面，形成稳定的放电电子电流。

在被动工作模式下，该无工质阴极无需任何功率，故也无需任何启动过程；待推力器依靠原初电子起辉并产生等离子体进一步使用高能离子对环状发射体16进行轰击加热后，环状发射体16可产生电子参与电离与中和过程，使推力器的工作状态趋于稳定。

图9与图10分别是包括图6的无工质阴极的霍尔推力器及其主动与被动工作模式线路连接图的剖视示意图。

如图中所示的霍尔推力器包括阴极及推力器本体，该阴极为如前述实施例中任一项 所述的无工质阴极，推力器本体安装于无工质阴极的固定底座11并且位于容置空间19内。固定底座11可与待安装微小功率推力器通过螺栓连接，将推力器与本申请阴极连接到一起。从图中还可以看到霍尔推力器的阳极21、磁线圈22、推力器外壳23等。

本申请的各实施例尤其适用于微小功率霍尔推力器。在选定推力器后，可以首先考虑推力器放电通道外径，确保环状发射体16的内径大致大于推力器放电通道内径，再根据推力器放电时的束流发散角与推力器磁场位型，合理设计环状发射体16内径，确保环状发射体16置于发散束流边缘，避免对束流的阻碍，且将环状发射体16置于若干条磁力线上，使出射的电子可顺利地沿磁场线向阳极迁移，减小电子迁移过程中的电阻。这样，可基本完成阴极的尺寸与定位。

另外，在正式工作前可以对线路进行布局，在主动工作模式下，如图9所示，推力器阳极21连接正高压，加热器17两端连接加热回路，且加热回路的正同时接到推力器高压负，环状发射体16接推力器高压负。这样，可以完成主动工作模式下霍尔推力器的电路连接。

另外，在正式工作前可以对线路进行布局，在被动工作模式下，如图10所示，推力器阳极21连接正高压，环状发射体16与推力器外壳23接推力器高压负。这样，可以完成被动工作模式下霍尔推力器的电路连接。

图11为阴极与霍尔推力器组合体的局部放大剖视图，其中示出了离子、电子、中性原子运动轨迹及相关工作机理与过程。

以下对三个过程D、E、F进行阐述：(A)处于羽流区最边缘的高能离子轰击环状发射体16，在离子的持续轰击与加热器17的持续加热下(也可无加热，仅离子轰击)，环状发射体16发射电子；(B)环状发射体16发射的电子中的一部分在阳极21高电势的吸引下向阳极运动并获得能量，并在电离区径向磁场的束缚下做周向霍尔漂移，并电离来自轴向的中性原子；(C)环状发射体16产生的另一部分电子在出射离子束流电势的吸引下向束流区下游运动，并在束流区尾部完成对离子的中和。

下面简单描述霍尔推力器的工作流程。

以下为阴极无功率被动工作模式，适用于小流量、小推力、小功率工况：(1)推力器依靠空间原初电子完成点火起辉，放电产生等离子体，其中的离子经等离子体电场与阳极电场的加速向通道外高速射出，处于羽流边缘的高能离子会轰击至环状发射体16表面，对环状发射体16进行持续轰击加热，使其产生电子；(2)环状发射体16产生的电子一部分在阳极高电位的吸引下沿磁力线向阳极迁移，获得能量加速，并在过程中被径向磁场束缚区束缚，做周向霍尔漂移，并在此过程中电离来自轴向的工质气体，将能量传递给工质气体后，向阳极做跨场漂移，达到阳极，形成阳极电子电流，另一部分电子在出射等离子体电位的吸引下向出射等离子体漂移，并和出射离子中和，完成束流的中和；(3)至此推力器进入稳定的放电模式。

在推力器流量增大，对电子需求量增大时，则需进入主动工作模式，首先开启加热器17，待环状发射体16温度到达电子发射温度后，开启推力器阳极21，开始工作流程；在加热器17与高能离子的双重作用下，环状发射体16发射大量电子，满足推力器对电子的需求。其余工作过程均与前述无功率工作模式一致。

根据本申请第二方面的上述实施例可以看到，无工质阴极结构简洁、构成简单，可快速装配与更换、可节省更换流程，提升了其可靠性。另外，该无工质阴极与推力器本体的体积相仿，可有效节省功率、工质与所占用体积，节省任务成本。另外，其仅需与推力器本体进行简单的机械连接与线路连接，基本上与推力器本体独立，为单独的模块，方便装配与拆卸，且对不同功率、尺寸等参数的推力器的普适性强，可根据推力器的工作参量与磁场位型对阴极进行灵活与合理的设计。

可选地，本申请的一个方面还提供了空间设备，其中，这种空间设备的推力器为前 述各实施例的霍尔推力器，具有如上所述第二方面实施例中无工质阴极的一种。例如，这些空间设备可以包括但不限于人造卫星、空间站等。

综上所述，本申请提出了无工质阴极及包括其的霍尔推力器、空间设备，其中的无工质阴极具有如下优势，使其可尤其更适配于微小功率电推力器：(1)双重工作模式：被动与主动工作模式，被动工作模式适用于小流量工况，主动工作模式适用于大流量工作状况，且需开启加热模组；(2)被动工作模式，无需开启加热也无需工质供给，通过推力器出射高能离子的轰击加热发射电子，完全无需功率，属于被动发射阴极；(3)主动工作模式，开启加热模组但无需工质供给，通过加热模组与出射离子的双重加热来发射足量电子，属于主被动联合工作状态阴极；(4)无工质工作，依靠推力器出射的高能离子将发射体材料中的电子轰击出来，作为电离或中和电子；(5)无功率工作，在推力器小流量工况，对电子量需求较低的情况下，可转换为被动工作模式，实现无功率工作；(6)短启动时间，在被动工作模式下，依赖于原初电子，推力器可完成点火，点火后离子出射至阴极表面后在短时间内即可完成电子的发射，几乎无需启动时间；(7)结构简洁，可快速组装与更换，在实验室阶段可迅速的完成对阴极发射体材料的更换；(8)模组设计，独立于推力器设计与组装，可根据不同的推力器进行灵活的尺寸适应与变更，灵活性极强，与推力器进行机械连接与简单的电路连接即可构成完成的推力器-阴极系统；(9)体积较小，基本与推力器体积一致，有效的节省了推进系统的总体积。

基于上述优点，本申请可尤其适配于微小功率电推力器，可实现无工质工作，且可在特定工况下实现无功率无工质工作，大大节省了系统功率与工质气体；由于其简洁与模块化的设计，有效的降低了该阴极构成与装配难度；推力器与阴极独立，低耦合，仅通过简单的机械连接与简单的线路连接即可完成系统的构成，可靠性与适配性强。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (17)

1. 一种自维持霍尔推力系统的运行方法，其特征在于，包括：霍尔推力器(1)和设置在所述霍尔推力器(1)外部的阴极器(4)；

   所述阴极器(4)的外壳(5)内形成有用于安装所述霍尔推力器(1)的安装腔，所述阴极器(4)上具有电子发射体(6)和加热件(7)，所述电子发射体(6)为环形结构，所述加热件(7)为设置在所述电子发射体(6)外圈的环形结构，运行时包括以下步骤：

   向霍尔推力器(1)内通入工质气体；

   将阴极器(4)的加热件(7)与电源电连接，通过所述加热件(7)的加热使所述阴极器(4)的电子发射体(6)产生电子，从而对所述霍尔推力器(1)内的工质气体进行电离生成等离子体，所述等离子体输出霍尔推力器(1)后朝向阴极器(4)的方向进行束流，所述等离子体形成的束流通过所述电子发射体(6)的内环向外喷射；

   等离子体束流与电子发射体(6)接触后，通过等离子体对电子发射体(6)进行加热，将加热件(7)与电源之间的电连接切断，使系统自维持运行。
2. 根据权利要求1所述的自维持霍尔推力系统的运行方法，其特征在于，所述霍尔推力器(1)的阳极(3)与第一电源(9)的正极电连接。
3. 根据权利要求2所述的自维持霍尔推力系统的运行方法，其特征在于，所述阴极器(4)的电子发射体(6)与所述第一电源(9)的负极电连接。
4. 根据权利要求2或3所述的自维持霍尔推力系统的运行方法，其特征在于，所述霍尔推力器(1)的壳体(2)与所述第一电源(9)的负极电连接。
5. 根据权利要求1-3中任一项所述的自维持霍尔推力系统的运行方法，其特征在于，所述阴极器(4)的加热件(7)连接的电源为第二电源(10)。
6. 根据权利要求1-3中任一项所述的自维持霍尔推力系统的运行方法，其特征在于，所述工质气体通过气体分配器通入霍尔推力器(1)的壳体(2)。
7. 根据权利要求6所述的自维持霍尔推力系统的运行方法，其特征在于，所述气体分配器与所述阳极(3)为一体结构。
8. 一种用于霍尔推力器的无工质阴极，其特征在于，所述无工质阴极具有：

   环状发射体(16)，所述环状发射体(16)材料为电子发射材料，所述环状发射体(16)为中空环状结构；以及

   支撑环座(12)，所述支撑环座(12)内部限定有推力器本体容置空间(19)，所述环状发射体(16)固定在所述支撑环座(12)内。
9. 如权利要求8所述的无工质阴极，其中，所述环状发射体(16)的内圈有面向所述容置空间(19)的锥角。
10. 如权利要求9所述的无工质阴极，其中，所述环状发射体(16)的内圈有面向所述容置空间(19)的5度至15度的锥角。
11. 如权利要求8所述的无工质阴极，其中，所述无工质阴极具有置于所述支撑环座(12)内的加热器(17)以及加热器外壳(18)，所述加热器外壳(18)为环形带凹槽的结构，所述加热器(17)被绕制在所述凹槽内，并且所述环状发射体(16)安装至所述加热器外壳(18)内使得所述加热器(17)能够通过所述加热器外壳(18)对所述环状发射体(16)进行加热。
12. 如权利要求11所述的无工质阴极，其中，所述无工质阴极具有上陶瓷环(14)及下陶瓷环(13)，所述上陶瓷环(14)及所述下陶瓷环(13)均具有垂直的环形侧壁和带通孔的平面底壁从而所述上陶瓷环(14)与所述下陶瓷环(13)均构成凹型中空陶瓷环，所述加热器外壳(18)、所述加热器(17)及所述环形发射体(16)居于其间；

    并且所述下陶瓷环(14)的环形侧壁的外径等于所述上陶瓷环(13)的环形侧壁的内径，所述下陶瓷环(14)安装至所述上陶瓷环(13)从而完成对所述下陶瓷环(13)的径向定位，所述上陶瓷环(14)的深度与所述下陶瓷环(13)的高度相等。
13. 如权利要求12所述的无工质阴极，其中，所述下陶瓷环(13)的平面底壁的通孔内径小于所述环状发射体(16)的底面外径、大于所述环状发射体(16)的底面内径，所述上陶瓷环(14)的平面底壁的通孔内径小于所述环状发射体(16)的顶面外径、大于所述环状发射体(16)的顶面内径；

    所述下陶瓷环(13)的环形侧壁的内径等于所述加热器外壳(18)的外径从而将包裹着所述环状发射体(16)的所述加热器外壳(18)进行径向定位，并且所述环状发射体(16)、所述加热器外壳(18)的厚度等于所述上陶瓷环(14)和所述下陶瓷环(13)之间的凹槽的深度。
14. 如权利要求12所述的无工质阴极，其中，所述支撑环座(12)的内侧壁上形成有内部凸起(20)，所述内部凸起(20)限定在所述容置空间(19)的顶部，所述内部凸起(20)的内径小于所述下陶瓷环(13)的外径，并且所述支撑环座(12)的外径等于所述上陶瓷环(14)的外径从而能够完成对所述下陶瓷环(13)、所述上陶瓷环(14)、所述环状发射体(16)及所述加热器外壳(18)的径向定位。
15. 如权利要求14所述的无工质阴极，其中，所述无工质阴极包括上部固定环(15)和固定底座(11)，所述上部固定环(15)固定在所述支撑环座(12)的顶部，所述固定底座(11)固定在所述支撑环座(12)的底部，

    所述上部固定环(15)为凸型结构，所述凸型结构的凸起部分的外径与所述上陶瓷环(14)的外径相等，所述凸型结构的底部的外径与所述支撑环座(12)的最外部直径相等，并且所述上部固定环(15)的凸起部分通过所述上陶瓷环(14)将所述下陶瓷环(13)、所述加热器(17)、所述加热器外壳(18)、所述环状发射体(16)保持在所述内部凸起(20)上，

    并且，所述固定底座(11)为环形结构，所述环形结构的外径等于所述支撑环座(12)的最外部直径。
16. 一种霍尔推力器，其特征在于，所述霍尔推力器包括如前述权利要求15所述的无工质阴极及推力器本体，所述推力器本体安装于固定底座(11)并且位于容置空间(19)内。
17. 一种空间设备，其特征在于，所述空间设备的推力器包括如前述权利要求16所述的霍尔推力器。