低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构

1.本发明涉及低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构，属于霍尔推力器技术领域。


背景技术：

2.霍尔推进技术是目前航天器用电推进的主流技术方向。采用霍尔推进技术可以增加航天器有效载荷，降低发射成本，延长使用寿命，是未来提高商业卫星效率，增加竞争力的有效手段。
3.霍尔推力器主要由空心阴极、放电室、磁极(由前后磁极板，内外磁芯，内外磁屏等组成)、内磁线圈、外磁线圈、阳极/气体分配器、推进剂输送管路及支撑结构等组成；其工作原理为：霍尔推力器通道内存在相互正交的径向磁场和轴向电场，从阴极发射到通道内的电子受到磁场和电场的作用向阳极漂移，与从气体分配器喷出的工质气体发生碰撞电离，电离出的电子由于质量小，被径向磁场约束在通道内；而离子质量大，径向磁场基本对其不起作用，因此会在轴向电场力的作用下向通道出口加速喷出，从而产生推力。
4.霍尔推力器作为已经在轨应用的电推进装置之一，其工作热稳定性是目前受广泛关注的核心问题。霍尔推力器放电通道内的离子在电场加速运动喷出并产生推力的过程中，部分离子会与放电通道壁面产生相互作用，即离子溅射到壁面上，产生能量损耗。这部分损耗的能量主要以热能形式沉积在放电通道壁面出口段，壁面热沉积功率可达到总功率的20％～30％。
5.随着低功率航天任务需求的提升，对霍尔推力器提出了在更差的放电条件和更大的通道面容比下工作的要求，这更加剧了霍尔推力器壁面热沉积问题，导致其整体散热能力降低，进而使霍尔推力器的整体热稳定性变差，因此改进现有低功率霍尔推力器的结构十分有必要。
6.现有霍尔推力器的阳极和磁屏一般都是分开的，并且阳极藏在陶瓷通道的深处，这种设计在低功率小尺寸推力器结构下会因为散热困难，造成局部超温发红，影响放电稳定性。


技术实现要素：

7.针对现有低功率霍尔推力器阳极结构设置在陶瓷通道深处导致散热难并造成放电稳定性差的问题，本发明提供一种低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构。
8.本发明的一种低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构，包括阳极导磁屏、阳极出气片、阳极后盖板、两个导电柱和进气管，
9.所述阳极导磁屏为横截面是h形状的圆环结构，包括作为外环的外磁屏、作为内环的内磁屏和形成h形状水平段的阳极均化片；
10.阳极出气片水平嵌放在阳极导磁屏的阳极均化片上方腔体内，并与阳极均化片有间隙；阳极后盖板连接在阳极导磁屏的底端端口处；
11.阳极均化片和阳极出气片上均设置气孔；
12.阳极后盖板上沿圆周方向靠近外边缘均匀设置三个横截面为梯形的上大下小的圆孔，其中两个圆孔分别连接一个导电柱，另一个圆孔连通进气管。
13.根据本发明的低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构，所述阳极均化片上的气孔沿圆周方向均匀设置在中心圆环上。
14.根据本发明的低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构，阳极均化片上的气孔直径为0.5mm，相邻两气孔之间圆弧长度为4到6mm。
15.根据本发明的低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构，阳极出气片上的气孔沿圆周方向均匀设置在中心圆环上。
16.根据本发明的低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构，阳极出气片上的气孔直径为1mm，相邻两气孔之间圆弧长度为9到11mm。
17.根据本发明的低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构，所述导电柱为实心结构，导电柱头部形状与阳极后盖板的圆孔形状相匹配；导电柱底部设置螺纹。
18.根据本发明的低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构，进气管呈t形圆柱空心结构，进气管头部外轮廓形状与对应的圆孔形状相匹配，进气管底部设置螺纹。
19.根据本发明的低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构，阳极导磁屏、阳极出气片和阳极后盖板均采用高导磁材料制成。
20.根据本发明的低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构，阳极导磁屏、阳极出气片和阳极后盖板均采用电工纯铁dt4c制成。
21.根据本发明的低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构，导电柱和进气管均由不导磁不锈钢制成。
22.本发明的有益效果：本发明将霍尔推力器的阳极和磁路进行合二为一的设计，采用同一种材料实现，应用于低功率霍尔推力器可提高其热稳定性。
23.本发明从增加阳极尺寸和散热面积入手，通过把阳极和原来的外磁屏进行一体化设计来解决存在的问题，经过优化后既保证了原有磁场位形和磁场强度分布不变，又增加了阳极的散热面积，同时还增强了放电稳定性。
24.本发明中，磁屏阳极结构设计使得阳极不再像传统的阳极一样被通道陶瓷所包围，而是暴露在真空中，不仅受热面积减小，同时使辐射面积增大。另外，采用本发明阳极结构的低功率霍尔推力器，其内磁线圈几乎可完全暴露在真空中，散热面积增大，使推力器磁路强度更加稳定；同时，可将原有的一体化陶瓷更改为内陶瓷和外陶瓷两部分，并通过压接配合使其与阳极具有多的接触面积和更强的导热能力，有利于阳极温度的进一步降低。其面容比更大，更利于散热。
附图说明
25.图1是本发明所述低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构的剖视结构示意图；
26.图2是本发明所述低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构的整体结构示意图；
27.图3是阳极导磁屏的仿真结构示意图；
28.图4是阳极后盖板的仿真结构示意图；
29.图5是导电柱的剖视仿真示意图；
30.图6是进气管的剖视仿真示意图；
31.图7是采用本发明磁屏阳极结构的低功率霍尔推力器的磁场强度随通道中轴线上位置坐标变化而变化的曲线图，横坐标所示位置坐标的25mm处为通道出口处；
32.图8是采用本发明所述磁屏阳极结构的低功率霍尔推力器通道处的磁场位型状况示意图。
具体实施方式
33.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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
34.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。
35.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
36.具体实施方式一、结合图1至图6所示，本发明提供了一种低功率霍尔推力器用一体化磁屏阳极结构，包括阳极导磁屏1、阳极出气片2、阳极后盖板3、两个导电柱4和进气管5，
37.所述阳极导磁屏1为横截面是h形状的圆环结构，包括作为外环的外磁屏11、作为内环的内磁屏12和形成h形状水平段的阳极均化片13；
38.阳极出气片2水平嵌放在阳极导磁屏1的阳极均化片13上方腔体内，并与阳极均化片13有间隙，所述间隙可以为1mm；阳极后盖板3连接在阳极导磁屏1的底端端口处；
39.阳极均化片13和阳极出气片2上均设置气孔；
40.阳极后盖板3上沿圆周方向靠近外边缘均匀设置三个横截面为梯形的上大下小的圆孔，其中两个圆孔分别连接一个导电柱4，另一个圆孔连通进气管5。
41.磁路和阳极合二为一有助于节省系统的体积和重量，同时也增大了阳极面积，有助于放电稳定性的提升，特别适合小霍尔推力器的集成化设计。这种设计的难点在于如果结构设计不好，放电后磁路升温会影响磁场强度和位形，使推力器放电特性变差，因此本发明同时考虑了优化的磁路，给出了设计后的磁场分布，实现了阳极和磁屏的结构一体化和功能一体化。
42.进一步，结合图3所示，所述阳极均化片13上的气孔沿圆周方向均匀设置在中心圆环上。
43.所述中心圆环指半径为阳极均化片13内环与外环的半径平均值的圆。
44.作为示例，阳极均化片13上的气孔直径为0.5mm，相邻两气孔之间圆弧长度为4到6mm。
45.阳极均化片13上的气孔使由进气管5通入的气体得以均化。气孔数量根据阳极均化片13的尺寸决定。优选相邻两气孔之间圆弧长度为5mm。阳极均化片13厚度为1mm。
46.再进一步，结合图1所示，阳极出气片2上的气孔沿圆周方向均匀设置在中心圆环上。
47.作为示例，阳极出气片2上的气孔直径为1mm，相邻两气孔之间圆弧长度为9到
11mm。阳极出气片2上的气孔数量根据阳极出气片2的尺寸决定。优选相邻两气孔之间圆弧长度为10mm。
48.阳极均化片上的孔径和分布数量决定了推力器通道内的气体均化程度，在保证均化程度相同的情况下，孔径小，孔的数量就要多，所以间距小；孔径大，孔的数量就要少，所以间距大。在实际使用中以保证总的节流能力基本一致为前提进行设置。
49.再进一步，结合图5所示，所述导电柱4为实心结构，导电柱4头部形状与阳极后盖板3的圆孔形状相匹配；导电柱4底部设置螺纹。导电柱4长度由推力器尺寸决定。
50.再进一步，结合图6所示，进气管5呈t形圆柱空心结构，进气管5头部外轮廓形状与对应的圆孔形状相匹配，进气管5底部设置螺纹。进气管5长度由推力器尺寸决定。
51.作为示例，阳极导磁屏1、阳极出气片2和阳极后盖板3均采用高导磁材料制成。
52.作为示例，阳极导磁屏1、阳极出气片2和阳极后盖板3均采用电工纯铁dt4c制成。
53.采用高导磁合金钢或电工纯铁dt4c可以增加磁场的抗热扰动能力，或者减少金属的使用量，从而降低系统重量。
54.作为示例，导电柱4和进气管5均由不导磁不锈钢制成。
55.本实施方式中，磁屏阳极结构的具体尺寸可通过对霍尔推力器磁场仿真后决定。
56.装配过程：结合图1所示，阳极出气片2放到阳极导磁屏1上方的卡槽中，使阳极出气片2的顶部平面与卡槽平面平行；阳极出气片2内外环的接触缝隙进行焊接处理。将两个导电柱4和进气管5分别安装到阳极后盖板3的三个圆孔中，使得导电柱4和进气管5的顶部平面与阳极后盖板3平面平行，其周向接触缝隙进行焊接处理；再将阳极后盖板3安装到阳极导磁屏1下方的卡槽中，使阳极后盖板3的底部平面与阳极导磁屏1底部平面平行，内外环的接触缝隙进行焊接处理。一体化磁屏阳极结构安装焊接好后，要进行气密性检查，防止其漏气。
57.对采用本发明结构的低功率氪工质霍尔推力器进行实验，实验结果显示，本发明结构可有效降低内磁路及阳极的热量沉积，提高霍尔推力器的工作热稳定性。
58.由图7和图8所示可以看出，采用本发明结构设计的低功率霍尔推力器，其磁场位型可以取得较好的磁聚焦效果，并且磁场还实现了磁场外推，即通道中轴线上的磁场强度峰值位置位于通道口，可以有效地减少离子对壁面的轰击，减少壁面热量沉积，从而增加推力器寿命，降低推力器温度。
59.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它所述实施例中。