本发明属于航天电推进技术领域，涉及陶瓷通道结构与磁路配合来优化霍尔推力器性能技术。
背景技术：
霍尔推力器是国际上应用最为广泛的一种空间电推进技术，是利用电场和磁场共同作用将电能转换为工质动能的一种能量转换装置。它具有结构简单、比冲高、效率高、工作寿命长、功率密度高、在轨服役时间长等优势，适用于各类航天器的姿态控制、轨道修正、轨道转移、动力补偿、位置保持、重新定位、离轨处理、深空探测等任务，成为世界各国降低航天器总质量、提高平台有效载荷、延长在轨寿命的最有效手段之一。
随着航天任务的多样性发展，传统的单一工况点工作的霍尔推力器逐渐被多模式霍尔推力器所替代。霍尔推力器向着宽范围变功率、变推力、变比冲的多模式工作特性发展，以适应更高要求的航天任务，如全电推进任务、星际航行、深空探测等。然而，由于传统的单级霍尔推力器推进剂的电离和加速过程发生在相同的放电通道中，受相同的电磁场控制，因此电离和加速过程相互耦合严重，很难做到宽参数范围内高效的放电。当放电偏离指定区间后，则会表现出振荡加剧、模式转变等降低性能、削弱稳定性的现象，进而带来异常熄火的风险，是破坏霍尔推力器工作可靠性的潜在重大隐患。当前的霍尔推力器不具备宽参数范围条件下高性能稳定工作的能力，无法胜任未来航天器的多样化推进任务需求。
技术实现要素：
本发明目的是为了解决当前的霍尔推力器不具备宽参数范围条件下高性能稳定工作能力的问题，提供了一种适用于宽参数范围工作的霍尔推力器。
本发明所述适用于宽参数范围工作的霍尔推力器，所述霍尔推力器的陶瓷通道为连续变截面通道，所述陶瓷通道以7.1°的扩张半角从阳极顶面起始、由通道内部向外部连续延展；
利用柔性磁路调整磁场强度峰值的轴向位置，进而控制电离发生的位置，以适应不同工质流量状况：
当工质流量低时，调整电离发生在变截面通道宽度较窄、工质气体密度较高的区域；
当工质流量高时，调整电离发生在变截面通道宽度较宽、工质气体密度适中的区域。
优选地，所述柔性磁路为多层磁极、多线圈的柔性磁路结构，通过调整各线圈安匝数的大小来控制磁场强度峰值的轴向位置移动及磁场梯度调节，进而实现电离发生位置的轴向调整。
优选地，所述柔性磁路为四层磁极，n组外部线圈，1组内部线圈，n≥4；所述n组外部线圈分别绕制在n个外部导磁柱上，每组外部线圈布局相同，自导磁底座至放电通道出口依次为1号附加线圈add1、三个主磁路外部线圈l3、l2、l1；所述内部线圈绕制在中心位置导磁柱上，自导磁底座至放电通道出口依次为2号附加线圈add2、三个主磁路内部线圈l6、l5、l4；处于同一轴向位置的n个外部线圈和1个内部线圈构成一个阶级磁路结构，且同一阶级磁路结构中的n个外部线圈串联。
优选地，所述磁场位置的轴向移动包括调节磁场向通道内侧移动和向外侧移动；
调节磁场向通道内侧移动的过程为：
调节线圈l1、l4的安匝数使其以一定幅度依次减小；同时调节线圈l2、l5的安匝数使其以一定幅度依次减小；同时调节线圈l3、l6的安匝数使其以一定幅度依次增加；
调节磁场向通道外侧移动的过程为：
调节线圈l1、l4的安匝数使其以一定幅度依次增大；同时调节线圈l2、l5的安匝数使其以一定幅度依次增大；同时调节线圈l3、l6的安匝数使其以一定幅度依次减小。
优选地，所述磁场梯度调节包括正、负梯度调节过程；
磁场的正梯度调节过程为：
供给附加线圈add1、add2以反向电流，调节其安匝数绝对值的大小，以实现对各个工况磁场正梯度的调节；绝对值越大，则磁场正梯度越大，反之越小。
磁场的负梯度调节过程为：
线圈l1、l4通以正向电流，并调节线圈l1、l4的安匝数绝对值以一定幅度减小，当正向电流减至零后再通以反向电流，并调节其安匝数绝对值以一定幅度增加，正向电流绝对值越小或反向电流绝对值越大，则磁场负梯度绝对值越大，反之越小。
本发明的有益效果：
为使得可宽参数范围工作的霍尔电推进技术的实现成为可能，对磁场、通道以及二者间的匹配设计是至关重要的。基于此，本发明致力于攻关适应未来空间任务多样性需求的宽参数范围工作的霍尔推力器磁路及通道构型设计，提出了一种新型磁路及通道构型。与传统霍尔推进器相比，所提出的磁路及通道构型可实现电离区位置大范围可调，同时具有与非恒定工质流量相匹配的通流截面，其可应用于宽参数范围工作的霍尔推力器。
本推力器工质电离区轴向位置可在放电通道内实现18mm较大尺度的精确调控，同时有效通流截面面积可随初始射入工质流量的不同而进行改变。通过二者间匹配设计，能够保证在瞬时工质流量相对于额定最大流量减小幅度不大于58％的情况下均可实现充分电离，电离效率及工质利用率得以提高，使得推力器变工况性能大幅度改善，有效地拓展了推力器的稳定工作区域。
附图说明
图1是本发明所述适用于宽参数范围工作的霍尔推力器的结构示意图；内部线圈1、外部线圈2、底板3、导磁柱4、磁极5、陶瓷通道6；
图2是本发明所述霍尔推力器柔性磁路的线圈分布图；
图3是磁场沿轴向移动效果图，(a)、(b)、(c)为不同磁场轴向位置；
图4是各工况下磁场强度的轴向变化曲线图；
图5是陶瓷通道截面图；
图6是陶瓷通道内电离区可调区域示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
推进工质的高效电离是保证霍尔推力器稳定、高效工作的基础。电离过程主要指中性气体在与具有一定能量的电子碰撞过程中电离成离子的过程。对于霍尔推力器，电离过程在放电通道中的分布是一个自洽的复杂过程，对于推力器设计的额定功率，一般需要保证充足的工质质量流量供应以实现充分电离。根据工质利用率的定义，如果考虑工质利用率达到95％以上为充分电离，则需要保证电离区长度大于三倍原子的平均自由程，即
lion>3λi，可得到工质流量与推力器放电参数满足：
式中
sc——放电通道的通流截面积(m2)；
vaz——气体分子的初始轴向平均速度(m/s)；
ud——放电电压(v)
mi——离子质量(kg)
lion——电离区长度(m)
<σive>——电离反应速率(m3s-1)。
可见，为保证充分电离，工质流量是具有下限值的，且其下限值随着通道截面积的增大而增加。即保证电离充分性需保证一定的工质通流密度。
当霍尔推力器在变功率、变推力、变比冲等变工况下工作时，所需工质流量也会发生相应的变化，而此时若想继续使工质可充分电离以维持较好的放电性能，前提则是保证工质充分电离所需一定的通流密度。而放电通道形貌决定着推力器中性气体流场的边界，对中性气体特征参数分布具有决定性作用，因此，本实施方式采用了调整通道截面积的手段来保证一定的通流密度。
与此同时，电离区也需具有在通道内轴向自由移动的能力，以保证工质气体在适宜的通流密度下发生电离。霍尔推力器电离区位置取决于磁场位型，推力器内原子的电离过程常集中发生在阳极下游、离子加速区上游，一般位于磁场正梯度最大场强60％-80％所对应的区域范围内，如何实现电离区位置的轴向移动，首先要解决的就是磁场相对于磁极位置的轴向移动问题，本实施方式采用了调整各线圈安匝数的不同配比的手段来实现调节。
实现霍尔推力器在宽参数范围内稳定工作，需要推力器磁路结构具备磁场轴向可调的能力，同时要求放电通道载流截面可变以保证一定的通流密度。因此，本发明提出了柔性可调磁路与连续变截面通道相匹配的设计方案。
第一个实施例：对磁场轴向移动的调节。参见图1给出了柔性可调磁路，根据最小磁隙原则，距离磁极越近则磁场强度越强，在传统霍尔推力器中，霍尔推力器的最大磁场轴向位置通常位于内外磁极端面的连线上，在放电通道出口平面内。
而本发明所提出的新型磁路构型具有多层磁极及多线圈结构，在此对各位置线圈作如图2标示。
通过调整各线圈安匝数的大小，则可实现磁场位置的轴向移动，从而实现电离区位置的自由调控，其效果如图3所示。
具体调控方式如下：
调节磁场向通道内侧移动的过程为：
调节线圈l1、l4的安匝数使其以一定幅度依次减小；同时调节线圈l2、l5的安匝数使其以一定幅度依次减小；同时调节线圈l3、l6的安匝数使其以一定幅度依次增加；
调节磁场向通道外侧移动的过程为：
调节线圈l1、l4的安匝数使其以一定幅度依次增大；同时调节线圈l2、l5的安匝数使其以一定幅度依次增大；同时调节线圈l3、l6的安匝数使其以一定幅度依次减小；
磁场的轴向位置调节效果我们可以通过图3很直观地看出，磁场在(a)、(b)、(c)三种工况下依次向通道内部移动，这充分证实了上述调节方法的正确性与有效性。另外通过图4中各工况曲线相对于横轴的变化也可证明这一点。
磁场的正梯度调节过程为：
供给附加线圈add1、add2以反向电流，调节其安匝数绝对值的大小，以实现对各个工况磁场正梯度的调节；绝对值越大，则磁场正梯度越大，反之越小。
磁场的负梯度调节过程为：
线圈l1、l4通以正向电流，并调节线圈l1、l4的安匝数绝对值以一定幅度减小，当正向电流减至零后再通以反向电流，并调节其安匝数绝对值以一定幅度增加，正向电流绝对值越小或反向电流绝对值越大，则磁场负梯度绝对值越大，反之越小。
磁场的梯度调节我们可以从图4中看出，虽然在不同的工况下，我们通过上述调节方法依然可保证磁场正负梯度值几乎相等，如果对梯度有其他要求，可依据此方法做进一步调节。
注：l1、l-1是同一线圈，这种表示方式是为了表征绕导磁柱后，导磁柱两侧的线圈通电方向。
第二个实施例：连续变截面通道的设计。
传统霍尔推力器放电通道一般选用等截面直通道以满足推力器单一工况稳定放电需求；为减少由于离子轰击壁面而导致的壁面溅射及推力损失，部分推力器还采用了通道出口渐阔的放电通道；还有部分通道采用阳极区或电离区截面缩变的方式以提高电离性能。
而本实施方式所提出的轴向连续变截面通道以7.1°的扩张半角从阳极面起始由通道内部向外部连续延展，通道壁厚5mm，总长48.49mm，变截面段长26.14mm，内陶瓷外壁面与外陶瓷内壁面间距于入口处为8mm，出口处为15mm，出口截面与入口截面面积比为3.5，有着较大范围调整通流面积的能力，通道截面图如图5所示。
结合以上两个实施例，本发明利用柔性磁路调整磁场强度峰值的轴向位置，进而控制电离发生的位置，以适应不同工质流量状况：
当工质流量低时，调整电离发生在变截面通道宽度较窄、工质气体密度较高的区域；以满足充分电离通流密度下限值；
当工质流量高时，调整电离发生在变截面通道宽度较宽、工质气体密度适中的区域，既保证工质的充分电离，又可避免局部壁面热负荷过大。
本实施方式配合的通道结构为具有连续变化的扩张型截面，通道通流面积轴向大范围可变，以保证工质气体在适宜的位置和足够大的通流密度下发生电离。
基于上述分析，采用第一个实施例的磁路结构的电离区轴向位置调控能力可由图4看出，原子的电离过程一般发生在磁场正梯度最大场强60％-80％所对应的区域范围内，由此可知，本磁路结构可实现电离区在距通道底部16mm至34mm的区域内自由调控。
在以上调控过程中，在导磁材料未磁饱和以及励磁电流不大于4.5a的情况下，本发明所提出的磁路结构能保证在通道内任意位置最大磁场强度可保持200g以上，同时由图4各曲线线性区斜率可知，各工况电离区磁场正梯度均可达到12.5g/mm以上，满足推力器磁场强度及位型设计要求。
与磁场轴向可调区间相对应，采用第二个实施例的连续变截面通道与第一个实施例的柔性磁路结构相匹配，工质原子电离区可位于图6中所标示的两虚线间任意区域。由此可知，此通道变截面结构在调整通流密度方面的有效利用率可达64％。在瞬时工质流量相对于额定最大流量减小幅度不大于58％的情况下均可实现充分电离。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。