一种霍尔推力器阳极的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电推进霍尔推力器，特别涉及一种霍尔推力器阳极。
【背景技术】
[0002]霍尔推力器(Hall Effect Thruster，简称HET)是一种利用正交电磁场电离和加速原子工质，将电能转换为离子动能，获得较高比冲的电推力器。它具有结构简单、比冲高、效率高、工作寿命长、功率密度高、在轨服役时间长等特点，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、宇宙探测和星际航行等任务，是目前国际上应用最多最成熟的电推进系统。
[0003]阳极是霍尔推力器本体中重要组成部件，担负着接收电子，形成放电回路的重要功能。阳极能量沉积一直是霍尔推力器功率损失的重要部分，而这部分能量沉积造成了阳极自身温度偏高，当推力器磁场位形出现偏差，电磁场对电子约束变差时，阳极直接受到大量高能电子轰击，甚至会出现自熔现象。目前，大功率霍尔推力器是电推进一个研究热点。而大功率必然带来的就是高电压和大电流，对于阳极而言同样要面临高电压和大电子电流带来的巨大热载荷问题。同时根据实验经验和理论分析，高电压大电流下阳极能量沉积和低电压下具有不同的模式，高电压工况下，不仅发现阳极出现发红热化现象，严重时甚至破坏阳极结构。另外，由于杂质离子沉积形成的阳极镀膜也是霍尔推力器实验研究过程不可避免出现的问题，它会导致阳极导电性能下降，影响推力器性能。因此，必须针对阳极能量沉积特性和镀膜问题，从阳极结构角度出发，对其进行合理改进优化，使其无论在何种工况下都能够发挥出良好性能，从而提高推力器整体性能以及工作可靠性。
【发明内容】
[0004]本发明是为解决现有霍尔推力器阳极结构热载荷大、沉积镀膜现象严重，导致阳极导电性能下降的问题，进而提供一种霍尔推力器阳极。
[0005]本发明为解决上述问题采取的技术方案是:一种霍尔推力器阳极，它包括连接为一体的底环和接收环，它还包括内环，接收环内固接有与接收环形状相同的内环，内环和接收环构成圆形的同心内外双环结构，内环的外侧面与接收环的内侧面之间具有间隙，内环的底面与底环的内底面具有间隙。
[0006]本发明的有益效果是:本发明的霍尔推力器阳极结构的内环和接收环构成圆形的同心内外双环结构，大大增加了阳极的表面积，在相同的工况下减小了平均面积的电子热沉积，在一定程度上减小了阳极本身的温度。热载荷减少，沉积镀膜现象明显减小，阳极导电性能大幅提高。使用时对双环阳极在磁场中进行合理位置布置，最终的效果是增大了阳极电子接收效率，提高了推力器整体工作性能。
【附图说明】
[0007]图1是现有的霍尔推力器阳极结构示意图，图2是本发明一种采用肋板连接的同心内外双环结构的阳极结构示意图，图3是图2的俯视图，图4是本发明另一种采用桥状板连接的同心内外双环结构的阳极结构示意图，图5是图4的俯视图。
【具体实施方式】
[0008]【具体实施方式】一:结合图2-图5说明，本实施方式的一种霍尔推力器阳极，它包括连接为一体的底环4和接收环5，它还包括内环6，接收环5内固接有与接收环5形状相同的内环6，内环6和接收环5构成圆形的同心内外双环结构，内环6的外侧面与接收环5的内侧面之间具有间隙，内环6的底面与底环4的内底面具有间隙。
[0009]【具体实施方式】二:结合图2-图5说明，本实施方式的内环6的上端面与接收环5的上端面齐平。如此设置，保证使用时阳极顶部位置不超过零磁场区中心线位置，接收环5内表面和内环6外表面能够直接接受磁力线。其它与【具体实施方式】一相同。
[0010]【具体实施方式】三:结合图2-图5说明，本实施方式的内环6和接收环5的材料均为金属钼或无磁不锈钢。如此设置，低功率下选用无磁不锈钢材料，高功率下选用钼金属材料，有利于提高阳极的导热特性，降低自身温度。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0011]【具体实施方式】四:结合图2-图3说明，本实施方式的阳极还包括若干个肋板7，若干个肋板7沿周向均布设置在接收环5和内环6之间，且接收环5和内环6通过肋板7连接为一体。如此设置，连接结构简便易行，也可采用不同的连接结构连接两环。其它与【具体实施方式】三相同。
[0012]【具体实施方式】五:结合图2-图3说明，本实施方式的肋板7为矩形板。如此设置，结构简便易行，其它与【具体实施方式】四相同。
[0013]【具体实施方式】六:结合图4-图5说明，本实施方式的阳极还包括若干个桥状板8，若干个桥状板8沿周向均布设置在内环6底部，且接收环5和内环6通过桥状板8连接为一体。如此设置，连接结构简便易行，也可采用不同的连接结构连接两环。其它与【具体实施方式】三相同。
[0014]【具体实施方式】七:结合图2-图5说明，本实施方式的接收环5的厚度为2mm，接收环5的高度为15mm-16mm，接收环5的内径为134mm，而外径为138mm。本实施方式阳极适用于5KW等级的霍尔推力器，其它型号推力器双层阳极结构尺寸根据需要选定，使用时保证接收环与陶瓷通道外壁面l_2mm距离。其它【具体实施方式】一、二、四、五或六相同。
[0015]【具体实施方式】八:结合图2-图5说明，本实施方式的内环6的厚度为2mm，内环6的高度为lOmm-llmm，内环6的内径为118mm或102mm，而外径为122mm或106mm。本实施方式阳极适用于5KW等级的霍尔推力器，有利于增加阳极的表面积，单位面积的电子热沉积更小，保证内环与陶瓷通道内壁面l_2mm距离。其它型号推力器双层阳极的尺寸根据需要选定。本实施方式的阳极使用时，内环放通道中间时，内环6的外侧面与接收环5的内侧面之间的间隙优选6_ ;内环放通道内壁面位置时，内环6的外侧面与接收环5的内侧面之间的间隙优选14_。其它与【具体实施方式】一、二、四、五或六相同。
[0016]本发明总体是采用双环阳极的设计结构，但是通过改变两环之间的连接构形，总共完成了两种设计结构(如图2和图4);通过改变两环间距在磁场中形成两种安装位置。
[0017]阳极所安装位置位于推力器放电通道底部中间零磁场区域位置，具体采用两种磁场布置方案，其中阳极底座放置于陶瓷放电通道底面，两个螺柱通过陶瓷放电通道底部的安装孔，在推力器底板固定，并引入阳极电源线。在螺柱所通过的区域，做好与推力器相关部位的绝缘防护。
[0018]本实施例以5kW级霍尔推力器的阳极为例，介绍申请专利结构的方案设计方法。图1为现有霍尔推力器阳极设计结构，图2和图4为设计两种方案结构。第一种设计是在原有结构上，接收环内加一个内环，具体尺寸为接收环外径138_，接收环内径134_，接收环厚度为2mm，宽度为10mm，内环与接收环间采用四块肋板式结构相连，需保证内环和接收环同心度，并与陶瓷放电通道底面垂直，见图2和图3中所示。第二种设计是在第一种设计方案基础上，接收环结构尺寸保持不变，与内环的连接结构由肋板式连接改为内环底部通过四个桥状板连接，具体连接方式参照图4和图5所示。两种设计方案的差别是内环与接收环连接方案的不同，即环底部桥状连接和肋板式连接，但具体的如底部连接构型和肋板构型是可改变的。
[0019]采用图2或者图4中的阳极结构，根据实际的霍尔推力器尺寸和磁场位形改变双环阳极的内外环之间的距离。第一种实施方案本发明阳极的底环4的底面与陶瓷放电通道底部重合，两个固定螺柱9过陶瓷上预留安装孔，保证阳极与陶瓷放电通道同心度。同时气体分配器放置于阳极的底环4上部并压住阳极。阳极的接收环5贴近陶瓷放电通道外壁面，但是根据实际需要保持1_2_间距，内环6位于贴近内壁面位置，同时内环6和接收环5顶部保持在零磁场区中部以下。为保证阳极在实际中能达到预想效果，推力器结构设计时，先模拟磁场构型，然后根据需要改变阳极具体尺寸。
[0020]第二种实施方案在第一种基础上，保持大部分结构不变，改变阳极的内环6位置，放置于零磁场区竖直中心线位置，根据实际需要可对其位置进行微调，其它内容与上述第一种方案表述相同。
[0021]通过ANSYS软件分析对比，相同工况下，图1中现有的霍尔推力器阳极温度范围为:111.09°C -317.54°C ;如图2所示，采用肋板结构的同心内外双环结构的阳极温度范围为91.16°C -263.17°C ;如图4所示，采用桥状板结构的同心内外双环结构的阳极温度范围为92.713°C -270.13°C。由此可知，本发明改进结构的阳极由于采用同心内外双环结构，大大增加了表面积，相同工况下，大大减少了阳极本身的温度，提高了霍尔推力器整体工作性能，增加了电子接收效率。
【主权项】
1.一种霍尔推力器阳极，它包括连接为一体的底环(4)和接收环(5)，其特征在于:它还包括内环￠)，接收环(5)内固接有与接收环(5)形状相同的内环￠)，内环(6)和接收环(5)构成圆形的同心内外双环结构，内环(6)的外侧面与接收环(5)的内侧面之间具有间隙，内环(6)的底面与底环(4)的内底面具有间隙。2.根据权利要求1所述的一种霍尔推力器阳极，其特征在于:内环￠)的上端面与接收环(5)的上端面齐平。3.根据权利要求1或2所述的一种霍尔推力器阳极，其特征在于:内环(6)和接收环(5)的材料均为金属钼或无磁不锈钢。4.根据权利要求3所述的一种霍尔推力器阳极，其特征在于:它还包括若干个肋板(7)，若干个肋板(7)沿周向均布设置在接收环(5)和内环(6)之间，且接收环(5)和内环(6)通过肋板(7)连接为一体。5.根据权利要求4所述的一种霍尔推力器阳极，其特征在于:肋板(7)为矩形板。6.根据权利要求3所述的一种霍尔推力器阳极，其特征在于:它还包括若干个桥状板(8)，若干个桥状板(8)沿周向均布设置在内环(6)底部，且接收环(5)和内环(6)通过桥状板(8)连接为一体。7.根据权利要求1、2、4、5或6所述的一种霍尔推力器阳极，其特征在于:接收环(5)的厚度为2mm，接收环(5)的高度为15mm-16mm，接收环(5)的内径为134mm，而外径为138mm。8.根据权利要求1、2、4、5或6所述的一种霍尔推力器阳极，其特征在于:内环(6)的厚度为2mm，内环(6)的高度为1mm-11mm，内环(6)的内径为118mm或102mm，而外径为122mm或 106mmo
【专利摘要】一种霍尔推力器阳极，它涉及一种电推进霍尔推力器，以解决现有霍尔推力器阳极结构热载荷大、沉积镀膜现象严重，导致阳极导电性能下降的问题，它包括连接为一体的底环和接收环，它还包括内环，接收环内固接有与接收环形状相同的内环，内环和接收环构成圆形的同心内外双环结构；内环的外侧面与接收环的内侧面之间具有间隙，内环的底面与底环的内底面具有间隙。本发明用于霍尔推力器。
【IPC分类】F03H1/00
【公开号】CN105257491
【申请号】CN201510861667
【发明人】李鸿, 夏国俊, 丁永杰, 于达仁
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年11月30日