一种霍尔推力器放电通道优化的组合式通道结构的制作方法

本发明涉及一种霍尔推力器放电通道优化的组合式通道结构，尤其适用于霍尔推力器放电通道的试验对比优化。

背景技术：

霍尔推力器是目前国际上典型的一种电推进装置。推进剂从环形放电通道入口处的气体分配器喷入通道内，阳极位于环形放电通道的入口提供高电位；电子从环形放电通道出口处的阴极喷出，阴极提供低电位。阴极喷出的一部分电子进入到环形放电通道内部，在外加的径向磁场和自洽的轴向电场作用下进行霍尔漂移运动，电子和推进剂原子发生碰撞电离产生离子，离子被自洽的轴向电场加速喷出产生推力，电子通过各种传导机制达到阳极。阴极喷出的另一部分电子进入羽流区和高速喷出的离子中和，保持羽流的电中性。霍尔推力器的主要组成部分包括环形放电通道、磁路、阳极、气体分配器等部分。

环形放电通道是霍尔推力器电离和加速等基本物理过程发生的区域，该零件是霍尔推力器的核心零件。环形放电通道的结构设计是霍尔推力器设计的关键，也是霍尔推力器设计的重点和难点。环形放电通道的结构由通道内径、通道外径、通道长度这三个特征尺寸或者通道平均直径(即通道内径和通道外径的平均值)、通道宽度(即通道外径和通道内径的差值)、通道长度这三个特征尺寸决定。因此，霍尔推力器设计的关键最终归结到放电通道的这三个特征尺寸的确定。由于放电通道内部等离子体电离和加速过程的复杂性，内部物理过程尚无法通过理论分析和数值仿真的方法研究清楚，这就导致了霍尔推力器放电通道的设计和优化在工程上主要依赖于加工组装真实样机进行真空点火试验对比的方法。

“Propellant utilization in hall thrusters”(Y.Raitses et al,AIAA96-3193)一文中介绍了整体移动阳极来改变放电通道长度，在一体化的环形放电通道内填充一个圆柱形的陶瓷芯来改变放电通道内部型面的方法。通过整体移动阳极来改变放电通道长度，需要拆卸推力器，调整阳极在放电通道内的轴向安装位置，并对阳极和陶瓷之间的轴向间隙进行加垫密封处理，否则阳极柱和陶瓷之间会漏气发生低气压放电，然后再重新组装推力器；在环形放电通道内填充一个圆柱形的陶瓷芯可以改变放电通道内部型面，但是只能使通道宽度朝减小的方向调节，无法向增大的方向调节，通道宽度的调节范围受到很大制约。

综上所述，拆装霍尔推力器调整放电通道尺寸进行试验对比优化，存在霍尔推力器拆装导致的装配误差问题，由于引入了装配误差的因素，试验对比分析时难以区分推力器性能的变化是装配误差还是通道尺寸引起的，难以实现精确的单因素分析；在一体化的环形放电通道内填充陶瓷芯只能减小放电通道的宽度，无法实现对放电通道宽度的双向大范围调节。上述结构不能实现在不拆装霍尔推力器的情况下，对霍尔推力器环形放电通道的全部特征尺寸(通道宽度、平均直径、长度)进行全面的试验对比优化。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种霍尔推力器放电通道优化的组合式通道结构和方法，解决了通道整体拆装引入的误差，降低了通道优化的成本。

本发明的技术方案是：一种霍尔推力器放电通道优化的组合式通道结构，包括外陶瓷筒、内陶瓷筒、陶瓷底座、阳极环；外陶瓷筒为中空的陶瓷环，陶瓷筒一端的端面为台阶形；内陶瓷筒为中空的陶瓷环，陶瓷筒一端的端面为台阶形；陶瓷底座为横截面为U形的陶瓷环，包括外环、内环和托底三个部分，外环和内环朝外的端面为台阶形；

外陶瓷筒和陶瓷底座安装时，外陶瓷筒端面的台阶和陶瓷底座的外环端面的台阶相互配合，两个台阶的柱面之间的配合进行径向的导向和定位，这两个台阶的端面之间的配合进行轴向的导向和定位，外陶瓷筒在这两个台阶的柱面配合和端面配合的导引下插装在陶瓷底座的外环上；

内陶瓷筒和陶瓷底座安装时，内陶瓷筒端面的台阶和陶瓷底座的内环端面的台阶相互配合，两个台阶的柱面之间的配合进行径向的导向和定位，这两个台阶的端面之间的配合进行轴向的导向和定位，内陶瓷筒在这两个台阶的柱面配合和端面配合的导引下插装在陶瓷底座的内环上；

所述的阳极环为中空的金属环，阳极环一端的端面为台阶形；阳极环端面的台阶和外部的气体分配器相互配合，阳极环台面的台阶的柱面和霍尔推力器中的气体分配器出口的外圆柱面进行径向的导向和定位，阳极环的台阶的端面和气体分配器出口的端面配合进行轴向的导向和定位；阳极环在上述柱面配合和端面配合的导引下直接插装在气体分配器出口的外柱面上。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用组合式通道结构，环形放电通道由陶瓷底座、内陶瓷筒、外陶瓷筒三部分构成，内、外陶瓷筒和陶瓷底座之间采用有导向和定位保证的插装配合，内、外陶瓷筒更换方便，无须拆装推力器，不会引入拆装误差，提高了试验对比精度；

(2)本发明可以在不拆卸推力器和共用推力器其它结构的情况下，对放电通道的平均直径、宽度、长度等特征尺寸进行原位对比试验，既可以进行单因素的对比，也可以进行多因素的对比，改善了试验对比的效果；

(3)本发明不需要加工并更换整个的环形放电通道，只需对内、外陶瓷筒部分进行加工和更换，陶瓷材料的用量更少，加工更加简单，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的组合式放电通道简图；

图2为本发明的组合式放电通道的陶瓷底座简图；

图3为本发明的组合式放电通道的内陶瓷筒简图；

图4为本发明的组合式放电通道的外陶瓷筒简图；

图5为本发明的阳极环简图；

图6为本发明的组合式放电通道在霍尔推力器中的组装示意图。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5所示，本发明的组合式通道结构，包括外陶瓷筒1、内陶瓷筒2、陶瓷底座3、阳极环5；外陶瓷筒1为中空的陶瓷环，陶瓷筒一端的端面为台阶形；内陶瓷筒2为中空的陶瓷环，陶瓷筒一端的端面为台阶形；陶瓷底座3为横截面为U形的陶瓷环，包括外环、内环和托底三个部分，外环和内环朝外的端面为台阶形。

外陶瓷筒1和陶瓷底座3安装时，外陶瓷筒1端面的台阶和陶瓷底座3的外环端面的台阶相互配合，这两个台阶的柱面之间的配合进行径向的导向和定位，这两个台阶的端面之间的配合进行轴向的导向和定位，外陶瓷筒1在这两个台阶的柱面配合和端面配合的导引下插装在陶瓷底座3的外环上。

内陶瓷筒2和陶瓷底座3安装时，内陶瓷筒2端面的台阶和陶瓷底座3的内环端面的台阶相互配合，这两个台阶的柱面之间的配合进行径向的导向和定位，这两个台阶的端面之间的配合进行轴向的导向和定位，内陶瓷筒2在这两个台阶的柱面配合和端面配合的导引下插装在陶瓷底座3的内环上。

阳极环5为中空的金属环，阳极环5一端的端面为台阶形。阳极环5端面的台阶和气体分配器4相互配合，阳极环5台面的台阶的柱面和气体分配器4出口的外圆柱面进行径向的导向和定位，阳极环5的台阶的端面和气体分配器4出口的端面配合进行轴向的导向和定位。阳极环5在上述柱面配合和端面配合的导引下直接插装在气体分配器4出口的外柱面上。

如图6所示，本发明的组合式通道在霍尔推力器中组装时，陶瓷底座3先和气体分配器组件4、励磁组件5组装，然后外陶瓷筒1、内陶瓷筒2再通过上述方式插装到陶瓷底座3上，可以保证内、外陶瓷筒的同轴度。试验时，推力器呈水平状态放置，外陶瓷筒1、内陶瓷筒2与陶瓷底座3的配合面之间根据经验设置合适的配合间隙、表面粗糙度或螺纹保证三者之间的不发生相对移动。本发明的组合式通道在更换外陶瓷筒1或内陶瓷筒2或阳极环5时，无须拆卸霍尔推力器，可直接将外陶瓷筒1或内陶瓷筒2或阳极环5取下，按上述方式插装上新尺寸的外陶瓷筒1或内陶瓷筒2或阳极环5，方便快捷地更换外陶瓷筒1和内陶瓷筒2。

本发明的霍尔推力器放电通道优化的方法是基于组合式放电通道结构，在不拆装推力器的情况下，进行真空点火试验对比的方法，步骤如下：

(1)在保证Φdin+Φdout不变(即放电通道的平均直径Φd不变)的条件下，加工并更换不同直径Φdin和Φdout的内、外陶瓷筒，在同一台霍尔推力器上测试放电通道宽度W对推力器阳极效率的影响规律，选取推力器阳极效率最高时对应的通道宽度Wopt作为通道的宽度。

(2)在步骤(1)确定的通道宽度Wopt下，加工并更换不同直径Φdin和Φdout的内、外陶瓷筒，在同一台霍尔推力器上测试放电通道平均直径Φd对推力器阳极效率的影响规律，选取推力器阳极效率最高时对应的通道平均直径Φdopt作为通道的平均直径。

(3)在步骤(1)和(2)确定的通道宽度Wopt和通道平均直径Φdopt下，在气体分配器4上插装上不同长度δ阳极环5来改变阳极前端面和放电通道出口的轴向距离L(即放电通道长度)，在同一台霍尔推力器上测试放电通道长度L对推力器阳极效率的影响规律，选取推力器阳极效率最高时对应的通道长度Lopt作为通道的长度。

上述确定放电通道特征尺寸的先后顺序可以根据实际情况调整。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。