本发明涉及航天电推进霍尔推力器束聚焦控制领域。
背景技术：
霍尔推力器是一种依靠喷出高速离子束获得反推力的航天推进装置，离子喷出速度越高，束流越集中、平直，产生反推力的效率越高。然而，由于等离子体固有的趋于扩散的性质，实际喷出的离子束是发散的，并由此引发一系列问题。首先，相当一部分离子在飞出推力器之前，就会打在推力器内壁面上，浪费了离子，产生大量的热，并会快速腐蚀推力器内壁。飞出推力器的离子则有可能轰击、损坏卫星其他部件。即使离子成功飞离卫星，也会扩散成一条等离子体尾迹。离子束越发散，则尾迹越宽广，会严重干扰卫星通讯。
减小羽流发散的技术称为束聚焦。历史上提出过许多束聚焦方案，至今磁透镜应用最为广泛。磁透镜从推力器内部设计着手，协调工质电离、加速两个方面，使离子束流更加汇聚。目前，本课题组的束聚焦角已达到国际领先水平，享有一定的国际知名度。但是，离子充分加速、飞出推力器以后的行为，目前还没有很好的控制方法，然而这部分才是羽流控制最关心的区域。目前国际通用的措施是，将霍尔推力器安装在卫星的顶角上，并在推力器外部包围一些挡板。这些措施看似简单易行，其实代价极其高昂。由于推力器不在卫星质心中轴线上，最终的姿态控制、轨道设计成本成几何级数增长。此外，在卫星上添加挡板还会减少有效载荷，给任务、卫星总体添加不必要的麻烦。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决聚焦离子束会被外场破坏的问题，从而提供一种用于增强磁聚焦型霍尔推力器离子束聚焦的结构及该结构的设计方法。
本发明所述的一种用于增强磁聚焦型霍尔推力器离子束聚焦的结构，在霍尔推力器的外场构建磁场，外场的磁场与霍尔推力器内部线圈形成的磁场的磁分界面为直筒式，阴极小孔位于内磁镜区。
优选的是，在霍尔推力器的外场构建磁场的具体方式为：在霍尔推力器的外场设置线圈，该线圈的电流方向与霍尔推力器内部线圈的电流方向相反。
本发明所述的一种用于增强磁聚焦型霍尔推力器离子束聚焦的结构的设计方法，该方法为通过在外场设置通有反向电流的线圈来实现磁场分界，然后根据磁分界面位置确定阴极小孔的安装位置，具体为：
步骤一、通过仿真选定位于外场的线圈的位置范围，得到备选位置库：在外场的不同位置添加通有反向电流的线圈，保证磁分界面为直筒式，且磁路系统的偏引低于偏引阈值，确定出备选位置库；
步骤二、仿真淘汰备选位置库中的不合格样本：利用等离子体仿真平台求解备选位置库中各样本对应的等离子体放电参数，根据任务优化目标淘汰不合格样本；
步骤三、将外场的线圈置于合格样本的位置，根据可安装性要求调整相关连接部件；
步骤四、确定阴极小孔的安装位置：阴极小孔的安装位置有其自身的待选区间，取该待选区间和内磁镜区交集部分，确定阴极小孔安装位置；
优选的是，还包括以下步骤：
步骤五、实机测试：校验整机性能参数是否达标，阴极子系统腐蚀是否达标。
步骤六、定型：如果参数均达标则定型。
近期本课题组在推力器外部(外场)束聚焦方面取得了新的重要进展。我们发现，外场离子束发散的主要原因是“耦合压降”，并在多个案例中确证了这一发现。“耦合压降”指阴极电子源低电位和离子束高电位之间自洽出的电势差。由于离子束电位较高，会将离子向低电势区排斥，造成离子束发散。由于一些非线性效应，耦合压降可以将离子束扩张角扩大40°，完全破坏掉推力器精心聚焦好的离子束。可以看出，如果不对外场采取措施，则学术界、工业界半个世纪以来辛辛苦苦建立起来的束聚焦体系有可能功亏一篑。
所在课题组长期从事霍尔推力器电子传导的物理研究，注意到耦合压降与外场中的气压、磁场位形、电子入射位置等因素有关，意识到这依然是一个磁约束放电问题。外场在以往被认为是“尾气区”，很少有人把外场纳入设计范畴。我们针对该盲区，从电子传导一般原则出发，进行了设计，提出此发明。本发明可以有效削弱电荷分离、逆压注入等带来的不利因素，可以有效约束住无源等离子体射束的径向发散，从而增强束聚焦的效果。
附图说明
图1是一种用于增强磁聚焦型霍尔推力器离子束聚焦的结构的示意图；
其中，1为阴极，2为阳极，3为工质，4为陶瓷通道，5为励磁线圈，6为磁路，7为本发明中添加的线圈，8为磁感线，9为磁分界面，10为电子流线，11为离子流线；
图2是具体实施方式二中的距离霍尔推力器出口250mm位置处的悬浮电位径向分布图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于增强磁聚焦型霍尔推力器离子束聚焦的结构，在霍尔推力器的外场构建磁场，外场的磁场与霍尔推力器内部线圈形成的磁场的磁分界面为直筒式，阴极小孔位于内磁镜区。在霍尔推力器的外场构建磁场的具体方式为：在霍尔推力器的外场设置线圈，该线圈的电流方向与霍尔推力器内部线圈的电流方向相反。
通过归纳，外场的物理本质概括为电子束、离子束分离的有源驱动ExB放电。这里可以初步看出耦合压降的两个因素：一是由电荷分离引起的强电场，二是磁化所导致的低电导率。下面分别简述应对方案。
电荷分离指电子束不是在离子束原位供给，而是在距离较远处入射，加之被外磁镜磁化，愈加偏离离子束。异性电荷相吸的规律，在电子和离子束之间形成了较强的电场，驱使二者相向运动。驱使相向运动需要消耗能量。该能量由放电电源提供，从而维持住电势差。
由于离子质量远远大于电子，电子的相向速度较大，一般只考虑电子的影响。则迁移电子所需的电场强度为：
其中，Er为径向磁场，μe为电子迁移系数，ver为电子径向运动速度，De为电子扩散系数，ne为电子密度。
从该式可以看到隐藏的一个因素。当ver和同号时，羽流边缘电场强；异号时，电场弱。同号对应的是电子束与离子束分离时的直流放电，这是驱动电子向离子束运动时，除了要克服“分离”的空间隔离外，还需要克服密度压差的阻碍，需要额外代价，此时成为。异号对应的是电子束和离子束重合后的双极扩散情形，这时空间隔离和密度压差的阻碍同时消失，所需要的能源消耗大幅减小。克服密度压差的阻碍，电子向离子束运动称为逆压注入。
至此已可以看出，避免电荷分离、逆压注入的关键点在于电子入射位置。原则上入射位置越接近离子束越好，但实际上只要越过磁分界面即可。越过磁分界面后，电子束转为被内磁镜磁化，愈加偏向离子束。这相当于让电子束和离子束重合，将有源过程转变为无源过程，大大减小外部能源需求，提高效率。
转为无源过程后就会面临第二个部分，即磁化电导率。即使是无源过程，等离子体射束内部的热扩散压依然会导致射束膨胀、发散。这是一种本征驱动，无法完全消除，只能尽量抑制。一种有效的方式是采用磁场约束。为了聚焦射束、减少径向发散，射束径向双极扩散系数为：
其中,Da,r为径向双极扩散系数，μi为离子迁移系数，Di为离子扩散系数，Te为电子温度，Ti为离子温度，Bz为轴向磁场强度，k为经验系数。由上式可知，需要较强的轴向磁场分量。轴向磁场分量越强，径向扩散系数越小，径向发散越小。在多种磁分界面位形中，直筒形磁分界面的对轴向磁场分量的利用效率最高。由于磁感线主要沿轴向，此时内磁场会呈现“长剑”的形状。此外还需指出，虽然远场区磁场有衰减但因为k→2，所以仍然能保持磁约束。
综上，在外场构造直筒式磁分界面，并将阴极小孔置于内磁镜区，应该可以有效削弱电荷分离、逆压注入等带来的不利因素，并可以有效约束住无源等离子体射束的径向发散，从而增强束聚焦的效果。
通过在磁聚焦型霍尔推力器上采用了上述设计，并采用羽流诊断进行了实验验证，如图2所示，A为阴极小孔置于内磁镜区外时得到的曲线，B为阴极小孔置于内磁镜区时得到的曲线，实验结果表明，本实施方式的结构将耦合压降(即悬浮电位)从约50V减小到30V，羽流扩张角从59.6°减小到23°，减少了36.6°。作为对比，美国得到的扩张角约为70°，俄罗斯得到的扩张角约为40°。这相当于让一台中等偏下水平的普通推力器直接达到了世界领先的束聚焦水平。
具体实施方式二：结合图1和图2具体说明本实施方式，具体实施方式一所述的一种用于增强磁聚焦型霍尔推力器离子束聚焦的结构的设计方法，该方法为通过在外场设置通有反向电流的线圈来实现磁场分界，内磁镜区位于直筒式磁分界面内，然后根据磁分界面位置确定阴极小孔的安装位置，具体为：
步骤一、通过仿真选定位于外场的线圈的位置范围，得到备选位置库：在外场的不同位置添加通有反向电流的线圈，保证磁分界面与中轴线平行的励磁电流大小是不同的，即保证磁分界面为直筒式，这些添加的励磁电流元会对原有磁路系统造成不同程度的偏引，根据偏引阈值，确定出备选位置库；
步骤二、仿真淘汰备选位置库中的不合格样本：利用等离子体仿真平台求解备选位置库中各样本对应的等离子体放电参数，根据任务优化目标淘汰不合格样本；
步骤三、将外场的线圈置于合格样本的位置，根据可安装性要求调整相关连接部件；
步骤四、确定阴极小孔的安装位置：阴极小孔的安装位置有其自身的待选区间，取该待选区间和内磁镜区交集部分，确定出阴极小孔安装位置；
步骤五、实机测试：校验整机性能参数是否达标，阴极子系统腐蚀是否达标。
步骤六、定型：如果参数均达标则定型。
图1中12为备选位置区域。
本实施方式有一个重要的前提，就是推力器内部的束聚焦必须完善，即必须是磁聚焦型推力器。该发明解决的是聚焦离子束被外场破坏的问题，而不是从无到有实现束聚焦的问题。如果高能离子束(>200eV)原本就发散，倒是确实有希望矫正，但需要相当大的功率，效率就会很低，已经不切实际了。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。