一种变截面构型外部放电霍尔推力器

ionization,and thruster erosion of an external discharge plasma thruster[j].journal of appl ied physics,2018,123(15):153302.
[0014]
1.现有的变截面式圆柱形霍尔推力器仅仅通过改变通道截面结构达到了减小等离子体对外陶瓷壁面侵蚀的效果，相比本发明的变截面式外部放电霍尔推力器，并不能从根本上延长小型霍尔推力器的寿命。
[0015]
2.现有的平板型外部放电霍尔推力器虽然通过取消放电通道的设计能够延长小型霍尔推力器的寿命，但是在性能方面牺牲很多。
[0016]
3.现有的霍尔推力器阳极与接线杆连接大多使用的是焊接法，但是如果用钼作为阳极材料，则由于钼的焊接性能较差，会使焊点脆且易断，如果用不锈钢作为阳极材料，则耐高温能力不够强，焊点容易烧熔。
[0017]
综上，当前低功率霍尔推力器的设计具有较多缺点和问题，应当发展一种变截面构型的外部放电霍尔推力器，而目前该方向尚属空白。


技术实现要素：

[0018]
现有的变截面式圆柱形霍尔推力器延长寿命的效果不够明显，现有的平板构型外部放电霍尔推力器性能降低程度太大，需要发展一种既能很大程度减少陶瓷壁面轰击，提高推力器寿命，又能维持较好性能的低功率霍尔推力器。
[0019]
目前的阳极与接线杆的焊接方法存在缺陷，为了保证接线的牢固可靠，需要发展一种新的低功率霍尔推力器阳极结构设计。
[0020]
本发明提出了一种变截面构型外部放电霍尔推力器。区别于现有的平板型外部放电霍尔推力器，本发明的特点是采用了变截面构型以及与之匹配的特定磁场构型，能够同时实现延长推力器寿命和提高性能的效果。
[0021]
本发明一种变截面构型外部放电霍尔推力器，其整体结构如图4所示，各部分的爆炸图如图5所示，本发明由阳极1、前壁面2、绝缘套管3、内永磁体4、外永磁体环5、磁铁座6及底座7组成。其中，内永磁体4、外永磁体环5嵌套在磁铁座6中，前壁面2、磁铁座6、底座7依次轴向连接，绝缘套管3套在阳极1外部，二者整体轴向穿过前壁面2、磁铁座6、底座7。其中，阳极1由阳极环螺纹孔101、阳极螺杆102和锥形环103组成，锥形环103由数控机床机械加工得来，阳极环螺纹孔101为锥形环103一侧的盲孔，螺纹为标准粗牙螺纹，与阳极螺杆102尺寸统一；前壁面2由前壁面阳极通孔201、前壁面阳极槽202、变截面陶瓷壁面203和前壁面气体分配器204组成，前壁面阳极通孔201开孔于前壁面2上，直径和相对中心轴线的距离与阳极环螺纹孔101相等，前壁面阳极槽202的内外径尺寸等于锥形环103的内外径，变截面陶瓷壁面203位于前壁面2的靠近轴线处，为旋转体，经陶瓷机械加工而来，前壁面气体分配器204由大小相等均匀分布的小孔组成，开孔于变截面陶瓷壁面203上，开孔方向为轴向；磁铁座6由磁铁座前壁面密封槽601、磁铁座阳极通孔602、磁铁座气体分配器603、内永磁体套604和外永磁体环槽605组成，前壁面密封槽601为宽度1-2mm的环形槽，用于布置o型密封圈，磁铁座阳极通孔602相对中心轴线的距离与前壁面阳极通孔201、阳极环螺纹孔101相等，磁铁座气体分配器603为形状任意的均匀通孔，内永磁体套604为高度和内径与内永磁体4高度和直径相等的空心圆柱，外永磁体环槽605高度和外径与外永磁体环5外径相等，均由机械加工制成。绝缘套管3的内径与阳极螺杆102相等，外径与磁铁座阳极通孔602相等。
[0022]
阳极1的材料选用为具有高熔点、低溅射性的金属材料钼，前壁面2选用耐热、耐溅射的绝缘材料，一般选用六方氮化硼陶瓷，绝缘套管3选用高强度的绝缘材料，一般为氧化铝陶瓷，内永磁体4和外永磁体环5选用耐高温的钐钴永磁体，磁铁座6和底座7选用密度低、强度高的铝合金材料。
[0023]
本发明工质气体(一般为氙气、氪气等惰性气体)依次通过底座7、磁铁座气体分配器603、前壁面气体分配器204进入到外部电离区。通过将前壁面的环形凸起嵌入磁铁座前壁面密封槽601进行密封，防止漏气导致性能下降。气体进入到外部电离区后，通过变截面陶瓷壁面203对未电离的工质气体进行约束，从而实现工质气体密度的提高，进而提高电离率。
[0024]
本发明将内永磁体4嵌入内永磁体套604中，将外永磁体环5嵌入外永磁体环槽605中，两永磁体同方向极性相反安装，即可实现图6所示的磁场结构，根据热化电势假设，该磁场对束流具有磁聚焦效果，能够减小束流发散角，且磁力线和陶瓷前壁面2尽可能保持平行，这样会在陶瓷壁面附近形成较电势，阻碍对陶瓷壁面的轰击，延长推力器的寿命。
[0025]
为了实现阳极与接线杆的螺纹连接，本发明将阳极螺杆102旋入阳极环螺纹孔101中，阳极环螺纹孔101设计为末端突出的盲孔，限制了阳极螺杆102旋入的长度，从而在轴向上固定二者，阳极1整体穿过前壁面阳极通孔201、磁铁座阳极通孔602，与前壁面阳极槽202进行配合，从而固定了阳极的径向移动，由于阳极螺杆102相对于阳极环处于偏心位置，因此旋转自由度也被限制，最后套入绝缘套管3保证阳极的绝缘性。总体上连接牢固可靠，便于接线，且实现了钼阳极的螺纹连接。
[0026]
对于阳极与接电导杆的接线方法，传统霍尔推力器大多采用焊接的方法连接，焊接式方法能够保证阳极表面平整，不会对放电产生不利影响，因此低功率霍尔推力器的设计均按照惯性思维沿用了焊接的方法。但缺点是传统大功率霍尔推力器的空间较大，热集中和应力集中不明显，可以采用不锈钢作为阳极材料进行焊接，但低功率霍尔推力器存在过热的问题，需要采用钼作为阳极材料，而钼的焊接性能差，焊点脆，降低了推力器的安全性和可靠性，提高了其装配难度。本发明转变思路，采用了螺纹连接，能够实现阳极的可靠安装，并且也在很大程度上保证了阳极表面的平整度。
[0027]
本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
[0028]
1.本发明采用了变截面构型的陶瓷前壁面和阳极，能够实现工质气体的暂时性聚集，提高中性气体密度，从而提高电离率和工质利用率。
[0029]
2.本发明采用了特定的磁场构型，磁力线尽可能平行于陶瓷壁面，放电时壁面形成较高电势，降低高速离子对于壁面的轰击，同时，该构型具有磁聚焦效果，实现了减小束流发散角的效果，解决了平面构型外部放电霍尔推力器束流发散效率低的问题。
[0030]
3.综合上述1、2两点，并经过实验测试表明，本发明所述变截面构型外部放电霍尔推力器相比于平面构型，性能大幅度提高。
[0031]
4.本发明所述变截面构型外部放电霍尔推力器的阳极导杆螺纹连接法，能够同时保证连接点的平整度、可靠性和耐热性。
附图说明
[0032]
图1为文献[1]中一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器。
[0033]
图2为文献[1]中一种变截面通道构型的圆柱形霍尔推力器的磁场构型。
[0034]
图3为文献[2]中平板型外部放电霍尔推力器结构。
[0035]
图4为本发明整体结构示意图。
[0036]
图5为本发明结构爆炸示意图。
[0037]
图6为本发明磁场构型图。
[0038]
图7为本发明阳极结构示意图。
[0039]
图8为本发明前壁面的结构示意图。
[0040]
图9为本发明磁铁座结构示意图。
[0041]
图10机械结构及电路连接图。
[0042]
图中标号说明如下：
[0043]
阳极1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
前壁面2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
绝缘套管3
[0044]
内永磁体4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
外永磁体环5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
磁铁座6
[0045]
底座7
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
阳极环螺纹孔101
ꢀꢀꢀꢀ
阳极螺杆102
ꢀꢀꢀꢀ
锥形环103
[0046]
前壁面阳极通孔201
ꢀꢀꢀ
前壁面阳极槽202
ꢀꢀꢀꢀ
变截面陶瓷壁面203
[0047]
前壁面气体分配器204 磁铁座前壁面密封槽601 磁铁座阳极通孔602
[0048]
磁铁座气体分配器603 内永磁体套604外
ꢀꢀꢀꢀ
永磁体环槽605
具体实施方式
[0049]
上面的内容不是本发明的创新部分，只是说明有其他可以选用的方案，但对比之下本发明的实用性较好，与上下文连贯性不太好，可以删除。
[0050]
阳极1的结构可以采用钼的一体化机械加工，能够实现更好的强度和表面平整度，但加工难度和成本太大，而且垂直度难以保证。
[0051]
本发明中的结构尺寸参数应符合霍尔推力器的设计准则。典型的阳极1外直径在12-20mm之间。前壁面2、磁铁座6和底座7的外径在40-100mm之间，前壁面气体分配器204由多个相同的均匀分布的直径0.5-1.5mm的小孔组成，所有螺纹孔、通孔一般选3mm、4mm、6mm等通用尺寸。
[0052]
变截面式外部放电霍尔推力器是一种低功率霍尔推力器设计的新思路，起到了优化外部放电霍尔推力器性能的新效果。平面型外部放电霍尔推力器的性能推力较低，具体工作过程为：空心阴极点火-阳极供电-工质供应-推力器工作。在具体的实施例中，通过电源给阳极螺杆102施加250v的对地电压，和空心阴极之间产生放电，将通过前壁面气体分配器204引出的氙气电离，产生等离子体，等离子体中的离子在阳极1的高电压作用下，加速喷出形成推力。
[0053]
由于变截面陶瓷壁面203的限制，工质气体氙气的电离率较高。另一方面，内永磁体直径选用6mm，高度10mm，外永磁体内外径分别选用30mm、44mm，高度15mm，均采用钐钴永磁体作为材料，形成了如图6所示的磁场构型，该构型能够实现磁聚焦，缩小推力器的束流发散角。变截面构型外部放电霍尔推力器可达到的推力范围为1.5mn-14.18mn，比冲最大可达1473.7s，阳极效率最高可达22.4％。
[0054]
在具体实施实例中，本发明各部分的连接方式如图10所示。
[0055]
阳极1通过阳极环螺纹孔101和阳极螺杆102的螺纹配合连接。
[0056]
陶瓷前壁面2为回转体结构，中心设有深度在8mm以内的变截面区域，该区域呈空心圆台结构，横截面线性变化，在陶瓷上面沿轴向打有均匀小孔，形成前壁面气体分配器204。
[0057]
本发明各部件之间为轴向连接。
[0058]
装配时，阳极1的锥形环103嵌入陶瓷前壁面2的前壁面阳极槽202中，阳极螺杆102穿过前壁面阳极通孔201，绝缘套管3通过间隙配合套在阳极螺杆102上最终通过螺母和阳极螺杆102的螺纹连接，将阳极1和绝缘套管3轴向压紧。
[0059]
内永磁体4为圆柱体，通过间隙配合装入磁铁座6的内永磁体套604中，外永磁体环5为空心圆柱体，通过间隙配合嵌入外永磁体环槽605中。前壁面2扣合在内永磁体4上。
[0060]
陶瓷前壁面2、磁铁座6、底座7依次通过螺栓轴向压紧。
[0061]
使用导线将阳极螺杆102连接在电源正极，电源负极接空心阴极。