阳极气体分配器及包括其的霍尔推力器、空间设备的制作方法

1.本发明涉及空间推进技术领域；具体而言，本发明涉及阳极气体分配器及包括其的霍尔推力器、空间设备。


背景技术：

2.霍尔推力器是一种空间电推进装置，被广泛应用于空间推进领域，也是未来空间飞行器的首选推进装置之一。例如，其典型的应用场合包括但不限于应用于卫星轨道保持和姿态控制。
3.图1示出了霍尔推力器的工作原理。如图中所示，在推力器内部有一对互相垂直的电场f1和磁场f2，电场沿轴向方向，磁场沿径向方向。阴极a是一个维持稳定放电的电子源，其产生的电子在径向磁场的洛伦兹力的作用下，形成了一个做圆周运动的电子束。推进剂气体通过阳极气体分配器b进入环形放电室，电子与推进剂激烈碰撞并使推进剂电离。在电磁场的作用下，推力器内部的离子产生轴向加速度，并最终高速喷出，形成反推力。
4.阳极气体分配器是霍尔推力器的重要组成部件，其中，阳极担负着施加高电势加速电子并接收电子，形成放电回路的重要功能，而气体分配器则用于对进入推力器放电通道内的工质进行均匀分配。一般来说，霍尔推力器的阳极与气体分配器是一体化的。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了阳极气体分配器及包括其的霍尔推力器、空间设备，从而解决或者至少缓解了现有技术中存在的上述问题和其它方面的问题中的一个或多个。
6.为了实现前述目的，根据本发明的第一方面提供了一种阳极气体分配器，其中，所述阳极气体分配器包括缓冲腔，所述缓冲腔包括顶层缓冲腔，所述顶层缓冲腔的顶端具有环形的尖锥面结构。
7.可选地，在如前所述的阳极气体分配器中，所述顶层缓冲腔的端面材料为钨。
8.可选地，在如前所述的阳极气体分配器中，所述顶层缓冲腔的整体材料为钨，所述阳极气体分配器的其它部分的材料为钽。
9.可选地，在如前所述的阳极气体分配器中，所述环形的尖锥面结构为双环形尖锥面结构或多环形尖锥面结构，并且所述双环形尖锥面结构或多环形尖锥面结构的各尖锥面结构之间的上凹槽中设置有多组出气孔。
10.可选地，在如前所述的阳极气体分配器中，所述阳极气体分配器还包括底板座、进气柱、固定螺柱，所述底板座为圆环状并且具有初级进气孔，所述初级进气孔用于与所述进气柱连接以及向所述缓冲腔输送气体，所述底板座的一侧安装于所述缓冲腔，所述进气柱和所述固定螺柱固定于所述底板座的另一侧。
11.可选地，在如前所述的阳极气体分配器中，所述阳极气体分配器包括两个所述进气柱和两个所述固定螺柱，并且所述进气柱与所述固定螺柱的长度相同。
12.可选地，在如前所述的阳极气体分配器中，所述缓冲腔还包括位于所述顶层缓冲
腔和所述底板座之间的一个或更多中间缓冲腔，所述顶层缓冲腔和所述中间缓冲腔均具有周向下凹槽，并且所述顶层缓冲腔的下凹槽和所述中间缓冲腔的下凹槽的外径和内径均相同。
13.可选地，在如前所述的阳极气体分配器中，所述中间缓冲腔的出气孔为顶部平面设置，所述顶层缓冲腔的出气孔为均匀周向侧置，所述中间缓冲腔的出气孔中的一个与所述底板座上的初级进气孔对齐。
14.为了实现前述目的，根据本发明的第二方面提供了一种霍尔推力器，其中，所述霍尔推力器的阳极气体分配器为如前述第一方面中任一项所述的阳极气体分配器。
15.为了实现前述目的，根据本发明的第三方面提供了一种空间设备，其中，所述空间设备的霍尔推力器的阳极气体分配器为如前述第一方面中任一项所述的阳极气体分配器。
16.本发明针对阳极气体分配器及包括其的霍尔推力器、空间设备，有效地提升了其阳极抗溅射抗轰击能力，有效减缓了离子回流镀膜导致的出气不均匀的问题，且尖锥阳极有效的提升了电场，和/或提升了霍尔推力器的放电能力。
附图说明
17.参照附图，本发明的公开内容将更加显然。应当了解，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：图1是现有技术霍尔推力器的原理图；图2是本发明的霍尔推力器的阳极气体分配器的一个实施例的示意性立体图；图3是图2中阳极气体分配器的示意性侧剖视图；图4是本发明的霍尔推力器的阳极气体分配器的另一实施例的示意性立体图；图5是图4中阳极气体分配器的示意性侧剖视图；图6是图2和图4中阳极气体分配器的中间缓冲腔的示意性立体图；以及图7是图2和图4中阳极气体分配器的底板座、进气柱及固定螺柱的示意性立体图。
18.附图标记：a-阴极；b-阳极气体分配器；1-底板座；2-进气柱；3-固定螺柱；4-中间缓冲腔；5-顶层缓冲腔；6-中间缓冲腔出气孔；7-顶层缓冲腔出气孔；8-初级进气孔；9-尖锥面结构；10-中间缓冲腔的下凹槽；11-顶层缓冲腔的下凹槽；12-顶层缓冲腔的上凹槽；13-上凹槽出气孔。
具体实施方式
19.参照附图和具体实施例，下面将以示例方式来说明根据本发明的阳极气体分配器及包括其的霍尔推力器、空间设备的结构组成、特点和优点等，然而所有描述不应用于对本发明形成任何限制。
20.此外，对于在本文提及的实施方式中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，本发明仍然允许在这些技术特征（或其等同物）之间继续进行任意组合或者删减而不存在任何的技术障碍，从而应当认为这些根据本发明的更多实施方式也是在本文的记载范围之内。
21.还需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示
或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.图2是本发明的霍尔推力器的阳极气体分配器的一个实施例的示意性立体图；图3是图2中阳极气体分配器的示意性侧剖视图。从图中可以看出，该阳极气体分配器包括底板座1、进气柱2、固定螺柱3、中间缓冲腔4、顶层缓冲腔5、中间缓冲腔出气孔6、顶层缓冲腔出气孔7。
23.如图中所示，所述阳极气体分配器包括有缓冲腔。在该示例中，缓冲腔包括顶层缓冲腔5和中间缓冲腔4。在图示示例中只有一个中间缓冲腔4；在其它实施例中可以设置多于一个中间缓冲腔4、或者不设置中间缓冲腔。
24.如图2和图3中所示，顶层缓冲腔5的顶端可以具有环形的尖锥面结构9。在该实施例中，该环形的尖锥面结构9为单环形的尖锥面结构。该单尖端的顶层缓冲腔5使用线切割加工加工出单尖端。
25.顶层缓冲腔5的顶端为阳极端面，其环形的尖锥面结构可在一定程度上缩短阳极气体分配器至放电通道出口的距离，从而有效提升霍尔推力器的局部电场强度，提升路径上的电子能量，使放电更为简单与迅速，并提升路径上的出射离子速度，从而提升电离率、推力与比冲。
26.进一步地，该顶层缓冲腔的顶端面材料可以为钨。或者，在可选的实施方式中，顶层缓冲腔的整体材料可以为钨。同时，阳极气体分配器的其它部分的材料可以为钽。具体地，底板座1、进气柱2、固定螺柱3与中间缓冲腔4材料可以均为钽。
27.相较于常规的不锈钢或钽材料阳极气体分配器，钨材料的阳极端面有较强的抗溅射与轰击能力，可有效减缓尖端部位的轰击溅射，尤其是可延长拥有高场强、更易被轰击的尖端部分的寿命；钨拥有较强的耐高温能力，可承受较大的、由于电子电流的持续轰击加热下产生较大的功率沉积，拥有更高的工作温度。
28.除了上述顶层缓冲腔5之外，缓冲腔还可以包括位于顶层缓冲腔5和底板座1之间的一个或更多中间缓冲腔。如图2和3的实施例中即包括一个中间缓冲腔4。
29.如图3中所示，中间缓冲腔4可以为凹型结构，其下凹槽10内可以周向每隔一定的角间隔均匀分布多个完全贯穿的中间缓冲腔出气孔6。所述中间缓冲腔4下凹槽10内的某一个中间缓冲腔出气孔6与底板座1上的初级进气孔同轴心，二者相对齐从而能够实现气体工质从进气柱2经过底板座1进入到缓冲腔。此处中间缓冲腔出气孔6的数量可以为18，或者其它数量。
30.图示示例中，所述中间缓冲腔4的出气孔6为顶部平面设置。顶层缓冲腔5的出气孔7为均匀周向侧置。来自中间缓冲腔4的气体工质经过出气孔6直接进入顶层缓冲腔5内，然后沿周侧向内、向外排出。顶层缓冲腔5的出气孔7均匀周向侧置可有效防止回流离子对出气孔的沉积镀膜，保证出气孔孔径的一致性，保证工质气体的均匀性。
31.从图3中能够更清楚地看出，顶层缓冲腔出气孔7置于阳极气体分配器的侧面。这样，回流向阳极的离子会首先沉积到顶层缓冲腔5的尖锥的两侧表面上，较难运动至顶层缓冲腔5的侧面，保证了侧面出气孔不会遭到离子的沉积镀膜，确保了出气孔径的一致性，保证了推力器工作过程中出气量的均匀性与稳定性，且离子沉积镀膜趋于分布至尖锥附近的表面上，难以直接沉积至尖端上去，确保了尖端处可稳定产生电场，防止由于沉积镀膜导致
的阳极表面绝缘现象的出现，确保了推力器阳极的稳定工作，进一步确保了放电电离的稳定进行。
32.从图3中还可以看出，中间缓冲腔4与顶层缓冲腔5都布置有下凹槽，分别为中间缓冲腔4的下凹槽10和顶层缓冲腔5的下凹槽11，且下凹槽10和11的外径和内径均相同。
33.顶层缓冲腔5在与中间缓冲腔4的相似的结构上外延了一段（或两段，见图4和图5）突起尖端，一段（或两段）尖端的锥角可以例如但不限于为60
°
，并同样布有下凹槽11。顶层缓冲腔5的下凹槽11内两侧周向每隔一定的角间隔均匀分布多个完全贯穿的顶层缓冲腔出气孔7。两侧面的每一对顶层缓冲腔出气孔7均为同轴心。所述顶层缓冲腔5下凹槽内的成对顶层缓冲腔出气孔7的轴心连线均过上述共轴轴心。
34.在可选的实施例中，所述顶层缓冲腔5下凹槽11内的所有多对顶层缓冲腔出气孔7的轴心连线均过中间缓冲腔4上表面上的所有中间缓冲腔出气孔6的圆心。
35.从图2和图3中可以看出，阳极气体分配器还可以包括底板座1、进气柱2、固定螺柱3。
36.在图示实施例中，底板座1可以为圆环状，所述底板座1可以具有初级进气孔8，共有两个，布置在其内外环中心的直径中心圆环处，见图7。所述初级进气孔8用于与所述进气柱2连接以及向所述缓冲腔5输送气体。所述底板座1上的初级进气孔8与中间缓冲腔4上表面上的某一中间缓冲腔出气孔6共轴心，因而对齐相通。
37.底板座1的一侧安装于缓冲腔。例如，图示实施例中安装于中间缓冲腔4、顶层缓冲腔5。在没有中间缓冲腔的实施例中，底板座1也可以直接安装于顶部缓冲腔5。在可选实施例中，中间缓冲腔4与底板座1可以通过电子束焊接的方法进行精确连接；进而，顶层缓冲腔5与中间缓冲腔4也可以通过电子束焊的方法进行精确连接。所述底板座1、中间缓冲腔4与顶层缓冲腔5的外径相同。
38.底板座1的另一侧固定安装有进气柱2和固定螺柱3。
39.与初级进气孔8的数量对应，阳极气体分配器包括两个进气柱2，进气柱2为中空管，可以通过例如但不限于电子束焊接等方式与底板座1精确固定。固定螺柱3共有两根。其尾部可以有螺纹，与底板座1一体加工成型，后进行螺纹处理。
40.这样，进气柱2与固定螺柱3共有四根，以90度的角间隔沿周向均匀分布在底板座1中心圆环的一侧。在替代的实施例中可以选用其它数量的进气柱及固定螺栓。进气柱2与固定螺柱3的长度可以相同。
41.如此，该实施例提供了双管进气双层进气缓冲腔（中间缓冲腔4，顶层缓冲腔5）与两根进气柱2，可完成对工质气体的有效缓冲与充分均匀化，且侧面对立布置多个顶层缓冲腔出气孔7，两侧径向平行进气，相对于传统的轴向进气有更好的均匀性与更大的进气量，保证放电腔工质气体电离后产生的等离子体的均匀性。
42.图4是本发明的霍尔推力器的阳极气体分配器的另一实施例的示意性立体图。图5是图4中阳极气体分配器的示意性侧剖视图。图4和图5中的实施例的技术方案与图2和图3中的实施例的技术方案基本完全一致，尤其是关于中间缓冲腔4、底板座1、进气柱2、固定螺柱3等部件以及部件顶层缓冲腔5的下凹槽11、周向出气孔7等，故不做过多赘述，仅针对区别点进行描述。
43.在本实施例中，环形的尖锥面结构9为双环形的尖锥面结构。在替代的实施方式
中，可以想到使用多环形的尖锥面结构，例如三环形、四环形等或更多。所述双尖端凹槽状顶层缓冲腔5可以使用电火花加工加工出双尖端。在双环形的尖锥面和多环形的尖锥面之间具有上凹槽12。
44.同样地，顶层缓冲腔5上端的尖锥面结构可在一定程度上缩短阳极气体分配器至放电通道出口的距离，从而实现局部电场增强，使流向此尖端的电子在走过同样的路径的情况下获得更高的能量，有效的降低了放电难度，并提升推力器电离效果，尤其针对小尺寸永磁霍尔推力器，同时可提高离子的出射速度，进而提升推力器的推力与比冲。双尖锥或多尖锥中具有上下凹槽的阳极气体分配器结构可使阳极有效的避开径向磁场约束区，壁面阳极与磁力线的交叉导致的电子对阳极的严重轰击，避免电子的严重损失。
45.为保证尖锥中心上凹槽区域的工质气体的密度的充足，图4和图5所示实施例在原有侧面出气的基础上在上凹槽12中增设了多组出气孔13，这些出气孔13从顶层缓冲腔5的下凹槽11通至上凹槽12。顶层缓冲腔5的下凹槽11内的所有多对顶层缓冲腔出气孔7的轴心连线均过上凹槽12中多组出气孔13的圆心，如图4和图5示。
46.图6是图2和图4中阳极气体分配器的中间缓冲腔的示意性立体图。该图中示出了中间缓冲腔4的顶面，而非显示出中间缓冲腔4的下凹槽。多个中间缓冲腔出气孔6沿其顶面均布，且其到中间缓冲腔4的环形外周边和内周边的距离相同。
47.图7是图2和图4中阳极气体分配器的底板座、进气柱及固定螺柱的示意性立体图。该图中示出了环形的底板座1，以及在底板座1上的两个初级进气孔8。这两个初级进气孔8对称分布，分别对应于进气柱2的位置。两个固定螺柱3和两个进气柱2在底板座1的圆周上均布，每二者之间相隔90度的角度。关于底板座1、进气柱2、固定螺柱3的详细描述，可以参照上文描述的更多细节。
48.本发明的另外的方面还提供了霍尔推力器，其中，霍尔推力器的阳极气体分配器为如前述实施例中任一项所述的阳极气体分配器。本发明的其它方面还提供了空间设备，其中，空间设备的霍尔推力器的阳极气体分配器为如前述实施例中任一项所述的阳极气体分配器。例如，这些空间设备可以为人造卫星、空间站等。如此设置的霍尔推力器、空间设备具有前述实施例中的阳极气体分配器的各个特征，因而也具备其相应的优点。
49.下面结合空间设备中霍尔推力器描述其具体工作过程，如下述：（1）工质气体首先从进气柱2经底板座1上的两个初级进气孔8进入中间缓冲腔4，再从中间缓冲腔4下凹槽10内的中间缓冲腔出气孔6进入顶层缓冲腔5，最后经顶层缓冲腔5两侧周向布置的顶层缓冲腔出气孔7沿径向进入放电腔，完成工质气体的均匀化后的分配。（2）推力磁场构建完成，阳极点火，空间原初电子与外置阴极电子经阳极加速，开始向阳极运动。尖锥阳极会增强局部电场，使电子的能量更高，随后被加速的电子进入径向磁场束缚区做周向霍尔漂移，并电离来自轴向的工质气体。电子经电离损失能量后向阳极迁移，轰击阳极形成电子电流，并将剩余能量传递给阳极，形成功率沉积，加热阳极。部分回流离子有几率沉积到阳极尖锥的两端，在其斜面上镀膜，而侧面出气孔可不受沉积镀膜的影响。（3）在工作过程中，电子将持续地轰击阳极尖端，并形成功率沉积，由于钨材料本身的抗轰击溅射与耐高温特性，使得尖端的轰击溅蚀有效地被减缓，有效地延长了尖端的寿命，且其耐高温特性使其可正常地工作在较高的温度下。
50.上述优势与优化点保证了本发明的原创性与独特性，可有效提升霍尔推力器的阳
极功率负载，有效壁面回流离子对出气孔的镀膜导致的出气不均匀导致的通道内等离子体密度不均匀，尖端有效的提升了局部场强，提升了放电点火能力，且钨材质尖端有效的减缓了由于电子轰击溅蚀导致的尖端钝化，延长了阳极气体分配器的寿命。
51.本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施方式进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的范围内。