一种氙气辅助的难电离工质霍尔推力器及其电离方法

本发明涉及霍尔推力器，具体涉及一种氙气辅助的难电离工质霍尔推力器及其电离方法。

背景技术：

1、霍尔推力器是一种利用磁约束电离工质气体，静电场加速离子产生推力的电推进装置，主要用于航天推进领域。惰性气体氙因具有电离截面大，放电产生的比冲高等优点，常作为霍尔推力器所使用放电工质气体，然而氙气在空气中的含量仅0.0000086％，全世界氙气的总年产量不到100吨，且全球每年对氙气的需求量呈15％-20％的增长趋势，因此氙气价格昂贵，这会大大地提高霍尔推力器的实验成本。由于惰性气体氩、氪等与氙处于元素周期表同一族，具有相似的化学性质，且这些惰性气体在地球上的储量较为丰富，价格也比氙气更低，因此，它们成为了氙的理想代替工质。

2、根据霍尔推力器的原理，原子在穿越电离区的过程中，平均与电子碰撞2-3次，工质利用率能达到95％及以上，可认为是完全电离等离子体。维持工质的高电离度是霍尔推力器实现高效稳定运行的必要条件。然而，难电离工质原子质量小，运动速度较快，电离碰撞截面比氙原子大幅下降。以氪原子为例，在20ev下，电离碰撞截面1.21×10-20m2，同等条件下，氙原子的电离碰撞截面2.52×10-20m2，几乎是氪原子的两倍，氩的电离碰撞截面比氪更小。由此可见，典型的替代工质电离截面小，电离难度高，会造成工质利用率和束流效率较差等问题。如果要达到与氙相同的电离程度，则需要大幅提高等离子体密度增加碰撞的频率，或增加电离区的长度提高碰撞次数。然而，提高难电离工质等离子体密度需要大幅提高放电功率，提高电离区长度会使得推力器轴向尺寸和体积重量比较大，这些方法均不适用于中、低功率霍尔推力器。

技术实现思路

1、本发明为克服现有技术不足，提出一种氙气辅助的难电离工质霍尔推力器及其电离方法，

2、一种用氙气辅助的难电离工质霍尔推力器，包含内铁芯、内线圈、磁屏、通道绝缘陶瓷、底板、外线圈、导磁罩、外磁极、内陶瓷、外陶瓷、内磁极和气体分配器；所述内铁芯和导磁罩分别置于底板的上表面上，内磁极和外磁极分别置于内铁芯和导磁罩的顶部，所述磁屏为内外同心的环形体，磁屏与底板分离且二者通过通道绝缘陶瓷隔离，内陶瓷与外陶瓷分别置于磁屏的内外壁上方，内铁芯上绕有内线圈，磁屏与导磁罩之间设置有外线圈，气体分配器布置在磁屏内；

3、还包含设置在磁屏顶部的内金属壁和外金属壁；气体分配器包含连接为一体的分配器内壁、分配器外壁、上部缓冲腔和下部缓冲腔，分配器内壁和分配器外壁为同心的内外环形壁，分配器内壁、分配器外壁、内金属壁、外金属壁、内陶瓷与外陶瓷形成放电通道，上部缓冲腔布置在内外环形壁腔内；

4、分配器内壁和分配器外壁分别与磁屏之间具有径向空隙，上部缓冲腔的顶部设置有与进气柱相通的轴向出气孔，形成氙气进入放电通道的出气通道；

5、下部缓冲腔的侧部设置有与进气柱相通的径向缝隙，分配器内壁和分配器外壁分别与磁屏之间具有与径向缝隙相通的空隙，分配器内壁和分配器外壁分别与内金属壁和外金属壁之间具有与空隙相通的通道，形成难电离工质气体进入放电通道的返流通道。

6、一种氙气辅助的难电离工质霍尔推力器的电离方法，具体为：氙气通过气体分配器的上部缓冲腔均化后沿轴向直接进入到放电通道底部，难电离工质气体经下部缓冲腔均化后沿径向缝隙进入磁屏和分配器内壁、分配器外壁三者合围形成的空隙内，再由内金属壁、外金属壁与分配器内壁、分配器外壁之间的通道返流进入放电通道中，再沿轴向扩散到放电通道外，电离过程中，控制氙气与难电离工质气体的供气流量，始终保持难电离工质气体的体积流量大于氙气的体积流量，通过调节通道上游氙气的注入比例，优化通道内电离过程，提升后加载磁场霍尔推力器比冲和效率；

7、或者氙气和难电离工质气体组成的混合气体通过气体分配器的上部缓冲腔均化后沿轴向直接进入到放电通道底部，难电离工质气体和氙气组成的混合气体经下部缓冲腔均化后沿径向缝隙进入磁屏和分配器内壁、分配器外壁三者合围形成的空隙内，再由内金属壁、外金属壁与分配器内壁、分配器外壁之间的通道返流进入放电通道中，再沿轴向扩散到放电通道外，电离过程中，控制两种混合气体的供气流量，始终保持空隙内注入的混合气体的体积流量大于底部注入的混合气体的体积流量，通过调节两种混合气体的注入比例，优化通道内电离过程，提升后加载磁场霍尔推力器比冲和效率。

8、本发明相比现有技术的有益效果是：

9、本发明利用阳极气体分配器的上、下两个缓冲腔沿两个流道供给氙气和难电离工质，提出了一种用氙气提高氩、氪等难电离工质霍尔推力器电离效率的方式，提高了霍尔推力器的放电性能。将难电离的工质气体由通道中部注入，先返流到放电通道底部，再沿轴向扩散至通道外，延长难电离工质在电离区的路径以及停留时间，从而加电子与原子的碰撞次数；通过气体分配器的上、下部缓冲腔分别向通道内分别注入两种工质，主要工质为难电离的气体，辅助工质为氙气，用少量氙原子辅助电离，利用氙气更好的电离特性建立高密度的等离子体环境，降低难电离工质气体的电离阈值，提高这些工质利用效率。通过调节通道上游氙气的注入比例，优化通道内电离过程，优化后加载磁场霍尔推力器比冲和效率等性能参数。本发明克服了氙工质霍尔推力器运行成本高，难电离工质霍尔推力器放电性能较差以及混合工质通过预混注入设备中造成难以储存等现有技术不足的问题。

10、下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

技术特征：

1.一种氙气辅助的难电离工质霍尔推力器，包含内铁芯(1)、内线圈(2)、磁屏(3)、通道绝缘陶瓷(4)、底板(6)、外线圈(7)、导磁罩(8)、外磁极(9)、内陶瓷(11-1)、外陶瓷(11-2)、内磁极(15)和气体分配器；所述内铁芯(1)和导磁罩(8)分别置于底板(6)的上表面上，内磁极(15)和外磁极(9)分别置于内铁芯(1)和导磁罩(8)的顶部，所述磁屏(3)为内外同心的环形体，磁屏(3)与底板(6)分离且二者通过通道绝缘陶瓷(4)隔离，内陶瓷(11-1)与外陶瓷(11-2)分别置于磁屏(3)的内外壁上方，内铁芯(1)上绕有内线圈(2)，磁屏(3)与导磁罩(8)之间设置有外线圈(7)，气体分配器布置在磁屏(3)内；

2.根据权利要求1所述一种氙气辅助的难电离工质霍尔推力器，其特征在于：内磁极(15)和内陶瓷(11-1)的顶部设置有内挡片(14)，导磁罩(9)和外陶瓷(11-2)的顶部设置有外挡片(10)。

3.根据权利要求1所述一种氙气辅助的难电离工质霍尔推力器，其特征在于：底板(6)上设置有与进气柱隔离的绝缘套管(5)。

4.根据权利要求1所述一种氙气辅助的难电离工质霍尔推力器，其特征在于：内陶瓷(11-1)的外侧表面与外陶瓷(11-2)的内侧表面之间径向距离为w1，内金属壁(12-1)的外侧表面与外金属壁(12-2)的内侧表面之间的径向距离为w2，分配器内壁(13-1)的外侧表面和分配器外壁(13-2)的内侧表面之间的径向距离为w3，满足如下关系：w3＞w1＝w2。

5.根据权利要求1所述一种氙气辅助的难电离工质霍尔推力器，其特征在于：所述气体分配器的材质为1cr18ni9ti无磁不锈钢。

6.根据权利要求1所述一种氙气辅助的难电离工质霍尔推力器，其特征在于：内铁芯(1)、磁屏(3)、底板(6)、导磁罩(8)、外磁极(9)和内磁极(15)均为导磁材料。

7.根据权利要求3所述一种氙气辅助的难电离工作霍尔推力器，其特征在于：绝缘套管(5)与通道绝缘陶瓷(4)均为氧化铝陶瓷。

8.一种根据权利要求1至7任一项所述氙气辅助的难电离工质霍尔推力器的电离方法，其特征在于：所述方法是：氙气通过气体分配器的上部缓冲腔(13-3)均化后沿轴向直接进入到放电通道底部，难电离工质气体经下部缓冲腔(13-4)均化后沿径向缝隙进入磁屏(3)和分配器内壁(13-1)、分配器外壁(13-2)三者合围形成的空隙内，再由内金属壁(12-1)、外金属壁(12-2)与分配器内壁(13-1)、分配器外壁(13-2)之间的通道返流进入放电通道中，再沿轴向扩散到放电通道外，电离过程中，控制氙气与难电离工质气体的供气流量，始终保持难电离工质气体的体积流量大于氙气的体积流量，通过调节通道上游氙气的注入比例，优化通道内电离过程，提升后加载磁场霍尔推力器比冲和效率；

9.根据权利要求8所述一种氙气辅助的难电离工质霍尔推力器的电离方法，其特征在于：电离过程中，霍尔推力器的放电电压为300v-900v，难电离工质为氪气，氪气的体积流量为40sccm，氙气的体积流量为0、2、4、6、8或10sccm。

10.根据权利要求9所述一种氙气辅助的难电离工质霍尔推力器的电离方法，难电离工质气体为氪气，氪气的体积流量为40sccm，氙气的体积流量为10sccm时，混合工质的阳极效率为44％。

技术总结
一种氙气辅助的难电离工质霍尔推力器及其电离方法，所述方法为氙气通过气体分配器的上部缓冲腔均化后沿轴向直接进入到放电通道底部，难电离工质气体经下部缓冲腔均化后沿径向缝隙进入磁屏和分配器内壁、分配器外壁三者合围形成的空隙内，再由内金属壁、外金属壁与分配器内壁、分配器外壁之间的通道返流进入放电通道中，再沿轴向扩散到放电通道外，电离过程中，控制氙气与难电离工质气体的供气流量，始终保持难电离工质气体的体积流量大于氙气的体积流量，通过调节通道上游氙气的注入比例，优化通道内电离过程，提升后加载磁场霍尔推力器比冲和效率。本发明提高了霍尔推力器的放电性能。

技术研发人员：于达仁,于巧慧,刘星宇,李鸿
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11