一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备

本发明提出一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备，属于航天电推进，特别涉及到空心阴极的性能评估系统。

背景技术：

1、随着商业航天及各种卫星的发展，霍尔推力器因其具有结构简单、体积小、总冲高、推功比大的优点，成为在轨应用数量最多的电推进装置。霍尔推力器需要使用一个空心阴极作为电子源与中和器，是霍尔推力器的核心部件之一，因此空心阴极一般会作为一个子系统独立开发并测试，最后以三极管放电的形式对阴极进行验收。然而即使通过验收的空心阴极在与目标霍尔推力器耦合工作时两者也会出现不匹配的现象，这与验收的方式与设备有关。

2、传统的三极管结构放电主要分为两种：平板阳极放电和圆筒阳极放电，平板阳极放电是空心阴极放电的经典形式，即将一金属平板置于空心阴极正前方，将其作为空心阴极放电的阳极收集电子，考察其放电电流和放电电压。而圆筒阳极来自于离子推力器的电离室结构，将金属圆筒置于空心阴极前方，并且使两者轴线重合，将该圆筒作为空心阴极放电的阳极收集电子，考察其放电电流和放电电压。为了更好的描述空心阴极在离子推力器中的工作状况，nasa还开发出了锥面阳极，其阳极为一小端开孔、呈漏斗状的锥面，使用时将开孔的小端与空心阴极出口平齐，两者轴线重合，将该金属锥面作为空心阴极放电的阳极收集电子，考察其放电电流和放电电压。

3、由此可以发现目前开发的测试设备大多基于离子推力器开发，在霍尔推力器方面大多仅关注霍尔推力器的特性，例如cn 106678007 a提到的空心阴极-霍尔推力器耦合参数的自动实验装置，该装置通过推力器的性能来决定空心阴极与霍尔推力器的相对位置，这对于空心阴极的测试与迭代实际上并没有作用。

4、通过验收的空心阴极在与目标霍尔推力器耦合工作时两者不匹配的现象时有发生，这意味着传统的空心阴极三极管结构放电与空心阴极-霍尔推力器耦合放电之间存在较大差距，即平板阳极和圆筒阳极两种阳极的构型均不能描述空心阴极面临的霍尔推力器的环境，而其关键在于阳极形状、磁场的存在和推力器流量的影响。研究表明，阳极的构型和位置对空心阴极放电伏安特性存在影响(qin y,xie k,guo n,等.the analysis ofhigh amplitude of potential oscillations near the hollow cathode of ionthruster[j/ol].acta astronautica,2017,134:265-277.https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.02.012.)，磁场也会导致空心阴极放电状态的变化(becatti g,burgalassi f,paganucci f,等.resistive mhd modes in hollow cathodes externalplasma[j/ol].plasma sources science and technology,2022,31(1):015016.https://doi.org/10.1088/1361-6595/ac43c4.)，而阴极外工质的注入会优化空心阴极放电的振荡特性(chu e,goebel d m,wirz r e.reduction of energetic ion production inhollow cathodes by external gas injection[j/ol].journal of propulsion andpower,2013,29(5):1155-1163.https://doi.org/10.2514/1.b34799.)。因此想要准确的描述空心阴极在霍尔推力器环境下的工作特性，就需要能够模拟旁置阴极、磁场的存在和推力器流量的测试设备。

技术实现思路

1、要测试空心阴极在旁置情况、磁场和流量存在下的放电特性，就需要针对霍尔推力器的阳极、磁场和流场开发空心阴极放电特性的测试设备，该设备需要包含近似霍尔推力器的阳极、考虑阳极的多自由度的电控装置和模拟霍尔推力器环境的流场、磁场发生装置。

2、为此，本发明提供了一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备，该设备包括阳极(1)、动台(2)和基座(3)。

3、阳极(1)是在阳极底盘(1-1)上由大、中、小三个同面积不同尺寸的阳极环(1-2、1-3、1-4)和气体注入器(1-5)组成，在每个阳极环下方分别由对应的阳极绝缘垫(1-6、1-7、1-8)。阳极环通过层层嵌套，可以通过改变接入电路的阳极环数量来改变阳极的面积，进而测试空心阴极放电特性随着阳极面积变化的影响；气体注入器位于所有阳极环的中心，可以通过供给流量来模拟霍尔推力器的旁路工质注入，测试空心阴极放电特性受推力器流量的影响；三个阳极绝缘垫都进行了设计为“t”形剖面，创造了“t”内外两个凹槽区(1-7-2和1-7-3)，可以防止由于等离子体沉积导致的不同阳极间的短路，保证了测试的准确性和阳极寿命。

4、动台(2)是由四个直线滑台(2-1、2-2、2-3、2-4)和一个转台(2-5)以及阳极夹具(2-6)组成的多自由度动台，可以通过电机对阳极x、y、z和角度的调整实现阴极-阳极之间轴向距离、径向距离、偏心距离和轴线夹角的变化，测试在以上阴极-阳极配合参数的情况下空心阴极放电特性的变化。

5、基座(3)由基板(3-3)、立板(3-1)、阴极支架(3-4)和励磁线圈(3-2)组成，基板(3-3)被立板(3-1)分成两个部分，开槽一端用于安装阴极支架(3-4)，另一端用于安装动台(2)。立板(3-1)中心开孔，孔径与励磁线圈内径一致，励磁线圈(3-2)位于立板(3-1)上两者轴线重合，用于产生霍尔推力器中平行于阴极轴线的磁场，磁场大小可以通过励磁电流的大小决定，测试该空心阴极的放电特性受当地磁场的影响特性。

6、本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

7、本测试设备额外考虑了旁置情和阳极流量的影响，针对霍尔推力器的阳极开发了嵌套式阳极和四自由度动台，针对霍尔推力器的阳极流场设计了气体注入器。测试设备整体可以通过用于执行特定任务的控制程序进行工作，在贴近霍尔推力器的旁置阴极的情况下测试阳极大小，阴阳极轴向距离、阴阳极径向距离、阴阳极偏心距、阴阳极轴线夹角、注入流量、磁场强度、阳极电压等多维度对待测试空心阴极放电特性的影响，划定该空心阴极的多维度工作包络，为空心阴极的性能测试和评估提供依据。

技术特征：

1.一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备，其特征在于：该设备包括阳极、动台和基座；

2.根据权利要求1所述的一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备，其特征在于：阳极环通过层层嵌套，通过改变接入电路的阳极环数量来改变阳极的面积，进而测试空心阴极放电特性随着阳极面积变化的影响；阳极环由四个引出端和放电环组成，引出端上有机械螺纹用于固定和连接。

3.根据权利要求1所述的一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备，其特征在于：气体注入器位于所有阳极环的中心，通过供给流量来模拟霍尔推力器的旁路工质注入；气体注入器为一根金属管，其内、外径变化分为气体分配段、固定段和连接段，连接段外径最小、外表面光滑，用于和供气管路连接，固定段外径稍大，表面有螺纹，用于连接和固定，其螺纹小径应当不小于连接段外径以便于螺母的旋入，固定段和连接段的内径一致，气体分配段的外径最大，内径为喇叭状渐扩，喇叭小端口径与固定段和连接段的内径一致。

4.根据权利要求1所述的一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备，其特征在于：绝缘垫由四个阳极引出端引出孔、内绝缘凹槽和外绝缘凹槽组成，内绝缘凹槽和外绝缘凹槽的设置使绝缘垫形成了“t”型剖面。

5.根据权利要求1所述的一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备，其特征在于：立板中心开孔，孔径与励磁线圈内径一致，励磁线圈位于立板上两者轴线重合，用于产生霍尔推力器中平行于阴极轴线的磁场，磁场大小通过励磁电流的大小决定，测试该空心阴极的放电特性受当地磁场的影响特性。

6.根据权利要求1所述的一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备，其特征在于：阳极底盘用于承载和固定阳极，并且与阳极夹具相连，阳极底盘为一底部开孔的盘状结构，分为阳极底盘外缘、阳极底盘底、气体注入器安装孔、大阳极环引出端引出孔、中阳极环引出端引出孔和小阳极环引出端引出孔，阳极底盘外缘用于和与阳极夹具相连，被夹持臂夹紧，阳极底盘底中心开有气体注入器安装孔、四个大阳极环引出端引出孔、四个中阳极环引出端引出孔和四个小阳极环引出端引出孔，气体注入器安装孔孔径与气体注入器的固定段相同。

7.根据权利要求1或6所述的一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备，其特征在于：阳极夹具由夹紧耳、夹持臂、固定座和固定孔四部分构成；其中夹持臂用于夹持固定阳极底盘外缘，若加持力不足，则使用螺栓穿过两个夹持臂上的夹紧耳后旋上螺母进行夹紧，固定座上开有数个固定孔，固定孔的大小、位置、分布需要通过所选转台的开孔进行确定，需要两者匹配才能使用螺栓将阳极夹具固定在转台上。

8.根据权利要求1所述的一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备，其特征在于：阴极支架由阴极支架立板和阴极支架基板组成，阴极支架立板上开有阴极固定孔和阴极安装孔，开有一个槽形阴极安装孔用于通过空心阴极的接线和气路，开有两个槽形阴极固定孔用于空心阴极的固定，阴极支架基板上开有两个阴极支架固定孔，其直径和间距应当与阴极支架安装槽的直径和间距相同以保证安装。

9.一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备的装配方式，其特征在于：气体注入器的喇叭大头和阳极底盘的凹面同向安装，将气体注入器插入气体注入器安装孔中，在气体注入器的固定段插入气体注入器安装孔后并且阳极底盘底紧靠并气体分配段后，在阳极底盘底后方的气体注入器的固定段上使用螺母进行固定，在连接段连接外部气体供给管路后完成气体注入器的安装；同一阳极环的四个引出端应该同时穿过绝缘垫的四个阳极引出端引出孔，再同时穿过阳极底盘的阳极环引出端引出孔，随后使用螺母进行固定和电路接线，注意绝缘垫的“t”截面上端贴紧放电环与引出端连接的一侧，内绝缘凹槽和外绝缘凹槽一侧紧贴阳极底盘凹面的阳极底盘底。

10.一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备的测试方法，其特征在于：将阳极、动台和基座组装好后，在进行空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试时，需要先将待测试空心阴极通过阴极固定孔和阴极安装孔安装在阴极支架的阴极支架立板上，随后再使用螺母通过阴极支架基板的阴极支架固定孔和阴极支架安装端的阴极支架安装槽将阴极支架安装在基板上，根据空心阴极的长短调整螺母在阴极支架安装槽上的位置以保证空心阴极的出口距离线圈不远；空心阴极安装完成后应当按照所测试空心阴极的使用手册进行空心阴极的气路、电路配置和检查，随后进行阳极的气路、电路的配置和检查；在空心阴极正常点火工作后启动装置，装置会根据外部操作人员的指令完成阴阳极轴向距离、阴阳极径向距离、阴阳极偏心距、阴阳极轴线夹角、注入流量、阴极流量、磁场强度、阳极电流参数的变化，得到测试空心阴极在不同变化条件下的放电特性变化，获得测试空心阴极的多维度工作包络，实现空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试。

技术总结
本发明提出一种空心阴极在霍尔推力器环境下工作特性测试设备，其特征在于：该设备包括阳极、动台和基座；阳极是在阳极底盘上由大、中、小三个同面积不同尺寸的阳极环和气体注入器组成，在每个阳极环下方分别由对应的阳极绝缘垫；动台是由四个直线滑台和一个转台以及阳极夹具组成的多自由度动台，通过电机对阳极x、y、z和角度的调整实现阴极‑阳极之间轴向距离、径向距离、偏心距离和轴线夹角的变化，测试在以上阴极‑阳极配合参数的情况下空心阴极放电特性的变化；基座由基板、立板、阴极支架和励磁线圈组成，基板被立板分成两个部分，开槽一端用于安装阴极支架，另一端用于安装动台。

技术研发人员：王伟宗,柳然,刘伟,李亦非,李沛然,孔维一,张广川,汤海滨,苗鹏
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16