CN103410694B - 一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器 - Google Patents
一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器 Download PDFInfo
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Abstract
一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器，涉及一种离子体推力器；为了解决现有推力器的磁场位形无法变化的问题，本发明所述外壳的前端为圆桶形结构，其后端为圆桶形结构沿轴向经线切割后得到的肋板阵列结构，顶部螺栓连接板套在外壳前端外侧，底部导磁板嵌入在外壳后端内部，外壳后端的肋条分别穿过所述底部螺栓连接板上的肋条通孔，多组永磁铁模块沿外壳的轴向紧密排列、位于外壳前端圆桶形结构的桶底和底部导磁板之间，底部螺栓连接板通过螺栓与顶部螺栓连接板固定连接，用于夹固多组永磁铁模块，配合陶瓷套筒嵌入在由多组永磁铁模块形成的腔体内；本发明主要应用在航天领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种离子体推力器。
背景技术
多级会切磁场等离子体推力器是以霍尔推力器为基础的目前国际涌现出的一类新型电推进概念。推力器放电通道壁面一般由陶瓷组成，由多级永磁铁包围，相邻的两个永磁铁极性相反。在通道的上游布置了阳极。工质通过供气管路喷入放电通道。在推力器出口外，安置了空心阴极，用于电离中性气体并中和通道喷出的离子。除磁尖端以外的大部分区域，磁场主要为平行于壁面，电子很难横越磁场与壁面接触；在磁尖端，电子由径向磁场产生的磁镜效应被有效地阻碍，避免与壁面的碰撞。因此在会切磁场的作用下电子被束缚沿磁力线做螺旋线运动，电子在两个磁尖端的高速往复运动增强了电离氙原子的能力。在此过程中电子会通过碰撞产生传导向阳极运动，并进入上一级，那里有更高的电压和氙原子密度。最终电子到达阳极，以形成放电回路。由电子电离氙原子产生的离子在轴向电场的作用下加速喷出，以产生推力。
通过这种多级设计，提高了推力器的电离率，并且使加速区和电离区分离，从而提高了效率。多级会切磁场等离子体推力器所采用的会切磁场位型能够最大限度地约束等离子体，避免等离子体对壁面的溅射侵蚀，保证了推力器具有很长的寿命。
现在多级会切磁场等离子体推进器的在提高电离率，控制等离子体加速方向，减小羽流发散角方面都是通过调节不同磁场位形从而改变通道内电子的运动和分布来实现，因此磁场位形是影响多级会切磁场等离子体推力器的电离率、推力、比冲、羽流发散角等性能参数的关键因素。由于通道内电子，氙原子和等离子体之间在电磁场的作用下进行的变化和运动等物理过程十分复杂，因此国际上尚未得到磁场对发动机性能参数影响的定量关系。
发明内容
本发明是为了解决现有推力器的磁场位形无法变化的问题，本发明提供了一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器。
一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器，它包括底部螺栓连接板、顶部螺栓连接板、外壳、多组永磁铁模块、多个定位环、多个环形导磁环、多个配合铝环、底部导磁板、阳极通气器、配合陶瓷套筒和T型导磁环；所述的外壳的轴向长度为X，
所述的外壳的前端为圆桶形结构，所述的外壳的前端的圆桶形结构的底部设有圆形入口，其后端为圆桶形结构沿轴向经线切割后得到的肋板阵列结构，所述的肋板阵列结构中的每根肋条形状相同，外壳的外壁带有一圈凸沿，所述凸沿位于前端和后端的交界处，顶部螺栓连接板为中心带有通孔的圆形板，所述的顶部螺栓连接板套在外壳前端外侧，且紧靠在外壳的凸沿上，
底部导磁板嵌入在外壳后端内部，所述的底部导磁板为圆形结构，所述的底部导磁板的外径小于或等于外壳的内径，
所述的多组永磁铁模块中的每组永磁铁模块为圆环状结构，多组永磁铁模块沿外壳的轴向紧密排列、位于外壳前端圆桶形结构的桶底和底部导磁板之间，相邻的两组永磁铁模块的充磁方向相同，所述的底部螺栓连接板为圆形板，该圆形板的中心带有阳极通孔，该圆形板上与每个肋条对应的位置均设置有肋条通孔，所述的外壳后端的肋条分别穿过所述底部螺栓连接板上的肋条通孔，并且底部螺栓连接板与底部导磁板紧密接触，所述的底部螺栓连接板通过螺栓与顶部螺栓连接板固定连接，用于夹固多组永磁铁模块，所述的定位环位于多组永磁铁模块与外壳之间，且其内壁与永磁铁模块外壁紧密接触，其外壁与外壳的内壁紧密接触；每相邻的两组永磁铁模块之间夹固有环形导磁环，每个环形导磁环和外壳之间均设置有配合铝环，且所述配合铝环的外壁与外壳的内壁紧密接触，所述配合铝环的内壁与环形导磁环的外壁紧密接触；所述的多组永磁铁模块的内壁、多个环形导磁环的内壁和底部导磁板形成圆桶形腔体；
所述的配合陶瓷套筒由底部配合陶瓷和顶部配合陶瓷组成，所述的顶部配合陶瓷为一端带有凸台外沿的圆筒结构，底部配合陶瓷为底部带有通孔的圆桶形结构，所述底部配合陶瓷开口侧嵌入在顶部配合陶瓷内，二者滑动配合，所述的顶部配合陶瓷的轴向长度为Y，底部配合陶瓷的轴向长度为Z，且Y与Z的和小于X；
所述的配合陶瓷套筒嵌入在圆桶形腔体内，且底部配合陶瓷的底部与底部导磁板固定连接，顶部配合陶瓷的凸台外沿与圆桶形腔体开口侧的外壳固定连接，且顶部配合陶瓷的凸台外沿和外壳前端底部的圆形入口之间夹固有T型导磁环；所述顶部配合陶瓷的外侧壁与圆桶形腔体的内侧壁之间留有均匀间隙，
所述的阳极通气器的阳极固定在底部配合陶瓷内的底部，且所述的阳极通气器的引出端依次穿过底部配合陶瓷底部的通孔、底部导磁板和底部螺栓连接板的阳极通孔引出到圆桶形腔体外侧，所述阳极通气器的引出端与底部螺栓连接板的阳极通孔之间设置有垫片。
本发明通过对不同数量不同尺寸的永磁铁进行搭配组合装配，就可以得到不同永磁铁组合产生的不同磁场位形。
本发明所述的外壳上有凸沿，在凸沿上安装有顶部螺栓连接板，通过调节顶部螺栓连接板与底部螺栓连接板之间的相对距离来改变外壳内部的多组永磁铁模块的内壁、多个环形导磁环的内壁和底部导磁板形成圆桶形腔体长度，顶部螺栓连接板和底部螺栓连接板之间相对距离通过调节上述两块螺栓连接板之间的螺栓长度来实现；为了保证永磁铁在外壳空腔中径向位置的相对固定，外壳后端设计有肋板阵列结构，外壳后端的肋条均穿过底部螺栓连接板，通过顶部螺栓连接板和底部螺栓连接板之间的螺栓的长度，可以使穿过底部螺栓连接板的肋条长度相应改变，当永磁铁组合的长度发生变化时，永磁铁产生的磁场位形发生相应改变。
本发明所述的配合陶瓷套筒由相互套合的底部配合陶瓷和顶部配合陶瓷两部分组成，从而可以改变配合陶瓷套筒配合的总长度。
本发明的有益效果是：通过改变永磁铁模块的结构，从而产生多种不同的磁场位形并对不同磁场位形下的同一推力器进行实验，可以探究不同磁场分布对推力器性能参数的影响规律，推力器性能参数包括电离率、等离子体加速方向、羽流发散角等参数，且本发明可以在探究磁场分布对推力器性能参数影响规律的实验过程中节约大量永磁铁材料和陶瓷材料，并采取了通用性外壳装配结构，相比生产多中不同尺寸外壳节约了大量加工成本。
附图说明
图1为本发明所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的装配剖面示意图。
图2为本发明所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的外形示意图。
图3为本发明所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的外壳的剖面示意图。
图4为本发明所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的外壳的外形示意图。
图5为本发明所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的底部螺栓连接板俯视结构示意图。
图6为本发明所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的底部螺栓连接板的透视图。
图7为本发明所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的配合陶瓷的剖面结构示意图。
图8为本发明所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的配合陶瓷的透视图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器，它包括底部螺栓连接板1、顶部螺栓连接板2、外壳3、多组永磁铁模块4、多个定位环5、多个环形导磁环6、多个配合铝环7、底部导磁板8、阳极通气器9、配合陶瓷套筒10和T型导磁环11；所述的外壳3的轴向长度为X，
所述的外壳3的前端为圆桶形结构，所述的外壳3的前端的圆桶形结构的底部设有圆形入口，其后端为圆桶形结构沿轴向经线切割后得到的肋板阵列结构，所述的肋板阵列结构中的每根肋条形状相同，外壳3的外壁带有一圈凸沿14，所述凸沿14位于前端和后端的交界处，顶部螺栓连接板2为中心带有通孔的圆形板，所述的顶部螺栓连接板2套在外壳3前端外侧，且紧靠在外壳3的凸沿14上，
底部导磁板8嵌入在外壳3后端内部，所述的底部导磁板8为圆形结构，所述的底部导磁板8的外径小于或等于外壳3的内径，
所述的多组永磁铁模块4中的每组永磁铁模块4为圆环状结构，多组永磁铁模块4沿外壳3的轴向紧密排列、位于外壳3前端圆桶形结构的桶底和底部导磁板8之间，相邻的两组永磁铁模块4的充磁方向相同，所述的底部螺栓连接板1为圆形板，该圆形板的中心带有阳极通孔，该圆形板上与每个肋条对应的位置均设置有肋条通孔，所述的外壳3后端的肋条分别穿过所述底部螺栓连接板1上的肋条通孔，并且底部螺栓连接板1与底部导磁板8紧密接触，所述的底部螺栓连接板1通过螺栓与顶部螺栓连接板2固定连接，用于夹固多组永磁铁模块4，所述的定位环5位于多组永磁铁模块4与外壳3之间，且其内壁与永磁铁模块4外壁紧密接触，其外壁与外壳3的内壁紧密接触；每相邻的两组永磁铁模块4之间夹固有环形导磁环6，每个环形导磁环6和外壳3之间均设置有配合铝环7，且所述配合铝环7的外壁与外壳3的内壁紧密接触，所述配合铝环7的内壁与环形导磁环6的外壁紧密接触；所述的多组永磁铁模块4的内壁、多个环形导磁环6的内壁和底部导磁板8形成圆桶形腔体；
所述的配合陶瓷套筒10由底部配合陶瓷12和顶部配合陶瓷13组成，所述的顶部配合陶瓷13为一端带有凸台外沿的圆筒结构，底部配合陶瓷12为底部带有通孔的圆桶形结构，所述底部配合陶瓷12开口侧嵌入在顶部配合陶瓷13内，二者滑动配合，所述的顶部配合陶瓷13的轴向长度为Y，底部配合陶瓷12的轴向长度为Z，且Y与Z的和小于X；
所述的配合陶瓷套筒10嵌入在圆桶形腔体内，且底部配合陶瓷12的底部与底部导磁板8固定连接，顶部配合陶瓷13的凸台外沿与圆桶形腔体开口侧的外壳固定连接，且顶部配合陶瓷13的凸台外沿和外壳3前端底部的圆形入口之间夹固有T型导磁环11；所述顶部配合陶瓷13的外侧壁与圆桶形腔体的内侧壁之间留有均匀间隙，
所述的阳极通气器9的阳极固定在底部配合陶瓷12内的底部，且所述的阳极通气器9的引出端依次穿过底部配合陶瓷12底部的通孔、底部导磁板8和底部螺栓连接板1的阳极通孔引出到圆桶形腔体外侧，所述阳极通气器9的引出端与底部螺栓连接板1的阳极通孔之间设置有垫片15。
本发明通过对不同数量不同尺寸的永磁铁进行搭配组合装配，就可以得到不同永磁铁组合产生的不同磁场位形。本发明的外壳和永磁铁模块的固定结构简单，并且便于调整永磁体的长度。
本实施方式中，通过调节顶部螺栓连接板2与底部螺栓连接板1之间的相对距离来改变外壳3内部的多组永磁铁模块4的内壁、多个环形导磁环6的内壁和底部导磁板8形成圆桶形腔体长度，顶部螺栓连接板2和底部螺栓连接板1之间相对距离通过调节上述两块螺栓连接板之间的螺栓长度来实现；为了保证永磁铁在外壳3空腔中径向位置的相对固定，外壳3后端设计有肋板阵列结构，外壳3后端的肋条均穿过底部螺栓连接板1，通过顶部螺栓连接板2和底部螺栓连接板1之间的螺栓的长度，可以使穿过底部螺栓连接板1的肋条长度相应改变，所述的T型导磁环11夹固在顶部配合陶瓷13的凸台外沿和外壳3前端的圆形入口之间，使顶部配合陶瓷13与外壳3配合。
具体实施方式二：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述每组永磁铁模块4由多个环形永磁铁同轴相互叠加组成，所述环形永磁铁均为沿外壳3的轴向充磁，每相邻的两个环形永磁铁的充磁方向相反。
具体实施方式三：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的顶部配合陶瓷13的外侧壁与圆桶形腔体的内侧壁之间留有的均匀间隙大于0.5mm。
具体实施方式四：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二或三所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的永磁铁模块4的组数大于或等于3组。
具体实施方式五：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的底部配合陶瓷12的侧壁和底壁的厚度均为K，并且K的范围为大于0.5mm小于1.5mm。
具体实施方式六：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的定位环5为由永磁铁或铝制成。
具体实施方式七：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的永磁铁模块4的内径为40mm、轴向厚度为8mm、外径的范围为大于或等于64mm小于或等于88mm。
具体实施方式八：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的永磁铁模块4的组数小于或等于10组。
具体实施方式九：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的底部配合陶瓷12的轴向长度Z为67mm，顶部配合陶瓷13的轴向长度Y为66mm。
具体实施方式十：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种磁场位形可调的等离子体推力器的区别在于，所述的外壳3的内壁设有定位引线用的凹槽。
具体实施方式十一：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的环形导磁环6的轴向厚度为2mm、外径的范围为大于或等于50mm小于或等于88mm。
具体实施方式十二：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的外壳3的外壁的凸沿的轴向高度为大于或等于10mm小于或等于12mm，径向厚度为大于或等于10mm小于或等于12mm。
具体实施方式十三：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式九所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的顶部配合陶瓷13的外径大于20mm小于或等于39mm。
具体实施方式十四：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的永磁铁采用钐和钴的比例为2：17的材料制成。
具体实施方式十五：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的环形导磁环6和阳极通气器9均采用采用纯铁制成。
具体实施方式十六：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的配合铝环7和外壳3均采用铝合金材料制成。
具体实施方式十七：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的配合陶瓷10采用氮化硼材料制成。
具体实施方式十八：参见图1至图8说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器的区别在于，所述的底部螺栓连接板1和顶部螺栓连接板2均采用不锈钢材料制成。
Claims (10)
1.一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，它包括底部螺栓连接板(1)、顶部螺栓连接板(2)、外壳(3)、多组永磁铁模块(4)、多个定位环(5)、多个环形导磁环(6)、多个配合铝环(7)、底部导磁板(8)、阳极通气器9、配合陶瓷套筒(10)和T型导磁环(11)；所述的外壳(3)的轴向长度为X，
所述的外壳(3)的前端为圆桶形结构，所述的外壳(3)的前端的圆桶形结构的底部设有圆形入口，其后端为圆桶形结构沿轴向经线切割后得到的肋板阵列结构，所述的肋板阵列结构中的每根肋条形状相同，外壳(3)的外壁带有一圈凸沿(14)，所述凸沿(14)位于前端和后端的交界处，顶部螺栓连接板(2)为中心带有通孔的圆形板，所述的顶部螺栓连接板(2)套在外壳(3)前端外侧，且紧靠在外壳(3)的凸沿(14)上，
底部导磁板(8)嵌入在外壳(3)后端内部，所述的底部导磁板(8)为圆形结构，所述的底部导磁板(8)的外径小于或等于外壳(3)的内径，
所述的多组永磁铁模块(4)中的每组永磁铁模块(4)为圆环状结构，多组永磁铁模块(4)沿外壳(3)的轴向紧密排列、位于外壳(3)前端圆桶形结构的桶底和底部导磁板(8)之间，相邻的两组永磁铁模块(4)的充磁方向相同，所述的底部螺栓连接板(1)为圆形板，该圆形板的中心带有阳极通孔，该圆形板上与每个肋条对应的位置均设置有肋条通孔，所述的外壳(3)后端的肋条分别穿过所述底部螺栓连接板(1)上的肋条通孔，并且底部螺栓连接板(1)与底部导磁板(8)紧密接触，所述的底部螺栓连接板(1)通过螺栓与顶部螺栓连接板(2)固定连接，用于夹固多组永磁铁模块(4)，所述的定位环(5)位于多组永磁铁模块(4)与外壳(3)之间，且其内壁与永磁铁模块(4)外壁紧密接触，其外壁与外壳(3)的内壁紧密接触；每相邻的两组永磁铁模块(4)之间夹固有环形导磁环(6)，每个环形导磁环(6)和外壳(3)之间均设置有配合铝环(7)，且所述配合铝环(7)的外壁与外壳(3)的内壁紧密接触，所述配合铝环(7)的内壁与环形导磁环(6)的外壁紧密接触；所述的多组永磁铁模块(4)的内壁、多个环形导磁环(6)的内壁和底部导磁板(8)形成圆桶形腔体；
所述的配合陶瓷套筒(10)由底部配合陶瓷(12)和顶部配合陶瓷(13)组成，所述的顶部配合陶瓷(13)为一端带有凸台外沿的圆筒结构，底部配合陶瓷(12)为底部带有通孔的圆桶形结构，所述底部配合陶瓷(12)开口侧嵌入在顶部配合陶瓷(13)内，二者滑动配合，所述的顶部配合陶瓷(13)的轴向长度为Y，底部配合陶瓷(12)的轴向长度为Z，且Y与Z的和小于X；
所述的配合陶瓷套筒(10)嵌入在圆桶形腔体内，且底部配合陶瓷(12)的底部与底部导磁板(8)固定连接，顶部配合陶瓷(13)的凸台外沿与圆桶形腔体开口侧的外壳固定连接，且顶部配合陶瓷(13)的凸台外沿和外壳(3)前端底部的圆形入口之间夹固有T型导磁环(11)；所述顶部配合陶瓷(13)的外侧壁与圆桶形腔体的内侧壁之间留有均匀间隙，
所述的阳极通气器(9)的阳极固定在底部配合陶瓷(12)内的底部，且所述的阳极通气器(9)的引出端依次穿过底部配合陶瓷(12)底部的通孔、底部导磁板(8)和底部螺栓连接板(1)的阳极通孔引出到圆桶形腔体外侧，所述阳极通气器(9)的引出端与底部螺栓连接板(1)的阳极通孔之间设置有垫片(15)。
2.根据权利要求1所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述每组永磁铁模块(4)由多个环形永磁铁同轴相互叠加组成，所述环形永磁铁均为沿外壳(3)的轴向充磁，每相邻的两个环形永磁铁的充磁方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述的顶部配合陶瓷(13)的外侧壁与圆桶形腔体的内侧壁之间留有的均匀间隙大于0.5mm。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述的永磁铁模块(4)的组数大于或等于3组。
5.根据权利要求1或2所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述的底部配合陶瓷(12)的侧壁和底壁的厚度均为K，并且K的范围为大于0.5mm小于1.5mm。
6.根据权利要求1或2所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述的定位环(5)为由永磁铁或铝制成。
7.根据权利要求1或2所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述的永磁铁模块(4)的内径为40mm、轴向厚度为8mm、外径的范围为大于或等于64mm小于或等于88mm。
8.根据权利要求4所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述的永磁铁模块4的组数小于或等于10组。
9.根据权利要求2所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述的底部配合陶瓷(12)的轴向长度Z为67mm，顶部配合陶瓷(13)的轴向长度Y为66mm。
10.根据权利要求1所述的一种磁场位形可调的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述的外壳(3)的内壁设有定位引线用的凹槽。
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