CN103835906B - 模块化的多级会切磁场等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

模块化的多级会切磁场等离子体推力器，涉及一种等离子体推力器，本发明为解决现有推力器结构复杂，成本昂贵，推力器尺寸不能针对不同的磁场位形调节，推力器限制磁场位形变化的问题。本发明包括螺栓连接板、多个模块化永磁铁、多个连接铝环、多个调节连接铝环、多个定位铝环、多个环形散热锥、多个导磁环、多个配合环、阳极通气器、陶瓷套筒、散热器、定位传热筒、支撑板、陶瓷盖板和阳极定位板；所述散热器从轴筒处向外辐射出多个散热支板；所述陶瓷套筒12为圆筒形腔体；模块化永磁铁为圆环形结构，多个模块化永磁铁沿连接铝环的轴向同轴叠加，两端分别固定一个螺栓连接板；每相邻的两个模块化永磁铁4的充磁方向相反。本发明用于推力器中。

Description

模块化的多级会切磁场等离子体推力器

技术领域

本发明涉及一种等离子体推力器。

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，因此需要针对不同的磁场位形做大量实验分析影响规律。在研究磁场位形对发动机工作状态的影响过程中，发动机的结构需要根据永磁铁组合的尺寸做到方便可调，同时尽量减化结构和减轻重量。

发明内容

本发明目的是为了解决现有推力器结构复杂、成本昂贵，推力器的尺寸不能针对不同的磁场位形调节，推力器限制磁场位形变化的问题，提供了一种模块化的多级会切磁场等离子体推力器。

本发明所述模块化的多级会切磁场等离子体推力器，它包括两个螺栓连接板、多个模块化永磁铁、多个连接铝环、多个调节连接铝环、多个定位铝环、多个环形散热锥、多个导磁环、多个配合环、阳极通气器、陶瓷套筒、散热器、定位传热筒、支撑板、陶瓷盖板和阳极定位板；

模块化永磁铁为圆环形结构，多个模块化永磁铁沿连接铝环的轴向同轴叠加，两端分别固定一个螺栓连接板；

模块化永磁铁的外径与定位铝环的内环面相配合，定位铝环的厚度与模块化永磁铁的厚度相同；

定位铝环的外环面与连接铝环的内环面相配合，连接铝环上设有六个环向均匀排列的通孔，每个通孔的尺寸相同；连接铝环的厚度与模块化永磁铁的厚度相同；

定位铝环的外环面与调节连接铝环的内环面相配合，调节连接铝环上设有六个环向均匀排列的通孔，每个通孔的尺寸相同；调节连接铝环的厚度为模块化永磁铁厚度的1/4；

调节连接铝环与连接铝环交替排列连接，调节连接铝环上的六个通孔与连接铝环上的六个通孔一一对应，同轴心配合；

两个螺栓连接板均为圆环形，顶部的螺栓连接板紧靠在连接铝环的上端圆面上，底部的螺栓连接板紧靠在连接铝环的下端圆面上；螺栓连接板的大半径上设有六个环向均匀排列的通孔，每个大半径通孔的尺寸和位置均与连接铝环上的通孔相同，且六个大半径通孔与连接铝环上的六个通孔一一对应，同轴心配合；螺栓连接板的小半径上设有六个环向均匀排列的螺纹孔，顶部的螺栓连接板的螺纹孔用于与陶瓷盖板上的通孔配合，底部的螺栓连接板的螺纹孔用于与支撑板上的通孔配合；

环形散热锥与连接铝环的内径相等，环形散热锥的内径与定位铝环的外环面相配合，且下端面与连接铝环的上端面相配合，上端面与顶部的螺栓连接板下端面相配合；环形散热锥上设有六个环向均匀排列的通孔，每个通孔的尺寸相同，环形散热锥上每个通孔与连接铝环上的每个通孔一一对应，同轴心配合；环形散热锥的厚度与模块化永磁铁的厚度相同；

陶瓷盖板为平面过渡圆锥形，平面上设有三个通孔，三个通孔分别与顶部螺栓连接板螺纹孔中的三个配合；

陶瓷套筒镶嵌在模块化永磁铁圆环的内部，陶瓷套筒穿过两个螺栓连接板的中心孔，顶部紧靠陶瓷盖板，底部与阳极通气器配合；

导磁环和配合环均夹装在两个模块化永磁铁之间，导磁环的内径与陶瓷套筒的外径配合，导磁环的外径与配合环的内径配合，配合环的外径与连接铝环的内径配合；

散热器的前端面和后端面上均设有三个螺纹孔，前端面的三个螺纹孔与支撑板通过螺栓连接配合，后端面的三个螺纹孔与阳极定位板通过螺栓连接配合；

定位传热筒的外径与散热器的内径相配合，定位传热筒的前端面上设有三个螺纹孔，通过螺栓与阳极配合连接，定位传热筒的后端面上设有三个螺纹孔，通过螺栓与阳极定位板连接。

本发明的有益效果是：通过改变模块化永磁铁的结构，从而产生多种不同的磁场位形，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、羽流区参数等，且本发明的推力器的尺寸能够针对不同的磁场进行位形调节，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，外壳设计充分考虑了模块化的设计思路，结构简单可靠，便于调节，相比生产多种不同尺寸外壳节约了大量材料加工成本，大幅度降低了成本。

附图说明

图1是本发明所述模块化的多级会切磁场等离子体推力器的装配剖面示意图；图2和图3是本发明所述模块化的多级会切磁场等离子体推力器的装配外形示意图；图4是本发明所述螺栓连接板的外形示意图；图5是本发明所述多个模块化永磁铁配合外形示意图；图6是本发明所述连接铝环的外形示意图；图7是本发明所述调节连接铝环的外形示意图；图8是本发明所述定位铝环的外形示意图；图9是本发明所述环形散热锥的外形示意图；图10是本发明所述导磁环的外形示意图；图11是本发明所述配合环的外形示意图；图12是本发明所述阳极通气器的外形示意图；图13是本发明所述陶瓷套筒的外形示意图；图14是本发明所述太阳花散热器的外形示意图；图15是本发明所述定位传热筒的外形示意图；图16是本发明所述支撑板的外形示意图；图17是本发明所述陶瓷盖板的外形示意图；图18是本发明所述阳极定位板的外形示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1-图17说明本实施方式，本实施方式所述模块化的多级会切磁场等离子体推力器，它包括两个螺栓连接板3、多个模块化永磁铁4、多个连接铝环5、多个调节连接铝环6、多个定位铝环7、多个环形散热锥8、多个导磁环9、多个配合环10、阳极通气器11、陶瓷套筒12、散热器13、定位传热筒14、支撑板15、陶瓷盖板16和阳极定位板17；

模块化永磁铁4为圆环形结构，多个模块化永磁铁4沿连接铝环5的轴向同轴叠加，两端分别固定一个螺栓连接板3；

模块化永磁铁4的外径与定位铝环7的内环面相配合，定位铝环7的厚度与模块化永磁铁4的厚度相同；

定位铝环7的外环面与连接铝环5的内环面相配合，连接铝环5上设有六个环向均匀排列的通孔，每个通孔的尺寸相同；连接铝环5的厚度与模块化永磁铁4的厚度相同；

定位铝环7的外环面与调节连接铝环6的内环面相配合，调节连接铝环6上设有六个环向均匀排列的通孔，每个通孔的尺寸相同；调节连接铝环6的厚度为模块化永磁铁4厚度的1/4；

调节连接铝环6与连接铝环5交替排列连接，调节连接铝环6上的六个通孔与连接铝环5上的六个通孔一一对应，同轴心配合；

两个螺栓连接板3均为圆环形，顶部的螺栓连接板3紧靠在连接铝环5的上端圆面上，底部的螺栓连接板3紧靠在连接铝环5的下端圆面上；螺栓连接板3的大半径上设有六个环向均匀排列的通孔，每个大半径通孔的尺寸和位置均与连接铝环5上的通孔相同，且六个大半径通孔与连接铝环5上的六个通孔一一对应，同轴心配合；螺栓连接板3的小半径上设有六个环向均匀排列的螺纹孔，顶部的螺栓连接板3的螺纹孔用于与陶瓷盖板16上的通孔配合，底部的螺栓连接板3的螺纹孔用于与支撑板15上的通孔配合；

环形散热锥8与连接铝环5的内径相等，环形散热锥8的内径与定位铝环7的外环面相配合，且下端面与连接铝环5的上端面相配合，上端面与顶部的螺栓连接板3下端面相配合；环形散热锥8上设有六个环向均匀排列的通孔，每个通孔的尺寸相同，环形散热锥8上每个通孔与连接铝环5上的每个通孔一一对应，同轴心配合；环形散热锥8的厚度与模块化永磁铁4的厚度相同；

陶瓷盖板16为平面过渡圆锥形，平面上设有三个通孔，三个通孔分别与顶部螺栓连接板3螺纹孔中的三个配合；

陶瓷套筒12镶嵌在模块化永磁铁4圆环的内部，陶瓷套筒12穿过两个螺栓连接板3的中心孔，顶部紧靠陶瓷盖板16，底部与阳极通气器11配合；

导磁环9和配合环10均夹装在两个模块化永磁铁4之间，导磁环9的内径与陶瓷套筒12的外径配合，导磁环9的外径与配合环10的内径配合，配合环10的外径与连接铝环5的内径配合；

散热器13的前端面和后端面上均设有三个螺纹孔，前端面的三个螺纹孔与支撑板15通过螺栓连接配合，后端面的三个螺纹孔与阳极定位板17通过螺栓连接配合；

定位传热筒14的外径与散热器13的内径相配合，定位传热筒14的前端面上设有三个螺纹孔，通过螺栓与阳极配合连接，定位传热筒14的后端面上设有三个螺纹孔，通过螺栓与阳极定位板17连接。

本实施方式中，定位传热筒14中心的空腔可以通过供气管路。

本实施方式中，所述的支撑板15上有多处打通孔，也有多处打螺纹孔。外圈通孔中通过贯穿发动机的长螺柱，中间圈通孔与螺栓连接板3之间通过螺栓连接，内圈通孔与散热器13之间通过螺栓连接，支撑板15的上方有螺纹孔，与阴极支架进行螺栓连接。支撑板15的中心大通孔中通过阳极通气器11、定位传热筒14及陶瓷套筒12等部件。

具体实施方式二：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述模块化永磁铁4均为沿连接铝环5的轴向充磁，每相邻的两个模块化永磁铁4的充磁方向相反。

具体实施方式三：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或实施方式二作进一步说明，所述模块化永磁铁4大于或等于3组且小于或等于20组。

具体实施方式四：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、实施方式二或实施方式三作进一步说明，所述模块化永磁铁4的内径为40mm，轴向厚度为8mm，外径的尺寸为：大于或等于64mm且小于或等于88mm。

具体实施方式五：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、实施方式二、实施方式三或实施方式四作进一步说明，所述模块化永磁铁4采用钐和钴按照2：17的比例制成。

具体实施方式六：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述连接铝环5的上端圆面上紧靠一个螺栓连接板3，连接铝环5的下端圆面上紧靠另一个螺栓连接板3，两个螺栓连接板3的安装方向相反，在内环面上没有倒角的一侧朝向连接铝环5。

具体实施方式七：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述陶瓷盖板16的三个通孔与顶部螺栓连接板3螺纹孔中的三个配合是通过短螺栓拧紧固定。

具体实施方式八：下面结合图14说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述散热器13从轴筒处向外辐射出多个散热支板。

具体实施方式九：下面结合图13说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述陶瓷套筒12为圆筒形腔体，陶瓷套筒12的外侧壁与圆筒形腔体之间留有的间隙大于0.5mm。

具体实施方式十：下面结合图13说明本实施方式，本实施方式对实施方式九作进一步说明，所述陶瓷套筒12的外侧壁尺寸为：大于30mm、小于或等于39mm，圆筒形腔体的侧壁和底壁的厚度相同，均为大于2mm且小于5mm。

具体实施方式十一：下面结合图13说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、实施方式九或实施方式十作进一步说明，所述陶瓷套筒12的轴向长度为150mm。

具体实施方式十二：下面结合图8说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述定位铝环7由铝或永磁铁制成。

具体实施方式十三：下面结合图10说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述导磁环9的轴向厚度为2mm，外径的尺寸为：大于或等于50mm且小于或等于88mm。

具体实施方式十四：下面结合图10说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述导磁环9采用纯铁制成。

具体实施方式十五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述连接铝环5、调节连接铝环6、定位铝环7、环形散热锥8、配合环10、阳极通气器11、太阳花散热器13、定位传热筒14和阳极定位板17均采用铝合金材料制成。

具体实施方式十六：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述陶瓷套筒12和陶瓷盖板16均采用氮化硼材料制成。

具体实施方式十六：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述两个螺栓连接板3、阳极通气器11和支撑板15均采用不锈钢材料制成。

本发明通过对不同数量不同尺寸的模块化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。

本发明所述的连接铝环根据模块化永磁铁的尺寸调整个数，发动机长度可以通过增减连接铝环的个数来实现，通过增减调节连接铝环的个数可以对发动机的长度进行小量调节。环形散热锥可以对导磁环处严重的受热进行有效散热。发动机的外壳通过螺栓将两个螺栓连接板之间的连接铝环、调节连接铝环、环形散热锥连起来，定位铝环和模块化永磁铁在连接铝环、调节连接铝环、环形散热锥内，两端由螺栓连接板紧固。当调节模块化永磁铁时，定位铝环的组合情况随之改变。

本发明的连接铝环、定位铝环、调节连接铝环、环形散热锥和模块化永磁铁都采用了模块化设计，固定结构简单可靠，根据不同的永磁铁组合尺寸要求，便于调整发动机长度。

Claims (8)

1.模块化的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，它包括两个螺栓连接板(3)、多个模块化永磁铁(4)、多个连接铝环(5)、多个调节连接铝环(6)、多个定位铝环(7)、多个环形散热锥(8)、多个导磁环(9)、多个配合环(10)、阳极通气器(11)、陶瓷套筒(12)、散热器(13)、定位传热筒(14)、支撑板(15)、陶瓷盖板(16)和阳极定位板(17)；

模块化永磁铁(4)为圆环形结构，多个模块化永磁铁(4)沿连接铝环(5)的轴向同轴叠加，两端分别固定一个螺栓连接板(3)；

模块化永磁铁(4)的外径与定位铝环(7)的内环面相配合，定位铝环(7)的厚度与模块化永磁铁(4)的厚度相同；

定位铝环(7)的外环面与连接铝环(5)的内环面相配合，连接铝环(5)上设有六个环向均匀排列的通孔，每个通孔的尺寸相同；连接铝环(5)的厚度与模块化永磁铁(4)的厚度相同；

定位铝环(7)的外环面与调节连接铝环(6)的内环面相配合，调节连接铝环(6)上设有六个环向均匀排列的通孔，每个通孔的尺寸相同；调节连接铝环(6)的厚度为模块化永磁铁(4)厚度的1/4；

调节连接铝环(6)与连接铝环(5)交替排列连接，调节连接铝环(6)上的六个通孔与连接铝环(5)上的六个通孔一一对应，同轴心配合；

两个螺栓连接板(3)均为圆环形，顶部的螺栓连接板(3)紧靠在连接铝环(5)的上端圆面上，底部的螺栓连接板(3)紧靠在连接铝环(5)的下端圆面上；螺栓连接板(3)的大半径上设有六个环向均匀排列的通孔，每个大半径通孔的尺寸和位置均与连接铝环(5)上的通孔相同，且六个大半径通孔与连接铝环(5)上的六个通孔一一对应，同轴心配合；螺栓连接板(3)的小半径上设有六个环向均匀排列的螺纹孔，顶部的螺栓连接板(3)的螺纹孔用于与陶瓷盖板(16)上的通孔配合，底部的螺栓连接板(3)的螺纹孔用于与支撑板(15)上的通孔配合；

环形散热锥(8)与连接铝环(5)的内径相等，环形散热锥(8)的内径与定位铝环(7)的外环面相配合，且下端面与连接铝环(5)的上端面相配合，上端面与顶部的螺栓连接板(3)下端面相配合；环形散热锥(8)上设有六个环向均匀排列的通孔，每个通孔的尺寸相同，环形散热锥(8)上每个通孔与连接铝环(5)上的每个通孔一一对应，同轴心配合；环形散热锥(8)的厚度与模块化永磁铁(4)的厚度相同；

陶瓷盖板(16)为平面过渡圆锥形，平面上设有三个通孔，三个通孔分别与顶部螺栓连接板(3)螺纹孔中的三个配合；

陶瓷套筒(12)镶嵌在模块化永磁铁(4)圆环的内部，陶瓷套筒(12)穿过两个螺栓连接板(3)的中心孔，顶部紧靠陶瓷盖板(16)，底部与阳极通气器(11)配合；

导磁环(9)和配合环(10)均夹装在两个模块化永磁铁(4)之间，导磁环(9)的内径与陶瓷套筒(12)的外径配合，导磁环(9)的外径与配合环(10)的内径配合，配合环(10)的外径与连接铝环(5)的内径配合；

散热器(13)的前端面和后端面上均设有三个螺纹孔，前端面的三个螺纹孔与支撑板(15)通过螺栓连接配合，后端面的三个螺纹孔与阳极定位板(17)通过螺栓连接配合；

定位传热筒(14)的外径与散热器(13)的内径相配合，定位传热筒(14)的前端面上设有三个螺纹孔，通过螺栓与阳极配合连接，定位传热筒(14)的后端面上设有三个螺纹孔，通过螺栓与阳极定位板(17)连接。

2.根据权利要求1所述模块化的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述模块化永磁铁(4)均为沿连接铝环(5)的轴向充磁，每相邻的两个模块化永磁铁(4)的充磁方向相反。

3.根据权利要求1所述模块化的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述模块化永磁铁(4)大于或等于3组且小于或等于20组。

4.根据权利要求1所述模块化的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述模块化永磁铁(4)的内径为40mm，轴向厚度为8mm，外径的尺寸为：大于或等于64mm且小于或等于88mm。

5.根据权利要求1所述模块化的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述连接铝环(5)的上端圆面上紧靠一个螺栓连接板(3)，连接铝环(5)的下端圆面上紧靠另一个螺栓连接板(3)，两个螺栓连接板(3)的安装方向相反，在内环面上没有倒角的一侧朝向连接铝环(5)。

6.根据权利要求1所述模块化的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述陶瓷套筒(12)为圆筒形腔体，陶瓷套筒(12)的外侧壁与圆筒形腔体之间留有的间隙大于0.5mm。

7.根据权利要求1或6所述模块化的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述陶瓷套筒(12)的轴向长度为150mm。

8.根据权利要求1所述模块化的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于，所述导磁环(9)的轴向厚度为2mm，外径的尺寸为：大于或等于50mm且小于或等于88mm。