CN104033346A - 一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器，它涉及一种电推力器，以解决现有推力器的磁场位形和磁镜尖端位置不能根据放电通道截面的变化做到方便可调，磁镜尖端处的磁分界面角度不易调节，以及进行变截面实验的钐钴永磁铁材料加工周期长、价格昂贵的问题，它包括陶瓷套筒、发动机外壳和四块永磁铁，永磁铁为圆环形永磁铁，四块永磁铁由上至下依次设置，四块永磁铁的中部布置有陶瓷套筒，陶瓷套筒的大直径端口朝上，四块永磁铁通过发动机壳体卡装在一起，它还包括五个导磁环和五个不导磁的配合环；五个导磁环分别是第一导磁环、第二导磁环、第三导磁环、第四导磁环和第五导磁环。本发明应用在航天领域。

Description

一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器

技术领域

本发明涉及一种电推力器，具体涉及一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器。

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发展的一种新型电推力器。该推力器由多级反向的环形永磁铁组合形成会切磁场，在中央的放电通道区域的***是陶瓷套筒。电子由通道出口的空心阴极发射出，在电场的作用下在向通道上游的阳极运动，由于会切磁场尖端的磁镜效应，电子被有效的屏蔽，不会碰撞陶瓷壁面，电子被通道中的磁场约束，在两个磁尖端之间高速往复运动。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。电子可以电离从通道上游供气管喷入的氙原子，被电离的氙离子在电场作用下加速喷出推力器，产生推力。空心阴极发射的电子也用于中和加速过的氙离子。

这种多级反向永磁铁组合设计使原子电离区和加速区分离，提高了电离率和发动机效率。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。

磁场位形的不同能够改变通道内电子的运动和分布，这是影响多级会切磁场等离子体推进器的电离率，等离子体加速方向，羽流发散角方面的重要因素，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。同时由于通道内电子，氙原子和等离子体之间在放电通道中电场和磁场的作用下进行的变化和运动等物理过程十分复杂，在国际上尚未得到通道截面变化和磁场位形对发动机性能参数影响的定量关系，因此，需要针对不同的通道截面变化和磁场位形进行大量实验分析其影响规律。在研究通道截面变化和磁场位形对发动机工作状态的影响过程中，发动机的放电通道结构需要根据数值模拟计算结果的要求做到方便可调，同时尽量减化结构和减轻重量，并做好永磁铁区的隔热措施。

发明内容

本发明是为解决现有推力器的磁场位形和磁镜尖端位置不能根据放电通道截面的变化做到方便可调，磁镜尖端处的磁分界面角度不易调节，以及进行变截面实验的钐钴永磁铁材料加工周期长、价格昂贵的问题，进而提供一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器包括陶瓷套筒、发动机外壳和四块永磁铁，永磁铁为圆环形永磁铁，四块永磁铁由上至下依次设置，四块永磁铁的中部布置有陶瓷套筒，陶瓷套筒的大直径端口朝上，四块永磁铁通过发动机壳体卡装在一起；

它还包括五个导磁环和五个不导磁的配合环；五个导磁环分别是第一导磁环、第二导磁环、第三导磁环、第四导磁环和第五导磁环，第一导磁环和第五导磁环均为圆环形结构，第二导磁环、第三导磁环和第四导磁环结构相同，第二导磁环、第三导磁环和第四导磁环均由圆环体和锥形体一体制成，锥形体的大直径端安装在圆环体的内环面上；

五个不导磁的配合环的内环面分别与五个导磁环的外环面配合设置在一起构成引导结构；

最上端的永磁铁与发动机壳体之间夹装有第一导磁环和不导磁的配合环，最下端的永磁铁与发动机壳体之间夹装有第五导磁环和不导磁的配合环；由上至下相邻两个永磁铁之间顺次夹装有第二导磁环和不导磁的配合环、第三导磁环和不导磁的配合环及第四导磁环和不导磁的配合环；

第一导磁环、第二导磁环、第三导磁环、第四导磁环和第五导磁环的圆环体的外环面各自与相对应的不导磁的配合环的内环面配合设置并对接为一体，第二导磁环的锥形体的开口、第三导磁环的锥形体的开口、第四导磁环的锥形体的开口依次套装在陶瓷套筒的大直径端、陶瓷套筒的中部及陶瓷套筒的小直径端，且第二导磁环和第三导磁环的锥形体的母线斜向上设置，第四导磁铁的锥形体的母线斜向下设置，第一导磁环的内环面套装在第二导磁环的锥形体上，第五导磁环的内环面套装在第四导磁环的锥形体上。

本发明的有益效果是：本发明结构简单，设计合理，为了研究放电通道截面的变化对发动机性能的影响，当陶瓷通道截面需要变化时，需要保持磁镜尖端处紧贴着陶瓷外壁面，在保持永磁铁的尺寸不变的条件下，改变导磁环的尺寸，可以将磁镜尖端转移到导磁环的内环面处，方便调节；改变五个导磁环内环面的锥面高度，可以将磁镜尖端转移到两面的磁场强度梯度等值相反的轴向位置，此时尖端处的磁分界面角度可以被减小到近于或小于0，可以使等离子体更有效的被尖端处电子形成的空间电场加速，出口磁镜尖端处的磁场被削弱，电子能够更容易的进入发动机的放电通道，推力器的工作状态会更稳定；采用五个导磁环能够将陶瓷通道壁面和永磁铁更有效的隔离，因此，陶瓷通道内壁面受等离子体轰击产生的热量更不容易传至永磁铁区域，能够有效避免永磁铁的温度上升到居里温度以上而导致的磁性减弱，金属材料的不导磁配合环能够将导磁环上沉积的热量传导至发动机外壳上，在研究通道截面变化对发动机性能的影响时，相对于改变不同的永磁铁尺寸，该发明能够大大减少材料及其加工成本，加工成本降低了45％～55％，进而缩短了钐钴永磁铁的加工周期，加工周期缩短了95％以上，甚至不需要改变钐钴永磁铁的尺寸，本发明结构简单，易于调节。

附图说明

图1为本发明的具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器整体结构剖面图，图2为本发明具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器整体结构示意图，图3为第一导磁环的整体结构示意图，图4为第二导磁环的整体结构示意图，图5为第三导磁环的整体结构示意图，图6为第四导磁环的整体结构示意图，图7为第五导磁环的整体结构示意图，图8为不导磁的配合环的整体结构示意图，图9为现有多级会切磁场等离子体推力器没有加入通道磁场引导结构的磁场位形示意图(磁分界面13和磁镜尖端14)，图10为本发明具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器的磁场位形示意图(磁分界面13和磁镜尖端14)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图8说明，本实施方式的一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器包括陶瓷套筒10、发动机外壳5和四块永磁铁3，永磁铁3为圆环形永磁铁，四块永磁铁3由上至下依次设置，四块永磁铁3的中部布置有陶瓷套筒10，陶瓷套筒10的大直径端口朝上，四块永磁铁3通过发动机壳体5卡装在一起；

它还包括五个导磁环和五个不导磁的配合环2；五个导磁环分别是第一导磁环1、第二导磁环4、第三导磁环6、第四导磁环7和第五导磁环8，第一导磁环1和第五导磁环8均为圆环形结构，第二导磁环4、第三导磁环6和第四导磁环7结构相同，第二导磁环4、第三导磁环6和第四导磁环7均由圆环体12和锥形体11一体制成，锥形体11的大直径端安装在圆环体12的内环面上；

五个不导磁的配合环2的内环面分别与五个导磁环的外环面配合设置在一起构成引导结构；

最上端的永磁铁3与发动机壳体5之间夹装有第一导磁环1和不导磁的配合环2，最下端的永磁铁3与发动机壳体5之间夹装有第五导磁环8和不导磁的配合环2；由上至下相邻两个永磁铁3之间顺次夹装有第二导磁环4和不导磁的配合环2、第三导磁环6和不导磁的配合环2及第四导磁环7和不导磁的配合环2；

第一导磁环1、第二导磁环4、第三导磁环6、第四导磁环7和第五导磁环8的圆环体12的外环面各自与相对应的不导磁的配合环2的内环面配合设置并对接为一体，第二导磁环4的锥形体的开口、第三导磁环6的锥形体的开口、第四导磁环7的锥形体的开口依次套装在陶瓷套筒10的大直径端、陶瓷套筒10的中部及陶瓷套筒10的小直径端，且第二导磁环4和第三导磁环6的锥形体的母线斜向上设置，第四导磁铁7的锥形体的母线斜向下设置，第一导磁环1的内环面套装在第二导磁环4的锥形体上，第五导磁环8的内环面套装在第四导磁环7的锥形体上。

具体实施方式二：结合图1-图7说明，本实施方式所述五个导磁环均由纯铁材料制成。如此设置，廉价易得，有利于热量的传导。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1-图7说明，本实施方式所述五个不导磁的配合环2均由铝合金材料制成。如此设置，能够将导磁环上沉积的热量传导至发动机外壳上，有利于热量的散失。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1-图7说明，本实施方式的五个不导磁的配合环2的内环面设有台阶。如此设置，连接使用方便，结构稳定，满足设计要求。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1说明，本实施方式的第三导磁环6的锥形体的任意一条母线与水平面之间的夹角小于第二导磁环4的锥形体的任意一条母线与水平面之间的夹角。如此设置，更加可以针对不同的通道截面的变化情况将磁镜尖端转移到合适位置，可以方便的改变调节磁分界面的角度，方便调节，可以使等离子体更有效的被尖端处电子形成的空间电场加速；出口磁镜尖端处的磁场被削弱，电子能够更容易的进入发动机的放电通道，推力器的工作状态会更稳定；其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明，本实施方式的第二导磁环4的锥形体的任意一条母线与水平面之间的夹角小于第四导磁环7的锥形体的任意一条母线与水平面之间的夹角。如此设置，更加可以针对不同的通道截面的变化情况将磁镜尖端转移到合适位置，可以方便的改变调节磁分界面的角度，方便调节，可以使等离子体更有效的被尖端处电子形成的空间电场加速；出口磁镜尖端处的磁场被削弱，电子能够更容易的进入发动机的放电通道，推力器的工作状态会更稳定；其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1说明，本实施方式的不导磁的配合环2的厚度为2mm。如此设置，减少材料和加工成本，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一、二、四或六相同。

具体实施方式八：结合图1说明，本实施方式的五个导磁环的锥形体12的厚度均为2mm。如此设置，减少材料和加工成本，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式七相同。

实施例：结合图1-图10说明，本实施例的通道出口处(阳极和供气管9)和通道最上游处的导磁环为圆环形结构，内径与永磁铁内径相同，宽度约为永磁铁宽度的一半，外径为阶梯式结构，与不导磁的配合环的内环面的阶梯式结构接触配合，厚度为2mm，不导磁的配合环的一个端面与发动机外壳内端面接触配合，另一个端面和永磁铁的端面接触配合；

其余三个磁镜尖端处的导磁环的内环面有锥形突起，锥形面的厚度为2mm，锥形面的高度根据具体磁场位形分布确定，锥形面的内环面与陶瓷套筒的外壁面接触配合；

其余三个磁镜尖端处的导磁环的外环面为阶梯式结构，宽度约为永磁铁宽度的一半，与不导磁的配合环的内环面的阶梯式结构接触配合，厚度为2mm，两个端面分别与反向的圆环形永磁铁接触配合；

不导磁的配合环为圆环形结构，内环面为阶梯式，并与导磁环配合，外环面为圆柱式，并与推力器的外壳的内壁面配合。

本实施例的推力器的磁场位形示意图如图10所示，可根据放电通道截面的变化做到方便可调，磁镜尖端处的磁分界面角度得到有效调节，变截面实验的钐钴永磁铁材料加工周期可大幅度缩短。

Claims (8)

1.一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器，它包括陶瓷套筒(10)、发动机外壳(5)和四块永磁铁(3)，永磁铁(3)为圆环形永磁铁，四块永磁铁(3)由上至下依次设置，四块永磁铁(3)的中部布置有陶瓷套筒(10)，陶瓷套筒(10)的大直径端口朝上，四块永磁铁(3)通过发动机壳体(5)卡装在一起；

其特征在于：它还包括五个导磁环和五个不导磁的配合环(2)；五个导磁环分别是第一导磁环(1)、第二导磁环(4)、第三导磁环(6)、第四导磁环(7)和第五导磁环(8)，第一导磁环(1)和第五导磁环(8)均为圆环形结构，第二导磁环(4)、第三导磁环(6)和第四导磁环(7)结构相同，第二导磁环(4)、第三导磁环(6)和第四导磁环(7)均由圆环体(12)和锥形体(11)一体制成，锥形体(11)的大直径端安装在圆环体(12)的内环面上；

五个不导磁的配合环(2)的内环面分别与五个导磁环的外环面配合设置在一起构成引导结构；

最上端的永磁铁(3)与发动机壳体(5)之间夹装有第一导磁环(1)和不导磁的配合环(2)，最下端的永磁铁(3)与发动机壳体(5)之间夹装有第五导磁环(8)和不导磁的配合环(2)；由上至下相邻两个永磁铁(3)之间顺次夹装有第二导磁环(4)和不导磁的配合环(2)、第三导磁环(6)和不导磁的配合环(2)及第四导磁环(7)和不导磁的配合环(2)；

第一导磁环(1)、第二导磁环(4)、第三导磁环(6)、第四导磁环(7)和第五导磁环(8)的圆环体(12)的外环面各自与相对应的不导磁的配合环(2)的内环面配合设置并对接为一体，第二导磁环(4)的锥形体的开口、第三导磁环(6)的锥形体的开口、第四导磁环(7)的锥形体的开口依次套装在陶瓷套筒(10)的大直径端、陶瓷套筒(10)的中部及陶瓷套筒(10)的小直径端，且第二导磁环(4)和第三导磁环(6)的锥形体的母线斜向上设置，第四导磁铁(7)的锥形体的母线斜向下设置，第一导磁环(1)的内环面套装在第二导磁环(4)的锥形体上，第五导磁环(8)的内环面套装在第四导磁环(7)的锥形体上。

2.根据权利要求1所述的一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于：所述五个导磁环均由纯铁材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于：所述五个不导磁的配合环(2)均由铝合金材料制成。

4.根据权利要求3所述的一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于：五个不导磁的配合环(2)的内环面设有台阶。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于：第三导磁环(6)的锥形体的任意一条母线与水平面之间的夹角小于第二导磁环(4)的锥形体的任意一条母线与水平面之间的夹角。

6.根据权利要求5所述的一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于：第二导磁环(4)的锥形体的任意一条母线与水平面之间的夹角小于第四导磁环(7)的锥形体的任意一条母线与水平面之间的夹角。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于：不导磁的配合环(2)的厚度为2mm。

8.根据权利要求7所述的一种具有通道磁场引导结构的多级会切磁场等离子体推力器，其特征在于：五个导磁环的锥形体(12)的厚度均为2mm。