CN104675650A - 一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极 - Google Patents

Abstract

一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，本发明涉及一种会切磁场等离子体推力器。本发明是为了解决现有会切磁场推力器由于阳极过热而导致的永磁铁退磁和推力器寿命降低等问题，并通过提高推力器电离率从而进一步地提高推力器性能，提出了一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极。一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，它包括气体分配器、缓冲腔和陶瓷套筒三部分；所述供气件包括导管和腔室两部分。所述的气体分配器包括供气件与分配器底板。本发明应用于会切磁场等离子体推力器领域。

Description

一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极

技术领域

本发明涉及一种会切磁场等离子体推力器。

背景技术

会切磁场等离子体推力器以其比冲高、寿命长、推力范围广等优势而逐渐受到航天界的青睐，它由阳极、阴极、陶瓷通道、永磁铁等组成，其中相邻两永磁铁极性相反以产生会切磁场。通道上游布置阳极，出口放置阴极，从而在通道内部形成了轴向电场。在上述电磁场作用下，阴极释放的电子沿磁力线进入陶瓷放电通道内部，并与从阳极进入的气体工质相遇发生碰撞电离，电子通过碰撞传导最终到达阳极，而中性原子被电离后产生的离子在轴向电场作用下加速喷出形成推力，并最终被阴极排放的电子中和。

会切磁场推力器通过磁尖端处的磁镜效应和尖端以外平行于壁面的磁力线来约束电子，这大大降低了电子对陶瓷放电通道壁面的腐蚀，但是，这也意味着大量电子最终都聚集到了阳极，高能电子大量冲击在阳极上势必造成阳极腐蚀和温度过高，引起阳极寿命降低。而且阳极热量会向推力器其余部位传导，这会引起耐温最低的永磁铁出现高温退磁。由于太空中散热多以辐射为主，加强阳极冷却会造成推力器整体结构的复杂化和重量增大，然而，合理设计阳极结构是解决该问题有效方法之一。

经过实验验证，阳极的设计对推力器的推力、效率等工作性能影响也很大。传统的阳极都仅为放电通道提供阳极电位，但这对推力器性能的提高并没有较大贡献。电离率是影响推力器性能的一个重要因素之一，通过阳极设计来提高推力器电离率也是比较理想的措施之一。

因此，目前关于会切磁场推力器的阳极设计尚有很多不足，通过设计新的阳极结构来有效加强推力器阳极的热防护和提高推力器性能是很有必要的。

发明内容

本发明是为了解决现有会切磁场推力器由于阳极过热而导致的永磁铁退磁和推力器寿命降低等问题，并通过提高推力器电离率从而进一步地提高推力器性能，提出了一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极。

一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，它包括气体分配器、缓冲腔和陶瓷套筒三部分；

所述的气体分配器包括供气件与分配器底板；

所述供气件包括导管和腔室两部分，所述腔室一侧与导管相连通，所述缓冲腔另一底面中心开孔并通向放电通道内部，所述分配器底板与腔室的凸台实现过渡配合；；

所述陶瓷套筒将腔室和缓冲腔整体包裹，陶瓷套筒的内壁面与腔室和缓冲腔外壁面的配合为过渡配合，所述陶瓷套筒在缓冲腔开孔的同样位置处开有同样大小的孔。

工作原理：

所述的气体分配器，一侧为供气件，供气件的导管连接外部的供气***为放电通道提供气体，同时该导管材料为金属，可向放电通道内部导电引入外界高电压；另一侧为开有很多小孔的分配器底板，这些小孔周向均匀分布，以实现均化气体的功能，同时，该底板有阻碍等离子体向供气***扩散的效果，避免因等离子体震荡引起供气***的不稳定。

所述的缓冲腔一底面与气体分配器连接，另一底面开孔面向放电通道内部。该缓冲腔材料为导磁材料，以屏蔽外界强磁场，使进入空腔内部的电子不受磁场影响，从而均化电子电流，使电子充分电离整个空腔内部的气体，增大电离率。该孔孔径大小应适宜，需根据实际通道尺寸确定。孔径如果较大，缓冲腔内气体原子密度不能得到较大提升，原子对高能电子的阻碍将削弱，电离率也会有一定程度的降低。但孔径如果过小，显然的大部分电子也将轰击在缓冲腔外部，引起缓冲腔局部温度过高，同样达不到阳极热防护的效果。

所述的陶瓷套筒起到了绝缘效果，使得放电通道中的电子不能从空心阳极的外壁得以传导，只能通过缓冲腔的底孔进入空心阳极内部接触到高电位从而被注销，这样便完成了电子传导的整个过程。这是实现上述工作原理的前提以及重要保障。

本发明带来的有益效果是：

对阳极寿命的提高：由于缓冲腔的作用，在近阳极区形成了一个高原子密度区，大量高能电子在抵达阳极前首先与中性原子碰撞，碰撞后电子内能下降，对阳极的轰击和腐蚀降低，这使得阳极温度降低了40％，从而大大延长了阳极寿命，寿命提高超过60％。

对电离率的提高：缓冲腔所形成的高密度原子，在阻碍高能电子与阳极发生碰撞的同时，也将被电子所电离，由于此处的电子能量和密度都较高，使得此处电离率要远大于放电通道其余部位的电离率，从而使得整个推力器的电离率提高了10％。

对推力器性能参数的提高：原本大量高能电子与阳极碰撞，将产生大部分热量，这部分热量将会通过热传导和热辐射而消耗在外太空，但采用空心阳极后，这部分能量被转化为通道内中性原子的电离能，使得电子能量得以充分利用，最终使得推力器的效率提高了8％，推力和比冲均提高了15％。

对推力器工作稳定性与可靠性的提高：由于阳极温度的降低，使得推力器最薄弱部位即永磁铁接受到阳极的热传导量降低，永磁铁温度降低了15％，增大了安全工作裕度30％，使其在更安全可靠的温度范围内工作，保证了推力器的工作稳定性与可靠性，并提高了推力器寿命40％。

附图说明

图1为本发明空心阳极的剖视图；

图2为本发明空心阳极的整体结构图；

图3为具体实施方式一中空心阳极气体分配器的剖视图；

图4为具体实施方式六中空心阳极分配器底板结构图；

图5为具体实施方式一中空心阳极缓冲腔结构图；

图6为具体实施方式一中陶瓷套筒结构图；

图7为具体实施方式八中空心阳极与放电通道的配合图；其中，A为空心阳极，B为放电通道；

图8(a)为具体实施方式一中缓冲腔采用导磁材料空心阳极的磁场位形图；

图8(b)为具体实施方式一中缓冲腔采用非导磁材料空心阳极的磁场位形图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，其特征在于它包括气体分配器1、缓冲腔2和陶瓷套筒3三部分；

所述的气体分配器1包括供气件1-1与分配器底板1-2；

所述供气件1-1包括导管1-1-1和腔室1-1-2两部分，所述腔室1-1-2一侧与导管1-1-1相连通，所述腔室1-1-2另一侧与缓冲腔2一底面相连通，所述缓冲腔2另一底面中心开孔并通向放电通道内部，所述分配器底板1-2与腔室1-1-2的凸台实现过渡配合；

图6所示，所述陶瓷套筒3将腔室1-1-2和缓冲腔2整体包围，以实现电子只能通过缓冲腔2的底孔进入到阳极内部从而完成整个电子传导过程，陶瓷套筒3的内壁面与腔室1-1-2和缓冲腔2外壁面的配合为过渡配合，所述陶瓷套筒3在缓冲腔2开孔的同样位置处开有同样大小的孔。

缓冲腔2具体尺寸需根据具体放电通道的空间尺寸来定，放电通道内径改变时，可通过相似准则来确定各空心阳极部分的具体尺寸。

图3中，气体分配器的供气件1不宜过长，因为该导管自身带高电位，长度较大绝缘工作将会复杂化，而且气体工质在较长的高电位管路中可能会预先电离致使气体流量计工作不稳定，引发推力器推力震荡等现象。

空心阳极的缓冲腔2，底面开孔的孔径大小应适宜，可设定为放电通道直径的1/5。孔径如果较大，会降低有益效果。孔径较小，缓冲腔局部温度过高，同样达不到阳极热防护的效果。对于放电通道内径为40mm的会切磁场推力器而言，该孔径可设计为8mm。

空心阳极可先通过车床加工制作出供气件1-1，再加工出一个与之配合的打有很多周向均匀小孔的分配器底板1-2，两者焊接即可得空心阳极的气体分配器1。对于缓冲腔2，可通过车床加工出一个无盖空腔圆柱体，在一底面上按照要求孔径打孔，通过焊接将缓冲腔4的无底面一端与气体分配器1的底板一侧相连，即得整个空心阳极。空心阳极需置于放电通道的中心处，以使大部分电子沿磁力线较易的进入阳极空腔。

空心阳极置于放电通道的中心处。

参考图5说明本实施方式，空心阳极的缓冲腔2，不仅具有良好的导电性，同时也具有较好的导磁性，如图8(a)～8(b)所示，为导磁的缓冲腔和不导磁的缓冲腔分别通过FEMM软件模拟得到的磁场位形对比图。可以看到，导磁的缓冲腔可以有效屏蔽外界强磁场对缓冲腔腔内部的影响，缓冲腔内的磁场强度几乎为零，这更利于电子在缓冲腔内部的均化。相反的，如果空心阳极不导磁，那么磁力线将引伸至空心阳极的内部空腔，由于电子是沿着磁力线螺旋运动的，这会使得大部分电子在阳极空腔内部受外界强磁场约束只在局部区域运动，电子将不能在通道内部均化，这会降低气体工质的电离率。

工作原理：

所述的气体分配器，一侧为供气件，供气件的导管连接外部的供气***为放电通道提供气体，同时该导管材料为金属，可向放电通道内部导电引入外界高电压；另一侧为开有很多小孔的分配器底板，这些小孔周向均匀分布，以实现均化气体的功能，同时，该底板有阻碍等离子体向供气***扩散的效果，避免因等离子体震荡引起供气***的不稳定。

所述的缓冲腔一底面与气体分配器连接，另一底面开孔面向放电通道内部。该缓冲腔材料为导磁材料，以屏蔽外界强磁场，使进入空腔内部的电子不受磁场影响，从而均化电子电流，使电子充分电离整个空腔内部的气体，增大电离率。该孔孔径大小应适宜，需根据实际通道尺寸确定。孔径如果较大，缓冲腔内气体原子密度不能得到较大提升，原子对高能电子的阻碍将削弱，电离率也会有一定程度的降低。但孔径如果过小，显然的大部分电子也将轰击在缓冲腔外部，引起缓冲腔局部温度过高，同样达不到阳极热防护的效果。

所述的陶瓷套筒起到了绝缘效果，使得放电通道中的电子不能从空心阳极的外壁得以传导，只能通过缓冲腔的底孔进入空心阳极内部接触到高电位从而被注销，这样便完成了电子传导的整个过程。这是实现上述工作原理的前提以及重要保障。

本实施方式带来的有益效果是：

对阳极寿命的提高：由于缓冲腔的作用，在近阳极区形成了一个高原子密度区，大量高能电子在抵达阳极前首先与中性原子碰撞，碰撞后电子内能下降，对阳极的轰击和腐蚀降低，这使得阳极温度降低了40％，从而大大延长了阳极寿命，寿命提高超过60％。

对电离率的提高：缓冲腔所形成的高密度原子，在阻碍高能电子与阳极发生碰撞的同时，也将被电子所电离，由于此处的电子能量和密度都较高，使得此处电离率要远大于放电通道其余部位的电离率，从而使得整个推力器的电离率提高了10％。

对推力器性能参数的提高：原本大量高能电子与阳极碰撞，将产生大部分热量，这部分热量将会通过热传导和热辐射而消耗在外太空，但采用空心阳极后，这部分能量被转化为通道内中性原子的电离能，使得电子能量得以充分利用，最终使得推力器的效率提高了8％，推力和比冲均提高了15％。

对推力器工作稳定性与可靠性的提高：由于阳极温度的降低，使得推力器最薄弱部位即永磁铁接受到阳极的热传导量降低，永磁铁温度降低了15％，增大了安全工作裕度30％，使其在更安全可靠的温度范围内工作，保证了推力器的工作稳定性与可靠性，并提高了推力器寿命40％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述气体分配器1为由金属制成的气体分配器。实际中采用的为不锈钢，以承受一定的压差。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述缓冲腔2由纯铁制成的缓冲腔。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述导管1-1-1用于连接外部的供气***为放电通道提供气体，该导管为金属制成的导管。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述分配器底板1-2上周向均匀的打有孔径相同的小孔，小孔数量为30个，孔径为0.5mm。孔径和数量可变，但孔径不宜太大，数量不宜太少，否则对气体的均化能力会降低。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：图4所示，所述导管1-1-1外侧设有螺纹，通过与放电通道外部的螺母的配合固定空心阳极的一端，空心阳极另一端靠空心阳极与陶瓷放电通道的底面压紧配合，从而实现了整个空心阳极的定位。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述导管1-1-1内径为2mm，外径为4mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：图7所示，所述放电通道内径为40mm时，腔室1-1-2内径为20mm，外径为24mm，所述缓冲腔2的内外径分别是20mm、24mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述分配器底板1-2的直径为22mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述陶瓷套筒3的内径为24mm，外径为26mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

Claims (10)

1.一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，其特征在于它包括气体分配器(1)、缓冲腔(2)和陶瓷套筒(3)三部分；

所述的气体分配器(1)包括供气件(1-1)与分配器底板(1-2)；

所述供气件(1-1)包括导管(1-1-1)和腔室(1-1-2)两部分，所述腔室(1-1-2)一侧与导管(1-1-1)相连通，所述腔室(1-1-2)另一侧与缓冲腔(2)一底面相连通，所述缓冲腔(2)另一底面中心开孔并通向放电通道内部，所述分配器底板(1-2)与腔室(1-1-2)的凸台实现过渡配合；

所述陶瓷套筒(3)将腔室(1-1-2)和缓冲腔(2)整体包裹，陶瓷套筒(3)的内壁面与腔室(1-1-2)和缓冲腔(2)外壁面的配合为过渡配合，所述陶瓷套筒(3)在缓冲腔(2)开孔的同样位置处开有同样大小的孔。

2.根据权利要求1所述的一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，其特征在于所述气体分配器(1)为由金属制成的气体分配器。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，其特征在于所述缓冲腔(2)由纯铁制成的缓冲腔。

4.根据权利要求3所述的一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，其特征在于所述导管(1-1-1)用于连接外部的供气***为放电通道提供气体，该导管为金属制成的导管。

5.根据权利要求4所述的一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，其特征在于所述分配器底板(1-2)上周向均匀的打有孔径相同的小孔，小孔数量为30个，孔径为0.5mm。

6.根据权利要求5所述的一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，其特征在于所述导管(1-1-1)外侧设有螺纹，通过与放电通道外部的螺母的配合固定空心阳极的一端，空心阳极另一端靠空心阳极与陶瓷放电通道的底面压紧配合，从而实现了整个空心阳极的定位。

7.根据权利要求6所述的一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，其特征在于所述导管(1-1-1)内径为2mm，外径为4mm。

8.根据权利要求7所述的一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，其特征在于所述放电通道内径为40mm时，腔室(1-1-2)内径为20mm，外径为24mm，所述缓冲腔(2)的内外径分别是20mm、24mm。

9.根据权利要求8所述的一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，其特征在于所述分配器底板(1-2)的直径为22mm。

10.根据权利要求9所述的一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，其特征在于所述陶瓷套筒(3)的内径为24mm，外径为26mm。