CN107035638A - 一种离子推力器放电室结构 - Google Patents

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Abstract

一种离子推力器放电室结构，包括锥段部分和柱段部分，锥段部分由互成角度的两锥段构成，具体由设置在放电室阴极一端的阴极导磁环，设置在放电室锥段中部的锥段中间导磁环和设置在放电室锥段和柱段的交界处的中间导磁环构成；所述柱段部分由两柱段构成，具体由所述中间导磁环，放电室柱段中部设置的柱段中间导磁环及放电室靠近栅极的一端设置的屏栅导磁环构成；所述阴极导磁环、锥段中间导磁环、中间导磁环、柱段中间导磁环和屏栅导磁环中依次相邻的两者之间周向均匀安装柱形永磁铁而形成放电室内部磁极方向N、S交替变换的环尖放电室磁场。本发明具有电离效率高、等离子体分布均匀、束流平直度好、束流分布均匀、所需永磁体磁感应强度弱等优点。

Description

一种离子推力器放电室结构
技术领域
本发明涉及离子推力器技术领域，具体涉及一种离子推力器的放电室结构。
背景技术
电推进***与常规的化学推进***相比，具有推力小、比冲高、寿命长、推力可调节和安全性好等特点，使其在空间领域执行相同航天任务相比于化学推进，可以大大节省推进剂质量需求量、大大提高控制精度、更适合长时间高速飞行。离子推力器放电室设计是其核心设计内容，优化放电室的磁场设计可以更好的约束原初电子，从而降低放电损耗、提高工质利用率、束流平直度和延长工作寿命。
根据中国专利CN201510410241.8，现有的离子推力器放电室环尖磁场放电室设计中将放电室锥段设计为两段，但两段锥段在一条直线上，与放电室轴线成45°夹角，同时柱段只有一段，这种设计导致放电室内“磁空区”占整个放电室的比例仍然不超过50%，导致束流均匀性和平直度较差，在放电室轴线靠近栅极附近的束流密度过大，在需要高束流密度和长寿命的离子推力器设计中，无法满足推力器长时间工作的要求，因此这种放电室磁场分布便不再适用。
发明内容
本发明提出一种离子推力器放电室结构，使放电室有85%以上的区域为磁空区，可以产生高效均匀的等离子体，可用于需要高束流密度和长时间工作的离子推力器设计中。
本发明所采用的技术方案为：
一种离子推力器放电室结构，包括锥段部分和柱段部分，所述锥段部分由互成角度的两锥段构成，具体为由设置在放电室阴极一端的阴极导磁环，设置在放电室锥段中部的锥段中间导磁环和设置在放电室锥段和柱段的交界处的中间导磁环构成；所述柱段部分由两柱段构成，具体为由所述中间导磁环，放电室柱段中部设置的柱段中间导磁环及放电室靠近栅极的一端设置的屏栅导磁环构成；所述阴极导磁环、锥段中间导磁环、中间导磁环、柱段中间导磁环和屏栅导磁环中依次相邻的两者之间周向均匀安装柱形永磁铁（7）而形成放电室内部磁极方向N、S交替变换的环尖放电室磁场。
所述阴极导磁环与锥段中间导磁环之间的放电室阳极壁面和放电室轴线成10°~15°夹角，而锥段中间导磁环与中间导磁环之间的放电室阳极壁面和放电室轴线成50°~55°夹角，柱段部分的放电室垂直于放电室轴线。
所述阴极导磁环和锥段中间导磁环之间的锥段磁极间距A2为70mm~80mm；所述锥段中间导磁环和中间导磁环之间的锥段磁极间距A1为60mm~70mm；所述中间导磁环和柱段中间导磁环之间的柱段磁极间距B2为40mm~48mm；所述柱段中间导磁环和屏栅导磁环（5）之间的柱段磁极间距B1为40mm~52mm。
所述阴极导磁环的磁极厚度为3~5mm，磁极尖端处有40°~45°的倒角。
所述锥段中间导磁环和屏栅导磁环的磁极厚度为3.5~5mm。
所述中间导磁环和柱段中间导磁环的磁极厚度为5~6mm。
本发明中将放电室柱段和锥段均设计为两段，同时优化磁场强度和导磁环结构，通过改变两段锥段放电室壁面和轴线的角度，将磁场强制压向放电室中部，增大了阴极顶附近的磁场强度，有利于原初电子和工质之间发生“碰撞”电离而提高电离效率，而放电室柱段为两段的设计使得靠近栅极的磁场较弱，并易实现与放电室壁面平行的磁力线，特别是屏栅极附近几乎没有从放电室上游伸向屏栅的磁力线，同时使整个放电室大部分区域（85%）为“磁空区”。上述这些特点，使等离子体在放电室内部更容易均匀化，特别是较大的“磁空区”设计增加了离子在被栅极引出前其在放电室径向运动的平均自由程，这种设计的放电室具有电离效率高、等离子体分布均匀、束流平直度好、束流分布均匀、所需永磁体磁感应强度弱等优点，适用于要求放电室体积小、束流密度高和长寿命的推力器设计中。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为本发明离子推力器放电室磁场及磁力线分布示意图。
具体实施方式：
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明，但不限于此。
如图1所示，一种离子推力器放电室结构，包括锥段部分和柱段部分，所述锥段部分由互成角度的两锥段构成，具体为由设置在放电室阴极8（阴极8为空心）一端的阴极导磁环1，设置在放电室锥段中部的锥段中间导磁环2和设置在放电室锥段和柱段的交界处的中间导磁环3构成；所述柱段部分由两柱段构成，具体为由所述中间导磁环3，中间导磁环3，放电室柱段中部设置的柱段中间导磁环4及放电室靠近栅极6的一端设置的屏栅导磁环5构成；所述阴极导磁环1、锥段中间导磁环2、中间导磁环3、柱段中间导磁环4和屏栅导磁环5中依次相邻的两者之间周向均匀安装柱形永磁铁7而形成放电室内部磁极方向N、S交替变换的环尖放电室磁场。放电室内磁场由4组，每组12根周向均布的柱形永磁铁7产生；放电室外侧，导磁环两端轴向均布12对通孔，柱形永磁铁7两端的螺栓通过该通孔后被螺母固定。由此导磁环之间被柱形永磁铁支撑而将导磁环和柱形永磁铁固定连接在一起；放电室内侧，导磁环伸向放电室5~10mm，通过导磁环将磁场导入放电室内部。
所述阴极导磁环1与锥段中间导磁环2之间的放电室阳极壁面和放电室轴线成10°~15°夹角，可以采用10°、11°、12°、13°、14°或15°夹角，而锥段中间导磁环2与中间导磁环3之间的放电室阳极壁面和放电室轴线成50°~55°夹角，可以采用50°、51°、52°、53°、54°或55°夹角，两段柱段放电室垂直于放电室轴线。通过设计锥段放电室壁面与放电室轴线之间成这种角度关系，将磁场强制压向放电室中部，而将柱段放电室设计为两段，更易实现与放电室壁面平行的磁力线，同时增加“磁空区”占放电室的比例，这种设计有利于提高电离效率，增加束流均匀性。
在推力器离子有效引出直径（即栅极有效尺寸）一定的的前提下，为使放电室同时具有高效的电离率、较大的“磁空区”占比和较小的放电损失，同时为了减小放电室尺寸和重量，将所述阴极导磁环1和锥段中间导磁环2之间的锥段磁极间距A2设计为70mm~80mm；锥段中间导磁环2和中间导磁环3之间的锥段磁极间距A1设计为60mm~70mm；中间导磁环3和柱段中间导磁环4之间的柱段磁极间距B2设计为40mm~48mm；柱段中间导磁环4和屏栅导磁环5之间的柱段磁极间距B1设计为40mm~52mm。
所述阴极导磁环1的磁极厚度为3~5mm，磁极尖端处有40°~45°的倒角。这种倒角的设计更易将磁场导入放电室内部，增加阴极附近的磁场，以便更好的约束原初电子，提高电离效率。
锥段中间导磁环2和屏栅导磁环5的磁极厚度为3.5~5mm，中间导磁环3和柱段中间导磁环4的磁极厚度为5~6mm，这种尺寸设计使导磁环既具有良好的导磁性能，又使整个放电室具有良好的抗力学性能，同时兼顾了对推力器重量和尺寸方面的要求。
所述阴极导磁环1、锥段中间导磁环2、中间导磁环3、柱段中间导磁环4和屏栅导磁环5均由精密合金，如：4J29、1J76或2J25、电工纯铁如DT4C、YT01或DT9等导磁材料制成。这两种材料具有良好的抗力学性能，同时导磁性能好，容易将永磁铁的磁能导入到放电室内部。
所述的离子推力器放电室磁场场强和磁力线分布如图2所示，其中，永磁铁及磁环附近的颜色最深，代表磁场强度最强，随之磁力线向两侧“扩散”，表示磁场强度逐渐减弱，屏栅极附近的大部分区域接近为“无场区”，磁感应强度小于5Gs。上述磁等势线可以通过仿真或实测的方法获得。

Claims (7)

1.一种离子推力器放电室结构，包括锥段部分和柱段部分，其特征在于：所述锥段部分由互成角度的两锥段构成，具体为由设置在放电室阴极（8）一端的阴极导磁环（1），设置在放电室锥段中部的锥段中间导磁环（2）和设置在放电室锥段和柱段的交界处的中间导磁环（3）构成；所述柱段部分由两柱段构成，具体为由所述中间导磁环（3），放电室柱段中部设置的柱段中间导磁环（4）及放电室靠近栅极（6）的一端设置的屏栅导磁环（5）构成；所述阴极导磁环（1）、锥段中间导磁环（2）、中间导磁环（3）、柱段中间导磁环（4）和屏栅导磁环（5）中依次相邻的两者之间周向均匀安装柱形永磁铁（7）而形成放电室内部磁极方向N、S交替变换的环尖放电室磁场。
2.根据权利要求1所述的一种离子推力器放电室结构，其特征在于：所述阴极导磁环（1）与锥段中间导磁环（2）之间的放电室阳极壁面和放电室轴线成10°~15°夹角，而锥段中间导磁环（2）与中间导磁环（3）之间的放电室阳极壁面和放电室轴线成50°~55°夹角，柱段部分的放电室垂直于放电室轴线。
3.根据权利要求1所述的一种离子推力器放电室结构，其特征在于：所述阴极导磁环（1）和锥段中间导磁环（2）之间的锥段磁极间距A2为70mm~80mm；所述锥段中间导磁环（2）和中间导磁环（3）之间的锥段磁极间距A1为60mm~70mm；所述中间导磁环（3）和柱段中间导磁环（4）之间的柱段磁极间距B2为40mm~48mm；所述柱段中间导磁环（4）和屏栅导磁环（5）之间的柱段磁极间距B1为40mm~52mm。
4.根据权利要求1所述的一种离子推力器放电室结构，其特征在于：所述阴极导磁环（1）的磁极厚度为3~5mm，磁极尖端处有40°~45°的倒角。
5.根据权利要求1所述的一种离子推力器放电室结构，其特征在于：所述锥段中间导磁环（2）和屏栅导磁环（5）的磁极厚度为3.5~5mm。
6.根据权利要求1所述的一种离子推力器放电室结构，其特征在于：所述中间导磁环（3）和柱段中间导磁环（4）的磁极厚度为5~6mm。
7.根据权利要求1所述的一种离子推力器放电室结构，其特征在于：所述阴极导磁环（1）、锥段中间导磁环（2）、中间导磁环（3）、柱段中间导磁环（4）和屏栅导磁环（5）均由精密合金或电工纯铁制成。
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