一种高性能中置阴极霍尔推力器

1.本发明涉及霍尔推力器，具体涉及一种高性能中置阴极霍尔推力器。


背景技术：

2.霍尔推力器是国际上应用最为广泛的一种空间电推进技术，是利用电场和磁场共同作用将电能转换为工质动能的一种能量转换装置。具有结构简单、比冲高、效率高、工作寿命长等优势，适用于各类航天器的姿态控制、轨道修正、轨道转移、动力补偿、位置保持、重新定位、离轨处理、深空探测等任务，成为世界各国降低航天器总质量、提高平台有效载荷、延长在轨寿命的有效手段之一。
3.在霍尔推力器中，阴极置于推力器外部，阴极的作用是发射电子，一部分电子运动到通道内电离工质气体，另一部分电子在通道外中和在通道内电离加速产生的离子羽流。研究表明，阴极电子与推力器离子羽流之间存在耦合，是决定羽流形态及放电性能的重要因素。阴极中置的布置方案消除了霍尔推力器的羽流不对称性，抑制了羽流的径向发散，提升了放电性能，同时使得霍尔推力器结构变得更加紧凑，具有广泛的应用前景。对于中置阴极霍尔推力器，阴极电子发射于推力器中轴线处，然后被推力器外部磁场磁化捕获。推力器内磁极与外磁极间磁力线形成了内磁镜，内磁镜在通道外的部分即为外部磁场。被外部磁场磁化捕获的大部分电子先扩散迁移到内磁镜的外边界，再传导进入通道内部。因此，外部磁场通过影响阴极与推力器耦合过程，改变耦合压降损失，决定了羽流形态及放电性能。
4.目前中置阴极霍尔推力器普遍采用导磁柱式的外侧磁路构型，除了有由内磁极与外磁极间磁力线形成的内磁镜场之外，还有由外磁极与底板间磁力线形成的外磁镜场，内外磁镜的分界面为磁分界面，即为中置阴极发射的电子被外部磁场磁化捕获的外边界面，对此研究发现：磁分界面的包络范围越大，外部磁场强度越弱，阴极电子传导进入通道的阻力越小，阴极耦合压降越小，推力器性能越高，羽流越聚焦。
5.目前比较有效的扩大磁分界面包络、降低外部磁场强度的方案是在推力器外侧增加外部线圈。然而，外部线圈不但增加了推力器的结构复杂程度以及整体包络尺寸，还增加了励磁功耗。


技术实现要素：

6.本发明为克服现有技术不足，提供一种高性能中置阴极霍尔推力器。本发明的霍尔推力器使得的阴极与推力器耦合损失最小，性能最优。
7.一种高性能中置阴极霍尔推力器包含磁路结构、放电通道、阳极和阴极；所述磁路结构包含内磁芯、内磁屏、外磁屏、外磁极、底板、外线圈及内线圈；所述内磁芯、内磁屏和外磁屏依次远离轴线固定在底板的上表面上，所述内线圈固定在内磁芯内，阳极设置在放电通道的上表面上；
8.还包含隔热支架和阴极隔热壳；所述外磁屏为顶部开口而底部封闭的双环结构，所述外线圈固定在外磁屏内，所述外磁极固定在外磁屏的顶部；外磁屏、外磁极及外线圈形
成导磁罩磁路的外励磁；
9.所述隔热支架为顶部开口而底部封闭的双环结构，并固定在底板的上表面上，放电通道布置在隔热支架的内外环之间，且隔热支架的外环与外磁屏在轴向上与径向上均设有间隙，隔热支架的内环与内磁屏在径向上设有间隙，阴极隔热壳穿过底板并固定在底板上，并设置在阴极与内磁芯之间。
10.本发明相比现有技术的有益效果是：
11.本发明采用导磁罩励磁构型代替导磁柱励磁构型，消除了外部磁场中的磁分界面，将内磁镜扩张到最大，将外部磁场强度降至最低，从而阴极与推力器耦合损失最小，性能最优。然而，导磁罩励磁构型的外侧磁路将推力器工作时承热最高的通道完全包围，造成推力器散热困难，热稳定性变差。为此采用双环结构的隔热支架将放电通道的热量直接传导到底板外边缘，采用阴极隔热减弱阴极直接对内磁芯的热流传输，将阴极辐射的热量从底板向外传输，改变热量传递路径，降低霍尔推力器磁路温度，提高推力器的热稳定性。形成一种高性能的中置阴极霍尔推力器结构。
12.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
13.图1为传统的导磁罩型推力器与导磁柱型推力器结构对比图；
14.图2为传统导磁罩型推力器与导磁柱型推力器外部磁场分布示意图；
15.图3为本发明高性能中置阴极霍尔推力器的立体图；
16.图4为本发明高性能中置阴极霍尔推力器的结构示意图；
17.图5为本发明的外磁屏的结构示意图；
18.图6为本发明的隔热支架的结构示意图。
19.其中：1、内磁芯，2、内磁屏，3、外磁屏，4、外磁极，5、底板，6、外线圈，7、内线圈7，8、放电通道，9、阳极，10、外磁柱，11、导磁罩，12、阴极，13、隔热支架，14、阴极隔热套。
具体实施方式
20.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
21.在外部磁场设计方面，采用导磁罩励磁构型代替导磁柱励磁构型，参照图1。实现了外部磁场中磁分界面的消除，将内磁镜扩张到最大，参照图2中导磁罩型推力器与导磁柱型推力器外部磁场。同时将外部磁场强度降至最低，从而阴极与推力器耦合损失最小，性能最优。
22.如图1所示，传统的导磁柱型霍尔推力器结构包括内磁芯1、内磁屏2、外磁屏3、外磁极4、底板5、外线圈6、内线圈7、放电通道8、阳极9和外磁柱10；
23.磁路结构由1个内磁芯1、1个内磁屏2、1个外磁屏3、1个外磁极4、1个底板5、4个外线圈6、1个内线圈7、1个放电通道8、1个阳极9和4个外磁柱10构成。
24.所述内磁芯1、内线圈7、内磁屏2、外磁屏3、外磁柱10依次远离轴线设置在底板5上表面，所述内线圈7、内磁屏2、外磁屏3和外线圈6之间设有间隔，所述外磁极4设置在外磁柱10和外线圈6上。
25.所述放电通道8在内磁屏2和外磁屏3之间，设置在底板5上并与内磁屏2和外磁屏3设有间隔，如图1中导磁柱型霍尔推力器结构。
26.导磁罩型霍尔推力器结构包括内磁芯1、内磁屏2、外磁屏3、外磁极4、底板5、外线圈6、内线圈7、放电通道8、阳极9和导磁罩11；
27.磁路结构由1个内磁芯1、1个内磁屏2、1个外磁屏3、1个外磁极4、1个底板5、1个外线圈6、1个内线圈7、1个放电通道8、1个阳极9和1个导磁罩11构成。
28.所述内磁芯1、内线圈7、内磁屏2、外磁屏3、导磁罩11依次远离轴线设置在底板5上表面，所述内线圈7、内磁屏2、外磁屏3和外线圈6之间设有间隔，所述外磁极4设置在导磁罩11和外线圈6上。所述放电通道8在内磁屏2和外磁屏3之间，设置在底板5上并与内磁屏2和外磁屏3设有间隔，如图1中导磁罩型霍尔推力器结构。
29.基于上述传统霍尔推力器，霍尔推力器工作过程中的热量主要来源于放电通道内等离子体与部件的相互作用产生的热沉积，放电通道则是工作过程中承热最高的部件。导磁罩励磁构型的外侧磁路将放电通道完全包围，造成推力器散热困难，热稳定性变差。采用隔热支架将放电通道的热量直接传导到底板外边缘，采用阴极隔热减弱阴极直接对内磁芯的热流传输，将阴极辐射的热量从底板向外传输，改变热量传递路径，降低霍尔推力器磁路温度，提高推力器的热稳定性。为此形成如下实施例的一种高性能中置阴极霍尔推力器。
30.实施例1，图3-图6所示，如图3-图4所示，本实施方式的一种高性能中置阴极霍尔推力器包含磁路结构、放电通道8、阳极9和阴极12；所述磁路结构包含内磁芯1、内磁屏2、外磁屏3、外磁极4、底板5、外线圈6及内线圈7；所述内磁芯1、内磁屏2和外磁屏3依次远离轴线固定在底板5的上表面上，所述内线圈7固定在内磁芯1内，阳极9设置在放电通道8的上表面上；
31.还包含隔热支架13和阴极隔热壳14；所述外磁屏3为顶部开口而底部封闭的双环结构，所述外线圈6固定在外磁屏3内，所述外磁极4固定在外磁屏3的顶部；外磁屏3、外磁极4及外线圈6形成导磁罩磁路的外励磁；
32.所述隔热支架13为顶部开口而底部封闭的双环结构，并固定在底板5的上表面上，放电通道8布置在隔热支架13的内外环之间，且隔热支架13的外环与外磁屏3在轴向上与径向上均设有间隙，隔热支架13的内环与内磁屏2在径向上设有间隙，阴极隔热壳14穿过底板5并固定在底板5上，并设置在阴极12与内磁芯1之间。
33.可选地，外磁屏3的外侧壁下部具有外磁屏镂空部和外磁屏支脚，隔热支架10的外侧壁下部具有支架镂空部和支架支脚，支架支脚布置在外磁屏镂空部处，外磁屏支脚与支架镂空部对应布置。
34.隔热支架13的内环的朝向内磁屏2的表面镀金或者为光滑表面。表面作镜面处理，降低表面发射率。
35.隔热支架13的外环的朝向外磁屏3的表面镀金或者为光滑表面。表面作镜面处理，降低表面发射率。
36.可选地，所述隔热支架10的轴向高度不超过放电通道8的上端面。
37.所述阴极隔热壳14的轴向高度不超过内磁芯1的上端面。
38.所述阴极隔热壳14的朝向内磁芯1的表面镀金或者为光滑表面。表面作镜面处理，降低表面发射率。
39.所述阴极隔热壳14的朝向阴极12的表面镀金或者为光滑表面。表面作镜面处理，降低表面发射率。
40.进一步地，所述阴极隔热壳14与内磁芯1在径向上设有间隙。
41.进一步地，所述阳极9与所述放电通道8在径向上设有间隙。
42.进一步地，所述阴极12设置在阴极隔热壳14的下表面。
43.进一步地，所述阳极9与放电通道8在径向上设有间隙。
44.实施例2
45.对于中置阴极霍尔推力器，采用导磁柱励磁构型替换导磁罩励磁构型，消除磁分界面，降低外部磁场强度，对放电性能的提升可达到3％-5％。采用隔热支架将放电通道热量传输至底板外边缘；采用阴极隔热抑制阴极对内磁芯热流传输，明显抑制了推力器磁路温度变化幅度，提高推力器的工作稳定性。
46.本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

技术特征：
1.一种高性能中置阴极霍尔推力器，包含磁路结构、放电通道(8)、阳极(9)和阴极(12)；所述磁路结构包含内磁芯(1)、内磁屏(2)、外磁屏(3)、外磁极(4)、底板(5)、外线圈(6)及内线圈(7)；所述内磁芯(1)、内磁屏(2)和外磁屏(3)依次远离轴线固定在底板(5)的上表面上，所述内线圈(7)固定在内磁芯(1)内，阳极(9)设置在放电通道(8)的上表面上；其特征在于：还包含隔热支架(13)和阴极隔热壳(14)；所述外磁屏(3)为顶部开口而底部封闭的双环结构，所述外线圈(6)固定在外磁屏(3)内，所述外磁极(4)固定在外磁屏(3)的顶部；外磁屏(3)、外磁极(4)及外线圈(6)形成导磁罩磁路的外励磁；所述隔热支架(13)为顶部开口而底部封闭的双环结构，并固定在底板(5)的上表面上，放电通道(8)布置在隔热支架(13)的内外环之间，且隔热支架(13)的外环与外磁屏(3)在轴向上与径向上均设有间隙，隔热支架(13)的内环与内磁屏(2)在径向上设有间隙，阴极隔热壳(14)穿过底板(5)并固定在底板(5)上，并设置在阴极(12)与内磁芯(1)之间。2.根据权利要求1所述一种高性能中置阴极霍尔推力器，其特征在于：外磁屏(3)的外侧壁下部具有外磁屏镂空部和外磁屏支脚，隔热支架(10)的外侧壁下部具有支架镂空部和支架支脚，支架支脚布置在外磁屏镂空部处，外磁屏支脚与支架镂空部对应布置。3.根据权利要求1所述一种高性能中置阴极霍尔推力器，其特征在于：隔热支架(13)的内环的朝向内磁屏(2)的表面喷金或者为光滑表面。4.根据权利要求1所述一种高性能中置阴极霍尔推力器，其特征在于：隔热支架(13)的外环的朝向外磁屏(3)的表面喷金或者为光滑表面。5.根据权利要求1所述一种高性能中置阴极霍尔推力器，其特征在于：所述隔热支架(10)的轴向高度不超过放电通道(8)的上端面。6.根据权利要求1所述一种高性能中置阴极霍尔推力器，其特征在于：所述阴极隔热壳(14)的轴向高度不超过内磁芯(1)的上端面。7.根据权利要求1所述一种高性能中置阴极霍尔推力器，其特征在于：所述阴极隔热壳(14)的朝向内磁芯(1)的表面镀金或者为光滑表面。8.根据权利要求1所述一种高性能中置阴极霍尔推力器，其特征在于：所述阴极隔热壳(14)的朝向阴极(12)的表面镀金或者为光滑表面。9.根据权利要求1所述一种高性能中置阴极霍尔推力器，其特征在于：所述阴极隔热壳(14)与内磁芯(1)在径向上设有间隙。10.根据权利要求1所述一种高性能中置阴极霍尔推力器，其特征在于：所述阳极(9)与所述放电通道(8)在径向上设有间隙。

技术总结
一种高性能中置阴极霍尔推力器，包含隔热支架和阴极隔热壳；所述外磁屏为顶部开口而底部封闭的双环结构，所述外线圈固定在外磁屏内，所述外磁极固定在外磁屏的顶部；外磁屏、外磁极及外线圈形成导磁罩磁路的外励磁；所述隔热支架为顶部开口而底部封闭的双环结构，并固定在底板的上表面上，放电通道布置在隔热支架的内外环之间，且隔热支架的外环与外磁屏在轴向上与径向上均设有间隙，隔热支架的内环与内磁屏在径向上设有间隙，阴极隔热壳穿过底板并固定在底板上，并设置在阴极与内磁芯之间。本发明降低霍尔推力器磁路温度，提高推力器的热稳定性。稳定性。稳定性。


技术研发人员：李鸿 曾德迈 廉慧彬 丁永杰 魏立秋 于达仁
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/6/28