双级阳极层霍尔推力器的制作方法

1.本发明涉及空间电推进领域，具体地，涉及一种空间应用的双级阳极层霍尔推力器。


背景技术：

2.在空间电推进领域，霍尔推进具有推功比大、结构简单、可靠性高等综合优势，广泛应用于低轨卫星、高轨卫星以及深空探测器等，执行阻力补偿、在轨位保、轨道提升等空间任务以及作为深空探测器的主动力。霍尔电推进应用的不断扩大，促进其相关技术的发展与创新，其中，双级阳极层推进技术是霍尔推进比冲提升的重要途径。
3.专利文献us6640535b2的图4、文献iepc-2005-145的图1、文献iepc-2007-128的图2、文献iepc-2005-141的图7等公开了常规双级阳极层霍尔推力器的基本结构及磁场构型，主要包括一级阳极、二级阳极、磁路及放电室等，其中，一级阳极和二级阳极材料为非磁性金属材料(典型的钼、不锈钢等)，放电通道内磁感应强度轴向梯度通常不超过0.2～0.3mt/mm，推力器比冲、效率等综合性能显著低于设计指标；此外，在推力器研制中还发现，二级阳极易出现过热、局部融化等问题，导致推力器工作不稳定甚至熄火，尤其对10kw及以上功率等级的推力器。
4.专利文献cn106837722b公开了一种采用轻质一体化阳极的霍尔推力器，阳极的局部替代磁路的部分功能，实现结构紧凑、体积小、轻质化的设计效果，但推力器磁场构型并未显著改变。
5.发明人认为现有技术中存在推力器阳极过热、局部融化的问题，存在推力器比冲、效率等性能低的问题，需要提出一种新的双级阳极层霍尔推力器。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双级阳极层霍尔推力器。
7.根据本发明提供的一种双级阳极层霍尔推力器,包括：双阳极、磁路以及放电室；所述双阳极包括一级阳极和二级阳极，所述二级阳极顶部设置有倒角，所述倒角的平面呈弧形；所述放电室包括放电室内环和放电室外环，所述放电室内环和所述放电室外环之间形成有放电通道；当所述一级阳极的材料为强磁性金属材料时，所述二级阳极的材料为非磁性材料，所述一级阳极与所述磁路共同作用形成推力器磁场；当所述二级阳极的材料为强磁性金属材料时，所述一级阳极的材料为非磁性材料，所述二级阳极与所述磁路共同作用形成推力器磁场。
8.优选地，所述强磁性金属材料包括软磁合金1j22。
9.优选地，所述二级阳极顶部倒角平面与磁力线方向平行，弧度角不大于顶部倒角。
10.优选地，当所述一级阳极的材料为强磁性金属材料时，磁感应强度最大值在所述放电通道内部，所述一级阳极顶部到最大磁感应强度间的磁场轴向梯度大于0.5mt/mm。
11.优选地，当所述二级阳极的材料为强磁性金属材料时，磁感应强度最大值在所述
放电通道外部，所述一级阳极顶部到最大磁感应强度间的磁场轴向梯度大于0.5mt/mm。
12.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
13.1、本发明提供的一种双级阳极层霍尔推力器，可显著提高现有双级阳极层霍尔推力器的基本性能，比冲、效率等至少提升10％～30％，并有助于降低阳极温度，提高推力器工作的稳定性和可靠性。
14.2、本发明通过一级阳极为强磁性金属材料、二级阳极为非磁性材料，或者一级阳极为非磁性材料、二级阳极为强磁性金属材料的改进设计形成高性能磁场构型，有助于提高推力器比冲、效率等性能。
15.3、本发明通过二级阳极顶部设置有倒角、倒角的平面呈弧形、二级阳极顶部倒角平面与磁力线方向平行等改进设计，有助于减少达到阳极的电子能量和数量，有助于降低阳极温度，有助于提高推力器工作稳定性和可靠性。
附图说明
16.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
17.图1为本发明主要体现双级阳极层霍尔推力器的立体图；
18.图2为本发明主要体现双级阳极层霍尔推力器截面a-a的剖面图；
19.图3为本发明主要体现双级阳极层霍尔推力器截面b-b的原理电路连接图；
20.图4为本发明主要体现双阳极结构立体剖面图；
21.图5为本发明主要体现二级阳极结构设计剖面图；
22.图6为本发明主要体现双级阳极层霍尔推力器磁感应强度轴向分布；
23.图7为本发明主要体现一级阳极作为补充磁路形成的磁场构型；
24.图8为本发明主要体现二级阳极作为补充磁路形成的磁场构型。
25.图中所示：
26.一级阳极1
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二级阳极2
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二级绝缘垫3
27.阳极气管绝缘套4
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阳极气管5
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一级绝缘垫6
28.一级阳极接线柱7
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一级阳极接线柱绝缘套8
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放电室内环9
29.放电室外环10
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内磁极11
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内励磁线圈12
30.内励磁筒13
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外磁极板14
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外磁极15
31.外励磁线圈16
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外励磁筒17
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磁底板18
32.防护屏19
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二级阳极接线柱绝缘套20
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二级阳极接线柱21
33.放电电源101
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加速电源102
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阴极103
34.放电通道201
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二级分配腔202
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一级分配腔203
具体实施方式
35.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
36.实施例1
37.如图1-4所示，根据本发明提供的一种双级阳极层霍尔推力器，包括：双阳极、磁路以及放电室；双阳极包括一级阳极1和二级阳极2，二级阳极2顶部设置有倒角，倒角的平面呈弧形；放电室包括放电室内环9和放电室外环10，放电室内环9和放电室外环10之间形成有放电通道201。
38.双阳极还包括：一级绝缘垫6、二级绝缘垫3、阳极气管5、阳极气管绝缘套4、一级阳极接线柱7、一级阳极接线柱绝缘套8、二级阳极接线柱21以及二级阳极接线柱绝缘套20。一级阳极1与二级阳极2通过一级绝缘垫6绝缘，二级阳极2与防护屏19通过二级绝缘垫3绝缘，阳极气管5与二级阳极2、防护屏19均通过阳极气管绝缘套4绝缘，一级阳极接线柱7与二级阳极2、防护屏19均通过一级阳极接线柱绝缘套8绝缘，二级阳极接线柱21与防护屏19通过二级阳极接线柱绝缘套20绝缘。
39.一级阳极1兼顾气体分配器功能，工质气体由阳极气管5进入一级阳极1，经一级阳极1内部的一级分配腔203和二级分配腔202实现气体在放电通道201均匀分布。
40.一级阳极1通过一级阳极接线柱7与放电电源101正极连接，二级阳极2通过二级阳极接线柱21分别与放电电源101负极、加速电源102正极连接，放电电源101与加速电源102串联连接，加速电源102负极与阴极103连接。
41.磁路包括：内磁极11、内励磁线圈12、内励磁筒13、外磁极15、外励磁线圈16、外励磁筒17、外磁极板14以及磁底板18。内励磁线圈12和外励磁线圈16接恒流直流电源形成磁场。外磁极15的个数不小于4个，外励磁线圈16的个数不小于4个，外励磁筒17的个数不小于4个。内磁极11、外磁极15、外磁极板14以及磁底板18材料均为强磁性金属材料，典型为软磁合金1j22。
42.放电室包括放电室内环9和放电室外环10，放电室内环9和放电室外环10之间形成有放电通道201。放电室内环9和放电室外环10的材料包括石墨或非磁性金属，非磁性金属包括钼、不锈钢等。
43.当一级阳极1的材料为强磁性金属材料时，二级阳极2的材料为非磁性材料，一级阳极1与磁路共同作用形成推力器磁场。一级阳极1作为补充与磁路共同作用形成高性能磁场构型，可显著提高推力器的比冲、效率等基本的性能。
44.强磁性金属材料包括软磁合金1j22。
45.非磁性材料包括石墨或非磁性金属，非磁性金属包括钼、不锈钢。
46.如图5所示，二级阳极2顶部设置有倒角，倒角的平面呈弧形；二级阳极2顶部倒角平面与磁力线方向平行，弧度角α不大于顶部倒角θ。二级阳极2的结构设计配合高性能磁场构型可显著减少达到阳极的电子能量和数量，降低二级阳极2顶部温度，显著提高推力器工作稳定性和可靠性。
47.当一级阳极1的材料为强磁性金属材料时，磁感应强度最大值在放电通道201内部，一级阳极1顶部到最大磁感应强度间的磁场轴向梯度大于0.5mt/mm。
48.本技术可有效解决推力器阳极过热、局部融化的问题，通过磁路的改进设计形成高性能磁场构型，可提高推力器比冲、效率等性能。
49.本技术提供的双级阳极层霍尔推力器的比冲可提高20％～30％，最高可到6000～8000s，效率可提高10％～20％，最高可到60％～70％。
50.如图6和7所示，二级阳极2顶部倒角平面与磁力线方向平行，顶部倒角θ为19deg，弧度角α为19deg。推力器磁感应强度最大值在放电通道201内部的1.7lb位置，一级阳极1顶部到最大磁感应强度间的磁场轴向梯度大于0.72mt/mm。其中，lb是放电通道的长度，2lb是放电通道出口位置，0lb是一级阳极顶部位置。
51.与现有技术相比，本技术通过一级阳极1与磁路共同作用形成高性能磁场构型，可显著提高双级阳极层霍尔推力器的比冲、效率等基本性能；结合二级阳极2的结构改进可显著减少达到阳极的电子能量和数量，降低阳极温度，提高推力器工作稳定性和可靠性。
52.实施例2
53.如图1-4所示，根据本发明提供的一种双级阳极层霍尔推力器，包括：双阳极、磁路以及放电室；双阳极包括一级阳极1和二级阳极2，二级阳极2顶部设置有倒角，倒角的平面呈弧形；放电室包括放电室内环9和放电室外环10，放电室内环9和放电室外环10之间形成有放电通道201。
54.双阳极还包括：一级绝缘垫6、二级绝缘垫3、阳极气管5、阳极气管绝缘套4、一级阳极接线柱7、一级阳极接线柱绝缘套8、二级阳极接线柱21以及二级阳极接线柱绝缘套20。一级阳极1与二级阳极2通过一级绝缘垫6绝缘，二级阳极2与防护屏19通过二级绝缘垫3绝缘，阳极气管5与二级阳极2、防护屏19均通过阳极气管绝缘套4绝缘，一级阳极接线柱7与二级阳极2、防护屏19均通过一级阳极接线柱绝缘套8绝缘，二级阳极接线柱21与防护屏19通过二级阳极接线柱绝缘套20绝缘。
55.一级阳极1兼顾气体分配器功能，工质气体由阳极气管5进入一级阳极1，经一级阳极1内部的一级分配腔203和二级分配腔202实现气体在放电通道201均匀分布。
56.一级阳极1通过一级阳极接线柱7与放电电源101正极连接，二级阳极2通过二级阳极接线柱21分别与放电电源101负极、加速电源102正极连接，放电电源101与加速电源102串联连接，加速电源102负极与阴极103连接。
57.磁路包括：内磁极11、内励磁线圈12、内励磁筒13、外磁极15、外励磁线圈16、外励磁筒17、外磁极板14以及磁底板18。内励磁线圈12和外励磁线圈16接恒流直流电源形成磁场。外磁极15的个数不小于4个，外励磁线圈16的个数不小于4个，外励磁筒17的个数不小于4个。内磁极11、外磁极15、外磁极板14以及磁底板18材料均为强磁性金属材料，典型为软磁合金1j22。
58.放电室包括放电室内环9和放电室外环10，放电室内环9和放电室外环10之间形成有放电通道201。放电室内环9和放电室外环10的材料包括石墨或非磁性金属，非磁性金属包括钼、不锈钢等。
59.当二级阳极2的材料为强磁性金属材料时，一级阳极1的材料为非磁性材料，二级阳极2与磁路共同作用形成推力器磁场。二级阳极2作为补充与磁路共同作用形成高性能磁场构型，可显著提高推力器的比冲、效率等基本的性能。
60.强磁性金属材料包括软磁合金1j22。
61.非磁性材料包括石墨或非磁性金属，非磁性金属包括钼、不锈钢。
62.如图5所示，二级阳极2顶部设置有倒角，倒角的平面呈弧形；二级阳极2顶部倒角平面与磁力线方向平行，弧度角α不大于顶部倒角θ。二级阳极2的结构设计配合高性能磁场构型可显著减少达到阳极的电子能量和数量，降低二级阳极顶部温度，显著提高推力器工
作稳定性和可靠性。
63.当二级阳极2的材料为强磁性金属材料时，磁感应强度最大值在放电通道201外部，一级阳极1顶部到最大磁感应强度间磁场轴向梯度大于0.5mt/mm。
64.本技术可有效解决推力器阳极过热、局部融化的问题，通过磁路的改进设计形成高性能磁场构型，可提高推力器比冲、效率等性能。
65.本技术提供的双级阳极层霍尔推力器的比冲可提高20％～30％，最高可到6000～8000s，效率可提高10％～20％，最高可到60％～70％。
66.如图6-8所示，的二级阳极2顶部倒角平面与磁力线方向平行，倒角θ为28deg，弧度角α为28deg。推力器磁感应强度最大值在放电通道201外部的2.3lb位置，二级阳极2顶部到最大磁感应强度间的磁场轴向梯度大于0.61mt/mm。其中，lb是放电通道的长度，2lb是放电通道出口位置，0lb是一级阳极顶部位置。
67.与现有技术相比，本发明通过二级阳极2与磁路共同作用形成高性能磁场构型，可显著提高双级阳极层霍尔推力器的比冲、效率等基本性能；结合二级阳极2的结构改进可显著减少达到阳极的电子能量和数量，降低阳极温度，提高推力器工作稳定性和可靠性。
68.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
69.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种双级阳极层霍尔推力器，其特征在于，包括：双阳极、磁路以及放电室；所述双阳极包括一级阳极(1)和二级阳极(2)，所述二级阳极(2)顶部设置有倒角，所述倒角的平面呈弧形；所述放电室包括放电室内环(9)和放电室外环(10)，所述放电室内环(9)和所述放电室外环(10)之间形成有放电通道(201)；当所述一级阳极(1)的材料为强磁性金属材料时，所述二级阳极(2)的材料为非磁性材料，所述一级阳极(1)与所述磁路共同作用形成推力器磁场；当所述二级阳极(2)的材料为强磁性金属材料时，所述一级阳极(1)的材料为非磁性材料，所述二级阳极(2)与所述磁路共同作用形成推力器磁场。2.如权利要求1所述的双级阳极层霍尔推力器，其特征在于，所述强磁性金属材料包括软磁合金1j22。3.如权利要求1所述的双级阳极层霍尔推力器，其特征在于，所述二级阳极(2)顶部倒角平面与磁力线方向平行，弧度角不大于顶部倒角。4.如权利要求1所述的双级阳极层霍尔推力器，其特征在于，当所述一级阳极(1)的材料为强磁性金属材料时，磁感应强度最大值在所述放电通道(201)内部，所述一级阳极(1)顶部到最大磁感应强度间的磁场轴向梯度大于0.5mt/mm。5.如权利要求1所述的双级阳极层霍尔推力器，其特征在于，当所述二级阳极(2)的材料为强磁性金属材料时，磁感应强度最大值在所述放电通道(201)外部，所述一级阳极(1)顶部到最大磁感应强度间的磁场轴向梯度大于0.5mt/mm。

技术总结
本发明提供了一种双级阳极层霍尔推力器，包括双阳极、磁路以及放电室；双阳极包括一级阳极和二级阳极，二级阳极顶部设置有倒角，倒角的平面呈弧形；当一级阳极的材料为强磁性金属材料时，二级阳极的材料为非磁性材料，一级阳极与磁路共同作用形成推力器磁场；当二级阳极的材料为强磁性金属材料时，一级阳极的材料为非磁性材料，二级阳极与磁路共同作用形成推力器磁场。本发明通过采用一级阳极或二级阳极与磁路共同作用形成高性能磁场构型，有助于显著提高双级阳极层霍尔推力器的比冲、效率等基本性能；通过二级阳极结构改进可显著减少达到阳极的电子能量和数量，有助于降低阳极温度，有助于提高推力器工作稳定性和可靠性。有助于提高推力器工作稳定性和可靠性。有助于提高推力器工作稳定性和可靠性。


技术研发人员：刘佳 田雷超 郭曼丽 张岩 杭观荣 丁梦想 康小录
受保护的技术使用者：上海空间推进研究所
技术研发日：2022.12.19
技术公布日：2023/5/26