一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器的制造方法
【專利摘要】一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器，它涉及一種電推力器，以解決現有推力器的磁場位形和磁鏡尖端位置不能根據放電通道截面的變化做到方便可調，磁鏡尖端處的磁分界面角度不易調節，以及進行變截面實驗的釤鈷永磁鐵材料加工周期長、價格昂貴的問題，它包括陶瓷套筒、發動機外殼和四塊永磁鐵，永磁鐵為圓環形永磁鐵，四塊永磁鐵由上至下依次設置，四塊永磁鐵的中部布置有陶瓷套筒，陶瓷套筒的大直徑端口朝上，四塊永磁鐵通過發動機殼體卡裝在一起，它還包括五個導磁環和五個不導磁的配合環；五個導磁環分別是第一導磁環、第二導磁環、第三導磁環、第四導磁環和第五導磁環。本發明應用在航天領域。
【專利說明】一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電推力器，具體涉及一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器。
【背景技術】
[0002]多級會切磁場等離子體推力器是以霍爾推力器為基礎發展的一種新型電推力器。該推力器由多級反向的環形永磁鐵組合形成會切磁場，在中央的放電通道區域的外圍是陶瓷套筒。電子由通道出口的空心陰極發射出，在電場的作用下在向通道上游的陽極運動，由于會切磁場尖端的磁鏡效應，電子被有效的屏蔽，不會碰撞陶瓷壁面，電子被通道中的磁場約束，在兩個磁尖端之間高速往復運動。在此過程中電子會通過碰撞產生傳導向陽極運動，并進入上一級，那里有更高的電壓和氙原子密度。電子可以電離從通道上游供氣管噴入的氙原子，被電離的氙離子在電場作用下加速噴出推力器，產生推力。空心陰極發射的電子也用于中和加速過的氙離子。
[0003]這種多級反向永磁鐵組合設計使原子電離區和加速區分離，提高了電離率和發動機效率。多級會切磁場等離子體推力器所采用的會切磁場位型能夠約束等離子體，避免等離子體對壁面的濺射侵蝕，保證了推力器具有很長的壽命。
[0004]磁場位形的不同能夠改變通道內電子的運動和分布，這是影響多級會切磁場等離子體推進器的電離率，等離子體加速方向，羽流發散角方面的重要因素，因此磁場位形是影響多級會切磁場等離子體推力器的電離率、推力、比沖、羽流發散角等性能參數的關鍵因素。同時由于通道內電子，氙原子和等離子體之間在放電通道中電場和磁場的作用下進行的變化和運動等物理過程十分復雜，在國際上尚未得到通道截面變化和磁場位形對發動機性能參數影響的定量關系，因此，需要針對不同的通道截面變化和磁場位形進行大量實驗分析其影響規律。在研究通道截面變化和磁場位形對發動機工作狀態的影響過程中，發動機的放電通道結構需要根據數值模擬計算結果的要求做到方便可調，同時盡量減化結構和減輕重量，并做好永磁鐵區的隔熱措施。
【發明內容】
[0005]本發明是為解決現有推力器的磁場位形和磁鏡尖端位置不能根據放電通道截面的變化做到方便可調，磁鏡尖端處的磁分界面角度不易調節，以及進行變截面實驗的釤鈷永磁鐵材料加工周期長、價格昂貴的問題，進而提供一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器。
[0006]本發明為解決上述問題采取的技術方案是:本發明的一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器包括陶瓷套筒、發動機外殼和四塊永磁鐵，永磁鐵為圓環形永磁鐵，四塊永磁鐵由上至下依次設置，四塊永磁鐵的中部布置有陶瓷套筒，陶瓷套筒的大直徑端口朝上，四塊永磁鐵通過發動機殼體卡裝在一起；[0007]它還包括五個導磁環和五個不導磁的配合環；五個導磁環分別是第一導磁環、第二導磁環、第三導磁環、第四導磁環和第五導磁環，第一導磁環和第五導磁環均為圓環形結構，第二導磁環、第三導磁環和第四導磁環結構相同，第二導磁環、第三導磁環和第四導磁環均由圓環體和錐形體一體制成，錐形體的大直徑端安裝在圓環體的內環面上；
[0008]五個不導磁的配合環的內環面分別與五個導磁環的外環面配合設置在一起構成引導結構；
[0009]最上端的永磁鐵與發動機殼體之間夾裝有第一導磁環和不導磁的配合環，最下端的永磁鐵與發動機殼體之間夾裝有第五導磁環和不導磁的配合環；由上至下相鄰兩個永磁鐵之間順次夾裝有第二導磁環和不導磁的配合環、第三導磁環和不導磁的配合環及第四導磁環和不導磁的配合環；
[0010]第一導磁環、第二導磁環、第三導磁環、第四導磁環和第五導磁環的圓環體的外環面各自與相對應的不導磁的配合環的內環面配合設置并對接為一體，第二導磁環的錐形體的開口、第三導磁環的錐形體的開口、第四導磁環的錐形體的開口依次套裝在陶瓷套筒的大直徑端、陶瓷套筒的中部及陶瓷套筒的小直徑端，且第二導磁環和第三導磁環的錐形體的母線斜向上設置，第四導磁鐵的錐形體的母線斜向下設置，第一導磁環的內環面套裝在第二導磁環的錐形體上，第五導磁環的內環面套裝在第四導磁環的錐形體上。
[0011]本發明的有益效果是:本發明結構簡單，設計合理，為了研究放電通道截面的變化對發動機性能的影響，當陶瓷通道截面需要變化時，需要保持磁鏡尖端處緊貼著陶瓷外壁面，在保持永磁鐵的尺寸不變的條件下，改變導磁環的尺寸，可以將磁鏡尖端轉移到導磁環的內環面處，方便調節；改變五個導磁環內環面的錐面高度，可以將磁鏡尖端轉移到兩面的磁場強度梯度等值相反的軸向位置，此時尖端處的磁分界面角度可以被減小到近于或小于0，可以使等離子體更有效的被尖端處電子形成的空間電場加速，出口磁鏡尖端處的磁場被削弱，電子能夠更容易的進入發動機的放電通道，推力器的工作狀態會更穩定；采用五個導磁環能夠將陶瓷通道壁面和永磁鐵更有效的隔離，因此，陶瓷通道內壁面受等離子體轟擊產生的熱量更不容易傳至永磁鐵區域，能夠有效避免永磁鐵的溫度上升到居里溫度以上而導致的磁性減弱，金屬材料的不導磁配合環能夠將導磁環上沉積的熱量傳導至發動機外殼上，在研究通道截面變化對發動機性能的影響時，相對于改變不同的永磁鐵尺寸，該發明能夠大大減少材料及其加工成本，加工成本降低了 45%?55%，進而縮短了釤鈷永磁鐵的加工周期，加工周期縮短了 95%以上，甚至不需要改變釤鈷永磁鐵的尺寸，本發明結構簡單，易于調節。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器整體結構剖面圖，圖2為本發明具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器整體結構示意圖，圖3為第一導磁環的整體結構示意圖，圖4為第二導磁環的整體結構示意圖，圖5為第三導磁環的整體結構示意圖，圖6為第四導磁環的整體結構示意圖，圖7為第五導磁環的整體結構示意圖，圖8為不導磁的配合環的整體結構示意圖，圖9為現有多級會切磁場等離子體推力器沒有加入通道磁場引導結構的磁場位形示意圖(磁分界面13和磁鏡尖端14)，圖10為本發明具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器的磁場位形示意圖(磁分界面13和磁鏡尖端14)。
【具體實施方式】
[0013]【具體實施方式】一:結合圖1-圖8說明，本實施方式的一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器包括陶瓷套筒10、發動機外殼5和四塊永磁鐵3，永磁鐵3為圓環形永磁鐵，四塊永磁鐵3由上至下依次設置，四塊永磁鐵3的中部布置有陶瓷套筒10，陶瓷套筒10的大直徑端口朝上，四塊永磁鐵3通過發動機殼體5卡裝在一起；
[0014]它還包括五個導磁環和五個不導磁的配合環2 ;五個導磁環分別是第一導磁環1、第二導磁環4、第三導磁環6、第四導磁環7和第五導磁環8,第一導磁環I和第五導磁環8均為圓環形結構，第二導磁環4、第三導磁環6和第四導磁環7結構相同，第二導磁環4、第三導磁環6和第四導磁環7均由圓環體12和錐形體11 一體制成，錐形體11的大直徑端安裝在圓環體12的內環面上；
[0015]五個不導磁的配合環2的內環面分別與五個導磁環的外環面配合設置在一起構成引導結構；
[0016]最上端的永磁鐵3與發動機殼體5之間夾裝有第一導磁環I和不導磁的配合環2,最下端的永磁鐵3與發動機殼體5之間夾裝有第五導磁環8和不導磁的配合環2 ；由上至下相鄰兩個永磁鐵3之間順次夾裝有第二導磁環4和不導磁的配合環2、第三導磁環6和不導磁的配合環2及第四導磁環7和不導磁的配合環2 ；
[0017]第一導磁環1、第二導磁環4、第三導磁環6、第四導磁環7和第五導磁環8的圓環體12的外環面各自與相對應的不導磁的配合環2的內環面配合設置并對接為一體，第二導磁環4的錐形體的開口、第三導磁環6的錐形體的開口、第四導磁環7的錐形體的開口依次套裝在陶瓷套筒10的大直徑端、陶瓷套筒10的中部及陶瓷套筒10的小直徑端，且第二導磁環4和第三導磁環6的錐形體的母線斜向上設置，第四導磁鐵7的錐形體的母線斜向下設置，第一導磁環I的內環面套裝在第二導磁環4的錐形體上，第五導磁環8的內環面套裝在第四導磁環7的錐形體上。
[0018]【具體實施方式】二:結合圖1-圖7說明，本實施方式所述五個導磁環均由純鐵材料制成。如此設置，廉價易得，有利于熱量的傳導。其它與【具體實施方式】一相同。
[0019]【具體實施方式】三:結合圖1-圖7說明，本實施方式所述五個不導磁的配合環2均由鋁合金材料制成。如此設置，能夠將導磁環上沉積的熱量傳導至發動機外殼上，有利于熱量的散失。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0020]【具體實施方式】四:結合圖1-圖7說明，本實施方式的五個不導磁的配合環2的內環面設有臺階。如此設置，連接使用方便，結構穩定，滿足設計要求。其它與【具體實施方式】二相同。
[0021]【具體實施方式】五:結合圖1說明，本實施方式的第三導磁環6的錐形體的任意一條母線與水平面之間的夾角小于第二導磁環4的錐形體的任意一條母線與水平面之間的夾角。如此設置，更加可以針對不同的通道截面的變化情況將磁鏡尖端轉移到合適位置，可以方便的改變調節磁分界面的角度，方便調節，可以使等離子體更有效的被尖端處電子形成的空間電場加速；出口磁鏡尖端處的磁場被削弱，電子能夠更容易的進入發動機的放電通道，推力器的工作狀態會更穩定；其它與【具體實施方式】一、二或四相同。[0022]【具體實施方式】六:結合圖1說明，本實施方式的第二導磁環4的錐形體的任意一條母線與水平面之間的夾角小于第四導磁環7的錐形體的任意一條母線與水平面之間的夾角。如此設置，更加可以針對不同的通道截面的變化情況將磁鏡尖端轉移到合適位置，可以方便的改變調節磁分界面的角度，方便調節，可以使等離子體更有效的被尖端處電子形成的空間電場加速；出口磁鏡尖端處的磁場被削弱，電子能夠更容易的進入發動機的放電通道，推力器的工作狀態會更穩定；其它與【具體實施方式】五相同。
[0023]【具體實施方式】七:結合圖1說明，本實施方式的不導磁的配合環2的厚度為2mm。如此設置，減少材料和加工成本，滿足設計要求和實際需要。其它與【具體實施方式】一、二、四或六相同。
[0024]【具體實施方式】八:結合圖1說明，本實施方式的五個導磁環的錐形體12的厚度均為2mm。如此設置，減少材料和加工成本，滿足設計要求和實際需要。其它與【具體實施方式】七相同。
[0025]實施例:結合圖1-圖10說明，本實施例的通道出口處(陽極和供氣管9)和通道最上游處的導磁環為圓環形結構，內徑與永磁鐵內徑相同，寬度約為永磁鐵寬度的一半，外徑為階梯式結構，與不導磁的配合環的內環面的階梯式結構接觸配合，厚度為2_，不導磁的配合環的一個端面與發動機外殼內端面接觸配合，另一個端面和永磁鐵的端面接觸配合；
[0026]其余三個磁鏡尖端處的導磁環的內環面有錐形突起，錐形面的厚度為2mm，錐形面的高度根據具體磁場位形分布確定，錐形面的內環面與陶瓷套筒的外壁面接觸配合；
[0027]其余三個磁鏡尖端處的導磁環的外環面為階梯式結構，寬度約為永磁鐵寬度的一半，與不導磁的配合環的內環面的階梯式結構接觸配合，厚度為2_，兩個端面分別與反向的圓環形永磁鐵接觸配合；
[0028]不導磁的配合環為圓環形結構，內環面為階梯式，并與導磁環配合，外環面為圓柱式，并與推力器的外殼的內壁面配合。
[0029]本實施例的推力器的磁場位形示意圖如圖10所示，可根據放電通道截面的變化做到方便可調，磁鏡尖端處的磁分界面角度得到有效調節，變截面實驗的釤鈷永磁鐵材料加工周期可大幅度縮短。
【權利要求】
1.一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器，它包括陶瓷套筒(10)、發動機外殼(5)和四塊永磁鐵(3)，永磁鐵(3)為圓環形永磁鐵，四塊永磁鐵(3)由上至下依次設置，四塊永磁鐵(3)的中部布置有陶瓷套筒(10)，陶瓷套筒(10)的大直徑端口朝上，四塊永磁鐵(3)通過發動機殼體(5)卡裝在一起； 其特征在于:它還包括五個導磁環和五個不導磁的配合環(2);五個導磁環分別是第一導磁環(I)、第二導磁環(4)、第三導磁環(6)、第四導磁環(7)和第五導磁環(8)，第一導磁環(I)和第五導磁環(8)均為圓環形結構，第二導磁環(4)、第三導磁環(6)和第四導磁環(7)結構相同，第二導磁環(4)、第三導磁環(6)和第四導磁環(7)均由圓環體(12)和錐形體(11) 一體制成，錐形體(11)的大直徑端安裝在圓環體(12)的內環面上； 五個不導磁的配合環(2)的內環面分別與五個導磁環的外環面配合設置在一起構成引導結構； 最上端的永磁鐵(3)與發動機殼體(5)之間夾裝有第一導磁環(I)和不導磁的配合環(2)，最下端的永磁鐵(3)與發動機殼體(5)之間夾裝有第五導磁環(8)和不導磁的配合環⑵；由上至下相鄰兩個永磁鐵(3)之間順次夾裝有第二導磁環⑷和不導磁的配合環(2)、第三導磁環(6)和不導磁的配合環(2)及第四導磁環(7)和不導磁的配合環(2); 第一導磁環(I)、第二導磁環(4)、第三導磁環(6)、第四導磁環(7)和第五導磁環(8)的圓環體(12)的外 環面各自與相對應的不導磁的配合環(2)的內環面配合設置并對接為一體，第二導磁環(4)的錐形體的開口、第三導磁環(6)的錐形體的開口、第四導磁環(7)的錐形體的開口依次套裝在陶瓷套筒(10)的大直徑端、陶瓷套筒(10)的中部及陶瓷套筒(10)的小直徑端，且第二導磁環(4)和第三導磁環(6)的錐形體的母線斜向上設置，第四導磁鐵(7)的錐形體的母線斜向下設置，第一導磁環(I)的內環面套裝在第二導磁環(4)的錐形體上，第五導磁環(8)的內環面套裝在第四導磁環(7)的錐形體上。
2.根據權利要求1所述的一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器，其特征在于:所述五個導磁環均由純鐵材料制成。
3.根據權利要求1或2所述的一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器，其特征在于:所述五個不導磁的配合環(2)均由鋁合金材料制成。
4.根據權利要求3所述的一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器，其特征在于:五個不導磁的配合環(2)的內環面設有臺階。
5.根據權利要求1、2或4所述的一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器，其特征在于:第三導磁環(6)的錐形體的任意一條母線與水平面之間的夾角小于第二導磁環(4)的錐形體的任意一條母線與水平面之間的夾角。
6.根據權利要求5所述的一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器，其特征在于:第二導磁環(4)的錐形體的任意一條母線與水平面之間的夾角小于第四導磁環(7)的錐形體的任意一條母線與水平面之間的夾角。
7.根據權利要求1、2、4或6所述的一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器，其特征在于:不導磁的配合環(2)的厚度為2_。
8.根據權利要求7所述的一種具有通道磁場引導結構的多級會切磁場等離子體推力器，其特征在于:五個導磁環的錐形體(12)的厚度均為2mm。
【文檔編號】F03H1/00GK104033346SQ201410293206
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】劉輝, 馬成毓, 孫國順, 陳蓬勃, 趙隱劍, 胡鵬, 于達仁 申請人:哈爾濱工業大學