一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構的制作方法
【專利摘要】一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構，它涉及一種電流均化磁場結構。本發明為了解決現有多級會切磁場等離子體推力器的放電通道壁面處的磁場強度太高，磁鏡尖端處發射的磁感線太靠近放電通道中軸線而導致的電子分布不均勻，電離率低，以及磁分界面角度較大的問題。本發明的兩個固定端板分別安裝在外殼的上下表面上，陶瓷套筒豎直安裝在外殼內，陽極和通氣器安裝在陶瓷套筒內壁底端并伸出陶瓷套筒的底端，外殼的內側壁與陶瓷套筒的外側壁之間的上下端面上分別設有一個導磁環，永磁體環內設有一個導磁環組成一個組件，多個組件分別水平安裝在陶瓷套筒和外殼之間的內腔內，外殼的內側壁設有多個磁場引導環。本發明用于航天領域。
【專利說明】一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電流均化磁場結構，具體涉及一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構。
【背景技術】
[0002]多級會切磁場等離子體推力器是基于霍爾推力器的原理發展的一種新型電推力器。該推力器的放電通道的外圍是陶瓷套筒，并采用多級反向永磁鐵形成會切磁場，形成的會切磁場能夠束縛由位于放電通道外的陰極發射的自由電子，自由電子會沿著磁感線做螺旋運動，并在通道上游的陽極施加的高電壓產生的電場的作用下向陽極方向運動，自由電子受到會切磁場的磁鏡作用，在兩個磁鏡尖端處來回運動。電子與從通道上游進入的中性氣體工質，通常為氙原子，發生碰撞，在電子能量足夠大的基礎上，氙原子被電子電離，形成一個正一價的氙離子和另外一個負一價的自由電子，氙離子在空間電場的作用下加速噴射出推力器的放電通道，產生推力。自由電子在碰撞的過程中能量減小，進入下一級會切磁場產生的磁鏡中，直到最后到達陽極區，形成放電回路。陰極產生的另一部分自由電子會中和從推力器中噴射出的正一價氙離子。
[0003]這種多級會切磁場的設計可以分離電離區域和加速區域，磁鏡效應能夠有效的束縛電子，提高了氣體工質的電離率和推力器的推力、效率。
[0004]氣體工質的電離率是影響推力器的推力、效率及比沖等整體性能參數的一個重要因素，電離過程是電子與中性原子碰撞的過程，因此磁場能否有效地束縛住電子起到了關鍵作用。現在普遍的多級等離子體推力器沿陶瓷通道壁面處的磁場強度很強，導致在靠近壁面處的磁感線上沒有產生明顯的磁鏡效應，同時由磁鏡尖端發射的磁感線多在陶瓷壁面處強磁場壓力的作用下靠近中軸線，因此多數電子沿著靠近通道中軸線的位置進入通道上游。
[0005]被電離之后的離子在吸收電子變成中性原子的過程中，電子在能級躍遷時會向外輻射電磁波，大量電磁波的集中輻射就會形成明亮的光柱，而中性原子的電離和正一價離子的中和都會發生在電子密度較高的地方，因此可以認為有明亮光柱的地方就是中性原子電離率較高的地方。
[0006]在推力器的工作過程中能夠發現沿著推力器的放電通道中心直徑約5mm的區域內有一條明亮的光住，而放電通道中其他半徑范圍的亮度會低很多，實驗完成后檢查不銹鋼陽極表面能夠發現在中心處有一個直徑約3_，深度約1.5_的離子腐蝕凹槽。因此可以判斷電子在放電通道中分布不均勻，主要沿軸線附近區域運動，這導致了放電通道中其他半徑范圍的中性氣體沒有被充分電離，影響了電離率，進而影響了推力、效率等推力器整體性能參數。
[0007]電子形成的空間加速電場的方向幾乎是垂直于磁分界面的，因此磁分界面的角度對羽流角度的影響很大，進而影響了發動機的推力、效率等推力器整體性能參數，現在的多級會切磁場等離子體推力器的磁分界面角度受永磁鐵的尺寸配合影響，調節較不方便。
[0008]在對多級會切磁場等離子體推力器的磁場位形設計過程中，應該考慮到電子運動位置的均化問題，減小磁分界面的角度，同時應該盡量簡化推力器結構、減輕推力器質量并減少實驗成本。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是為了解決現有多級會切磁場等離子體推力器的放電通道壁面處的磁場強度太高，磁鏡尖端處發射的磁感線太靠近放電通道中軸線而導致的電子分布不均勻，電離率低，以及磁分界面角度較大的問題。進而提供一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構。
[0010]本發明的技術方案是:一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構包括外殼、兩個固定端板、陶瓷套筒、出口陶瓷墊片、陽極和通氣器、多個磁場引導環、多個環形永磁體和多個導磁環，兩個固定端板分別安裝在外殼的上下表面上，陶瓷套筒豎直安裝在外殼內，且陶瓷套筒的下端伸出外殼，陽極和通氣器安裝在陶瓷套筒內壁底端并伸出陶瓷套筒的底端，外殼的內側壁與陶瓷套筒的外側壁之間的上下端面上分別設有一個導磁環，兩個反向的環形永磁體扣合組成永磁體環，永磁體環內設有一個導磁環組成一個組件，多個組件分別水平安裝在陶瓷套筒和外殼之間的內腔內，且多個組件分別位于所述內腔內的上部和下部，外殼的內側壁設有多個磁場引導環。
[0011]本發明與現有技術相比具有以下效果:
[0012]1.本發明能夠代替同等高度的永磁鐵，磁鏡尖端處仍然可以產生磁鏡效應，將磁鏡尖端之間的陶瓷通道壁面處的磁場強度減小到小于中軸線出的磁場強度，使得電子在靠近陶瓷壁面區域的磁感線上能夠產生更有效的磁鏡效應，
[0013]2.本發明能夠使放電通道中軸線處的磁感線向半徑較大的方向拓展，使電子在沿著磁感線運動時能夠運動到半徑較大的區域。
[0014]3.本發明能夠使推力器形成磁鏡尖端的兩塊反向永磁鐵的尺寸方便調整配合，可以形成角度很小的磁分界面，進而是電子形成的空間電場垂直于出口端面，使等離子體羽流的角度更小。
[0015]4.本發明能夠使電子在放電通道中向陽極運動的過程中分布的更有效，因此理論上能夠提高10%至20%電離率，提高相同工況條件下的推力器的推力2mN至10mN，效率提高5%至10%。
[0016]5.本發明能夠減輕Ikg (25% )至2kg (50% )推力器的重量
[0017]6.本發明能夠減少1000元至2000元的材料和加工成本，結構簡單
[0018]7.本發明能夠針對不同的磁場位形方便調整。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明所述的在多級會切磁場等離子體推力器中加入一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構前的磁場位形示意圖；
[0020]圖2是本發明所述的在多級會切磁場等離子體推力器中加入一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構后的磁場位形示意圖；
[0021]圖3是本發明所述的一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構在推力器中的裝配剖面示意圖；
[0022]圖4是本發明所述的一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構在推力器中的裝配外形示意圖；
[0023]圖5是本發明所述的磁場引導環的剖面局部視圖；
[0024]圖6和圖7是本發明所述的從通道出口到通道上游的兩種磁場引導環外形示意圖；
[0025]圖8時本發明所述的通道出口處的導磁環的外形示意圖。
【具體實施方式】
[0026]【具體實施方式】一:結合圖3-圖8說明本實施方式,本實施方式的一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構包括外殼1、兩個固定端板2、陶瓷套筒3、出口陶瓷墊片4、陽極和通氣器5、多個磁場引導環6、多個環形永磁體7和多個導磁環8，兩個固定端板2分別安裝在外殼I的上下表面上，陶瓷套筒3豎直安裝在外殼I內，且陶瓷套筒3的下端伸出外殼1，陽極和通氣器5安裝在陶瓷套筒3內壁底端并伸出陶瓷套筒3的底端，外殼I的內側壁與陶瓷套筒3的外側壁之間的上下端面上分別設有一個導磁環8，兩個反向的環形永磁體7扣合組成永磁體環，永磁體環內設有一個導磁環8組成一個組件，多個組件分別水平安裝在陶瓷套筒3和外殼I之間的內腔內，且多個組件分別位于所述內腔內的上部和下部，外殼I的內側壁設有多個磁場引導環6。
[0027]本實施方式的位于通道上游的環形永磁鐵的上下端面分別與兩個同樣尺寸的導磁環接觸配合，內環面與陶瓷通道的外壁面接觸配合，外環面與推力器外殼的內壁面接觸配合；
[0028]本實施方式除了位于通道上游的其他位置的環形永磁鐵的上下端面分別與兩個導磁環接觸配合，內環面與陶瓷通道的外壁面接觸配合，外環面與推力器外殼的內壁面接觸配合；
[0029]本實施方式除了位于通道出口處其他位置的導磁環為圓環形結構，導磁環的上下端面分別于環形永磁鐵、磁場引導環或固定端板接觸配合，內環面與陶瓷通道接觸配合，夕卜環面與推力器外殼接觸配合；
[0030]本實施方式的推力器的外殼為兩段帶有法蘭的圓環形結構，在法蘭平面上均勻鉆有6個貫穿整個外殼的直徑為3_的通孔，通過螺栓連接與推力器固定端板及出口陶瓷保護墊片固定配合；
[0031]本實施方式的固定端板在內壁面的一個環面上設有邊長為2mm的45度倒角，在固定端板上均勻鉆有6個貫穿整個外殼的直徑為3_的通孔，通過螺栓連接與推力器外殼及出口陶瓷保護墊片固定配合；
[0032]本實施方式的出口陶瓷保護墊片可以保護推力器，使推力器的金屬部分免受電子的直接撞擊，為內環面帶有錐形凸臺的圓環形結構，均勻鉆有6個貫穿整個外殼的直徑為3mm的通孔,通過螺栓連接與推力器外殼及出口固定端板固定配合；
[0033]本實施方式的陶瓷套筒的外徑與導磁環和永磁鐵的內環面接觸配合，上端面與出口陶瓷保護墊片接觸配合，下端面內法蘭的內徑與陽極通氣器的外徑接觸配合；
[0034]本實施方式的陽極通氣器帶高電壓并由中心供氣，基座處的供氣管的外徑和陶瓷套筒底座的通孔密封配合；
[0035]本實施方式的導磁環和磁場引導環采用純鐵制成；
[0036]本實施方式的外殼，陽極通氣器和固定端板采用不銹鋼制成；
[0037]本實施方式的陶瓷通道和出口陶瓷保護墊片采用氮化硼制成。
[0038]【具體實施方式】二:結合圖3-圖8說明本實施方式，本實施方式的環形永磁體7由比例為2:17的釤和鈷材料制成。如此設置，能夠使永磁體材料具有較高的矯頑力，能夠產生較強的磁場，同時能夠承受推力器工作時產生的較高的溫度。其它組成和連接關系與【具體實施方式】一相同。
[0039]【具體實施方式】三:結合圖3-圖8說明本實施方式，本實施方式的磁場引導環6為圓環形結構，磁場引導環6的外徑與環形永磁體7的外徑相同，磁場引導環6的上下端面分別與環形永磁體7的端面配合。如此設置，磁場引導環能夠將上下端面的環形永磁體產生的磁場連接成一個磁通回路，同時取代了原先的永磁體機構，弱化了通道中心的磁場強度，使通道中的磁感線向外擴張，擴張了電子的運動路徑，拓寬了電離范圍，增加了氣體工質的電離率。其它組成和連接關系與【具體實施方式】一或二相同。
[0040]【具體實施方式】四:結合圖3-圖8說明本實施方式，本實施方式的外殼I的上端為通道出口，靠近外殼I通道出口處的磁場引導環6的上端面與產生通道出口處磁鏡尖端的兩個反向環形永磁體7中的下層環形永磁體7的下端面接觸配合，環形永磁體7的下端面與產生通道中間處磁鏡尖端的兩個反向環形永磁體7中的上層環形永磁體7的上端面接觸配合。如此設置，能夠使推力器的結構緊湊，并使兩個反向環形永磁體之間的導磁環產生的磁場強度更強。其它組成和連接關系與【具體實施方式】一或三相同。
[0041]【具體實施方式】五:結合圖3-圖8說明本實施方式，本實施方式的外殼I的上部為通道上游處，靠近外殼I通道上游處的磁場引導環6的上端面與產生通道中間處磁鏡尖端的兩個反向環形永磁體7中的下層環形永磁體7的下端面接觸配合，磁場引導環6的下端面與產生通道上游處磁鏡尖端的兩個反向環形永磁體7中的上層環形永磁體7的上端面接觸配合，磁場引導環6的內環面不與其他物體接觸，外環面與外殼I的內壁面接觸配合。如此設置，能夠在不擴大推力器整體尺寸的基礎上，最大限度的弱化磁場引導環6在通道中心軸線處產生的磁場強度。其它組成和連接關系與【具體實施方式】一或四相同。
[0042]【具體實施方式】六:結合圖3-圖8說明本實施方式，本實施方式的位于通道出口的導磁環8為帶凸臺的環形結構,導磁環8上端面與一塊固定端板接觸配合,導磁環8下端面與一個環形永磁體7接觸配合，導磁環8的內環面與陶瓷套筒3內的陶瓷通道的外壁面接觸配合，導磁環8的凸臺內環面與環形永磁體7的外環面接觸配合，在該導磁環8上均勻鉆有6個直徑為3_的通孔，通過螺栓連接和外殼1、固定端板2及出口陶瓷保護墊片4配合。如此設置，能夠將推力器的各部分通過螺栓連接形成一個穩定的整體。其它組成和連接關系與【具體實施方式】一或四相同。
[0043]本實施方式的靠近通道出口處的磁場引導環的內徑為63mm，外徑為64mm，高度為64_，上端面與產生通道出口處磁鏡尖端的兩個反向永磁鐵中的下層永磁鐵的下端面接觸配合，下端面與產生通道中間處磁鏡尖端的兩個反向永磁鐵中的上層永磁鐵的上端面接觸配合；
[0044]本實施方式的靠近通道上游處的磁場引導環的內徑為63mm，外徑為64mm，高度為8_，上端面與產生通道中間處磁鏡尖端的兩個反向永磁鐵中的下層永磁鐵的下端面接觸配合，下端面與產生通道上游處磁鏡尖端的兩個反向永磁鐵中的上層永磁鐵的上端面接觸配合，內環面不與其他物體接觸，外環面與推力器外殼的內壁面接觸配合；
[0045]本實施方式位于通道上游的環形永磁鐵的內徑為40mm,外徑為64mm,厚度為5mm,上下端面分別與兩個同樣尺寸的導磁環接觸配合，內環面與陶瓷通道的外壁面接觸配合，外環面與推力器外殼的內壁面接觸配合；
[0046]本實施方式除了位于通道上游的其他位置的環形永磁鐵的內徑均為40mm，外徑均為64_，厚度均為4_，上下端面分別與兩個導磁環接觸配合，內環面與陶瓷通道的外壁面接觸配合，外環面與推力器外殼的內壁面接觸配合；
[0047]本實施方式位于通道出口的導磁環為帶凸臺的環形結構，導磁環內徑為40mm，凸臺內徑為64mm,導磁環外徑為76mm,導磁環高2mm,凸臺處高4mm,上端面與一塊固定端板接觸配合，下端面與一塊環形永磁鐵接觸配合，導磁環內環面與陶瓷通道的外壁面接觸配合，凸臺內環面與環形永磁鐵的外環面接觸配合，在該導磁環上沿半徑為36_處均勻鉆有6個直徑為3_的通孔，通過螺栓連接和推力器外殼、固定端板及出口陶瓷保護墊片配合；
[0048]本實施方式除了位于通道出口處其他位置的導磁環為圓環形結構，導磁環的內徑為40mm，導磁環外徑為64mm，上下端面分別于環形永磁鐵、磁場引導環或固定端板接觸配合，內環面與陶瓷通道接觸配合，外環面與推力器外殼接觸配合；
[0049]本實施方式推力器的外殼為兩段帶有法蘭的圓環形結構，圓環形的內徑為64mm，外徑為68mm,高度為103mm,兩端的法蘭的內徑為64mm,外徑為76mm,法蘭的厚度為2mm,在法蘭平面上半徑36mm的位置上均勻鉆有6個貫穿整個外殼的直徑為3mm的通孔，通過螺栓連接與推力器固定端板及出口陶瓷保護墊片固定配合；
[0050]本實施方式固定端板的內徑為40mm,外徑為76mm,厚度為2mm,在內壁面的一個環面上設有邊長為2mm的45度倒角，在固定端板半徑36mm的位置上均勻鉆有6個貫穿整個外殼的直徑為3_的通孔，通過螺栓連接與推力器外殼及出口陶瓷保護墊片固定配合；
[0051]本實施方式出口陶瓷保護墊片可以保護推力器，使推力器的金屬部分免受電子的直接撞擊，為內環面帶有錐形凸臺的圓環形結構，內徑為36mm,外徑為76mm,陶瓷墊片厚度為2mm,錐形凸臺的高度為2mm,錐形的錐角為45度,在半徑36mm的位置上均勻鉆有6個貫穿整個外殼的直徑為3_的通孔，通過螺栓連接與推力器外殼及出口固定端板固定配合；
[0052]本實施方式陶瓷套筒的外徑為40mm，與導磁環和永磁鐵的內環面接觸配合，陶瓷套筒的內徑為36mm，陶瓷套筒高120mm，上端面與出口陶瓷保護墊片接觸配合，下端面內法蘭的內徑為4_，與陽極通氣器的外徑接觸配合。
[0053]結合圖1-圖8說明本發明的工作原理是:
[0054]推力器的放電通道的外圍是陶瓷套筒，并采用多級反向永磁鐵形成會切磁場，形成的會切磁場能夠束縛由位于放電通道外的陰極發射的自由電子，自由電子會沿著磁感線做螺旋運動，并在通道上游的陽極施加的高電壓產生的電場的作用下向陽極方向運動，自由電子受到會切磁場的磁鏡作用，在兩個磁鏡尖端處來回運動。電子與從通道上游進入的中性氣體工質，通常為氙原子，發生碰撞，在電子能量足夠大的基礎上，氙原子被電子電離，形成一個正一價的氙離子和另外一個負一價的自由電子，氙離子在空間電場的作用下加速噴射出推力器的放電通道，產生推力。
[0055]本發明用磁場引導環取代部分永磁體材料，磁場引導環能夠將上下端面的環形永磁體產生的磁場連接成一個磁通回路，達到了在不改變磁鏡尖端處磁場強度的基礎上，減小了推力器中心軸線處的磁場強度，使通道中的磁感線向外擴張，擴張了電子的運動路徑，拓寬了電離范圍，增加了氣體工質的電離率，從而在某些工況下提高了推力器的推力和效率。
[0056]雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明的，本領域技術人員還可以在本發明精神內做其他變化，以及應用到本發明未提及的領域中，當然，這些依據本發明精神所做的變化都應包含在本發明所要求保護的范圍內。
【權利要求】
1.一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構,其特征在于:它包括外殼(I)、兩個固定端板(2)、陶瓷套筒(3)、出口陶瓷墊片(4)、陽極和通氣器(5)、多個磁場引導環(6)、多個環形永磁體(7)和多個導磁環(8)，兩個固定端板(2)分別安裝在外殼(I)的上下表面上，陶瓷套筒(3)豎直安裝在外殼(I)內，且陶瓷套筒(3)的下端伸出外殼(1)，陽極和通氣器(5)安裝在陶瓷套筒(3)內壁底端并伸出陶瓷套筒(3)的底端，外殼(I)的內側壁與陶瓷套筒(3)的外側壁之間的上下端面上分別設有一個導磁環(8)，兩個反向的環形永磁體(7)扣合組成永磁體環，永磁體環內設有一個導磁環(8)組成一個組件，多個組件分別水平安裝在陶瓷套筒(3)和外殼(I)之間的內腔內，且多個組件分別位于所述內腔內的上部和下部，外殼(I)的內側壁設有多個磁場引導環(6)。
2.根據權利要求1所述一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構，其特征在于:所述環形永磁體(7)由比例為2:17的釤和鈷材料制成。
3.根據權利要求2所述一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構，其特征在于:磁場引導環(6)為圓環形結構，磁場引導環(6)的外徑與環形永磁體(7)的外徑相同，磁場引導環￠)的上下端面分別與環形永磁體(7)的端面配合。
4.根據權利要求3所述一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構，其特征在于:外殼(I)的上端為通道出口，靠近外殼(I)通道出口處的磁場引導環(6)的上端面與產生通道出口處磁鏡尖端的兩個反向環形永磁體(7)中的下層環形永磁體(7)的下端面接觸配合，環形永磁體(7)的下端面與產生通道中間處磁鏡尖端的兩個反向環形永磁體(7)中的上層環形永磁體(7)的上端面接觸配合。
5.根據權利要求1或4所述一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構，其特征在于:外殼(I)的上部為通道上游處，靠近外殼(I)通道上游處的磁場引導環(6)的上端面與產生通道中間處磁鏡尖端的兩個反向環形永磁體(7)中的下層環形永磁體(7)的下端面接觸配合，磁場引導環￠)的下端面與產生通道上游處磁鏡尖端的兩個反向環形永磁體(X)中的上層環形永磁體(X)的上端面接觸配合，磁場引導環￠)的內環面不與其他物體接觸，外環面與外殼(I)的內壁面接觸配合。
6.根據權利要求5所述一種多級會切磁場等離子體推力器的電流均化磁場結構，其特征在于:位于通道出口的導磁環(8)為帶凸臺的環形結構，導磁環(8)上端面與一塊固定端板接觸配合，導磁環(8)下端面與一個環形永磁體(7)接觸配合，導磁環(8)的內環面與陶瓷套筒(3)內的陶瓷通道的外壁面接觸配合，導磁環(8)的凸臺內環面與環形永磁體(7)的外環面接觸配合，在該導磁環(8)上均勻鉆有6個直徑為3_的通孔，通過螺栓連接和外殼(I)、固定端板(2)及出口陶瓷保護墊片(4)配合。
【文檔編號】H05H1/14GK104202895SQ201410440268
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月1日 優先權日:2014年9月1日
【發明者】劉輝, 馬成毓, 孫國順, 胡鵬, 陳蓬勃, 于達仁 申請人:哈爾濱工業大學