一種用于會切磁場等離子體推力器的空心陽極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種會切磁場等離子體推力器。
【背景技術(shù)】
[0002]會切磁場等離子體推力器以其比沖高、壽命長、推力范圍廣等優(yōu)勢而逐漸受到航天界的青睞,它由陽極、陰極、陶瓷通道、永磁鐵等組成,其中相鄰兩永磁鐵極性相反以產(chǎn)生會切磁場。通道上游布置陽極,出口放置陰極,從而在通道內(nèi)部形成了軸向電場。在上述電磁場作用下,陰極釋放的電子沿磁力線進入陶瓷放電通道內(nèi)部,并與從陽極進入的氣體工質(zhì)相遇發(fā)生碰撞電離,電子通過碰撞傳導(dǎo)最終到達陽極,而中性原子被電離后產(chǎn)生的離子在軸向電場作用下加速噴出形成推力,并最終被陰極排放的電子中和。
[0003]會切磁場推力器通過磁尖端處的磁鏡效應(yīng)和尖端以外平行于壁面的磁力線來約束電子,這大大降低了電子對陶瓷放電通道壁面的腐蝕,但是,這也意味著大量電子最終都聚集到了陽極,高能電子大量沖擊在陽極上勢必造成陽極腐蝕和溫度過高,引起陽極壽命降低。而且陽極熱量會向推力器其余部位傳導(dǎo),這會引起耐溫最低的永磁鐵出現(xiàn)高溫退磁。由于太空中散熱多以輻射為主,加強陽極冷卻會造成推力器整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和重量增大,然而,合理設(shè)計陽極結(jié)構(gòu)是解決該問題有效方法之一。
[0004]經(jīng)過實驗驗證,陽極的設(shè)計對推力器的推力、效率等工作性能影響也很大。傳統(tǒng)的陽極都僅為放電通道提供陽極電位,但這對推力器性能的提高并沒有較大貢獻。電離率是影響推力器性能的一個重要因素之一,通過陽極設(shè)計來提高推力器電離率也是比較理想的措施之一。
[0005]因此,目前關(guān)于會切磁場推力器的陽極設(shè)計尚有很多不足,通過設(shè)計新的陽極結(jié)構(gòu)來有效加強推力器陽極的熱防護和提高推力器性能是很有必要的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有會切磁場推力器由于陽極過熱而導(dǎo)致的永磁鐵退磁和推力器壽命降低等問題,并通過提高推力器電離率從而進一步地提高推力器性能,提出了一種用于會切磁場等離子體推力器的空心陽極。
[0007]一種用于會切磁場等離子體推力器的空心陽極,它包括氣體分配器、緩沖腔和陶瓷套筒三部分;
[0008]所述的氣體分配器包括供氣件與分配器底板;
[0009]所述供氣件包括導(dǎo)管和腔室兩部分,所述腔室一側(cè)與導(dǎo)管相連通,所述緩沖腔另一底面中心開孔并通向放電通道內(nèi)部,所述分配器底板與腔室的凸臺實現(xiàn)過渡配合;;
[0010]所述陶瓷套筒將腔室和緩沖腔整體包裹,陶瓷套筒的內(nèi)壁面與腔室和緩沖腔外壁面的配合為過渡配合,所述陶瓷套筒在緩沖腔開孔的同樣位置處開有同樣大小的孔。
[0011]工作原理:
[0012]所述的氣體分配器,一側(cè)為供氣件,供氣件的導(dǎo)管連接外部的供氣系統(tǒng)為放電通道提供氣體,同時該導(dǎo)管材料為金屬,可向放電通道內(nèi)部導(dǎo)電引入外界高電壓;另一側(cè)為開有很多小孔的分配器底板,這些小孔周向均勻分布,以實現(xiàn)均化氣體的功能,同時,該底板有阻礙等離子體向供氣系統(tǒng)擴散的效果,避免因等離子體震蕩引起供氣系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
[0013]所述的緩沖腔一底面與氣體分配器連接,另一底面開孔面向放電通道內(nèi)部。該緩沖腔材料為導(dǎo)磁材料,以屏蔽外界強磁場,使進入空腔內(nèi)部的電子不受磁場影響,從而均化電子電流,使電子充分電離整個空腔內(nèi)部的氣體,增大電離率。該孔孔徑大小應(yīng)適宜,需根據(jù)實際通道尺寸確定??讖饺绻^大,緩沖腔內(nèi)氣體原子密度不能得到較大提升,原子對高能電子的阻礙將削弱,電離率也會有一定程度的降低。但孔徑如果過小,顯然的大部分電子也將轟擊在緩沖腔外部,引起緩沖腔局部溫度過高,同樣達不到陽極熱防護的效果。
[0014]所述的陶瓷套筒起到了絕緣效果,使得放電通道中的電子不能從空心陽極的外壁得以傳導(dǎo),只能通過緩沖腔的底孔進入空心陽極內(nèi)部接觸到高電位從而被注銷,這樣便完成了電子傳導(dǎo)的整個過程。這是實現(xiàn)上述工作原理的前提以及重要保障。
[0015]本發(fā)明帶來的有益效果是:
[0016]對陽極壽命的提高:由于緩沖腔的作用,在近陽極區(qū)形成了一個高原子密度區(qū),大量高能電子在抵達陽極前首先與中性原子碰撞,碰撞后電子內(nèi)能下降,對陽極的轟擊和腐蝕降低,這使得陽極溫度降低了 40%,從而大大延長了陽極壽命,壽命提高超過60%。
[0017]對電離率的提高:緩沖腔所形成的高密度原子,在阻礙高能電子與陽極發(fā)生碰撞的同時,也將被電子所電離,由于此處的電子能量和密度都較高,使得此處電離率要遠(yuǎn)大于放電通道其余部位的電離率,從而使得整個推力器的電離率提高了 10%。
[0018]對推力器性能參數(shù)的提高:原本大量高能電子與陽極碰撞,將產(chǎn)生大部分熱量,這部分熱量將會通過熱傳導(dǎo)和熱輻射而消耗在外太空,但采用空心陽極后,這部分能量被轉(zhuǎn)化為通道內(nèi)中性原子的電離能,使得電子能量得以充分利用,最終使得推力器的效率提高了 8%,推力和比沖均提高了 15%。
[0019]對推力器工作穩(wěn)定性與可靠性的提高:由于陽極溫度的降低,使得推力器最薄弱部位即永磁鐵接受到陽極的熱傳導(dǎo)量降低,永磁鐵溫度降低了 15%,增大了安全工作裕度30%,使其在更安全可靠的溫度范圍內(nèi)工作,保證了推力器的工作穩(wěn)定性與可靠性,并提高了推力器壽命40%。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明空心陽極的剖視圖;
[0021]圖2為本發(fā)明空心陽極的整體結(jié)構(gòu)圖;
[0022]圖3為【具體實施方式】一中空心陽極氣體分配器的剖視圖;
[0023]圖4為【具體實施方式】六中空心陽極分配器底板結(jié)構(gòu)圖;
[0024]圖5為【具體實施方式】一中空心陽極緩沖腔結(jié)構(gòu)圖;
[0025]圖6為【具體實施方式】一中陶瓷套筒結(jié)構(gòu)圖;
[0026]圖7為【具體實施方式】八中空心陽極與放電通道的配合圖;其中,A為空心陽極,B為放電通道;
[0027]圖8(a)為【具體實施方式】一中緩沖腔采用導(dǎo)磁材料空心陽極的磁場位形圖;
[0028]圖8(b)為【具體實施方式】一中緩沖腔采用非導(dǎo)磁材料空心陽極的磁場位形圖。
【具體實施方式】
[0029]【具體實施方式】一:本實施方式的一種用于會切磁場等離子體推力器的空心陽極,其特征在于它包括氣體分配器1、緩沖腔2和陶瓷套筒3三部分;
[0030]所述的氣體分配器I包括供氣件1-1與分配器底板1-2 ;
[0031]所述供氣件1-1包括導(dǎo)管1-1-1和腔室1-1-2兩部分,所述腔室1_1_2 —側(cè)與導(dǎo)管1-1-1相連通,所述腔室1-1-2另一側(cè)與緩沖腔2 —底面相連通,所述緩沖腔2另一底面中心開孔并通向放電通道內(nèi)部,所述分配器底板1-2與腔室1-1-2的凸臺實現(xiàn)過渡配合;
[0032]圖6所示,所述陶瓷套筒3將腔室1-1-2和緩沖腔2整體包圍,以實現(xiàn)電子只能通過緩沖腔2的底孔進入到陽極內(nèi)部從而完成整個電子傳導(dǎo)過程,陶瓷套筒3的內(nèi)壁面與腔室1-1-2和緩沖腔2外壁面的配合為過渡配合,所述陶瓷套筒3在緩沖腔2開孔的同樣位置處開有同樣大小的孔。
[0033]緩沖腔2具體尺寸需根據(jù)具體放電通道的空間尺寸來定,放電通道內(nèi)徑改變時,可通過相似準(zhǔn)則來確定各空心陽極部分的具體尺寸。
[0034]圖3中,氣體分配器的供氣件I不宜過長,因為該導(dǎo)管自身帶高電位,長度較大絕緣工作將會復(fù)雜化,而且氣體工質(zhì)在較長的高電位管路中可能會預(yù)先電離致使氣體流量計工作不穩(wěn)定,引發(fā)推力器推力震蕩等現(xiàn)象。
[0035]空心陽極的緩沖腔2,底面開孔的孔徑大小應(yīng)適宜,可設(shè)定為放電通道直徑的1/5??讖饺绻^大,會降低有益效果??讖捷^小,緩沖腔局部溫度過高,同樣達不到陽極熱防護的效果。對于放電通道內(nèi)徑為40_的會切磁場推力器而言,該孔徑可設(shè)計為8_。
[0036]空心陽極可先通過車床加工制作出供氣件1-1,再加工出一個與之配合的打有很多周向均勻小孔的分配器底板1-2,兩者焊接即可得空心陽極的氣體分配器I。對于緩沖腔2,可通過車床加工出一個無蓋空腔圓柱體,在一底面上按照要求孔徑打孔,通過焊接將緩沖腔4的無底面一端與氣體分配器I的底板一側(cè)相連,即得整個空心陽極。空心陽極需置于放電通道的中心處,以使大部分電子沿磁力線較易的進入陽極空腔。
[0037]空心陽極置于放電通道的中心處。
[0038]參考圖5說明本實施方式,空心陽極的緩沖腔2,不僅具有良好的導(dǎo)電性,同時也具有較好的導(dǎo)磁性,如圖8(a)?8(b)所示,為導(dǎo)磁的緩沖腔和不導(dǎo)磁的緩沖腔分別通過FEMM軟件模擬得到的磁場位形對比圖。可以看到,導(dǎo)磁的緩沖腔可以有效屏蔽外界強磁場對緩沖腔腔內(nèi)部的影響,緩沖腔內(nèi)的磁場強度幾乎為零,這更利于電子在緩沖腔內(nèi)部的均化。相反的,如果空心陽極不導(dǎo)磁,那么磁力線將引伸至空心陽極的內(nèi)部空腔,由于電子是沿著