一种霍尔推力器分布式供气结构及供气调节方法

1.本发明涉及霍尔推力器，具体涉及一种霍尔推力器分布式供气结构及供气调节方法。


背景技术：

2.霍尔推力器是一种利用正交电磁场电离加速工质气体产生推力的电推进装置，主要应用于航天推进领域。霍尔推力器在通道内部形成正交的电磁场，阴极发射的电子在到达通道底部阳极的过程中被磁场约束，绕磁力线做拉莫尔回旋运动。推进剂从通道底部注入，中性原子与电子在通道中碰撞电离，产生大量的离子、电子。离子在轴向电场的作用下高速喷出形成羽流，从而产生推力。它具有结构简单、比冲高、工作可靠等优点，可大大提高航天器的有效载荷率。
3.未来空间任务对电推力器提出了宽参数变化范围内高性能稳定工作的要求。航天器对动力的需求由不同的任务背景、不同的任务段、不同的工作环境以及不同的推力器形态等决定，不同任务背景、不同任务段的输入条件会发生变化。轨道转移和位置保持是航天器在轨机动的两种最主要任务。其中，轨道转移需要推力器工作在大流量、低电压的大推力状态，而位置保持需要推力器工作在小流量、高电压的高比冲状态。且随着卫星距地球的远近、或者位于太阳的阴阳两面，推力器的实际工况都需变化。再以火星、小行星探测等深空任务为例，任务期内不仅太阳能供给随时间、距离、位置的变化而变化，而且星际航行、绕飞等不同任务段对推力与比冲的需求差异亦很大；又如地球重力场测量、引力波探测等空间精密科学实验要求对卫星实现高精度、低噪声的无拖曳控制，需要推力大范围连续可调。因此，单一的某一个或某几个工作点无法有效适应航天器空间任务的多样性。
4.然而，基于当前设计理念的霍尔推力器均只能在一个较窄的工况内高效稳定放电。在低功率运行以及高比冲(高放电电压)运行时，推力器需要将工质流量维持在较低的数值。由霍尔推力器电离相关理论可知电离速率s
ion
＝β(te)nena，其中β为电离反应系数，与电子温度te正相关，ne为电子密度，na为中性原子密度。可见，工质电离速率与气体原子密度na成正比。目前的霍尔推力器气体分配器位于通道底部，中性气体原子在进入通道后在压力梯度作用下自由扩散，在通道尺寸固定的前提下，随着工质流量的降低，扩散至电离区的气体密度随之下降，工质得不到充分的电离，导致推力器效率快速下降。若通过减小通道尺寸提高中性原子密度，则在大流量下电离区气体密度过高，与电子频繁碰撞，导致电子温度降低，不足以电离原子，进而造成电离损失大、推力器效率下降。
5.公开号cn115711208a涉及一种适合高比冲后加载霍尔推力器的供气结构，该发明主要是针对电子温度高的特点优化流场设计，利用近阳极区中性气体原子与电子的碰撞对电子能量进行回收与再利用，降低阳极电子剩余能量、改善阳极过热等不稳定因素对高比冲霍尔推力器正常放电造成的不确定性影响。该发明无法调节通道内气体密度。
6.综上，现有的霍尔推力器变流量工作区间窄，低流量下原子密度低、电离不充分，高流量下无效碰撞多、电离损失大的问题。


技术实现要素：

7.本发明为克服现有技术不足，提供一种霍尔推力器分布式供气结构及调节方法，该供气结构通过调配阳极气体分配器和壁面气体分配器的供气比例，使电离区的气体密度保持不变，保证霍尔推力器电离速率维持稳定，进而优化电离过程，完成霍尔推力器的宽流量变化范围内高效稳定放电。
8.一种霍尔推力器分布式供气结构包含阳极气体分配器、壁面气体分配器和绝缘底板；
9.壁面气体分配器包含壁面进气柱、壁面底座及一级挡板、壁面外侧二级挡板、壁面外侧三级挡板、双环形金属壁面板、壁面内侧二级挡板和壁面内侧三级挡板；所述壁面底座及一级挡板、壁面外侧二级挡板、壁面外侧三级挡板、壁面内侧二级挡板和壁面内侧三级挡板均为环形结构；
10.壁面外侧二级挡板和壁面内侧二级挡板分别固定在壁面底座及一级挡板上，壁面外侧三级挡板和壁面内侧三级挡板对应固定在壁面外侧二级挡板和壁面内侧二级挡板上，壁面外侧二级挡板、壁面内侧二级挡板、壁面外侧三级挡板、壁面内侧三级挡板和壁面底座及一级挡板围成一个工作通道，工作通道内布置有与壁面底座及一级挡板固接的带有底板的双环形金属壁面板，双环形金属壁面板的外侧分别与壁面底座及一级挡板、壁面外侧二级挡、壁面外侧三级挡板、壁面内侧二级挡板和壁面内侧三级挡板之间形成壁面气体通道，壁面底座及一级挡板的底部设置有与壁面气体通道相通的壁面进气柱，环形金属壁面板的内侧底部布置有绝缘底板，环形金属壁面板的上部沿周向开有分别与放电通道和所述壁面气体通道相通的供气孔，绝缘底板上布置有可向所述放电通道供气的阳极气体分配器。
11.一种霍尔推力器分布式供气结构的供气调节方法，在高流量下，通过阳极气体分配器向放电通道内供气，在低流量下，通过壁面气体分配器向放电通道内供气，在流量变化过程中，调配阳极气体分配器和壁面气体分配器的供气比例，使电离区的气体密度保持不变，保证霍尔推力器电离速率维持稳定，进而优化电离过程，完成霍尔推力器的宽流量变化范围内高效稳定放电。
12.本发明相比现有技术的有益效果是：
13.本发明设计了霍尔推力器分布式供气结构，采用阳极气体分配器和壁面气体分配器配合供气，实现霍尔推力器流量的大范围变化。阳极气体分配器从通道底部供给气体，气体密度在通道上游达到峰值，并逐步向下游衰减。壁面气体分配器在通道侧壁进行气体均化，并在通道下游供给气体，气体密度在通道下游达到峰值。通过调节二者的供气比例，在宽流量变化过程中维持电离区原子密度不变，优化宽流量下的电离过程，拓展霍尔推力器高效工作区间。本发明克服了传统霍尔推力器变流量工作区间窄，低流量下原子密度低、电离不充分，高流量下无效碰撞多、电离损失大的问题。
14.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
15.图1为本发明的整体结构主视图；
16.图2为本发明的整体结构立体图；
17.图3为本发明的空心柱和进气柱分布示意图；
18.图4为壁面气体分布器的结构示意图；
19.图5为设置陶瓷通道的本发明结构示意图；
20.图6为壁面底座及一级挡板上布置气体小孔的结构示意图；
21.图7为壁面外侧二级挡板和壁面内侧二级挡板上布置气体小孔的示意图；
22.图8为壁面气体分配器供气，流量为50sccm时放电通道内原子密度分布图；
23.图9为阳极气体分配器供气，流量为50sccm时放电通道内原子密度分布图；
24.图10为壁面气体分配器供气25sccm及阳极气体分配器供气25sccm时放电通道内原子密度分布图；
25.图11为供气总流量50sccm时，三种供气方式下放电通道中心线原子密度值图。
26.其中：1、阳极气体分配器，1-1、进气柱，1-2、实心柱，1-3、阳极底座，1-4、阳极一级挡板，1-5、阳极二级挡板，1-6、阳极三级挡板，2-1、实心柱，2-2、进气柱，2-3、壁面底座及一级挡板，2-4、壁面外侧二级挡板，2-5、壁面外侧三级挡板，2-6、双环形金属壁面板，2-7、壁面内侧二级挡板，2-8、壁面内侧三级挡板，2壁面气体分配器，3绝缘底板，4-1外出口段陶瓷，4-2、内出口段陶瓷。
具体实施方式
27.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。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，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。
28.结合图1-图4说明，本实施方式的一种霍尔推力器分布式供气结构包含阳极气体分配器1、壁面气体分配器2和绝缘底板3；
29.壁面气体分配器包含壁面进气柱2-2、壁面底座及一级挡板2-3、壁面外侧二级挡板2-4、壁面外侧三级挡板2-5、双环形金属壁面板2-6、壁面内侧二级挡板2-7和壁面内侧三级挡板2-8；所述壁面底座及一级挡板2-3、壁面外侧二级挡板2-4、壁面外侧三级挡板2-5、壁面内侧二级挡板2-7和壁面内侧三级挡板2-8均为环形结构；
30.壁面外侧二级挡板2-4和壁面内侧二级挡板2-7分别固定在壁面底座及一级挡板2-3上，壁面外侧三级挡板2-5和壁面内侧三级挡板2-8对应固定在壁面外侧二级挡板2-4和壁面内侧二级挡板2-7上，壁面外侧二级挡板2-4、壁面内侧二级挡板2-7、壁面外侧三级挡板2-5、壁面内侧三级挡板2-8和壁面底座及一级挡板2-3围成一个工作通道，工作通道内布置有与壁面底座及一级挡板2-3固接的带有底板的双环形金属壁面板2-6，双环形金属壁面板2-6的外侧分别与壁面底座及一级挡板2-3、壁面外侧二级挡板2-4、壁面外侧三级挡板2-5、壁面内侧二级挡板2-7和壁面内侧三级挡板2-8之间形成壁面气体通道，壁面底座及一级挡板2-3的底部设置有与壁面气体通道相通的壁面进气柱2-2，环形金属壁面板2-6的内侧底部布置有绝缘底板3，环形金属壁面板2-6的上部沿周向开有分别与放电通道和所述壁面气体通道相通的供气孔2-6-1，绝缘底板3上布置有可向所述放电通道供气的阳极气体分配器1。壁面气体分配器2和阳极气体分配器1之间采用绝缘底板3相隔。壁面气体分配器2与陶瓷相互连接形成放电通道。
31.本发明通过设计霍尔推力器分布式供气结构，在高流量下，采用位于通道底部的阳极气体分配器1供气，在低流量下，采用壁面气体分配器2供气。在流量变化过程中，调配
阳极气体分配器1和壁面气体分配器2的供气比例，使电离区的气体密度保持不变，保证霍尔推力器电离速率维持稳定，进而优化电离过程，完成霍尔推力器的宽流量变化范围内高效稳定放电。有效地克服了传统霍尔推力器变流量工作区间窄，低流量下原子密度低、电离不充分，高流量下无效碰撞多、电离损失大的问题。
32.如图5所示，阳极气体分配器1从阳极进气柱1-2进气，向通道底部位置供给气体，气体密度在通道上游i区域达到峰值，并逐步向下游衰减。壁面气体分配器2从壁面进气柱2-2进气，在壁面气体通道并由供气孔2-6-1进行气体均化，并在通道下游供给气体，气体密度在通道下游ii区域达到峰值，通过调节两种气体分配器的供气比例，在宽流量变化过程中维持电离区原子密度不变，优化宽流量下的电离过程，拓展霍尔推力器高效工作区间。
33.在图5的放电通道中，形成金属通道和陶瓷通道，陶瓷通道采用外出口段陶瓷4-1和内出口段陶瓷4-2共同构成。
34.作为一种可能的实施方式，如图1、图3和图5所示，所述阳极气体分配器1包含阳极实心柱1-1、阳极进气柱1-2、阳极底座1-3、阳极一级挡板1-4、阳极二级挡板1-5和阳极三级挡板1-6，阳极底座1-3固定在绝缘底板3上，阳极一级挡板1-4固定在阳极底座1-3上，阳极一级挡板1-4、阳极二级挡板1-5和阳极三级挡板1-6由下至上依次相连，相邻级挡板围成储气空腔，阳极一级挡板1-4、阳极二级挡板1-5和阳极三级挡板1-6分别开有与放电通道相通的出气孔，绝缘底板3上设置有贯穿壁面底座及一级挡板2-3并与储气空腔相通的阳极进气柱1-2，壁面底座及一级挡板2-3的底部设置有壁面实心柱2-1和阳极实心柱1-1。
35.通常，阳极底座1-3、阳极一级挡板1-4、阳极二级挡板1-5和阳极三级挡板1-6均为环形结构，并依次焊接为一体。
36.进一步地，如图1、图4和图5所示，所述绝缘底板3为环形板。所述阳极一级挡板1-4、阳极二级挡板1-5和阳极三级挡板1-6均为带有顶板的双环挡板。如此设置，保证阳极和壁面不能为相同电位，设置带有底板的双环挡板，便于阳极气体分配器1供气。
37.更近一步地，如图1和图5所示，所述阳极一级挡板1-4上的出气孔为多个一级出气孔，多个一级出气孔呈单环形布置。所述阳极二级挡板1-5上出气孔为多个二级出气孔，多个二级出气孔呈双环布置，单环布置的一级出气孔与双环布置的二级出气孔错位排布。通过一级出气孔和二级出气孔实现气体均化；
38.作为另一个可实施方式，所述壁面气体分配器借助于金属段长且窄的特点，采用气流流动路径进行均化。壁面底座及一级挡板2-3的内外板上开有相对于进气柱对称的两个小孔(如图6所示)，壁面内侧二级挡板2-7和壁面外侧二级挡板2-4上分别开有相对于壁面底座及一级挡板2-3两孔对称的四个小孔(如图7所示)，壁面下游开有若干径向小孔作为供气孔2-6-1(如图3所示)，如此可保证气体流向各个小孔的路径相等，大幅提高均化效果。
39.如图8-图11所示，在单独使用壁面气体分配器2时，供给流量50sccm的工质气体，通道内气体密度分布如图8所示，其原子密度峰值位于电离区。在单独使用阳极气体分配器1时，供给流量50sccm的工质气体，通道内气体密度分布如图9所示，其原子密度峰值位于通道上游，电离区密度较低。壁面气体分配器供气的电离区原子密度比阳极气体分配器高近一倍。通过调节二者的供气比例，可在总流量宽范围调节下增加电离区原子密度的调节范围，保证电离区密度原子密度维持恒定最优值。当二者分别供气25sccm时，通道内气体密度分布如图10所示。三种供气方式下通道中心线密度如图11所示。
40.可选地，如图4所示，一个阳极进气柱1-2和二个阳极实心柱1-1焊接在阳极底座1-3上，所述一个壁面进气柱2-2和二个壁面实心柱2-1焊接在壁面底座及一级挡板2-3上。阳极气体分配器1的三个柱和壁面气体分配器2的三个柱间隔对称分布，通过固定柱进行固定。
41.进一步地，壁面气体分配器2的材质为钛合金和纯铁。阳极实心柱1-1、阳极进气柱1-2、阳极底座1-3、阳极一级挡板1-4、阳极二级挡板1-5和阳极三级挡板1-6的材质均为钛合金或者dt4c纯铁。在推力器尺寸裕度大的情况下，壁面气体分配器选择耐高温低膨胀不导磁合金，优选地选择钛合金材料。在推力器尺寸裕度小的情况下，壁面气体分配器可作为导磁的磁屏结构，将磁屏与壁面气体分配器二合一，优选的选择dt4c纯铁。
42.阳极气体分配器实心柱连接阳极电源正极，用以向推力器供电。阳极气体分配器与壁面气体分配器之间采用底板绝缘，优选的采用al2o3。出口段陶瓷优选采用bn材料，与金属材料的壁面气体分配器一起形成放电通道。bn材料有适中的二次电子发射系数，在通道出口等离子体活动剧烈的部位采用bn材料有助于性能、放电稳定性的增强。
43.基于上述供气结构，如图5所示，还提供一种基于上述任一实施例所述霍尔推力器分布式供气结构实现供气的调节方法，包含：在高流量下，通过阳极气体分配器1向放电通道内供气，在低流量下，通过壁面气体分配器2向放电通道内供气，在流量变化过程中，调配阳极气体分配器1和壁面气体分配器2的供气比例，使电离区的气体密度保持不变，保证霍尔推力器电离速率维持稳定，进而优化电离过程，完成霍尔推力器的宽流量变化范围内高效稳定放电。
44.进一步地来说，所述阳极气体分配器1从底部供给气体，气体密度在放电通道上游达到峰值，并逐步向下游衰减，所述壁面气体分配器2在通道侧壁进行气体均化，并在通道下游供给气体，气体密度在通道下游达到峰值，通过调节二者的供气比例，在宽流量变化过程中维持电离区原子密度不变，优化宽流量范围下的电离过程。
45.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：
1.一种霍尔推力器分布式供气结构，其特征在于：包含阳极气体分配器(1)、壁面气体分配器(2)和绝缘底板(3)；壁面气体分配器包含壁面进气柱(2-2)、壁面底座及一级挡板(2-3)、壁面外侧二级挡板(2-4)、壁面外侧三级挡板(2-5)、双环形金属壁面板(2-6)、壁面内侧二级挡板(2-7)和壁面内侧三级挡板(2-8)；所述壁面底座及一级挡板(2-3)、壁面外侧二级挡板(2-4)、壁面外侧三级挡板(2-5)、壁面内侧二级挡板(2-7)和壁面内侧三级挡板(2-8)均为环形结构；壁面外侧二级挡板(2-4)和壁面内侧二级挡板(2-7)分别固定在壁面底座及一级挡板(2-3)上，壁面外侧三级挡板(2-5)和壁面内侧三级挡板(2-8)对应固定在壁面外侧二级挡板(2-4)和壁面内侧二级挡板(2-7)上，壁面外侧二级挡板(2-4)、壁面内侧二级挡板(2-7)、壁面外侧三级挡板(2-5)、壁面内侧三级挡板(2-8)和壁面底座及一级挡板(2-3)围成一个工作通道，工作通道内布置有与壁面底座及一级挡板(2-3)固接的带有底板的双环形金属壁面板(2-6)，双环形金属壁面板(2-6)的外侧分别与壁面底座及一级挡板(2-3)、壁面外侧二级挡板(2-4)、壁面外侧三级挡板(2-5)、壁面内侧二级挡板(2-7)和壁面内侧三级挡板(2-8)之间形成壁面气体通道，壁面底座及一级挡板(2-3)的底部设置有与壁面气体通道相通的壁面进气柱(2-2)，环形金属壁面板(2-6)的内侧底部布置有绝缘底板(3)，环形金属壁面板(2-6)的上部沿周向开有分别与放电通道和所述壁面气体通道相通的供气孔(2-6-1)，绝缘底板(3)上布置有可向所述放电通道供气的阳极气体分配器(1)。2.根据权利要求1所述一种霍尔推力器分布式供气结构，其特征在于：所述阳极气体分配器(1)包含阳极实心柱(1-1)、阳极进气柱(1-2)、阳极底座(1-3)、阳极一级挡板(1-4)、阳极二级挡板(1-5)和阳极三级挡板(1-6)，阳极底座(1-3)固定在绝缘底板(3)上，阳极一级挡板(1-4)固定在阳极底座(1-3)上，阳极一级挡板(1-4)、阳极二级挡板(1-5)和阳极三级挡板(1-6)由下至上依次相连，相邻级挡板围成储气空腔，阳极一级挡板(1-4)、阳极二级挡板(1-5)和阳极三级挡板(1-6)分别开有与放电通道相通的出气孔，绝缘底板(3)上设置有贯穿壁面底座及一级挡板(2-3)并与储气空腔相通的阳极进气柱(1-2)，壁面底座及一级挡板(2-3)的底部设置有壁面实心柱(2-1)和阳极实心柱(1-1)。3.根据权利要求1所述一种霍尔推力器分布式供气结构，其特征在于：所述绝缘底板(3)为环形板。4.根据权利要求2所述一种霍尔推力器分布式供气结构，其特征在于：所述阳极一级挡板(1-4)、阳极二级挡板(1-5)和阳极三级挡板(1-6)均为带有顶板的双环挡板。5.根据权利要求2所述一种霍尔推力器分布式供气结构，其特征在于：所述阳极一级挡板(1-4)上的出气孔为多个一级出气孔，多个一级出气孔呈单环形布置。6.根据权利要求5所述一种霍尔推力器分布式供气结构，其特征在于：所述阳极二级挡板(1-5)上出气孔为多个二级出气孔，多个二级出气孔呈双环布置，单环布置的一级出气孔与双环布置的二级出气孔错位排布。7.根据权利要求2所述一种霍尔推力器分布式供气结构，其特征在于：阳极实心柱(1-1)、阳极进气柱(1-2)、阳极底座(1-3)、阳极一级挡板(1-4)、阳极二级挡板(1-5)和阳极三级挡板(1-6)的材质均为钛合金或者dt4c纯铁。8.根据权利要求2所述一种霍尔推力器分布式供气结构，其特征在于：所述绝缘底板(3)的材质为三氧化二铝。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述霍尔推力器分布式供气结构的供气调节方法，其特征在于：在高流量下，通过阳极气体分配器(1)向放电通道内供气，在低流量下，通过壁面气体分配器(2)向放电通道内供气，在流量变化过程中，调配阳极气体分配器(1)和壁面气体分配器(2)的供气比例，使电离区的气体密度保持不变，保证霍尔推力器电离速率维持稳定，进而优化电离过程，完成霍尔推力器的宽流量变化范围内高效稳定放电。10.根据权利要求9所述一种霍尔推力器分布式供气结构的供气调节方法，其特征在于：所述阳极气体分配器(1)从底部供给气体，气体密度在放电通道上游达到峰值，并逐步向下游衰减，所述壁面气体分配器(2)在通道侧壁进行气体均化，并在通道下游供给气体，气体密度在通道下游达到峰值，通过调节二者的供气比例，在宽流量变化过程中维持电离区原子密度不变，优化宽流量范围下的电离过程。

技术总结
一种霍尔推力器分布式供气结构及供气调节方法，包含阳极气体分配器、壁面气体分配器和绝缘底板；壁面外侧二级挡板和壁面内侧二级挡板分别固定在壁面底座及一级挡板上，壁面外侧二级挡板、壁面内侧二级挡板、壁面外侧三级挡板、壁面内侧三级挡板和壁面底座及一级挡板围成一个工作通道，环形金属壁面板的内侧底部布置有绝缘底板，环形金属壁面板的上部沿周向开有分别与放电通道和所述壁面气体通道相通的供气孔，绝缘底板上布置有可向所述放电通道供气的阳极气体分配器。本发明可使电离区的气体密度保持不变，保证霍尔推力器电离速率维持稳定，进而优化电离过程，完成霍尔推力器的宽流量变化范围内高效稳定放电。流量变化范围内高效稳定放电。流量变化范围内高效稳定放电。


技术研发人员：李鸿 钟超 刘星宇 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：2023.04.14
技术公布日：2023/6/3