电子加热式固体工质阳极、加热方法及霍尔推力器与流程

1.本发明涉及霍尔推力器技术领域，具体地，涉及电子加热式固体工质阳极、加热方法及霍尔推力器。


背景技术：

2.霍尔推力器主要由空心阴极、阳极/气体分配器、放电室、磁路等构成，推进剂通过阳极/气体分配器进入放电室，在空心阴极和阳极间产生的电场、磁路产生的磁场共同作用下，利用空心阴极发射的电子电离、喷出产生推力。
3.氙气的存储和流量控制技术比较成熟，是目前最常用的电推进推进剂。但是，氙气的价格高、地球储量较少，随着空间电推进应用增加，尤其是商业航天的快速发展，对低成本固体工质电推进技术提出迫切需求。基于固体工质的霍尔推力器具有可靠性高、推功比大、结构简单、成本低等优势，是目前电推进发展的热点方向之一。
4.氙气的储存和供给通过气瓶、流量控制模块等实现的，常规的固体工质的储存和供给方案均在上述氙气方案的基础上，增加加热模块，保证固体工质以气态形式输运，专利cn114922791a、cn108798935a、wo2017176843a1等公布通过增加加热器或加热模块等方法保持固体工质以气态的形式进行输运，专利cn115163440a公布一种用于固体工质的霍尔推力器阳极结构，通过在阳极的底部增加加热单元防止固体工质的凝结，上述的方法均会增加系统或阳极结构复杂程度。此外，专利cn108533469a公布一种自加热式电推进器工质供给装置以及电推进器，通过电推进器的射频天线发出的射频波进行加热，无须配置额外的加热模块，可降低功耗，防止凝结，但射频天线的加热方式不适用于霍尔推力器。
5.为解决上述问题，需要提出一种用于霍尔推力器的自加热式固体工质阳极，可实现工质固态与气态的转换，节省额外的工质储存、流量控制模块和热控模块的同时，实现流量的长期稳定的供应。


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电子加热式固体工质阳极、加热方法及霍尔推力器。
7.根据本发明提供的一种电子加热式固体工质阳极，包括：分配器、固体工质、弹簧、底座以及压板；
8.所述分配器和所述底座连接并合围形成容置空间，所述容置空间内安装所述固体工质、所述弹簧以及所述压板；
9.所述固体工质一侧紧贴在所述分配器上，另一侧设置所述压板，所述压板和所述底座之间设置所述弹簧。
10.优选地，所述底座上安装固定柱，所述固定柱设置有多根。
11.优选地，所述分配器背向所述底座一侧端面设置连通所述容置空间的通孔阵列。
12.优选地，所述分配器和所述底座设置为中空结构。
13.优选地，所述分配器、所述弹簧、所述底座、所述固定柱以及所述压板采用与所述固体工质兼容的导电材料，所述固体工质包括致密非金属或金属固态物质。
14.优选地，所述弹簧处于压缩状态；
15.所述压板与所述容置空间的侧壁贴合，所述压板相对所述容置空间的侧壁滑动。
16.优选地，所述固定柱安装在放电室中，所述放电室设置在磁路中，所述放电室中设置放电通道。
17.优选地，所述固定柱连接电源的正极，空心阴极连接所述电源的负极，所述空心阴极和所述分配器之间形成电场，所述空心阴极的电子通过电场从所述放电通道处投射到所述分配器背向所述底座一端；
18.所述固体工质通过空心阴极发射电子轰击固体工质阳极产生的热量进行加热、升华为气态。
19.优选地，一种所述电子加热式固体工质阳极的加热方法，包括以下步骤：
20.步骤s1，启动霍尔推力器的空心阴极，调节所述空心阴极的电流；
21.步骤s2，调节所述电源的电压至固体工质阳极变红；
22.步骤s3，开通霍尔推力器的磁路电源，调节所述磁路电源输出电流，直至霍尔推力器启动；
23.步骤s4，调整所述空心阴极电流和所述电源电压至霍尔推力器稳定工况，推力器完成启动，固体工质阳极加热完成。
24.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
25.1、本发明是针对霍尔推力器设计的一款固体工质阳极，将固体工质的储存、流量控制模块与阳极一体化设计，且采用电子轰击加热方法实现工质升华，无须配置额外的工质储存、流量控制模块、加热模块，显著增加工质的储存密度，极大简化霍尔电推进系统设计；
26.2、本发明采用推力器空心阴极发射的电子轰击阳极的自加热模式，无须额外配置加热模块，极大简化固体工质霍尔推力器设计；
27.3、本发明通过改变空心阴极发射电子电流和阳极电压，可实现加热功率宽范围调节，阳极最高温度可到1000℃及以上，可实现对碘、铋、镁、锌等多种固体工质的相态控制。
附图说明
28.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：
29.图1为本技术固体工质电子轰击加热方法的原理结构图；
30.图2为电子加热式固体工质阳极结构图(一)；
31.图3为电子加热式固体工质阳极结构图(二)；
32.图中所示：
33.具体实施方式
34.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。
35.实施例1
36.如图1和图2所示，本实施例包括：分配器1、固体工质2、弹簧3、底座4、固定柱5、压板6；分配器1、弹簧3、底座4、固定柱5、压板6材料须选择与固体工质2兼容的导电材料，且材料熔点足够高；分配器1为中空结构，顶部厚度不超过5mm且分布通孔阵列，孔径为0.2mm-1.0mm，阵列可以是单排、双排及多排，阵列可以是均匀或非均匀分布；底座4为中空结构，底部有大于等于2根固定柱5，至少1个固定柱5作为阳极接线柱连接电源11的正极。底座4与分配器1紧密连接，分配器1与底座4构成容置空间10，固体工质2、压板6、弹簧3置于容置空间10内；固体工质2为致密非金属或金属固态物质，常见的有碘、铋、镁、锌等；压板6置于固体工质2下方、弹簧3的上方，与分配器1的壁面紧密贴合，可自由活动，固体工质2通过弹簧3、压板6与分配器1的顶部紧密接触；弹簧3在底座4和压板6的限制下始终处于压缩状态，弹簧3常见为螺旋弹簧、波形弹簧等。
37.工作原理：
38.本实施例采用霍尔推力器的空心阴极12发射的电子轰击阳极的加热模式，无须额外配置加热模块。空心阴极12发出的电子电流为数安培，电源11的电压为数百至数千伏特，电子轰击分配器1顶部的功率可到数百至数千瓦特。空心阴极12发射电子，电源11的正极连接底座4的固定柱5，电源11的负极连接空心阴极12，固体工质阳极与空心阴极12间形成电场，空心阴极12发出的电子在电场作用下加速打到分配器1顶部，导致分配器1温度升高，通过改变空心阴极12发射电子电流和电源11的电压，分配器1顶部的温度最高可到1000℃及以上；分配器1顶部热量传导至固体工质2，固体工质2受热由固态变为气态；气态的固体工质2通过分配器1顶部通孔阵列均匀进入放电通道9，在放电通道9内被电离、加速、喷出产生推力；固体工质2与分配器1顶部接触的部分最先被消耗，在弹簧3和压板6的作用下固体工质2始终与分配器1顶部紧密接触，可实现固体工质2的持续供给。
39.具体地，包括以下步骤：
40.步骤一，完成霍尔推力器空心阴极12的启动，先调节空心阴极12的电流，电流调节范围为1-10a，后调节电源11电压，电压调节范围为100-10000v，直至固体工质阳极肉眼可
见发红；
41.步骤二，霍尔推力器磁路8电源开通，调节磁路8电源输出电流，直至霍尔推力器启动；
42.步骤三，逐步调整空心阴极12电流、电源11电压至霍尔推力器稳定工况，推力器完成启动。
43.实施例2
44.如图1和图3所示，本实施例包括：分配器1、镁金属的固体工质2、螺旋弹簧3、底座4、固定柱5、压板6；分配器1、弹簧3、底座4、固定柱5、压板6材料选择不锈钢；分配器1为中空结构，顶部厚度为2mm且均匀分布3排通孔阵列，3排通孔阵列错开4.5
゜
，孔径为0.5mm；底座4为中空结构，底部有4个固定柱5，其中1个固定柱5作为阳极接线柱连接电源11的正极，底座4与分配器1通过激光焊连接；分配器1与底座4构成容置空间10，固体工质2、压板6、螺旋弹簧3置于容置空间10内；压板6置于固体工质2下方、螺旋弹簧3的上方，固体工质2通过螺旋弹簧3、压板6与分配器1的顶部紧密接触；螺旋弹簧3在底座4和压板6的限制下始终处于压缩状态。
45.镁金属的固体工质阳极采用空心阴极12发射的电子轰击阳极的加热模式，空心阴极12发射3.2a电子电流，电源11的正极连接底座4的固定柱5并输出500v电压，电源11的负极连接空心阴极12，固体工质阳极与空心阴极12间形成电场，空心阴极12发出的电子在电场作用下加速打到分配器1顶部，预估将1.6kw能量传递给分配器1顶部，导致分配器1温度升高到725k，分配器1顶部热量传导至固体工质2，固体工质2温度可到720k左右，镁金属的固体工质2受热由固态变为气态，气态的固体工质2通过分配器1顶部通孔阵列均匀进入放电通道9，在放电通道9内被空心阴极12电子电离、加速、喷出产生推力；固体工质2与分配器1顶部接触的部分最先被消耗，在螺旋弹簧3和压板6的作用下固体工质2始终与分配器1顶部紧密接触，可实现固体工质2的持续供给。
46.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。
47.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：
1.一种电子加热式固体工质阳极，其特征在于，包括：分配器(1)、固体工质(2)、弹簧(3)、底座(4)以及压板(6)；所述分配器(1)和所述底座(4)连接并合围形成容置空间(10)，所述容置空间(10)内安装所述固体工质(2)、所述弹簧(3)以及所述压板(6)；所述固体工质(2)一侧紧贴在所述分配器(1)上，另一侧设置所述压板(6)，所述压板(6)和所述底座(4)之间设置所述弹簧(3)。2.根据权利要求1所述电子加热式固体工质阳极，其特征在于：所述底座(4)上安装固定柱(5)，所述固定柱(5)设置有多根。3.根据权利要求1所述电子加热式固体工质阳极，其特征在于：所述分配器(1)背向所述底座(4)一侧端面设置连通所述容置空间(10)的通孔阵列。4.根据权利要求1所述电子加热式固体工质阳极，其特征在于：所述分配器(1)和所述底座(4)设置为中空结构。5.根据权利要求2所述电子加热式固体工质阳极，其特征在于：所述分配器(1)、所述弹簧(3)、所述底座(4)、所述固定柱(5)以及所述压板(6)采用与所述固体工质(2)兼容的导电材料，所述固体工质(2)包括致密非金属或金属固态物质。6.根据权利要求1所述电子加热式固体工质阳极，其特征在于：所述弹簧(3)处于压缩状态；所述压板(6)与所述容置空间(10)的侧壁贴合，所述压板(6)相对所述容置空间(10)的侧壁滑动。7.根据权利要求2所述电子加热式固体工质阳极，其特征在于：所述固定柱(5)安装在放电室(7)中，所述放电室(7)设置在磁路(8)中，所述放电室(7)中设置放电通道(9)。8.根据权利要求7所述电子加热式固体工质阳极，其特征在于：所述固定柱(5)连接电源(11)的正极，空心阴极(12)连接所述电源(11)的负极，所述空心阴极(12)和所述分配器(1)之间形成电场，所述空心阴极(12)的电子通过电场从所述放电通道(9)处投射到所述分配器(1)背向所述底座(4)一端。9.一种权利要求8所述电子加热式固体工质阳极的加热方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1，启动霍尔推力器的空心阴极(12)，调节所述空心阴极(12)的电流；步骤s2，调节所述电源(11)的电压至固体工质阳极变红；步骤s3，开通霍尔推力器的磁路(8)电源，调节所述磁路(8)电源输出电流，直至霍尔推力器启动；步骤s4，调整所述空心阴极(12)电流和所述电源(11)电压至霍尔推力器稳定工况，推力器完成启动，固体工质阳极加热完成。10.一种霍尔推力器，其特征在于：采用权利要求1-8任一项所述电子加热式固体工质阳极。

技术总结
本发明提供了一种电子加热式固体工质阳极、加热方法及霍尔推力器，包括：分配器、固体工质、弹簧、底座以及压板；所述分配器和所述底座连接并合围形成容置空间，所述容置空间内安装所述固体工质、所述弹簧以及所述压板；所述固体工质一侧紧贴在所述分配器上，另一侧设置所述压板，所述压板和所述底座之间设置所述弹簧；所述固体工质通过空心阴极发射电子轰击固体工质阳极产生的热量进行加热、升华为气态。本发明将固体工质的储存、流量控制模块与阳极一体化设计，且采用电子轰击加热方法实现工质升华，无须配置额外的工质储存、流量控制模块、加热模块，显著增加工质的储存密度，极大简化霍尔电推进系统设计。霍尔电推进系统设计。霍尔电推进系统设计。


技术研发人员：刘佳 康小录 田雷超 李林 王宣 杭观荣 郭曼丽
受保护的技术使用者：上海空间推进研究所
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/20