[发明专利]一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极

说明书

技术领域

本发明涉及一种会切磁场等离子体推力器。

背景技术

会切磁场等离子体推力器以其比冲高、寿命长、推力范围广等优势而逐渐受到航天界的青睐，它由阳极、阴极、陶瓷通道、永磁铁等组成，其中相邻两永磁铁极性相反以产生会切磁场。通道上游布置阳极，出口放置阴极，从而在通道内部形成了轴向电场。在上述电磁场作用下，阴极释放的电子沿磁力线进入陶瓷放电通道内部，并与从阳极进入的气体工质相遇发生碰撞电离，电子通过碰撞传导最终到达阳极，而中性原子被电离后产生的离子在轴向电场作用下加速喷出形成推力，并最终被阴极排放的电子中和。

会切磁场推力器通过磁尖端处的磁镜效应和尖端以外平行于壁面的磁力线来约束电子，这大大降低了电子对陶瓷放电通道壁面的腐蚀，但是，这也意味着大量电子最终都聚集到了阳极，高能电子大量冲击在阳极上势必造成阳极腐蚀和温度过高，引起阳极寿命降低。而且阳极热量会向推力器其余部位传导，这会引起耐温最低的永磁铁出现高温退磁。由于太空中散热多以辐射为主，加强阳极冷却会造成推力器整体结构的复杂化和重量增大，然而，合理设计阳极结构是解决该问题有效方法之一。

经过实验验证，阳极的设计对推力器的推力、效率等工作性能影响也很大。传统的阳极都仅为放电通道提供阳极电位，但这对推力器性能的提高并没有较大贡献。电离率是影响推力器性能的一个重要因素之一，通过阳极设计来提高推力器电离率也是比较理想的措施之一。

因此，目前关于会切磁场推力器的阳极设计尚有很多不足，通过设计新的阳极结构来有效加强推力器阳极的热防护和提高推力器性能是很有必要的。

发明内容

本发明是为了解决现有会切磁场推力器由于阳极过热而导致的永磁铁退磁和推力器寿命降低等问题，并通过提高推力器电离率从而进一步地提高推力器性能，提出了一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极。

一种用于会切磁场等离子体推力器的空心阳极，它包括气体分配器、缓冲腔和陶瓷套筒三部分；

所述的气体分配器包括供气件与分配器底板；

所述供气件包括导管和腔室两部分，所述腔室一侧与导管相连通，所述缓冲腔另一底面中心开孔并通向放电通道内部，所述分配器底板与腔室的凸台实现过渡配合；；

所述陶瓷套筒将腔室和缓冲腔整体包裹，陶瓷套筒的内壁面与腔室和缓冲腔外壁面的配合为过渡配合，所述陶瓷套筒在缓冲腔开孔的同样位置处开有同样大小的孔。

工作原理：

所述的气体分配器，一侧为供气件，供气件的导管连接外部的供气系统为放电通道提供气体，同时该导管材料为金属，可向放电通道内部导电引入外界高电压；另一侧为开有很多小孔的分配器底板，这些小孔周向均匀分布，以实现均化气体的功能，同时，该底板有阻碍等离子体向供气系统扩散的效果，避免因等离子体震荡引起供气系统的不稳定。

所述的缓冲腔一底面与气体分配器连接，另一底面开孔面向放电通道内部。该缓冲腔材料为导磁材料，以屏蔽外界强磁场，使进入空腔内部的电子不受磁场影响，从而均化电子电流，使电子充分电离整个空腔内部的气体，增大电离率。该孔孔径大小应适宜，需根据实际通道尺寸确定。孔径如果较大，缓冲腔内气体原子密度不能得到较大提升，原子对高能电子的阻碍将削弱，电离率也会有一定程度的降低。但孔径如果过小，显然的大部分电子也将轰击在缓冲腔外部，引起缓冲腔局部温度过高，同样达不到阳极热防护的效果。

所述的陶瓷套筒起到了绝缘效果，使得放电通道中的电子不能从空心阳极的外壁得以传导，只能通过缓冲腔的底孔进入空心阳极内部接触到高电位从而被注销，这样便完成了电子传导的整个过程。这是实现上述工作原理的前提以及重要保障。

本发明带来的有益效果是：

对阳极寿命的提高：由于缓冲腔的作用，在近阳极区形成了一个高原子密度区，大量高能电子在抵达阳极前首先与中性原子碰撞，碰撞后电子内能下降，对阳极的轰击和腐蚀降低，这使得阳极温度降低了40％，从而大大延长了阳极寿命，寿命提高超过60％。

对电离率的提高：缓冲腔所形成的高密度原子，在阻碍高能电子与阳极发生碰撞的同时，也将被电子所电离，由于此处的电子能量和密度都较高，使得此处电离率要远大于放电通道其余部位的电离率，从而使得整个推力器的电离率提高了10％。

对推力器性能参数的提高：原本大量高能电子与阳极碰撞，将产生大部分热量，这部分热量将会通过热传导和热辐射而消耗在外太空，但采用空心阳极后，这部分能量被转化为通道内中性原子的电离能，使得电子能量得以充分利用，最终使得推力器的效率提高了8％，推力和比冲均提高了15％。