[发明专利]一种磁聚焦霍尔推力器长寿命设计下的磁路结构设计方法

说明书

本发明涉及一种磁聚焦霍尔推力器长寿命设计下的磁路结构设计方法，属于霍尔推力器设计技术领域。所述方法首先将陶瓷放电通道壁面厚度、内磁屏和外磁屏的厚度均增加，提高推力器使用寿命，然后将陶瓷放电通道壁面后段调整为分段式结构或使减少陶瓷放电通道后段的陶瓷放电通道壁面的厚度，最终实现降低励磁效率损失。在设计结构中，内磁屏和外磁屏采用高导磁率、低热膨胀系数的软磁铁氧体材料替代DT4C纯铁。

技术领域

本发明涉及一种磁聚焦霍尔推力器长寿命设计下的磁路结构设计方法，属于霍尔推力器设计技术领域。

背景技术

霍尔推力器作为一种已经成熟在轨应用的电推进装置，其推力性能和在轨应用的可靠性是目前受广泛关注的核心问题。霍尔推力器放电通道内部的工质电离是其工作中最重要的一个过程，电子与中性原子发生碰撞，最终产生离子，离子又在热化电势产生的电场中加速运动喷出放电通道，最终产生推力，具体结构如图1所示。随着航天技术发展，长时间航天器姿态和轨道调整以及深空探测等航天任务越来越要求电推进系统具有更高的工作寿命。但是由于霍尔推力器等离子体流的发散特性，通道内的部分离子将会同通道器壁发生碰撞，在碰撞过程中，离子将自身动能传递给器壁(推力器陶瓷放电通道壁面)从而导致器壁材料发生溅射侵蚀，成为推进器寿命损耗中最重要的问题。推力器陶瓷壁面侵蚀不仅造成了器壁的质量损失，并且对保证磁极正常工作的条件构成严重威胁，同时，由于等离子体流与器壁的侵蚀表面的相互作用将影响等离子体放电特性，因此器壁的离子溅射侵蚀过程不仅是器壁质量损失的过程，其侵蚀表面形貌变化过程也将影响推进器的放电工作状态。因此，器壁溅射侵蚀成为影响运行稳定性和制约寿命的重要问题之一。为了能够适应霍尔推进器逐步向大推力、高功率和高比冲方向发展的趋势，提高推进器适应各种飞行任务的能力，放电通道陶瓷壁面溅射侵蚀对推力器寿命的影响是实用化发展中急需解决的重要问题之一。

目前，针对放电通道壁面侵蚀影响推力器寿命和性能问题，主要的解决方案分为两种，一种是将陶瓷壁面增厚，在尽可能实现保证性能不变的情况下，以较厚的陶瓷壁面防护内外磁路，并且长期的实验研究发现，在霍尔推力器长时间工作过程中，离子溅射主要集中在陶瓷放电通道出口区域，而长时间工作过后，由于壁面变为渐扩形貌，离子对壁面的侵蚀作用逐渐降低，因此足够厚的壁面可以有效提高推力器的使用寿命。另一种方案为采用磁屏蔽技术对霍尔推力器放电通道出口附近磁场和陶瓷形貌进行前期设计，有效减少离子对壁面的撞击，但是由于磁屏蔽的磁场特性，其将等离子整体外推，使得推力器羽流发散角变大，性能略有下降。而本发明是针对第一种设计方案下产生的问题提出解决方法，对于第二种方案不做赘述。

对陶瓷放电通道进行增厚设计后，会造成内磁屏和外磁屏、内磁极和外磁极之间间隙增大，磁隙增大造成励磁效率下降，同等励磁安匝数情况下，放电通道内磁场强度明显降低，磁场强度分布及磁力线曲率发生改变，如果使用提高安匝数的方法，会受到励磁线圈安装空间限制，只能提高励磁电流，这不仅会造成励磁电流过大，励磁功率的极大提升，也会造成励磁线圈因为焦耳热的原因自身热沉积严重，不利于其稳定工作，增大了励磁效率损失。

发明内容

本发明目的是为了解决霍尔推力器长寿命增厚陶瓷壁面厚度后带来的励磁效率大幅降低，磁场参数改变等问题，实现霍尔推力器整体寿命提升的同时，减小励磁效率的损失，进而有效减小励磁功耗和励磁热量沉积，并保证磁场参数近似不变。所采取的技术方案如下：

一种磁聚焦霍尔推力器长寿命设计下的磁路结构设计方法，所述方法为：首先将陶瓷放电通道壁面厚度、内磁屏和外磁屏的厚度均增加为各部件原有厚度的2倍，然后将陶瓷放电通道壁面后段调整为分段式结构或使减少陶瓷放电通道后段的陶瓷放电通道壁面的厚度，最终实现降低励磁效率损失。

进一步地，所述方法的具体步骤包括：

步骤一：将陶瓷放电通道的壁面厚度增加至其原有厚度的2倍；