[实用新型]一种感生轴向磁场的磁等离子体推力器

说明书

本实用新型提供一种感生轴向磁场的磁等离子体推力器，包括陶瓷隔离体、阳极线圈、阳极放电环以及阴极。通过设计一种可以感生轴向磁场并且具备冷却结构的阳极线圈，能够在放电腔内提供感生轴向磁场，加速等离子体喷出推力器本体，提高了推力器推力生成中的电磁加速作用。本实用新型省去了传统附加磁场磁等离子体推力器中的复杂外部线圈结构与相应的冷却系统，充分利用阳极线圈中放电电流的感生磁场对放电等离子体的加速机制。同时，通过合理设计阳极线圈在放电腔外侧缠绕的方式使感生磁场磁感线穿过阳极放电结构，避免传统推力器阳极表面的横断磁场对放电电流的阻碍，有效降低阳极电压降，从而提高推力器的效率。

技术领域

本实用新型属于航空航天电推进领域，是一种电推力器，具体来说是一种感生轴向磁场的磁等离子体推力器。

背景技术

磁等离子体推力器作为一种高功率空间电推进装置，通过对气体加热、电离过程产生等离子体，利用阴极和阳极之间的强放电电流与感生或附加磁场相互作用，使等离子体加速喷出推力器本体从而获得推力。一方面因其具有高功率的特点，成为最适合与空间太阳能和核能系统对接的推力器之一，另外，推力器推力密度大、比冲高、寿命长等显著优点，也使其在长周期或大推力的空间任务中成为首选的空间电推力器。

磁等离子体推力器由电弧加热推力器发展而来，主要依靠等离子体的放电电流感生出磁场，通过洛伦兹力加速与气动加速共同产生推力。早期，学者们的研究重点是自磁场磁等离子体推力器，足以应对功率在100kW以内的任务需求。然而，随着空间任务对推力器性能需求的提高，为了获得足够大的推力，相应的感生磁场要求推力器工作电流为几千安培甚至超过上万安培，这对于空间电能设备要求极为苛刻，现有条件下难以满足，因此，自磁场磁等离子体推力器的应用受到一定限制。

为了增大磁场在推力生成过程中的作用，国内外广泛开展了对附加磁场磁等离子体推力器的研究。附加磁场磁等离子体推力器中，推力器外部缠绕的线圈通电后在放电腔中产生轴向磁场，等离子体在磁场的作用下通过多种机制加速喷出推力器本体，产生推力。然而，这一过程中存在诸多难以解决的问题。比如，线圈在提供磁场的同时，会产生大量的热，在空间环境中难以自然冷却，需要配备水冷或其他冷却设备，这无疑给推力器的设计带来困难。尽管附加磁场可以加速等离子体，同时也会导致放电等离子体的轴向箍缩效应，电流难以越过阳极表面的横向磁场到达阳极，进而使得大部分等离子体聚集在阴极附近区域。为了维持放电的进行，一部分放电电压必须积聚在阳极表面以克服横向磁场的阻碍，相应地产生了阳极电压降。因此，附加磁场增大了推力器的阳极功率沉积，降低推力器的效率。研究表明，附加磁场磁等离子体推力器效率一般低于50％，有的推力器效率甚至低于30％。如此多的能量耗散最终会以热的形式沉积在阳极表面，增加了阳极冷却的难度。如果不能合理地设计推力器的结果，解决这些问题，附加磁场磁等离子体推力器将难以实现在众多空间任务中的广泛应用。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种感生轴向磁场的磁等离子体推力器。

为实现本实用新型的技术目的，采用以下技术方案：

一种感生轴向磁场的磁等离子体推力器，包括陶瓷隔离体、阳极线圈、阳极放电环以及阴极；所述陶瓷隔离体为一端开放，另一端由筒底壁封闭的圆筒形结构；所述阳极线圈提供感生轴向磁场，阳极线圈呈螺旋状缠绕在陶瓷隔离体其筒体外侧，所述阳极线圈上设有线圈冷却结构；所述阳极放电环固定在筒体开放端的端口，远离筒体开放端的阳极线圈一端连接电源接口，靠近筒体开放端的阳极线圈一端和阳极放电环之间导电连接；所述阴极固定在陶瓷隔离体的筒底壁上，阴极从筒底壁的外侧伸入筒体内，且阴极与筒体同轴设置，所述阴极上设有阴极冷却结构；筒体内的空腔形成阴极和阳极放电环之间的放电腔。所述阴极为空心阴极，其内部为气体工质通道，气体工质从阴极的一端进入阴极内部的气体工质通道并从阴极的另一端流出进入放电腔。工作时，阳极线圈的电源接口和阴极分别连接电源的正、负极。