[發明專利]一種用于增強磁聚焦型霍爾推力器離子束聚焦的結構及該結構的設計方法

有效

• 申請號: 201711434603.2
• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN108167149B
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發明（設計）人: 于達仁;孟天航;寧中喜
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: F03H1/00
• 分類號: F03H1/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 畢雅鳳

一種用于增強磁聚焦型霍爾推力器離子束聚焦的結構及該結構的設計方法，涉及航天電推進霍爾推力器束聚焦控制領域，為了解決聚焦離子束會被外場破壞的問題。在霍爾推力器的外場構建磁場，外場的磁場與霍爾推力器內部線圈形成的磁場的磁分界面為直筒式，陰極小孔位于內磁鏡區。本發明能有效約束住無源等離子體射束的徑向發散，從而增強束聚焦的效果。

技術領域

本發明涉及航天電推進霍爾推力器束聚焦控制領域。

背景技術

霍爾推力器是一種依靠噴出高速離子束獲得反推力的航天推進裝置，離子噴出速度越高，束流越集中、平直，產生反推力的效率越高。然而，由于等離子體固有的趨于擴散的性質，實際噴出的離子束是發散的，并由此引發一系列問題。首先，相當一部分離子在飛出推力器之前，就會打在推力器內壁面上，浪費了離子，產生大量的熱，并會快速腐蝕推力器內壁。飛出推力器的離子則有可能轟擊、損壞衛星其他部件。即使離子成功飛離衛星，也會擴散成一條等離子體尾跡。離子束越發散，則尾跡越寬廣，會嚴重干擾衛星通訊。

減小羽流發散的技術稱為束聚焦。歷史上提出過許多束聚焦方案，至今磁透鏡應用最為廣泛。磁透鏡從推力器內部設計著手，協調工質電離、加速兩個方面，使離子束流更加匯聚。目前，本課題組的束聚焦角已達到國際領先水平，享有一定的國際知名度。但是，離子充分加速、飛出推力器以后的行為，目前還沒有很好的控制方法，然而這部分才是羽流控制最關心的區域。目前國際通用的措施是，將霍爾推力器安裝在衛星的頂角上，并在推力器外部包圍一些擋板。這些措施看似簡單易行，其實代價極其高昂。由于推力器不在衛星質心中軸線上，最終的姿態控制、軌道設計成本成幾何級數增長。此外，在衛星上添加擋板還會減少有效載荷，給任務、衛星總體添加不必要的麻煩。

發明內容

本發明的目的是為了解決聚焦離子束會被外場破壞的問題，從而提供一種用于增強磁聚焦型霍爾推力器離子束聚焦的結構及該結構的設計方法。

本發明所述的一種用于增強磁聚焦型霍爾推力器離子束聚焦的結構，在霍爾推力器的外場構建磁場，外場的磁場與霍爾推力器內部線圈形成的磁場的磁分界面為直筒式，陰極小孔位于內磁鏡區。

優選的是，在霍爾推力器的外場構建磁場的具體方式為：在霍爾推力器的外場設置線圈，該線圈的電流方向與霍爾推力器內部線圈的電流方向相反。

本發明所述的一種用于增強磁聚焦型霍爾推力器離子束聚焦的結構的設計方法，該方法為通過在外場設置通有反向電流的線圈來實現磁場分界，然后根據磁分界面位置確定陰極小孔的安裝位置，具體為：

步驟一、通過仿真選定位于外場的線圈的位置范圍，得到備選位置庫：在外場的不同位置添加通有反向電流的線圈，保證磁分界面為直筒式，且磁路系統的偏引低于偏引閾值，確定出備選位置庫；

步驟二、仿真淘汰備選位置庫中的不合格樣本：利用等離子體仿真平臺求解備選位置庫中各樣本對應的等離子體放電參數，根據任務優化目標淘汰不合格樣本；

步驟三、將外場的線圈置于合格樣本的位置，根據可安裝性要求調整相關連接部件；

步驟四、確定陰極小孔的安裝位置：陰極小孔的安裝位置有其自身的待選區間，取該待選區間和內磁鏡區交集部分，確定陰極小孔安裝位置；

優選的是，還包括以下步驟：

步驟五、實機測試：校驗整機性能參數是否達標，陰極子系統腐蝕是否達標。

步驟六、定型：如果參數均達標則定型。