[發(fā)明專利]一種多級會(huì)切磁場等離子體推力器的耐高溫陽極結(jié)構(gòu)

有效

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• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113473687B
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 毛威;胡鵬;扈延林;吳楠;吳朋安;胡大為;楊健;秦宇;韓道滿;任偉;山世華;李勝軍;臧娟偉;姚兆普;劉旭輝;高俊
• 申請（專利權(quán)）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: H05H1/24
• 分類號: H05H1/24;H05H1/28;F03H1/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 茹阿昌

一種多級會(huì)切磁場等離子體推力器的耐高溫陽極結(jié)構(gòu)，包括依次連接的石墨接收極(2)、陽極夾層(3)、陽極底(4)；其中陽極底(4)上設(shè)有用于工質(zhì)氣體進(jìn)入的輸入管路，陽極夾層(3)上設(shè)有軸向噴射孔，石墨接收極(2)前端面上設(shè)有定向噴射孔。定向噴射孔的軸線方向與Csubgt;1/subgt;?Csubgt;2/subgt;的連線方向一致，Csubgt;1/subgt;和Csubgt;2/subgt;是多級會(huì)切磁場等離子體推力器的多級永磁體(40)最靠近放電通道(10)入口側(cè)的兩個(gè)磁尖所形成的電子高密度區(qū)的中心。本發(fā)明陽極結(jié)構(gòu)利用石墨板收集電子，抗燒蝕性能好，可以耐受極高的工作溫度；同時(shí)利用位于石墨板特定位置上周向均勻分布的特定方向小孔噴射原子，有效減小了原子在通道中心軸線附近和通道壁面附近的電離泄漏損失，提高了原子的電離效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多級會(huì)切磁場等離子體推力器的耐高溫陽極結(jié)構(gòu)，屬于等離子體推力器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

多級會(huì)切磁場等離子體推力器是目前國際上典型的一種電推進(jìn)裝置，是一種不同于傳統(tǒng)的霍爾推力器和離子推力器的電推力器。圖1是多級會(huì)切磁場等離子體推力器的軸向剖面示意圖。推進(jìn)劑氙氣從位于放電通道10上游的陽極20入口管道進(jìn)入放電通道內(nèi)；電子從放電通道10下游出口外側(cè)附近的陰極30噴出。陰極30噴出的一部分電子從放電通道10出口在多級永磁體40產(chǎn)生的磁場的引導(dǎo)作用下傳導(dǎo)到放電通道10內(nèi)部，電子和推進(jìn)劑原子發(fā)生碰撞電離產(chǎn)生離子，離子被軸向電場加速噴出產(chǎn)生推力，電子通過各種傳導(dǎo)機(jī)制到達(dá)陽極20。陰極30噴出的另一部分電子進(jìn)入羽流區(qū)和高速噴出的離子中和，保持羽流的電中性。多級會(huì)切磁場等離子體推力器的主要組成部分包括放電通道10、陽極20、陰極30、多級永磁體40，其中多級永磁體40一般由1級永磁體、2級永磁體、3級永磁體、4級永磁體等組成。

陽極20的作用是為多級會(huì)切磁場等離子體推力器提供供電和供氣，從而在陽極20和陰極30之間產(chǎn)生氣體放電，生成等離子體并利用陽極20提供的高電壓對等離子體產(chǎn)生加速效應(yīng)，從而產(chǎn)生推力。在陽極20和陰極30之間發(fā)生氣體放電時(shí)，離子帶正電，被高電壓的陽極20向放電通道10出口低電位區(qū)域加速噴出，電子帶負(fù)電，被高電壓的陽極20吸引，沉積在陽極20表面上，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，陽極20會(huì)被加熱到很高的溫度。

除此之外，多級會(huì)切磁場推力器放電通道10內(nèi)的磁場為多級會(huì)切磁場構(gòu)型，磁場分布見圖1中所示，放電通道10中心軸線的磁力線近似與軸線平行并且磁場很弱，從陰極30發(fā)射的電子比較難橫越放電通道10出口附近磁力線抵達(dá)放電通道10中心，這導(dǎo)致放電通道10中心軸線上的電子密度較低，一旦某些高能電子由于某種傳導(dǎo)機(jī)制達(dá)到通道軸線區(qū)域，這部分電子幾乎受不到磁場約束的作用，很容易到達(dá)陽極20，對陽極20進(jìn)行功率沉降，陽極20一般采用不銹鋼材料，容易過熱熔化。

放電通道10壁面處的磁力線與通道壁面平行，在相鄰級的永磁體之間產(chǎn)生的磁分界面會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁鏡效應(yīng)，低能電子難以到達(dá)壁面附近，只有一小部分高能電子能克服磁鏡進(jìn)入壁面附近，這導(dǎo)致放電通道10內(nèi)部放電通道壁面附近的電子密度較低。多級會(huì)切磁場等離子體推力器的推進(jìn)劑電離率直接制約著推力器的效率，電離率主要取決于電子密度和電子溫度等參數(shù)，只有當(dāng)電子密度和電子溫度足夠大時(shí)，推進(jìn)劑原子才能有效地碰撞電離。因此多級會(huì)切磁場推力器的放電通道10軸線和通道壁面附近由于電子密度低，陽極20供入的中性氣體原子在此區(qū)域難以被低密度的電子有效電離，容易導(dǎo)致原子來不及電離而流出放電通道，造成推進(jìn)劑的電離泄漏損失。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)存在的陽極易過熱熔化、放電通道壁面附近和中心軸線附近均存在較大的原子電離泄漏損失等不足，提出了一種會(huì)切磁場等離子體推力器的耐高溫陽極結(jié)構(gòu)，可以有效解決陽極的耐熱問題，有效拓展推力器的功率運(yùn)行上限，同時(shí)新提出的陽極推進(jìn)劑(氙)原子的供應(yīng)結(jié)構(gòu)，對氙原子的射流區(qū)域和方向進(jìn)行了有效控制，消除了通道壁面和通道軸線附近由于電子密度低導(dǎo)致的原子未電離直接從通道流出的電離泄漏問題，提高了原子的電離效率。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：