本發(fā)明涉及一種霍爾推力器放電通道優(yōu)化的組合式通道結(jié)構(gòu)，尤其適用于霍爾推力器放電通道的試驗對比優(yōu)化。

背景技術(shù)：

霍爾推力器是目前國際上典型的一種電推進(jìn)裝置。推進(jìn)劑從環(huán)形放電通道入口處的氣體分配器噴入通道內(nèi)，陽極位于環(huán)形放電通道的入口提供高電位；電子從環(huán)形放電通道出口處的陰極噴出，陰極提供低電位。陰極噴出的一部分電子進(jìn)入到環(huán)形放電通道內(nèi)部，在外加的徑向磁場和自洽的軸向電場作用下進(jìn)行霍爾漂移運動，電子和推進(jìn)劑原子發(fā)生碰撞電離產(chǎn)生離子，離子被自洽的軸向電場加速噴出產(chǎn)生推力，電子通過各種傳導(dǎo)機制達(dá)到陽極。陰極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。霍爾推力器的主要組成部分包括環(huán)形放電通道、磁路、陽極、氣體分配器等部分。

環(huán)形放電通道是霍爾推力器電離和加速等基本物理過程發(fā)生的區(qū)域，該零件是霍爾推力器的核心零件。環(huán)形放電通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計是霍爾推力器設(shè)計的關(guān)鍵，也是霍爾推力器設(shè)計的重點和難點。環(huán)形放電通道的結(jié)構(gòu)由通道內(nèi)徑、通道外徑、通道長度這三個特征尺寸或者通道平均直徑(即通道內(nèi)徑和通道外徑的平均值)、通道寬度(即通道外徑和通道內(nèi)徑的差值)、通道長度這三個特征尺寸決定。因此，霍爾推力器設(shè)計的關(guān)鍵最終歸結(jié)到放電通道的這三個特征尺寸的確定。由于放電通道內(nèi)部等離子體電離和加速過程的復(fù)雜性，內(nèi)部物理過程尚無法通過理論分析和數(shù)值仿真的方法研究清楚，這就導(dǎo)致了霍爾推力器放電通道的設(shè)計和優(yōu)化在工程上主要依賴于加工組裝真實樣機進(jìn)行真空點火試驗對比的方法。

“Propellant utilization in hall thrusters”(Y.Raitses et al,AIAA96-3193)一文中介紹了整體移動陽極來改變放電通道長度，在一體化的環(huán)形放電通道內(nèi)填充一個圓柱形的陶瓷芯來改變放電通道內(nèi)部型面的方法。通過整體移動陽極來改變放電通道長度，需要拆卸推力器，調(diào)整陽極在放電通道內(nèi)的軸向安裝位置，并對陽極和陶瓷之間的軸向間隙進(jìn)行加墊密封處理，否則陽極柱和陶瓷之間會漏氣發(fā)生低氣壓放電，然后再重新組裝推力器；在環(huán)形放電通道內(nèi)填充一個圓柱形的陶瓷芯可以改變放電通道內(nèi)部型面，但是只能使通道寬度朝減小的方向調(diào)節(jié)，無法向增大的方向調(diào)節(jié)，通道寬度的調(diào)節(jié)范圍受到很大制約。

綜上所述，拆裝霍爾推力器調(diào)整放電通道尺寸進(jìn)行試驗對比優(yōu)化，存在霍爾推力器拆裝導(dǎo)致的裝配誤差問題，由于引入了裝配誤差的因素，試驗對比分析時難以區(qū)分推力器性能的變化是裝配誤差還是通道尺寸引起的，難以實現(xiàn)精確的單因素分析；在一體化的環(huán)形放電通道內(nèi)填充陶瓷芯只能減小放電通道的寬度，無法實現(xiàn)對放電通道寬度的雙向大范圍調(diào)節(jié)。上述結(jié)構(gòu)不能實現(xiàn)在不拆裝霍爾推力器的情況下，對霍爾推力器環(huán)形放電通道的全部特征尺寸(通道寬度、平均直徑、長度)進(jìn)行全面的試驗對比優(yōu)化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種霍爾推力器放電通道優(yōu)化的組合式通道結(jié)構(gòu)和方法，解決了通道整體拆裝引入的誤差，降低了通道優(yōu)化的成本。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種霍爾推力器放電通道優(yōu)化的組合式通道結(jié)構(gòu)，包括外陶瓷筒、內(nèi)陶瓷筒、陶瓷底座、陽極環(huán)；外陶瓷筒為中空的陶瓷環(huán)，陶瓷筒一端的端面為臺階形；內(nèi)陶瓷筒為中空的陶瓷環(huán)，陶瓷筒一端的端面為臺階形；陶瓷底座為橫截面為U形的陶瓷環(huán)，包括外環(huán)、內(nèi)環(huán)和托底三個部分，外環(huán)和內(nèi)環(huán)朝外的端面為臺階形；

外陶瓷筒和陶瓷底座安裝時，外陶瓷筒端面的臺階和陶瓷底座的外環(huán)端面的臺階相互配合，兩個臺階的柱面之間的配合進(jìn)行徑向的導(dǎo)向和定位，這兩個臺階的端面之間的配合進(jìn)行軸向的導(dǎo)向和定位，外陶瓷筒在這兩個臺階的柱面配合和端面配合的導(dǎo)引下插裝在陶瓷底座的外環(huán)上；

內(nèi)陶瓷筒和陶瓷底座安裝時，內(nèi)陶瓷筒端面的臺階和陶瓷底座的內(nèi)環(huán)端面的臺階相互配合，兩個臺階的柱面之間的配合進(jìn)行徑向的導(dǎo)向和定位，這兩個臺階的端面之間的配合進(jìn)行軸向的導(dǎo)向和定位，內(nèi)陶瓷筒在這兩個臺階的柱面配合和端面配合的導(dǎo)引下插裝在陶瓷底座的內(nèi)環(huán)上；

所述的陽極環(huán)為中空的金屬環(huán)，陽極環(huán)一端的端面為臺階形；陽極環(huán)端面的臺階和外部的氣體分配器相互配合，陽極環(huán)臺面的臺階的柱面和霍爾推力器中的氣體分配器出口的外圓柱面進(jìn)行徑向的導(dǎo)向和定位，陽極環(huán)的臺階的端面和氣體分配器出口的端面配合進(jìn)行軸向的導(dǎo)向和定位；陽極環(huán)在上述柱面配合和端面配合的導(dǎo)引下直接插裝在氣體分配器出口的外柱面上。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明采用組合式通道結(jié)構(gòu)，環(huán)形放電通道由陶瓷底座、內(nèi)陶瓷筒、外陶瓷筒三部分構(gòu)成，內(nèi)、外陶瓷筒和陶瓷底座之間采用有導(dǎo)向和定位保證的插裝配合，內(nèi)、外陶瓷筒更換方便，無須拆裝推力器，不會引入拆裝誤差，提高了試驗對比精度；

(2)本發(fā)明可以在不拆卸推力器和共用推力器其它結(jié)構(gòu)的情況下，對放電通道的平均直徑、寬度、長度等特征尺寸進(jìn)行原位對比試驗，既可以進(jìn)行單因素的對比，也可以進(jìn)行多因素的對比，改善了試驗對比的效果；

(3)本發(fā)明不需要加工并更換整個的環(huán)形放電通道，只需對內(nèi)、外陶瓷筒部分進(jìn)行加工和更換，陶瓷材料的用量更少，加工更加簡單，降低了成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的組合式放電通道簡圖；

圖2為本發(fā)明的組合式放電通道的陶瓷底座簡圖；

圖3為本發(fā)明的組合式放電通道的內(nèi)陶瓷筒簡圖；

圖4為本發(fā)明的組合式放電通道的外陶瓷筒簡圖；

圖5為本發(fā)明的陽極環(huán)簡圖；

圖6為本發(fā)明的組合式放電通道在霍爾推力器中的組裝示意圖。

具體實施方式

如圖1、2、3、4、5所示，本發(fā)明的組合式通道結(jié)構(gòu)，包括外陶瓷筒1、內(nèi)陶瓷筒2、陶瓷底座3、陽極環(huán)5；外陶瓷筒1為中空的陶瓷環(huán)，陶瓷筒一端的端面為臺階形；內(nèi)陶瓷筒2為中空的陶瓷環(huán)，陶瓷筒一端的端面為臺階形；陶瓷底座3為橫截面為U形的陶瓷環(huán)，包括外環(huán)、內(nèi)環(huán)和托底三個部分，外環(huán)和內(nèi)環(huán)朝外的端面為臺階形。

外陶瓷筒1和陶瓷底座3安裝時，外陶瓷筒1端面的臺階和陶瓷底座3的外環(huán)端面的臺階相互配合，這兩個臺階的柱面之間的配合進(jìn)行徑向的導(dǎo)向和定位，這兩個臺階的端面之間的配合進(jìn)行軸向的導(dǎo)向和定位，外陶瓷筒1在這兩個臺階的柱面配合和端面配合的導(dǎo)引下插裝在陶瓷底座3的外環(huán)上。

內(nèi)陶瓷筒2和陶瓷底座3安裝時，內(nèi)陶瓷筒2端面的臺階和陶瓷底座3的內(nèi)環(huán)端面的臺階相互配合，這兩個臺階的柱面之間的配合進(jìn)行徑向的導(dǎo)向和定位，這兩個臺階的端面之間的配合進(jìn)行軸向的導(dǎo)向和定位，內(nèi)陶瓷筒2在這兩個臺階的柱面配合和端面配合的導(dǎo)引下插裝在陶瓷底座3的內(nèi)環(huán)上。

陽極環(huán)5為中空的金屬環(huán)，陽極環(huán)5一端的端面為臺階形。陽極環(huán)5端面的臺階和氣體分配器4相互配合，陽極環(huán)5臺面的臺階的柱面和氣體分配器4出口的外圓柱面進(jìn)行徑向的導(dǎo)向和定位，陽極環(huán)5的臺階的端面和氣體分配器4出口的端面配合進(jìn)行軸向的導(dǎo)向和定位。陽極環(huán)5在上述柱面配合和端面配合的導(dǎo)引下直接插裝在氣體分配器4出口的外柱面上。

如圖6所示，本發(fā)明的組合式通道在霍爾推力器中組裝時，陶瓷底座3先和氣體分配器組件4、勵磁組件5組裝，然后外陶瓷筒1、內(nèi)陶瓷筒2再通過上述方式插裝到陶瓷底座3上，可以保證內(nèi)、外陶瓷筒的同軸度。試驗時，推力器呈水平狀態(tài)放置，外陶瓷筒1、內(nèi)陶瓷筒2與陶瓷底座3的配合面之間根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置合適的配合間隙、表面粗糙度或螺紋保證三者之間的不發(fā)生相對移動。本發(fā)明的組合式通道在更換外陶瓷筒1或內(nèi)陶瓷筒2或陽極環(huán)5時，無須拆卸霍爾推力器，可直接將外陶瓷筒1或內(nèi)陶瓷筒2或陽極環(huán)5取下，按上述方式插裝上新尺寸的外陶瓷筒1或內(nèi)陶瓷筒2或陽極環(huán)5，方便快捷地更換外陶瓷筒1和內(nèi)陶瓷筒2。

本發(fā)明的霍爾推力器放電通道優(yōu)化的方法是基于組合式放電通道結(jié)構(gòu)，在不拆裝推力器的情況下，進(jìn)行真空點火試驗對比的方法，步驟如下：

(1)在保證Φdin+Φdout不變(即放電通道的平均直徑Φd不變)的條件下，加工并更換不同直徑Φdin和Φdout的內(nèi)、外陶瓷筒，在同一臺霍爾推力器上測試放電通道寬度W對推力器陽極效率的影響規(guī)律，選取推力器陽極效率最高時對應(yīng)的通道寬度Wopt作為通道的寬度。

(2)在步驟(1)確定的通道寬度Wopt下，加工并更換不同直徑Φdin和Φdout的內(nèi)、外陶瓷筒，在同一臺霍爾推力器上測試放電通道平均直徑Φd對推力器陽極效率的影響規(guī)律，選取推力器陽極效率最高時對應(yīng)的通道平均直徑Φdopt作為通道的平均直徑。

(3)在步驟(1)和(2)確定的通道寬度Wopt和通道平均直徑Φdopt下，在氣體分配器4上插裝上不同長度δ陽極環(huán)5來改變陽極前端面和放電通道出口的軸向距離L(即放電通道長度)，在同一臺霍爾推力器上測試放電通道長度L對推力器陽極效率的影響規(guī)律，選取推力器陽極效率最高時對應(yīng)的通道長度Lopt作為通道的長度。

上述確定放電通道特征尺寸的先后順序可以根據(jù)實際情況調(diào)整。

本發(fā)明未公開技術(shù)屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。