[发明专利]一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器

说明书

本发明公开了一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器，包括同轴安装的磁屏、加速通道、包裹在所述加速通道外侧的磁路、阳极。通过本发明的技术方案，解决了微小型霍尔推力器阳极加工困难的问题；提升了微型霍尔推力器阳极加工精度与气密性；能够满足微型圆柱形霍尔推力器所需的高磁场强度以及轻质要求；解决了微型圆柱霍尔推力器的磁路热效应问题。

技术领域

本发明属于霍尔推力器技术领域，尤其涉及一种摩擦焊阳极的双磁环微型圆柱霍尔推力器。

背景技术

电推进技术是一种利用电能电离工质原子并加速喷出获得推力的推进技术，具有比冲高、工作寿命长等特点，已经广泛应用于航天器轨道转移、深空探测等领域。在微推进技术需求增长的背景下，圆柱形永磁霍尔推力器是一种电推进装置小型化的良好解决方案。

与传统霍尔推力器不同，圆柱形永磁霍尔推力器利用电磁混合势阱约束形式。电子由于磁镜效应，向阳极的传导被通道内轴向布置的磁镜限制；当粒子向外射出至羽流区后，由于外界的低电势，而被限制，不会向羽流区远处持续运动，而是返回加速通道中。

圆柱形永磁霍尔推力器可以缓解霍尔推力器小型化过程中热效应、壁面溅射等问题，同时使推力器结构更加紧凑，降低装置总重。在微推进领域具有良好的发展前景。

阳极是圆柱形霍尔推力器的核心组件，除作为电极之外，又是工质的缓冲腔与分配器。目前常见的阳极结构为环型的缓冲腔结构，分为四部分：通道为环状的内腔，作用为缓冲射入的工质气体，使工质气体更加均匀的进入放电通道内部；前端面在周向均匀开孔，使气体在入口截面上分布尽可能的均匀；另有两根细长圆筒，作为工质气体输入的管道，向外连接流量控制器，与外界连通。

对于上述阳极设计，目前的连接方法大多采用点焊与钎焊方法。具体为：阳极前板与阳极通道通过唇边六点点焊；气体管路使用钎焊合金钎焊到通道部件上。此方法对于微型霍尔推力器装置具有如下缺陷：

①微型加工困难。圆柱形霍尔推力器作为电推力器小型化的解决方案，其装置外径约在1-5cm范围内，阳极外径约在0.5-2cm范围内，加工精度要求为亚毫米级别。采用点焊方式进行连接，无法保证亚毫米级别上的加工精度。此外，点焊等传统焊接方式，极易因高温与应力集中等因素导致装置形变，进而导致阳极结构破坏或失效，降低产品可靠性与成品率。

②加工精度低，影响推力器性能。阳极工作条件对缓冲腔和前盖的气密型提出了极高的要求，采用点焊进行连接由于存在焊缝，其气密性往往不佳，需在焊接后进行气密性验证，生产率受到限制。此外，两种焊接方式均有亚毫米级别的焊缝，对于毫米级别的阳极结构来说意味着较大的加工误差，进而对推力器整体性能产生一定影响。

由于微型霍尔推力器尺寸小，需要更高强度的磁场以约束等离子体，从而保证较高的工质电离度。对于目前已有方案，多使用电磁线圈与单磁环进行励磁。电磁线圈虽能保证磁场强度，但装置尺寸重量过大，降低了卫星有效载荷以及装置可靠性；单磁环设置虽达到轻质要求，但微小磁环生成的尖端磁场强度受限，且无法在三维尺度上调整磁场位型，难以实现霍尔推力器多模式的工作需求。

圆柱形霍尔推力器相较于传统霍尔推力器，虽取消了中轴设计，一定程度上减小了热效应集中的问题。但由于微型霍尔推力器尺寸为厘米级，内部核心器件尺寸为毫米级，在装置工作时，等离子体内进行着大量的非弹性碰撞，将对装置器件进行剧烈的热传导与热辐射，其磁路的局部热效应问题仍十分严重。当永磁体实际温度高于居里温度时，永磁体将失效，进而导致装置失效。在永磁体霍尔推力器的工作过程中，磁体温度过高失效是最主要的失效形式。

目前国内对于霍尔推力器的开发大多集中在中、大功率型号，目前已经完成了多个型号的在轨验证。但对于小功率的微型永磁霍尔推力器多处于理论验证和样机实验测量阶段，未开展产品定型与搭载工作，装置设计的优化工作较少。因此亚毫米级尺度下推力器部件的加工工艺优化尚处空白。

发明内容