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技术领域

本发明涉及空间设备推进器技术领域,具体涉及一种补偿式气体分配器及电推力器。

背景技术

电推力器是依靠电力驱动工质喷射的推进装置,其中最重要的一类便是霍尔推力器。霍尔推力器是利用电磁场作用来实现工质电离后加速外喷形成等离子体射流源的推进装置。它是一种为航天器在轨运行提供微小推力的动力装置,具有高效率、高比冲以及高可靠性等优点, 广泛地应用于航天器轨道的提升、位置保持、姿态控制等推进任务。其工质一般采用中性气体,于是用于将中性气体分布在放电通道内的气体分配器必可不少。而中性气体在大多呈环状的放电通道内的分布均匀性直接影响霍尔推力器的推力表现。因从气源过来的进气通道一般只具有一个或者数个,与最终形成环形阵列的诸多出气通道之间具有天然的不对应性,从而产生出气通道的气体分配不均衡性问题。为了实现气体的均匀流出,现有技术中存在使用两个或两个以上的缓冲腔来对释放前的中性气体进行均匀化处理的方案。而相邻缓冲腔之间通常使用等间距且等直径的通气孔来连通,但这种方案使得靠近进气道的通气孔的气流较大,越远离进气道的通气孔的气流越小,最终造成装置整体出气的不均匀性。

发明内容

因此,本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的气体分配器靠近进气道的缓冲腔通气孔的气流较大,越远离进气道的缓冲腔通气孔的气流越小,最终造成装置整体出气的不均匀性的缺陷。

为解决上述技术问题,本申请采用的技术方案为:

一种补偿式气体分配器,包括:

分配器主体;

进气通道,设置在所述分配器主体上;

出气通道,设置在所述分配器主体上;

缓冲腔,设置在所述分配器主体内;在进气通道与出气通道之间串行连通有至少两个所述缓冲腔;

连通孔,连通于两个相邻的所述缓冲腔之间;两个相邻所述缓冲腔之间分布有多个连通孔,且在气体流动路径上区分出最靠近进气通道的近端连通孔和最远离进气通道的远端连通孔;所述远端连通孔的直径大于所述近端连通孔的直径。

可选地,沿气体流动路径,在所述近端连通孔与所述远端连通孔之间设置有多个连通孔,从所述近端连通孔至所述远端连通孔的连通孔直径依次增大。

可选地,在气体流动路径上,相邻连通孔的直径差值呈逐渐增大趋势。

可选地,所述分配器主体呈环状,出气通道围绕所述分配器主体的轴线呈环形阵列排布,出气通道朝向所述分配器主体的径向开设。

可选地,所述分配器主体沿周向开设有出气槽,所述出气槽靠近所述分配器主体内侧的壁面为气槽内侧壁,所述出气槽靠近所述分配器主体外侧的壁面为气槽外侧壁,在气槽内侧壁和气槽外侧壁上均开设有出气通道。

可选地,气槽内侧壁上的出气通道与气槽外侧壁上的出气通道互呈交错相位分布。

可选地,所述分配器主体包括:

底座,贯通开设有进气通道;

H型构件,为截面呈H形的回转体; H型构件的上下开口的朝向与回转轴的轴向一致;H型构件的一侧开口与底座合围出第一缓冲腔;在H型构件的中横结构上开设有连通孔;连通孔围绕所述回转轴圆周分布;

气槽构件,为截面呈凹形的回转体;气槽构件的内凹部分形成所述出气槽;H型构件的另一侧开口与气槽构件合围出第二缓冲腔。

可选地,所述近端连通孔的面积A

其中,C为按连通孔数量分配的单孔预设流导;α为克劳辛系数、又称传输几率;R为气体摩尔常数;T为气体温度;M为气体摩尔质量。

可选地,进气通道的数量为一个,连通孔围绕所述回转轴圆周均布有18个;以气体在第一缓冲腔内做半圆形的流动路径划分,连通孔被对称分划为两组;沿气体流动路径,每组连通孔8的孔径以1.0/ 1.1/ 1.2/ 1.4/ 1.6/ 1.9/ 2.2/ 2.6/ 3.0的比例分布。

一种电推力器,包括:

推力器主体;

如前所述的补偿式气体分配器,安装在所述推力器主体上。

通过采用上述技术方案,本发明具有如下技术效果:

1.本发明提供的补偿式气体分配器,通过相对加大了远离进气通道的远端连通孔的直径,从而使中性气体在从进气通道流出后经较长行程到达远端连通孔时,可通过大直径的连通孔加强其出气量,从而补偿了气流因远离气源而带来的流量损失,使得连通孔无论在气源近端还是远端均取得相对均衡的出气量,进而使中性气体在前一缓冲腔至下一缓冲腔间的流动均匀性获得提高,最终在出气通道得到更均匀的出气效果,而更均匀的中性气体在其后的放电通道可获得更充分的电离,使霍尔推力器的推力表现得以提高。

2.本发明提供的补偿式气体分配器,通过使所述近端连通孔至所述远端连通孔的连通孔直径依次增大,且相邻孔的直径差值逐渐增大,使得中性气体在气体分配器的周向上得到更充分的均匀化分布。

3. 本发明提供的补偿式气体分配器,采用气槽结构配合出气通道径向开设,使中性气体在从出气通道流出后,会首先充盈在气槽之内,因气槽是沿装置周向所进行的环状设置,从而使气体在进入后面的放电通道之前,会先在装置周向上进行均匀化,从而提高了出气均匀性。而在气槽的两侧壁上均设置出气通道,则提高了装置的出气效率,也因为出气通道的增加而提高了气体流出后的均匀化效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的结构示意剖视图;

图2为本发明实施例1的结构示意立体图;

图3为本发明实施例1的气槽构件的结构示意立体图;

图4为本发明实施例1的H型构件的结构示意立体图;

图5为本发明实施例1的H型构件为模型0时的结构示意俯视图;

图6为本发明实施例1的H型构件为模型1时的结构示意俯视图;

图7为本发明实施例1的H型构件为模型2时的结构示意俯视图;

图8为本发明实施例1的H型构件为模型3时的结构示意俯视图;

图9为本发明实施例1的气槽构件为模型0时的结构示意俯视剖面图;

图10为本发明实施例1的气槽构件为模型4时的结构示意俯视剖面图;

图11为模型0~4在放电通道周向截线上的中性气体分子数密度分布对比图;

图12为模型0~4在放电通道周向截线上分子数密度的差异率分布对比图。

附图标记说明:

1、底座;2、H型下挡板;3、H型中层挡板;4、H型上档板;5、气槽顶面;6、进气通道;7、第一缓冲腔;8、连通孔;9、第二缓冲腔;10、气隙;11、出气通道;12、气槽构件;13、进气柱;14、固定螺柱;15、进气柱安装孔;16、螺柱安装孔;17、气槽内侧壁;18、气槽外侧壁;19、气槽底壁、20、H型构件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外,下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种补偿式气体分配器。

在一种实施方式中,如图1至4、及图6至8所示,其包括:分配器主体、进气通道6、出气通道11、缓冲腔和连通孔8。进气通道6与出气通道11均设置在所述分配器主体上。缓冲腔,设置在所述分配器主体内;在进气通道6与出气通道11之间串行连通有至少两个所述缓冲腔。连通孔8连通于两个相邻的所述缓冲腔之间。两个相邻所述缓冲腔之间分布有多个连通孔8,且在气体流动路径上区分出最靠近进气通道6的近端连通孔和最远离进气通道6的远端连通孔。所述远端连通孔的直径大于所述近端连通孔的直径。

该气体分配器通过相对加大了远离进气通道6的远端连通孔的直径,从而使中性气体在从进气通道6流出后经较长行程到达远端连通孔时,可通过大直径的连通孔8加强其出气量,从而补偿了气流因远离气源而带来的流量损失,使得连通孔8无论在气源近端还是远端均取得相对均衡的出气量,进而使中性气体在前一缓冲腔至下一缓冲腔间的流动均匀性获得提高,最终在出气通道11得到更均匀的出气效果,而更均匀的中性气体在其后的放电通道可获得更充分的电离,使霍尔推力器的推力表现得以提高。

具体以图6所示的模型1为例,其最靠近进气通道6的近端连通孔直径D1选为1.3mm,远端连通孔的直径D9选为3.3mm,对比图5所示的模型0,其所有连通孔8直径D1均为1.3mm,则最终如图11所示,模型0的中性气体分子数密度分布线(即图中的原模型所在曲线)在远离气源端(即弧度为1处)具有很大凹陷,分布均匀性较差,而模型1的中性气体分子数密度在远离气源端得到明显加强,曲线形成补偿性的波峰,使得气体分配器的气量均匀性得以改善提高。此外如图12所示,模型1的分子数密度的最大差异率与平均差异率均比模型0降低,使得气体均匀性得到提高。

需要说明的是,尽管图1至4、及图6至8的实施方式是采用了单一进气通道6的形式,但本实施例的补偿式气体分配器并不局限于单一进气通道6,在具有多个进气通道6的情况下,同样可以形成相应的近端连通孔和远端连通孔,只是远端连通孔需相对于相邻的两个进气通道6均为气路上的最远孔。而增大远端连通孔直径后同样可以改善装置的总体出气均匀性。

而关于上述近端连通孔大小的选定,优选使所述近端连通孔的面积A

其中,C为按连通孔8数量均分的单孔预设流导,流导表示真空管道通过气体的能力;α为克劳辛系数、又称传输几率;R为气体摩尔常数;T为气体温度;M为气体摩尔质量。

经上述公式计算出的近端连通孔,便可作为设计连通孔8的基准,远端连通孔的直径只需照此基准进行增大,便可有效改善整个装置的总体出气均匀性。

以上述实施方式为基础,在一种可选的实施方式中,如图7和8所示,沿气体流动路径,在所述近端连通孔与所述远端连通孔之间设置有多个连通孔8,从所述近端连通孔至所述远端连通孔的连通孔8直径依次增大。

具体以图7所示的模型2和图8所示的模型3为例,其均具有直径依次增大的连通孔8,结合图11和12来看,相比于只加大了远端连通孔直径的图6所示模型1来说,模型2和模型3的中性气体分子数密度数和分子数密度最大差异率均得以改善提高。需要说明的是,因为模型2和模型3在近端连通孔至远端连通孔之间的连通孔8直径得以加大,从而增强了中段的气体均匀性,因此在图11中并未出现如模型1般的在气源远端的补偿性波峰,但是模型2和模型3在整体上的气体均匀性得以提升。

以上述实施方式为基础,在一种可选的实施方式中,如图8所示,在气体流动路径上,相邻连通孔8的直径差值呈逐渐增大趋势。具体以图8所示的模型3为例说明,其唯一的进气通道6设置在图中圆环的9点钟方位,连通孔8围绕圆环中心、即图示H型构件20的回转轴圆周均布有18个。因以气体沿环状的第一缓冲腔7内分作两路,每路呈半圆形的流动路径,因此连通孔8被分划为对称的两组;每组中近端连通孔至远端连通孔共有9个孔,直径分别为D1~D9,且其孔径以1.0/ 1.1/ 1.2/ 1.4/ 1.6/ 1.9/ 2.2/ 2.6/ 3.0的比例分布。该组直径的特点便是相邻孔的直径差值呈逐渐增大趋势,例如前3孔的相邻直径差值为0.1,后来相邻直径差值增大为0.2,之后经过0.3的差值后最终达到0.4的差值。需说明的是,直径差值呈逐渐增大趋势只需总体上呈增大趋势即可,并非特指每组相邻直径差值均要相比前者增大,比如前两组(D1和D2、D2和D3)的直径差值便保持了0.1的不增长,这事实上是出于设计圆整的考虑而进行凑整后的结果,但其后的差值便会逐渐增大。

而对比图7所示的模型2,其D1~D9各孔直径采用等差数列设置,即相邻孔的直径差值为定值,具体来说,其直径从1.3mm至3.3mm,相邻差值固定为0.25mm。这种直径差值固定的设置和差值逐渐增大的方案相比,气流的均匀化效果相对较差,可参见图11所示,模型2的分子数密度仍在气源远端出现下降,在曲线上呈现非常明显的下凹。而模型3的曲线相对平直,使中性气体在气体分配器的周向上得到更充分的匀化。

以上述实施方式为基础,在一种可选的实施方式中,如图1至3所示,所述分配器主体呈环状,出气通道11围绕所述分配器主体的轴线呈环形阵列排布,出气通道11朝向所述分配器主体的径向开设。

因放电通道内的离子存在回流现象,从而对于沿电场方向、通常也为气体分配器轴向上的迎击面产生溅射镀膜,如果出气通道11沿所述分配器主体的轴向开设,则长期运行后容易被溅射镀膜使孔径改变,从而造成气体分配不均匀。出气通道11为径向开设则可避免该问题。

以上述实施方式为基础,在一种可选的实施方式中,如图1至3所示,所述分配器主体沿周向开设有出气槽,气槽的底面为气槽底壁19,所述出气槽靠近所述分配器主体内侧的壁面为气槽内侧壁17,所述出气槽靠近所述分配器主体外侧的壁面为气槽外侧壁18。在气槽内侧壁17和气槽外侧壁18上均开设有出气通道11。

采用气槽结构配合前述的出气通道11径向开设之后,中性气体从气隙10至出气通道11流出后,会首先充盈在气槽之内,因气槽是沿装置周向所进行的环状设置,从而使气体在进入后面的放电通道之前,会先在装置周向上进行均匀化,从而提高了出气均匀性。而在气槽的两侧壁上均设置出气通道11,则提高了装置的出气效率,也因为出气通道11的增加而提高了气体流出后的均匀化效果。

以上述实施方式为基础,在一种可选的实施方式中,如图10所示,气槽内侧壁17上的出气通道11与气槽外侧壁18上的出气通道11互呈交错相位分布。所述交错相位是指内侧的出气通道11在图示圆环上的相位角,与外侧出气通道11的相位角不同,并互呈交错设置。对比图9所示的实施方式,其内外侧的出气通道11相位角相同。在图8所示的连通孔8布局并结合图10所示的出气通道11之后构成模型4,而前述的模型0~模型3均采用图9所示出气通道11的情况下,最终的气体均匀化效果便如图11和12所示,从中可见,采用相位交错出气通道11的模型4相比之前表现优异的模型3,其进一步提高了周向分子密度数,并大幅降低了分子数密度的最大差异率与平均差异率。这主要源于交错相位的出气通道11缩短了相邻出气通道11之间的气槽填充距离,使得气流可以更快更充分地填充于气槽内,并至气槽充盈后再继续向之后的放电通道流动,提高了装置总体的出气均匀性。

以上述实施方式为基础,在一种可选的实施方式中,如图1至4所示,所述分配器主体包括:底座1、H型构件20和气槽构件12。底座1贯通开设有进气通道6。在进气通道6末端还可设置进气柱安装孔15,用以连接进气柱13。而在底座1还可设置螺柱安装孔16,用以连接固定螺柱14。H型构件20为截面呈H形的回转体,具体包括 H型下挡板2、H型中层挡板3和H型上档板4。所述H型构件20的上下开口、即两侧H型上档板4形成的上开口和两侧H型下挡板2形成的下开口,此两开口的朝向与回转轴的轴向一致。所述H型构件20的下开口与底座1合围出第一缓冲腔7。在所述H型构件20的中横结构、即H型中层挡板3上开设有连通孔8。连通孔8围绕所述回转轴圆周分布。气槽构件12为截面呈凹形的回转体。气槽构件12的内凹部分形成所述出气槽;气槽构件12的凹部槽口为气槽顶面5。所述H形的上开口与气槽构件12合围出第二缓冲腔9。

这种结构由于将具有两个冲缓腔、两腔中间的连通孔8以及气槽等诸多结构的分配器主体划分为简单形状的三个部件组合,其各部件便于加工制造,使得装置的总体制造成本降低。

实施例2

本实施例提供一种电推力器。

在一种实施方式中,其包括推力器主体和补偿式气体分配器。其补偿式气体分配器的结构如实施例1所述,并安装在所述推力器主体上。

该推力器因使用了实施例1的补偿式气体分配器,使得中性气体得以均匀地分布于放电通道之中,从而比如可被充分电离,使得推力器的推力提高,且推力均衡性得以增强。

显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术分类

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