一种霍尔推力器供气管路的气路分压绝缘方法及其应用技术

一种霍尔推力器供气管路的气路分压绝缘方法及其应用，推进剂贮供子系统供应的工质气体通过进气管通入圆柱形缓冲腔，圆柱形缓冲腔对工质气体进行混匀和缓流后，通入外侧的圆环形的环状气路，经环状气路上间隔安装的金属网格实现电压分割实现电绝缘隔离后，经出气管通出至霍尔推力器。本发明专利技术提供了一种提升耐压性能、结构紧凑抗力学性能强的霍尔推力器供气管路的气路分压绝缘方法及其应用。路的气路分压绝缘方法及其应用。路的气路分压绝缘方法及其应用。

【技术实现步骤摘要】
一种霍尔推力器供气管路的气路分压绝缘方法及其应用


[0001]本专利技术涉及霍尔推力器
，具体涉及一种霍尔推力器供气管路的气路分压绝缘方法及其应用。

技术介绍

[0002]霍尔推力器又称霍尔效应推力器，在推力器中推进剂被电场加速，霍尔推力器将电子约束在磁场中，并利用电子电离推进剂，加速离子产生推力，并中和羽流中的离子。
[0003]霍尔推力器是一种先进的电推进装置，被广泛应用在卫星位置保持和姿态控制领域，并以其结构简单、高比冲、高效率等优点成为未来空间飞行器的首选推进装置之一。与大气环境下工作的常规电器设备绝缘设计不同，霍尔推力器作为一种工作在高真空环境、等离子体环境下的特殊电气设备，由于真空中带电的平均自由程很大，电气绝缘的研究与设计也更加特殊化。
[0004]霍尔电推进系统工作时，一般采用气路电绝缘结构连接贮供单元与推力器之间，既保证供气的畅通又能够实现高电压绝缘。一般供气管路中氙气压力为102~103Pa量级的稀薄气体，容易发生电离击穿导致绝缘失效；同时推力器工作环境为高真空、等离子体包围的复杂环境，陶瓷管路的外表面污染导致结构绝缘失效而发生电导通。
[0005]现有气路绝缘结构主要采用轴向多级分压结构，通过增大其绝缘级数，提高气路电绝缘器的耐压能力，随之带来的影响是：轴向距离增长，使其抗力学性能变得很差；同时陶瓷外部采用保护罩设计减少等离子体轰击污染，安装结构复杂，长期工作下外部陶瓷绝缘性能下降，仍无法长期有效工作因此，针对霍尔推力器供气管路耐高压需求，气路绝缘器结构设计中，如何采用多级分压实现耐高压的同时，解决其结构的抗力学工程问题，以及在长期工作条件下外部陶瓷不受污染击穿，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的第一个目的在于，针对现有技术中的问题，提供了一种能增加工质气体流通速度、提升耐压性能的霍尔推力器供气管路的气路分压绝缘方法。
[0007]本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：一种霍尔推力器供气管路的气路分压绝缘方法，其特征在于：推进剂贮供子系统供应的工质气体通过进气管通入圆柱形缓冲腔，圆柱形缓冲腔对工质气体进行混匀和缓流后，通入外侧的圆环形的环状气路，经环状气路上间隔安装的金属网格实现电压分割实现电绝缘隔离后，经出气管通出至霍尔推力器。
[0008]在采用上述技术方案的同时，本专利技术还采用或者组合采用如下技术方案：作为本专利技术的优选技术方案：工质气体通入缓冲腔的进气管方向垂直于缓冲腔的气体通入环状气路的进气方向，且环状气路的进气管方向与环状气路的工质气体流通方向垂直。
[0009]作为本专利技术的优选技术方案：环状气路中气体雷诺数Re1计算公式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）其中，q
m
为气体质量流量，单位为mg/s；D为环状气路的当量直径，单位为m，A为环状气路的横截面积，单位为m2，η为气体的黏滞系数，单位为kg
·
m
‑1·
s
‑1；环状气路当量直径D满足如下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）其中，R2为环状气路内径，单位为m；R3为外径，单位为m；h为高度，单位为m；环状气路的横截面积A满足如下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（10）将公式（9）和公式（10）带入公式（8），进一步得到环状气路中气体雷诺数的计算公式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（11）环状气路中气体克努增系数计算公式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（12）其中：K
n1
为环状气路气体克努增系数；为环状气路中气体平均自由程，单位为m；同种气体下气体的平均自由程满足如下公式：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（13）其中，为气体碰撞截面，单位为m2；n为气体密度，单位为个/m3；环状气路中气体的密度满足如下公式：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（14）其中，n1为气体密度，单位为个/m3；为气体的平均热运动速度，单位为m/s；m为气体分子质量，单位为kg；环状气路中压强与气体密度的关系为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（15）式中，P1为气体压强，单位为Pa；k为玻尔兹曼常数，单位为J/K；T为气体温度，单位为K；根据霍尔推力器放电通道内气体电离性能要求，放电通道入口气体压强为100~1000Pa，同时，环状气体中气体需要满足粘滞流状态，即：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（16）结合公式（8）~（16），确定环状气路内径R2、外径R3和高度h的值，环状气路的上述参数值的设定实现气路中的气体满足粘滞流特性，从而保证了分级耐压性能的实现。
[0010]作为本专利技术的优选技术方案：气路绝缘结构最大耐压为V
max
设计，设阳极高压为V
d
，工作裕度为，则气路绝缘器最大耐压满足如下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）基于电势叠加原理，通过多级分压实现耐高压参数，即在单联通气路中，通过设定N级电极，每级电极可耐压V0，则总耐压参数V1满足如下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）针对氙气工质，在粘滞流状态下，当电极为铁材料时，两极最低耐压值约为150V，因此，环状气路中设置的金属隔网电极的级数N满足如下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）则最小级数N
min
为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）当N
min
有余数时，则N
min
加1；金属隔网设置数量N大于等于N
min
；相邻金属隔网之间需要绝缘处理，设两金属隔网最小间距为d，则金属网格最大数量N
max
满足如下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）其中，L为气体传输路径长度，单位为m；考虑金属网格之间间尖端放电以及陶瓷工艺等，最小间距为2mm，环状气路中，气体传输路径满足如下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）
其中，为环状气路平均半径，单位为m；根据以上分析可知，金属隔网数量N位于N
min
和N
max
之间。
[0011]作为本专利技术的优选技术方案：缓冲腔内气体需要为粘滞流状态，由进气管流入的气体具有较强的速度和一定的非均匀性，通过缓冲腔201减缓其流速，并增加气体的均匀性，缓冲腔内部气体雷诺数计算公式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种霍尔推力器供气管路的气路分压绝缘方法，其特征在于：推进剂贮供子系统供应的工质气体通过进气管通入圆柱形缓冲腔，圆柱形缓冲腔对工质气体进行混匀和缓流后，通入外侧的圆环形的环状气路，经环状气路上间隔安装的金属网格实现电压分割实现电绝缘隔离后，经出气管通出至霍尔推力器。2.如权利要求1所述的霍尔推力器供气管路的气路分压绝缘方法，其特征在于：工质气体通入缓冲腔的进气管方向垂直于缓冲腔的气体通入环状气路的进气方向，且环状气路的进气管方向与环状气路的工质气体流通方向垂直。3.如权利要求1所述的霍尔推力器供气管路的气路分压绝缘方法，其特征在于：环状气路中气体雷诺数Re1计算公式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）其中，q
m
为气体质量流量，单位为mg/s；D为环状气路的当量直径，单位为m，A为环状气路的横截面积，单位为m2，η为气体的黏滞系数，单位为kg
·
m
‑1·
s
‑1；环状气路当量直径D满足如下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）其中，R2为环状气路内径，单位为m；R3为外径，单位为m；h为高度，单位为m；环状气路的横截面积A满足如下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（10）将公式（9）和公式（10）带入公式（8），进一步得到环状气路中气体雷诺数的计算公式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（11）环状气路中气体克努增系数计算公式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（12）其中：K
n1
为环状气路气体克努增系数；为环状气路中气体平均自由程，单位为m；同种气体下气体的平均自由程满足如下公式：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（13）其中，为气体碰撞截面，单位为m2；n为气体密度，单位为个/m3；环状气路中气体的密度满足如下公式：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（14）其中，n1为气体密度，单位为个/m3；为气体的平均热运动速度，单位为m/s；m为气体分子质量，单位为kg；环状气路中压强与气体密度的关系为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（15）式中，P1为气体压强，单位为Pa；k为玻尔兹曼常数，单位为J/K；T为气体温度，单位为K；根据霍尔推力器放电通道内气体电离性能要求，放电通道入口气体压强为100~1000Pa，同时，环状气体中气体需要满足粘滞流状态，即：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（16）结合公式（8）~（16），确定环状气路内径R2、外径R3和高度h的值，环状气路的上述参数值的设定实现气路中的气体满足粘滞流特性，从而保证了分级耐压性能的实现。4.如权利要求3所述的霍尔推力器供气管路的气路分压绝缘方法，其特征在于：气路绝缘结构最大耐压为V
max
设计，设阳极高压为V
d
，工作裕度为，则气路绝缘器最大耐压满足如下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）基于电势叠加原理，通过多级分压实现耐高压参数，即在单联通气路中，通过设定N级电极，每级电极可耐压V0，则总耐压参数V1满足如下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）针对氙气...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙建飞，徐禄祥，吴铭钐，柏树，郭宁，周艳波，赵杰，杨威，孙明明，罗威，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：