一種水冷結構附加場磁等離子體推力器的製作方法

2023-06-01 22:00:36 1

本發明屬於電推進領域，涉及一種利用附加電磁場進行能量轉化獲得動力的磁等離子體推力器。

背景技術：

電推進是一類利用電能直接加熱推進劑或利用電磁作用電離加速推進劑以獲得推進動力的先進推進方式，具有較高的比衝、推力和效率，在大型太空飛行器的軌道控制、深空探測和星際航行等空間任務中有廣闊的應用前景。

磁等離子體推力器(mpdt)是電推進技術的典型代表，因其具有高比衝、大推力、易與高功率電源結合實現大功率、小型化等技術特點，被認為是用於深空探測的最佳候選推進方案之一。

磁等離子體推力器主要通過電極間電流放電，使得通入的氣體工質電離產生等離子體，等離子體在附加電磁場和氣動力加速作用下高速噴出，產生推力。由於mpdt功率較大時將產生幾百安培的大電流，內部產生的高溫等離子體，對暴露在等離子體中的電極產生嚴重燒蝕。採用傳統的輻射冷卻方式無法使推力器穩定工作，因此需要設計水冷結構mpdt。同時，推力器的整體裝配結構、密封、絕緣同樣是推力器實現性能、可靠工作的設計關鍵。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的在於設計一種採用水冷結構的磁等離子體推力器，使用氬氣作為推進劑，在10kw～20kw功率範圍內能提供毫牛級推力的電推力器，對磁等離子體推力器結構設計、實驗研究以及穩定工作研究具有重要意義。

本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器，一種水冷結構磁等離子體推力器，其特徵在於，所述的推力器整體為圓柱狀，具有三層結構。其中，外層從外到內依次為：磁線圈、安裝絕緣件、陽極水冷外套、陽極供電塊、陽極供水管、陽極供氣管和擴張陽極。中間層為從左到右依次為：陶瓷套、中間連接件、陰極供水管、陰極連接件a、陰極水冷外套、絕緣筒。內層從左到右依次為：陰極連接件b、陰極供電塊、空心陰極。

所述安裝絕緣件通過間隙配合插入磁線圈內並固定；陽極水冷外套固定套接於陽極的外圍，和陽極共同形成陽極水冷腔。陽極液體管安裝在陽極上，通過陽極上設計的陽極液體通道與陽極水冷腔連通。陽極供氣管焊接在陽極上設計的陽極液體通道提供氣孔中，並通過三通接頭實現分流。

上述陽極與陽極水冷套作為整體插入安裝絕緣件的內孔中，通過陽極外圓面與安裝絕緣件的內圓面的間隙配合實現徑向定。

所述絕緣筒為階梯軸狀，內部有通孔，絕緣筒插入陽極內孔中，通過外圓面與陽極內圓面的間隙配合實現徑向定位，通過端面壓縮石墨墊片實現軸向定位，並保證與陽極之間的密封。

陰極水冷外套固定套接於陰極連接件a的外圍，和陰極連接件a共同形成陰極水冷腔。陰極液體管安裝在陰極連接件a上，通過陰極上設計的陰極液體通道與陰極水冷腔連通。陰極插入陰極連接件a內孔中，通過陰極的外錐面與陰極連接件a的內錐面配合實現徑向和軸向定位。陰極連接件b插入陰極連接件a的內孔中，通過壓縮石墨墊片實現軸向定位，並保證和陰極端面之間的密封；陰極連接件a作為整體插入絕緣體內孔中，陰極水冷外套的凸緣端面通過壓縮石墨墊片實現軸向定位，並保證和絕緣體端面的密封。

陽極供電塊安裝在陽極外側；陰極供電塊通過內孔夾持在陰極連接件b上。

上述推力器陽極部分與推力器陰極部分上分別安裝有陽極供電模塊與陰極供電模塊，用來接通高壓點火電源。

本發明的優點在於

1、本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器，使用氬氣作為推進劑，在10～20kw功率範圍內能提供毫牛級推力。

2、本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器，在陰極與陽極間設計絕緣筒，保證陰極和陽極之間進行絕緣連接，採用氮化硼陶瓷材料，具有耐高溫高壓的特點；且通過設計絕緣筒合適的軸向尺寸，保證陰極和陽極間絕緣可靠性。

3、本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器，陰極與陽極間的絕緣筒設計為階梯軸狀，通過階梯軸和內孔，保證陰極和陽極的同軸性。

4、本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器，通過在關鍵部位安裝柔性石墨墊片實現氣路密封，水墨墊片耐高溫，密封好，可靠性高，同時由於其較好的壓縮率和回彈率，可以實現對絕緣筒的保護，防止被壓壞，提高絕緣設計的可靠性。

5、本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器，採用推力器與磁線圈軸向配合的方式，直接將推力器安裝在磁線圈上，保證推力器和磁線圈的同軸性，從而保證附加磁場的位型精度，有利於對推力器性能的研究。

6、本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器，使用鎖緊螺釘和鎖緊柱通過摩擦力實現推力器與磁線圈間的定位，且可使推力器相對於磁線圈軸向位置的任意可調，從而能夠更精確的研究磁場位置對推力器性能的影響。

7、本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器，設計水冷結構對推力器進行冷卻，保證推力器工作過程不受熱量沉積影響而產生工作不穩定；且設計水冷結構，對磁等離子體推力器結構設計和實驗研究以及穩定工作研究有重要的意義。

8、本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器，設計的水冷結構中，液體管和氣體管分布合理，保證在複雜要求下不發生空間幹涉，有效工作。

9、本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器，各部件間基本上是採用螺釘連接，可重複自由拆裝,零件更換和調整均非常方便，同時保證推力器整體美觀整潔。

附圖說明

圖1為本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器整體結構剖視圖正視示意圖；

圖2為本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器整體結構a-a剖視圖。

圖中：

1-推力器陽極部分2-推力器陰極部分3-絕緣筒

4-磁線圈5-中間連接件6-陶瓷套

7-安裝絕緣件101-陽極102-陽極水冷套

103-陽極氣體管104-陽極液體管105-陽極供電模塊

106-陽極水冷腔107-陽極進氣管108-三通接頭

201-陰極202-陰極水冷套203-陰極連接件a

204-陰極連接件b205-陽極液體管206-陰極供電模塊

207-陰極水冷腔

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。

本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器，整體為圓柱結構，包括推力器陽極部分1、推力器陰極部分2、絕緣筒3與磁線圈4，如圖1、圖2所示。

所述推力器陽極部分1包括陽極101、陽極水冷套102、陽極氣體管103、陽極液體管104與陽極供電模塊105。

其中，陽極101為筒狀結構，後端為出口端，設計為擴張口。陽極101周向上設計有環形槽，同時外圍套有陽極水冷套102，陽極水冷套102與陽極101外圍間通過焊接固定，且通過陽極水冷套102將環形槽密封，使得陽極水冷套102與陽極101間形成陽極水冷腔106。

上述陽極101內周向設計有四個通道，其中上下相對的兩條通道為陽極氣體通道，左右相對的兩條通道為陽極液體通道；兩條陽極氣體通道出口端與陽極101內部連通，兩條陽極進氣管107出口端分別與兩條陽極氣體通道入口端相接，兩條陽極氣體通道入口端間通過三通接頭108連通，三通接頭108的另一個接頭連接推進劑供氣設備。由此催化劑在三通接頭108處分為兩路進氣，經兩條陽極進氣管107-陽極氣體通道後，通入陽極101內部，由左右兩個對稱位置向陽極101內部供氣。兩條陽極液體通道的末端與陽極水冷腔106連通；兩條陽極液體管104分別與兩條陽極液體通道前端相接。兩條陽極液體管104分別作為陽極進水管與陽極出水管，由陽極進水管通入冷卻水，經一側陽極液體通道進入陽極水冷腔106，冷卻陽極101，隨後經另一側陽極液體通道，由陽極排水管排出。陽極供電模塊105用來將陽極101接通高壓點火電源；陽極供電模塊105通過螺釘固定安裝在陽極101前端面上設計的供電安裝槽105內，使陽極供電模塊105不凸出陽極外壁，減小推進器陽極部分1的徑向空間。

所述推力器陰極部分2包括陰極201、陰極水冷套202、陰極連接件a203、陰極連接件b204、陽極液體管205與陰極供電模塊206。

其中，陰極201為筒狀結構，內部作為陰極氣體通道。陰極201同軸安裝於陰極連接件a203內部後半段，陰極201後端由陰極連接件a203後端伸出；陰極201通過其外壁上設計的外錐面與陰極連接件a203內壁設計的內錐面配合，實現陰極201徑向和軸向定位。陰極連接件a203內部前半段內同軸安裝筒狀陰極連接件b204，陰極連接件b204與陰極201之間設置有石墨墊片，石墨墊片套在陰極連接件b204後端端部設計的環形凸臺上，通過陰極連接件b204壓縮石墨墊片後，通過螺釘將陰極連接件b204與陰極連接件a203間固定；由此實現陰極201的軸向固定，並保證陰極連接件b204與陰極201之間的密封。

上述陰極連接件a203周向上設計有環形槽，且在外圍通過焊接的方式套接有陰極水冷套202，將環形槽密封，使陰極水冷套202與陰極連接件a201間形成陰極水冷腔207。陰極連接件a203上相對位置設計兩條陰極液體通道，兩條陰極液體通道的末端與陰極水冷腔207連通；兩條陰極液體管205分別與兩條陰極液體通道前端相接，兩條陰極液體管205分別作為陰極進水管與陰極出水管，由陰極進水管通入冷卻水，經一側陰極液體通道進入陰極水冷腔207，冷卻陰極201後，經另一側陰極液體通道205，由陰極出水管排出。陰極供電模塊206用來將陰極101接通高壓點火電源；陽極供電模塊105套在陰極連接件b204的前端，兩者間通過螺釘緊固。

上述推力器陽極部分1與推力器陰極部分2之間設置有絕緣筒3，三者間同軸，通過絕緣筒3實現推力器陽極部分1與推力器陰極部分2間絕緣。絕緣筒3後端設計為內錐面，採用氮化硼陶瓷材料製成。絕緣筒3後端插入陽極101進口端內，與進口端間臺階配合軸向定位，通過絕緣筒3外壁與陽極101內壁的間隙配合實現兩者間的徑向定位。陽極101與絕緣筒3間的配合臺階面間安裝有柔性石墨墊片，通過絕緣筒3的臺階面壓縮石墨墊片，實現絕緣筒3的軸向定位以及絕緣筒3與陽極101之間的氣路密封。陰極水冷套202後端周向上設計有定位臺肩，且套有石墨墊片15。陰極連接件a203連同陰極水冷套202、陰極201以及陰極連接件b204一同插入絕緣筒3的前端內，通過壓縮陰極外套軸向臺肩和絕緣筒前端面之間的石墨墊片15，實現軸向定位和兩者之間的氣路密封，通過陰極連接件b204外壁面與絕緣筒3內壁面的間隙配合實現兩者間的徑向定位。陰極水冷套202上套有環形中間連接件5，並通過陰極水冷套202外壁周向上設計的定位臺肩實現中間連接件5的軸向定位；中間連接件5周向均布設計有四個內孔，每個內孔中安裝有一個陶瓷套6，陶瓷套6通過螺釘擰緊於陽極101前端面上開設的螺孔內，實現推力器陽極部分1與推力器陰極部分2與絕緣筒3三者間的軸向緊固。

所述磁線圈4纏繞於線圈骨架上，線圈骨架套於推力器陽極部分1中陽極101上，且在陽極101與線圈骨架4之間設置有環形安裝絕緣件7，實現陽極101和磁線圈4間的絕緣。安裝絕緣件7一端周向上設計有臺肩，與線圈骨架端面間配合，實現安裝絕緣件7與線圈骨架間的定位，並通過鎖緊螺釘穿過臺肩與線圈骨架上的螺孔固定，實現安裝絕緣件7與線圈骨架間的固定。上述陽極101外壁周向均布鎖緊孔，內部插入鎖緊柱；同時陽極前端端面周向上開有螺釘孔，內部安裝鎖緊螺釘，通過擰緊鎖緊螺釘，使鎖緊螺釘的錐形端部與鎖緊柱的錐形端部配合壓緊，使鎖緊柱產生向外的位移，進而由鎖緊柱頂緊安裝絕緣件7內壁，通過摩擦力實現陽極101在安裝絕緣件7內的固定；通過鬆開鎖緊螺釘，可以任意調整磁線圈4與推力器陽極部分1間的軸向相對位置。

本發明水冷結構附加場磁等離子體推力器工作過程為：

陽極101與陰極201將陽極供電模塊105與陰極供電模塊206接通高壓點火電源，陽極氣體管103與陰極氣體通道，向陽極與陰極內部通入氬氣推進劑，推進劑到達放電室(陽極、陰極以及絕緣筒後端的內錐面圍成的空腔區域)時被擊穿產生放電，形成等離子體；等離子體在電場和磁線圈4產生的磁場共同作用下，加速噴出由陽極1後端擴張口噴出推力器，產生推力。因推力器工作時會產生大量熱量，為保證推力器穩定工作，通過向陽極液體管與陰極液體管內通入冷卻水，對陽極101和陰極102進行水冷。