一種多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，由多孔結(jié)構(gòu)陰極、兩個陰極連接件及尾部端蓋組成的陰極部分，套上絕緣套筒后，再通過絕緣襯套和尾部螺釘與中間連接件的左端面進(jìn)行連接；由陽極、陽極襯套及陽極外殼組成的陽極部分，通過陽極擋環(huán)及陽極螺釘，與中間連接件的右側(cè)面進(jìn)行連接。中間連接件上開設(shè)有兩個相通的進(jìn)氣通道，通過兩個進(jìn)氣管道進(jìn)氣。由此推進(jìn)劑分三路供給，兩路分別經(jīng)由兩個氣管道與進(jìn)氣通道到達(dá)陽極，另一路經(jīng)由陰極連接件與陰極內(nèi)部到達(dá)陽極。本發(fā)明推力器，外部還同軸套有環(huán)形附加磁線圈；本發(fā)明滿足了大功率條件下推力器對電子發(fā)射能力的要求，而陰極有效截面積的增大也提高了陰極的可靠性和使用壽命。
【專利說明】—種多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空間電磁式電推力器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體來說，是一種多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器。

【背景技術(shù)】
[0002]作為電推力器的一種，磁動力等離子體(MPD)推力器利用電流和磁場相互作用產(chǎn)生的洛倫茲力來獲得高的比沖及推力密度，在未來的載人太空飛行中有很大的應(yīng)用前景。
[0003]與自身場磁等離子體動力推力器(SF-MPDT)相比，附加場磁等離子體動力推力器(AF-MPDT)能夠在同等的功率范圍下達(dá)到更高的比沖(噴氣速度)，且能更好地保證推力器在大電流工作條件下的穩(wěn)定性，更適用于大功率的任務(wù)使命。此外，增大推力器的放電電流能夠顯著地提高推力器內(nèi)部的電磁加速效應(yīng)、等離子體的噴出速度，進(jìn)而提高推力器的比沖及推力。事實(shí)上，鑒于大功率空間推進(jìn)的提出及空間任務(wù)的需求，對大電流AF-MPDT的研究具有更加深遠(yuǎn)的意義。
[0004]對SF-MPDT的研究始于上世紀(jì)60年代的美國，俄羅斯、德國、意大利、英國和日本等國也相繼開展了此方面的研究，但對于AF-MPDT而言，由于引入了外加磁場，其內(nèi)部的物理過程及等離子體加速機(jī)制更加復(fù)雜，很難形成統(tǒng)一的結(jié)論。此外，大電流條件下AF-MPDT面臨著大通量電子供給和絕緣等諸多問題，值得進(jìn)一步研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決AF-MPDT在大電流工作條件下的電子供給和絕緣等問題，本發(fā)明提供一種多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，它的電子發(fā)射面積大，能夠滿足大功率條件下的電子供給要求，此外，它采用一體式的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并避免在絕緣體側(cè)壁上開通氣孔，有效地提高了電極間的絕緣性。
[0006]一種多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，包括陽極部分、絕緣套筒、陰極部分、中間連接件、進(jìn)氣管道與環(huán)形附加磁線圈。
[0007]所述陽極部分包括陽極、陽極襯套、陽極外殼與陽極擋環(huán)；其中，陽極與陽極襯套同軸設(shè)置在陽極外殼內(nèi)；通過陽極外殼后端內(nèi)壁周向上設(shè)計(jì)的凸緣，與陽極前端外壁周向上設(shè)計(jì)的臺肩搭接配合，實(shí)現(xiàn)陽極與陽極襯套的后向定位。陽極外殼上套裝陽極擋環(huán)，并通過螺栓將陽極外殼與中間連接件間擰緊固定，實(shí)現(xiàn)中間連接件與陽極外殼間的定位；且中間連接件后部由陽極外殼前端伸入陽極外殼內(nèi)，用來實(shí)現(xiàn)陽極襯套與陽極的前向定位。
[0008]所述絕緣套筒后端穿過中間連接件，同軸設(shè)置于陽極襯套內(nèi)；絕緣套筒外壁與中間連接件后部內(nèi)壁以及陽極襯套內(nèi)壁間具有一定間隔，分別形成環(huán)形空腔A與環(huán)形空腔B;通過絕緣套筒前端周向上設(shè)計(jì)有凸緣與中間連接件前端面配合，實(shí)現(xiàn)絕緣套筒的前向定位。
[0009]所述陰極部分包括陰極連接件A、陰極連接件B、陰極與端蓋。其中，陰極連接件A為筒狀結(jié)構(gòu)，同軸設(shè)置于絕緣套筒內(nèi)；通過陰極連接件A前端周向上設(shè)計(jì)的凸緣D，與絕緣套筒前端面間配合，實(shí)現(xiàn)陰極連接件A的后向定位；陰極連接件A前端套有端蓋，端蓋通過螺栓與陰極連接件A前端周向上設(shè)計(jì)的連接面固連；端蓋通過螺釘與中間連接件固定；由此實(shí)現(xiàn)了陰極連接件A與絕緣套筒的前向定位。陰極連接件B為筒狀結(jié)構(gòu)，同軸設(shè)置于絕緣套筒內(nèi)；前端與陰極連接件A后端螺紋配合固定；所述陰極為多孔陰極，前端與陰極連接件B后頂緊固定；多孔陰極的后端由絕緣套筒后端面中心位置開設(shè)的穿孔穿出，位于陽極內(nèi)部。
[0010]上述中間連接件上安裝有兩條進(jìn)氣管道，令分別為進(jìn)氣管道A與進(jìn)氣管道B ;且在中間連接件上還開有進(jìn)氣通道A與進(jìn)氣通道B。進(jìn)氣通道A —端與進(jìn)氣管道A連通，進(jìn)氣通道B —端與進(jìn)氣管道B連通；進(jìn)氣通道A與進(jìn)氣通道B的另一端均與空腔A連通。
[0011]所述環(huán)形附加磁線圈通過支架同軸架設(shè)在多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器外部，為推力器提供所需的強(qiáng)磁場。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:
[0013]1、本發(fā)明多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，采用了多孔陰極的結(jié)構(gòu)形式，以較為簡單的方式滿足了大功率條件下推力器對電子發(fā)射能力的要求，而陰極有效截面積的增大也提高了陰極的可靠性和使用壽命；
[0014]2、本發(fā)明多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，絕緣套筒采用一體式的設(shè)計(jì)，以較為簡單的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)了陰極、中間連接件和陽極間的絕緣，此外，避免了在絕緣套筒外壁上開通氣孔，有效地降低了大電流工作條件下電弧通過通氣孔擊穿陰陽極的可能性、提高了推力器的絕緣性；
[0015]3、本發(fā)明多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，外部同軸套有環(huán)形附加磁線圈，為推力器提供所需的緩慢擴(kuò)張的外加磁場，增強(qiáng)推力器電磁加速的效果；且環(huán)形附加磁線圈的軸向位置可調(diào)，以便研究磁場位形對推力器性能的影響；
[0016]4、本發(fā)明多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，可實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑三路供給，通過對多路流量的自由控制可以實(shí)現(xiàn)不同的工況組、便于試驗(yàn)研究，且經(jīng)過陰極內(nèi)孔的推進(jìn)劑能夠加速陰極的冷卻、有效地降低陰極的腐蝕程度；
[0017]5、本發(fā)明多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，陰極連接件設(shè)計(jì)為兩部分結(jié)構(gòu)，其中陰極與陰極連接件A之間的配合采用錐面配合的方式，以最大程度地方便陰極的拆卸和更換；
[0018]6、本發(fā)明多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，推力器中各部件間基本上采用螺栓連接的方式，最大程度上方便零件的調(diào)整和更換；
[0019]7、本發(fā)明多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，對于多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器的試驗(yàn)研究以及未來大功率電推力器的研究有重要的意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器整體結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0021]圖2是本發(fā)明多孔陰極的剖視圖。
[0022]圖中:
[0023]1-陽極部分2-絕緣套筒3-陰極部分
[0024]4-中間連接件5-進(jìn)氣管道6-環(huán)形附加磁線圈
[0025]7-支架左擋塊8-支架右擋塊9-安裝支架
[0026]10-空腔A11-空腔B12-進(jìn)氣通道A
[0027]13-進(jìn)氣通道B101-陽極102-陽極襯套
[0028]103-陽極外殼104-陽極擋環(huán)301-陰極連接件A
[0029]302-陰極連接件B303-陰極304-端蓋
[0030]305-連接面306-釷鎢棒307-安裝面

【具體實(shí)施方式】
[0031 ] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0032]本發(fā)明多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，包括陽極部分1、絕緣套筒2、陰極部分3、中間連接件4、進(jìn)氣管道5與環(huán)形附加磁線圈6。中間連接件4作為本發(fā)明多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器陽極部分1、絕緣套筒2、陰極部分3與進(jìn)氣管道5間的連接定位中間件。
[0033]所述陽極部分I包括陽極101、陽極襯套102、陽極外殼103與陽極擋環(huán)104 ;其中，陽極101采用耐高溫鑰材料，為圓筒狀外形，其內(nèi)型面可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)為直通道、后部擴(kuò)張通道或者前部收斂后部擴(kuò)張通道多種形式，本發(fā)明中陽極101內(nèi)型面采用后部擴(kuò)張形式。陽極101與陽極襯套102同軸設(shè)置在陽極外殼103內(nèi)，陽極101的前端面與陽極襯套102的后端面貼合，且陽極襯套102外壁與陽極外殼103內(nèi)壁貼合。陽極外殼103后端內(nèi)壁周向上設(shè)計(jì)有凸緣A ；陽極前端外壁周向上設(shè)計(jì)有臺肩；通過凸緣A與臺肩搭接配合，實(shí)現(xiàn)陽極101與陽極襯套102的后向定位。
[0034]中間連接件4采用2Crl3材料，后部設(shè)計(jì)為筒狀結(jié)構(gòu)，中心位置開有通孔；中間連接件4的后部由陽極外殼103前端伸入陽極外殼103內(nèi)，外壁與陽極外殼103內(nèi)壁貼合；且后端端部插入陽極襯套102前端端面外緣開設(shè)的環(huán)形凹槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)中間連接件4與陽極襯套102間的定位。陽極外殼103前端外壁周向上設(shè)計(jì)有凸緣B，通過在陽極外殼103上套裝陽極擋環(huán)104，使陽極擋環(huán)104與凸緣B搭接配合，并通過螺栓將陽極擋環(huán)104與中間連接件4間擰緊固定，實(shí)現(xiàn)中間連接件4與陽極外殼103間的定位，同時，實(shí)現(xiàn)陽極襯套102與陽極101的前向定位。中間連接件4上還設(shè)計(jì)有安裝面307，通過在推力器安裝支架8兩側(cè)設(shè)置支架左擋塊7與支架右擋塊8，并通過擋塊螺釘將支架左擋塊7、安裝支架9、支架右擋塊8固定于安裝面307上，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明推力器與安裝支架9間的固定。
[0035]所述絕緣套筒2采用氮化硼材料，后端穿過中間連接件4的中心通孔后，同軸設(shè)置于陽極襯套102內(nèi)；絕緣套筒2外壁與中間連接件4后部內(nèi)壁以及陽極襯套102內(nèi)壁間具有一定間隔，分別形成環(huán)形空腔AlO與環(huán)形空腔B11。絕緣套筒2前端周向上設(shè)計(jì)有凸緣C ；中間連接件4前端面上設(shè)計(jì)有環(huán)形凹槽；通過凸緣C與環(huán)形凹槽配合，實(shí)現(xiàn)絕緣套筒2的前向定位；絕緣套筒2后端與陽極101前端間存在一定間隙。
[0036]所述陰極部分3包括陰極連接件A301、陰極連接件B302、陰極303、端蓋304 ；
[0037]其中，陰極連接件A301為筒狀結(jié)構(gòu)，同軸設(shè)置于絕緣套筒2內(nèi)，外壁與絕緣套筒2內(nèi)壁貼合。陰極連接件A301前端周向上設(shè)計(jì)有凸緣D，通過凸緣D與絕緣套筒2前端面間配合，實(shí)現(xiàn)陰極連接件A301的后向定位。陰極連接件A301前端套有端蓋304，端蓋304通過螺栓與陰極連接件A301后端周向上設(shè)計(jì)的連接面305固連。端蓋304通過套有絕緣襯套的螺釘與中間連接件4固定；由此實(shí)現(xiàn)了陰極連接件A301與絕緣套筒2的前向定位。陰極連接件B302為筒狀結(jié)構(gòu)，同軸設(shè)置于絕緣套筒2內(nèi)；前端設(shè)計(jì)為外螺紋構(gòu)，與陰極連接件A301后端設(shè)計(jì)的內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)螺紋配合固定；由此，實(shí)現(xiàn)陰極連接件B302與陰極連接件A301間的連接定位。陰極連接件B302后端內(nèi)型面為錐形擴(kuò)張結(jié)構(gòu)，用來安裝陰極303。所述陰極303為多孔陰極，即為在純鎢材料單孔陰極303前端內(nèi)插入η根實(shí)心圓柱釷鎢棒306，η> I，使釷鎢棒306間以及釷鎢棒306與單孔陰極303內(nèi)壁間形成孔隙，實(shí)現(xiàn)陰極303的多孔狀設(shè)計(jì)，如圖2所示；由此,一方面可以增大電子的發(fā)射面積,滿足大功率下的電子發(fā)射要求，另一方面陰極303有效面積的增大也提高了陰極303的可靠性及使用壽命。多孔陰極303的前端外型面設(shè)計(jì)為錐形段，插入到陰極連接件Β302后端，與陰極連接件Β302后端內(nèi)型面配合頂緊固定；多孔陰極303的后端由絕緣套筒2后端面中心位置開設(shè)的穿孔穿出，位于陽極101內(nèi)部。
[0038]通過上述結(jié)構(gòu)，便對陰極連接件Β302與陰極303整體進(jìn)行更換，且便于當(dāng)陰極303損毀而陰極連接件Β302仍完好時只進(jìn)行陰極303的更換，最大程度上地節(jié)省裝拆時間及加工成本。通過絕緣套筒2將推力器的陰極部分3和陽極部分I有效地隔開，避免了推力器其他部分間的放電，此外，還起到了很重要的支撐和定位作用。
[0039]上述中間連接件4周向?qū)ΨQ位置固定安裝有L型進(jìn)氣管道5，令分別為進(jìn)氣管道A與進(jìn)氣管道B，且在中間連接件4上開有相對于軸線對稱的進(jìn)氣通道Α12與進(jìn)氣通道Β13。其中，進(jìn)氣通道Α12 —端與進(jìn)氣管道A連通，進(jìn)氣通道Β13 —端與進(jìn)氣管道B連通；進(jìn)氣通道Α12與進(jìn)氣通道Β13的另一端均與空腔AlO連通；由此，通過兩個進(jìn)氣管道4、進(jìn)氣通道Α12與進(jìn)氣通道Β13，可為推力器的陽極101供氣。為了保證本發(fā)明推力器的氣密性要求，在陰極連接件Β302與絕緣套筒2之間、絕緣套筒2與中間連接件4之間、中間連接件4與陽極襯套102之間以及陽極101與陽極外殼103之間均通過石墨材料密封圈進(jìn)行密封。
[0040]本發(fā)明推力器可實(shí)現(xiàn)三路進(jìn)氣的方式:其中，一路推進(jìn)劑由陰極連接件Α301前端通入，依次經(jīng)陰極連接件Α301內(nèi)部、陰極連接件Β302內(nèi)部、陰極303內(nèi)部后，由陰極303內(nèi)釷鎢棒306間以及釷鎢棒306與單孔陰極303內(nèi)壁間形成的孔隙進(jìn)入陽極101 ;另兩路推進(jìn)劑分別由兩個進(jìn)氣管道4進(jìn)入，隨后分別經(jīng)進(jìn)氣通道Α12與進(jìn)氣通道Β13進(jìn)入空腔Α10，最終經(jīng)空腔Bll以及絕緣套筒2與陽極101間的間隙進(jìn)入到陽極101內(nèi)；陽極101內(nèi)部作為推力器的放電室，通過為推力器的陰極303與陽極201供電，可在放電室內(nèi)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的電離以及等離子體的加速，進(jìn)而產(chǎn)生所需的推力。
[0041]所述環(huán)形附加磁線圈6通過支架同軸架在推力器外部，為推力器提供所需的緩慢擴(kuò)張的外加磁場，增強(qiáng)推力器電磁加速的效果；且環(huán)形附加磁線圈6的軸向位置可調(diào)，以便研究磁場位形對推力器性能的影響。
【權(quán)利要求】
1.一種多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，其特征在于:包括陽極部分、絕緣套筒、陰極部分、中間連接件、進(jìn)氣管道與環(huán)形附加磁線圈； 所述陽極部分包括陽極、陽極襯套、陽極外殼與陽極擋環(huán)；其中，陽極與陽極襯套同軸設(shè)置在陽極外殼內(nèi)；通過陽極外殼后端內(nèi)壁周向上設(shè)計(jì)的凸緣，與陽極前端外壁周向上設(shè)計(jì)的臺肩搭接配合，實(shí)現(xiàn)陽極與陽極襯套的后向定位；陽極外殼上套裝陽極擋環(huán)，并通過螺栓將陽極外殼與中間連接件間擰緊固定，實(shí)現(xiàn)中間連接件與陽極外殼間的定位；且中間連接件后部由陽極外殼前端伸入陽極外殼內(nèi)，用來實(shí)現(xiàn)陽極襯套與陽極的前向定位； 所述絕緣套筒后端穿過中間連接件，同軸設(shè)置于陽極襯套內(nèi)；絕緣套筒外壁與中間連接件后部內(nèi)壁以及陽極襯套內(nèi)壁間具有一定間隔，分別形成環(huán)形空腔A與環(huán)形空腔B;通過絕緣套筒前端周向上設(shè)計(jì)有凸緣與中間連接件前端面配合，實(shí)現(xiàn)絕緣套筒的前向定位； 所述陰極部分包括陰極連接件A、陰極連接件B、陰極、端蓋；其中，陰極連接件A為筒狀結(jié)構(gòu)，同軸設(shè)置于絕緣套筒內(nèi)；通過陰極連接件A前端周向上設(shè)計(jì)的凸緣D，與絕緣套筒前端面間配合，實(shí)現(xiàn)陰極連接件A的后向定位；陰極連接件A前端套有端蓋，端蓋通過螺栓與陰極連接件A前端周向上設(shè)計(jì)的連接面固連；端蓋通過螺釘與中間連接件固定；由此實(shí)現(xiàn)了陰極連接件A與絕緣套筒的前向定位；陰極連接件B為筒狀結(jié)構(gòu)，同軸設(shè)置于絕緣套筒內(nèi)；前端與陰極連接件A后端螺紋配合固定；所述陰極為多孔陰極，前端與陰極連接件B后頂緊固定；多孔陰極的后端由絕緣套筒后端面中心位置開設(shè)的穿孔穿出，位于陽極內(nèi)部； 上述中間連接件上安裝有兩條進(jìn)氣管道，令分別為進(jìn)氣管道A與進(jìn)氣管道B ;且在中間連接件上還開有進(jìn)氣通道A與進(jìn)氣通道B ;進(jìn)氣通道A —端與進(jìn)氣管道A連通，進(jìn)氣通道B一端與進(jìn)氣管道B連通；進(jìn)氣通道A與進(jìn)氣通道B的另一端均與空腔A連通； 所述環(huán)形附加磁線圈通過支架同軸架設(shè)在多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器外部。
2.如權(quán)利要求1所述一種多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，其特征在于:具有三路進(jìn)氣的方式:其中，一路推進(jìn)劑由陰極連接件A前端通入，依次經(jīng)陰極連接件A內(nèi)部、陰極連接件B內(nèi)部、陰極內(nèi)部后，由多孔陰極后段進(jìn)入陽極；另兩路推進(jìn)劑分別由兩個進(jìn)氣管道進(jìn)入，隨后分別經(jīng)進(jìn)氣通道A與進(jìn)氣通道B進(jìn)入空腔A，最終經(jīng)空腔B以及絕緣套筒與陽極間的間隙進(jìn)入到陽極內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述一種多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，其特征在于:所述多孔陰極為:在單孔陰極前端內(nèi)填充η根實(shí)心圓柱釷鎢棒，η > 1。
4.如權(quán)利要求1所述一種多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，其特征在于:所述兩個進(jìn)氣管道之間，以及兩個進(jìn)氣通道之間均相對于中心連接件的軸線對稱。
5.如權(quán)利要求1所述一種多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，其特征在于:所述陰極連接件Β與絕緣套筒之間、絕緣套筒與中間連接件之間、中間連接件與陽極襯套之間以及陽極與陽極外殼之間均通過石墨材料密封圈進(jìn)行密封。
6.如權(quán)利要求1所述一種多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，其特征在于:所述中間連接件上設(shè)計(jì)有安裝面，通過在推力器安裝支架兩側(cè)設(shè)置支架左擋塊與支架右擋塊，并通過擋塊螺釘將支架左擋塊、安裝支架、支架右擋塊固定于安裝面上。
7.如權(quán)利要求1所述一種多孔陰極附加場磁等離子體動力推力器，其特征在于:所述陽極采用耐高溫鑰材料；中間連接件采用2Crl3材料；絕緣套筒采用氮化硼材料。
【文檔編號】F03H1/00GK104265590SQ201410426006
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】湯海濱, 孔夢迪, 楊文將, 徐宇杰, 王寶軍 申請人:北京航空航天大學(xué)