本發(fā)明屬于電推進(jìn)領(lǐng)域，涉及一種利用附加電磁場(chǎng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化獲得動(dòng)力的磁等離子體推力器。

背景技術(shù)：

電推進(jìn)是一類(lèi)利用電能直接加熱推進(jìn)劑或利用電磁作用電離加速推進(jìn)劑以獲得推進(jìn)動(dòng)力的先進(jìn)推進(jìn)方式，具有較高的比沖、推力和效率，在大型航天器的軌道控制、深空探測(cè)和星際航行等空間任務(wù)中有廣闊的應(yīng)用前景。

磁等離子體推力器(mpdt)是電推進(jìn)技術(shù)的典型代表，因其具有高比沖、大推力、易與高功率電源結(jié)合實(shí)現(xiàn)大功率、小型化等技術(shù)特點(diǎn)，被認(rèn)為是用于深空探測(cè)的最佳候選推進(jìn)方案之一。

磁等離子體推力器主要通過(guò)電極間電流放電，使得通入的氣體工質(zhì)電離產(chǎn)生等離子體，等離子體在附加電磁場(chǎng)和氣動(dòng)力加速作用下高速?lài)姵?，產(chǎn)生推力。由于mpdt功率較大時(shí)將產(chǎn)生幾百安培的大電流，內(nèi)部產(chǎn)生的高溫等離子體，對(duì)暴露在等離子體中的電極產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)g。采用傳統(tǒng)的輻射冷卻方式無(wú)法使推力器穩(wěn)定工作，因此需要設(shè)計(jì)水冷結(jié)構(gòu)mpdt。同時(shí)，推力器的整體裝配結(jié)構(gòu)、密封、絕緣同樣是推力器實(shí)現(xiàn)性能、可靠工作的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種采用水冷結(jié)構(gòu)的磁等離子體推力器，使用氬氣作為推進(jìn)劑，在10kw～20kw功率范圍內(nèi)能提供毫牛級(jí)推力的電推力器，對(duì)磁等離子體推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)研究以及穩(wěn)定工作研究具有重要意義。

本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器，一種水冷結(jié)構(gòu)磁等離子體推力器，其特征在于，所述的推力器整體為圓柱狀，具有三層結(jié)構(gòu)。其中，外層從外到內(nèi)依次為：磁線圈、安裝絕緣件、陽(yáng)極水冷外套、陽(yáng)極供電塊、陽(yáng)極供水管、陽(yáng)極供氣管和擴(kuò)張陽(yáng)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(nèi)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(guò)間隙配合插入磁線圈內(nèi)并固定；陽(yáng)極水冷外套固定套接于陽(yáng)極的外圍，和陽(yáng)極共同形成陽(yáng)極水冷腔。陽(yáng)極液體管安裝在陽(yáng)極上，通過(guò)陽(yáng)極上設(shè)計(jì)的陽(yáng)極液體通道與陽(yáng)極水冷腔連通。陽(yáng)極供氣管焊接在陽(yáng)極上設(shè)計(jì)的陽(yáng)極液體通道提供氣孔中，并通過(guò)三通接頭實(shí)現(xiàn)分流。

上述陽(yáng)極與陽(yáng)極水冷套作為整體插入安裝絕緣件的內(nèi)孔中，通過(guò)陽(yáng)極外圓面與安裝絕緣件的內(nèi)圓面的間隙配合實(shí)現(xiàn)徑向定。

所述絕緣筒為階梯軸狀，內(nèi)部有通孔，絕緣筒插入陽(yáng)極內(nèi)孔中，通過(guò)外圓面與陽(yáng)極內(nèi)圓面的間隙配合實(shí)現(xiàn)徑向定位，通過(guò)端面壓縮石墨墊片實(shí)現(xiàn)軸向定位，并保證與陽(yáng)極之間的密封。

陰極水冷外套固定套接于陰極連接件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(guò)陰極上設(shè)計(jì)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(nèi)孔中，通過(guò)陰極的外錐面與陰極連接件a的內(nèi)錐面配合實(shí)現(xiàn)徑向和軸向定位。陰極連接件b插入陰極連接件a的內(nèi)孔中，通過(guò)壓縮石墨墊片實(shí)現(xiàn)軸向定位，并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(nèi)孔中，陰極水冷外套的凸緣端面通過(guò)壓縮石墨墊片實(shí)現(xiàn)軸向定位，并保證和絕緣體端面的密封。

陽(yáng)極供電塊安裝在陽(yáng)極外側(cè)；陰極供電塊通過(guò)內(nèi)孔夾持在陰極連接件b上。

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

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于

1、本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器，使用氬氣作為推進(jìn)劑，在10～20kw功率范圍內(nèi)能提供毫牛級(jí)推力。

2、本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器，在陰極與陽(yáng)極間設(shè)計(jì)絕緣筒，保證陰極和陽(yáng)極之間進(jìn)行絕緣連接，采用氮化硼陶瓷材料，具有耐高溫高壓的特點(diǎn)；且通過(guò)設(shè)計(jì)絕緣筒合適的軸向尺寸，保證陰極和陽(yáng)極間絕緣可靠性。

3、本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器，陰極與陽(yáng)極間的絕緣筒設(shè)計(jì)為階梯軸狀，通過(guò)階梯軸和內(nèi)孔，保證陰極和陽(yáng)極的同軸性。

4、本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器，通過(guò)在關(guān)鍵部位安裝柔性石墨墊片實(shí)現(xiàn)氣路密封，水墨墊片耐高溫，密封好，可靠性高，同時(shí)由于其較好的壓縮率和回彈率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣筒的保護(hù)，防止被壓壞，提高絕緣設(shè)計(jì)的可靠性。

5、本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器，采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(chǎng)的位型精度，有利于對(duì)推力器性能的研究。

6、本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器，使用鎖緊螺釘和鎖緊柱通過(guò)摩擦力實(shí)現(xiàn)推力器與磁線圈間的定位，且可使推力器相對(duì)于磁線圈軸向位置的任意可調(diào)，從而能夠更精確的研究磁場(chǎng)位置對(duì)推力器性能的影響。

7、本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器，設(shè)計(jì)水冷結(jié)構(gòu)對(duì)推力器進(jìn)行冷卻，保證推力器工作過(guò)程不受熱量沉積影響而產(chǎn)生工作不穩(wěn)定；且設(shè)計(jì)水冷結(jié)構(gòu)，對(duì)磁等離子體推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究以及穩(wěn)定工作研究有重要的意義。

8、本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器，設(shè)計(jì)的水冷結(jié)構(gòu)中，液體管和氣體管分布合理，保證在復(fù)雜要求下不發(fā)生空間干涉，有效工作。

9、本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器，各部件間基本上是采用螺釘連接，可重復(fù)自由拆裝,零件更換和調(diào)整均非常方便，同時(shí)保證推力器整體美觀整潔。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器整體結(jié)構(gòu)剖視圖正視示意圖；

圖2為本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器整體結(jié)構(gòu)a-a剖視圖。

圖中：

1-推力器陽(yáng)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(yáng)極102-陽(yáng)極水冷套

103-陽(yáng)極氣體管104-陽(yáng)極液體管105-陽(yáng)極供電模塊

106-陽(yáng)極水冷腔107-陽(yáng)極進(jìn)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(yáng)極液體管206-陰極供電模塊

207-陰極水冷腔

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器，整體為圓柱結(jié)構(gòu)，包括推力器陽(yáng)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(yáng)極部分1包括陽(yáng)極101、陽(yáng)極水冷套102、陽(yáng)極氣體管103、陽(yáng)極液體管104與陽(yáng)極供電模塊105。

其中，陽(yáng)極101為筒狀結(jié)構(gòu)，后端為出口端，設(shè)計(jì)為擴(kuò)張口。陽(yáng)極101周向上設(shè)計(jì)有環(huán)形槽，同時(shí)外圍套有陽(yáng)極水冷套102，陽(yáng)極水冷套102與陽(yáng)極101外圍間通過(guò)焊接固定，且通過(guò)陽(yáng)極水冷套102將環(huán)形槽密封，使得陽(yáng)極水冷套102與陽(yáng)極101間形成陽(yáng)極水冷腔106。

上述陽(yáng)極101內(nèi)周向設(shè)計(jì)有四個(gè)通道，其中上下相對(duì)的兩條通道為陽(yáng)極氣體通道，左右相對(duì)的兩條通道為陽(yáng)極液體通道；兩條陽(yáng)極氣體通道出口端與陽(yáng)極101內(nèi)部連通，兩條陽(yáng)極進(jìn)氣管107出口端分別與兩條陽(yáng)極氣體通道入口端相接，兩條陽(yáng)極氣體通道入口端間通過(guò)三通接頭108連通，三通接頭108的另一個(gè)接頭連接推進(jìn)劑供氣設(shè)備。由此催化劑在三通接頭108處分為兩路進(jìn)氣，經(jīng)兩條陽(yáng)極進(jìn)氣管107-陽(yáng)極氣體通道后，通入陽(yáng)極101內(nèi)部，由左右兩個(gè)對(duì)稱(chēng)位置向陽(yáng)極101內(nèi)部供氣。兩條陽(yáng)極液體通道的末端與陽(yáng)極水冷腔106連通；兩條陽(yáng)極液體管104分別與兩條陽(yáng)極液體通道前端相接。兩條陽(yáng)極液體管104分別作為陽(yáng)極進(jìn)水管與陽(yáng)極出水管，由陽(yáng)極進(jìn)水管通入冷卻水，經(jīng)一側(cè)陽(yáng)極液體通道進(jìn)入陽(yáng)極水冷腔106，冷卻陽(yáng)極101，隨后經(jīng)另一側(cè)陽(yáng)極液體通道，由陽(yáng)極排水管排出。陽(yáng)極供電模塊105用來(lái)將陽(yáng)極101接通高壓點(diǎn)火電源；陽(yáng)極供電模塊105通過(guò)螺釘固定安裝在陽(yáng)極101前端面上設(shè)計(jì)的供電安裝槽105內(nèi)，使陽(yáng)極供電模塊105不凸出陽(yáng)極外壁，減小推進(jìn)器陽(yáng)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(yáng)極液體管205與陰極供電模塊206。

其中，陰極201為筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部作為陰極氣體通道。陰極201同軸安裝于陰極連接件a203內(nèi)部后半段，陰極201后端由陰極連接件a203后端伸出；陰極201通過(guò)其外壁上設(shè)計(jì)的外錐面與陰極連接件a203內(nèi)壁設(shè)計(jì)的內(nèi)錐面配合，實(shí)現(xiàn)陰極201徑向和軸向定位。陰極連接件a203內(nèi)部前半段內(nèi)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(shè)置有石墨墊片，石墨墊片套在陰極連接件b204后端端部設(shè)計(jì)的環(huán)形凸臺(tái)上，通過(guò)陰極連接件b204壓縮石墨墊片后，通過(guò)螺釘將陰極連接件b204與陰極連接件a203間固定；由此實(shí)現(xiàn)陰極201的軸向固定，并保證陰極連接件b204與陰極201之間的密封。

上述陰極連接件a203周向上設(shè)計(jì)有環(huán)形槽，且在外圍通過(guò)焊接的方式套接有陰極水冷套202，將環(huán)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(duì)位置設(shè)計(jì)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(jìn)水管與陰極出水管，由陰極進(jìn)水管通入冷卻水，經(jīng)一側(cè)陰極液體通道進(jìn)入陰極水冷腔207，冷卻陰極201后，經(jīng)另一側(cè)陰極液體通道205，由陰極出水管排出。陰極供電模塊206用來(lái)將陰極101接通高壓點(diǎn)火電源；陽(yáng)極供電模塊105套在陰極連接件b204的前端，兩者間通過(guò)螺釘緊固。

上述推力器陽(yáng)極部分1與推力器陰極部分2之間設(shè)置有絕緣筒3，三者間同軸，通過(guò)絕緣筒3實(shí)現(xiàn)推力器陽(yáng)極部分1與推力器陰極部分2間絕緣。絕緣筒3后端設(shè)計(jì)為內(nèi)錐面，采用氮化硼陶瓷材料制成。絕緣筒3后端插入陽(yáng)極101進(jìn)口端內(nèi)，與進(jìn)口端間臺(tái)階配合軸向定位，通過(guò)絕緣筒3外壁與陽(yáng)極101內(nèi)壁的間隙配合實(shí)現(xiàn)兩者間的徑向定位。陽(yáng)極101與絕緣筒3間的配合臺(tái)階面間安裝有柔性石墨墊片，通過(guò)絕緣筒3的臺(tái)階面壓縮石墨墊片，實(shí)現(xiàn)絕緣筒3的軸向定位以及絕緣筒3與陽(yáng)極101之間的氣路密封。陰極水冷套202后端周向上設(shè)計(jì)有定位臺(tái)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(nèi)，通過(guò)壓縮陰極外套軸向臺(tái)肩和絕緣筒前端面之間的石墨墊片15，實(shí)現(xiàn)軸向定位和兩者之間的氣路密封，通過(guò)陰極連接件b204外壁面與絕緣筒3內(nèi)壁面的間隙配合實(shí)現(xiàn)兩者間的徑向定位。陰極水冷套202上套有環(huán)形中間連接件5，并通過(guò)陰極水冷套202外壁周向上設(shè)計(jì)的定位臺(tái)肩實(shí)現(xiàn)中間連接件5的軸向定位；中間連接件5周向均布設(shè)計(jì)有四個(gè)內(nèi)孔，每個(gè)內(nèi)孔中安裝有一個(gè)陶瓷套6，陶瓷套6通過(guò)螺釘擰緊于陽(yáng)極101前端面上開(kāi)設(shè)的螺孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)推力器陽(yáng)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纏繞于線圈骨架上，線圈骨架套于推力器陽(yáng)極部分1中陽(yáng)極101上，且在陽(yáng)極101與線圈骨架4之間設(shè)置有環(huán)形安裝絕緣件7，實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極101和磁線圈4間的絕緣。安裝絕緣件7一端周向上設(shè)計(jì)有臺(tái)肩，與線圈骨架端面間配合，實(shí)現(xiàn)安裝絕緣件7與線圈骨架間的定位，并通過(guò)鎖緊螺釘穿過(guò)臺(tái)肩與線圈骨架上的螺孔固定，實(shí)現(xiàn)安裝絕緣件7與線圈骨架間的固定。上述陽(yáng)極101外壁周向均布鎖緊孔，內(nèi)部插入鎖緊柱；同時(shí)陽(yáng)極前端端面周向上開(kāi)有螺釘孔，內(nèi)部安裝鎖緊螺釘，通過(guò)擰緊鎖緊螺釘，使鎖緊螺釘?shù)腻F形端部與鎖緊柱的錐形端部配合壓緊，使鎖緊柱產(chǎn)生向外的位移，進(jìn)而由鎖緊柱頂緊安裝絕緣件7內(nèi)壁，通過(guò)摩擦力實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極101在安裝絕緣件7內(nèi)的固定；通過(guò)松開(kāi)鎖緊螺釘，可以任意調(diào)整磁線圈4與推力器陽(yáng)極部分1間的軸向相對(duì)位置。

本發(fā)明水冷結(jié)構(gòu)附加場(chǎng)磁等離子體推力器工作過(guò)程為：

陽(yáng)極101與陰極201將陽(yáng)極供電模塊105與陰極供電模塊206接通高壓點(diǎn)火電源，陽(yáng)極氣體管103與陰極氣體通道，向陽(yáng)極與陰極內(nèi)部通入氬氣推進(jìn)劑，推進(jìn)劑到達(dá)放電室(陽(yáng)極、陰極以及絕緣筒后端的內(nèi)錐面圍成的空腔區(qū)域)時(shí)被擊穿產(chǎn)生放電，形成等離子體；等離子體在電場(chǎng)和磁線圈4產(chǎn)生的磁場(chǎng)共同作用下，加速?lài)姵鲇申?yáng)極1后端擴(kuò)張口噴出推力器，產(chǎn)生推力。因推力器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，為保證推力器穩(wěn)定工作，通過(guò)向陽(yáng)極液體管與陰極液體管內(nèi)通入冷卻水，對(duì)陽(yáng)極101和陰極102進(jìn)行水冷。