專利名稱：一種三段式電弧加熱推力器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分段式電弧加熱推力器，特別是涉及一種三段式電弧加熱推力器，屬于電弧加熱推力器結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電弧加熱推力器的外形通常是一個細(xì)長的棒狀，一端是噴口，另一端是電連接器。 這種細(xì)長棒狀結(jié)構(gòu)的推力器，外殼靠近陽極(噴口)處的溫度大致為1200°C，陽極中心區(qū)域溫度可達(dá)到2000°C以上；推力器的后部(電連接器)的溫度大致為200°C。設(shè)計上，為了提高陽極的壽命，要盡可能降低陽極中心區(qū)域的溫度；為了保證電連接器的可靠性，要盡可能降低電連接器端的溫度。
現(xiàn)有的電弧加熱推力器樣機(jī)，有以下兩種結(jié)構(gòu)
一種是整體的結(jié)構(gòu)，即整個推力器外殼都用不銹鋼、高溫合金或鉬合金材料。這種結(jié)構(gòu)由于加工和材料制備的困難，無法采用耐高溫的鎢合金材料，而且整個推力器軸向的溫度梯度難以提高，難以實現(xiàn)推力器的熱設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)為實驗室樣機(jī)，難以長時間工作；
另一種是外殼與內(nèi)芯結(jié)構(gòu)，用不銹鋼和高溫合金制成推力器外殼，內(nèi)芯采用鎢合金，作為陽極材料，這種結(jié)構(gòu)的兩種材料由于熱膨脹系數(shù)差距大，焊接性能差，同時由于不銹鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)較高，也難以實現(xiàn)推力器的熱設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)也是實驗室樣機(jī)，無法運用到工程實踐中。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三段結(jié)構(gòu)的電弧加熱推力器，針對電弧加熱推力器熱設(shè)計的需求，采用了由三種不同材料組成的推力器結(jié)構(gòu)，提高了推力器的軸向溫度梯度，解決了不同材料焊接的匹配性，在有限的尺寸上，滿足推力器對工作溫度分布的要求。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種三段式電弧加熱推力器，采用分段結(jié)構(gòu)，分為三段，包括陽極段、過渡段和高熱阻段，過渡段一端的內(nèi)部焊接固定陽極段，過渡段另一端與高熱阻段焊接固定形成外殼，陽極段采用鎢或鎢合金制成，過渡段用鉬合金制成，高熱阻段為用鈦合金、高溫合金或不銹鋼制成的薄壁結(jié)構(gòu)。
所述的過渡段和高熱阻段焊接處在電弧加熱推力器工作時的溫度為450 650 "C。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為
(1)本發(fā)明根據(jù)推力器不同部分對材料的需求，分別關(guān)注高溫性能、結(jié)構(gòu)強度、導(dǎo)熱性能、焊接性能，降低了材料選取的難度，能夠滿足不同溫度范圍對材料使用溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、強度等物理性能的要求，且滿足了結(jié)構(gòu)整體的焊接要求，實現(xiàn)了推力器結(jié)構(gòu)件的工程化設(shè)計；
(2)本發(fā)明采用三段式結(jié)構(gòu)，三段采用不同的耐高溫性能、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和機(jī)械加工性能的材料制成，提高了推力器的軸向溫度梯度，解決了不同材料焊接的匹配性，在有限的尺寸上，滿足推力器對工作溫度分布的要求；
(3)本發(fā)明將外殼分為過渡段和高熱阻段，過渡段不僅能在1200°C以上工作，同時與陽極段的焊接性能好，高熱阻段熱阻高能快速降低推力器外表的溫度，解決了外殼采用一種材料制成，降溫和焊接質(zhì)量不能同時兼顧的難題，本發(fā)明結(jié)構(gòu)既滿足了高溫工作下的焊接質(zhì)量又滿足了降溫的要求；
(4)本發(fā)明通過確定過渡段和高熱阻段焊接處在推力器工作時的溫度范圍來確定過渡段的最佳長度范圍，將過渡段長度控制在便于加工的范圍內(nèi)，同時避免了成本增加；
(5)本發(fā)明高熱阻段采用機(jī)械加工性能較好、熱阻較大的材料制成薄壁結(jié)構(gòu)，能有效降低推力器外表溫度，保證電連接器的可靠性。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明在設(shè)計中針對推力器不同部分對材料的需求，分別關(guān)注高溫性能、結(jié)構(gòu)強度、導(dǎo)熱性能、焊接性能，降低了材料選取的難度，能夠滿足不同區(qū)域?qū)Σ牧鲜褂脺囟取?dǎo)熱系數(shù)、強度等物理性能的要求，且滿足了結(jié)構(gòu)整體的焊接要求，實現(xiàn)了推力器結(jié)構(gòu)件的工程化設(shè)計。
本發(fā)明如圖1所示，采用分段結(jié)構(gòu)，分為三段，包括陽極段1、過渡段2和高熱阻段 3，過渡段2 —端的內(nèi)部焊接固定陽極段1，過渡段2另一端與高熱阻段3焊接固定形成外tJXi O
陽極段1選用耐高溫、耐熱蠕變材料，能夠適應(yīng)M00°C工作溫度和在5mm距離上 1200°C M00°C溫度跨度上的熱蠕變應(yīng)力。根據(jù)陽極段1對材料的要求，一般選用鎢或鎢I=I 巫 O
過渡段2選用耐高溫材料，能夠適應(yīng)1200°C以上工作溫度，并可與陽極段1和高熱阻段3焊接。在環(huán)境溫度 1200°C區(qū)間，與鎢合金熱膨脹系數(shù)相近，在環(huán)境溫度 650°C區(qū)間，與高熱阻段3材料的熱膨脹系數(shù)相近，保證過渡段2兩端與陽極段1和高熱阻段3的焊接強度。過渡段2和高熱阻段3焊接處在電弧加熱推力器工作時的溫度為450 650°C時能保證高熱阻段3降溫要求，因此，根據(jù)過渡段2和高熱阻段3焊接處在電弧加熱推力器工作時的溫度來確定過渡段2的最佳長度。過渡段2 —般選用鉬合金，如TZM鉬合金。
要提高降溫效果一般通過3種途徑增加長度、降低壁厚、采用熱阻系統(tǒng)大的材料。根據(jù)以上要求，高熱阻段3選用熱傳導(dǎo)系數(shù)低、容易機(jī)加工的材料，并采用薄壁結(jié)構(gòu) (長度大于壁厚)，以提高沿推力器軸向的溫度梯度，降低電連接器端的溫度。對高熱阻段3 材料的要求是(1)能夠在650°C溫度范圍內(nèi)長時間工作；(2)熱傳導(dǎo)系數(shù)低；(3)在環(huán)境溫度 650°C區(qū)間，與過渡段2材料的熱膨脹系數(shù)相近；(4)機(jī)加工性能好，容易加工成薄壁結(jié)構(gòu)；(5)機(jī)械強度好，薄壁結(jié)構(gòu)的強度滿足要求。根據(jù)上述高熱阻段3對材料的要求，高熱阻段3 —般選用采用鈦合金、高溫合金或不銹鋼。
綜合考慮上述陽極段1、過渡段2和高熱阻段3的各項要求，確定陽極段1、過渡段2和高熱阻段3的尺寸，將陽極段1、過渡段2和高熱阻段3分別加工完成后，焊接成整體。
以下結(jié)合具體實例來詳細(xì)說明本發(fā)明。
對于典型的IkW電弧加熱推力器，總長約220mm，電弧向陽極的導(dǎo)熱熱流約350W， 推力器與空間環(huán)境的熱交換方式為輻射換熱，外殼輻射發(fā)射系數(shù)約0. 9。
當(dāng)整體采用1. 5mm壁厚鉬合金材料時，安裝法蘭的溫度大約為350°C，由于溫度偏高，推力器的安裝和電連接都難以實現(xiàn)。
采用本發(fā)明所述的三段式電弧加熱推力器結(jié)構(gòu)，過渡段2選用鉬合金，高熱阻段3 選用鈦合金，過渡段2和高熱阻段3長度、壁厚需要根據(jù)材料導(dǎo)熱系數(shù)、使用溫度、機(jī)械加工能力綜合評價后根據(jù)經(jīng)驗初步預(yù)計范圍，再經(jīng)過若干次試算后最終確定。
例如第一次試算選取過渡段2長度110mm，壁厚1. 5mm,高熱阻段3長度110mm，壁厚1mm，則過渡段2與高熱阻段3的結(jié)合處溫度約540°C，電連接端溫度升高至210°C，電連接處的溫度裕度過低；
第二次試算調(diào)整過渡段2長度至70mm，壁厚1. 5mm,高熱阻段3長度150mm，壁厚1mm，則盡管電連接端溫度降至160°C，但過渡段2與高熱阻段3的結(jié)合處溫度升高至約 700°C，高熱阻段3的溫度裕度過低；
第三次試算繼續(xù)調(diào)整過渡段2長度90mm，壁厚1. 5mm,高熱阻段3長度130mm，壁厚 1mm，則安裝法蘭的溫度180°C左右，過渡段與高熱阻段的結(jié)合處溫度約600°C，可以滿足高熱阻段材料和電連接的溫度要求。
本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。
權(quán)利要求
1.一種三段式電弧加熱推力器，其特征在于采用分段結(jié)構(gòu)，分為三段，包括陽極段 (1)、過渡段⑵和高熱阻段(3)，過渡段⑵一端的內(nèi)部焊接固定陽極段(1)，過渡段(2) 另一端與高熱阻段C3)焊接固定形成外殼，陽極段(1)采用鎢或鎢合金制成，過渡段(2)用鉬合金制成，高熱阻段(3)為用鈦合金、高溫合金或不銹鋼制成的薄壁結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三段式電弧加熱推力器，其特征在于所述的過渡段(2) 和高熱阻段(3)焊接處在電弧加熱推力器工作時的溫度為450 650°C。
全文摘要
一種三段式電弧加熱推力器，采用分段結(jié)構(gòu)，分為三段，包括陽極段、過渡段和高熱阻段，過渡段一端的內(nèi)部焊接固定陽極段，過渡段另一端與高熱阻段焊接固定形成外殼。本發(fā)明根據(jù)推力器不同部分對材料的需求，分別關(guān)注高溫性能、結(jié)構(gòu)強度、導(dǎo)熱性能、焊接性能，降低了材料選取的難度，能夠滿足不同溫度范圍對材料使用溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、強度等物理性能的要求，且滿足了結(jié)構(gòu)整體的焊接要求，實現(xiàn)了推力器結(jié)構(gòu)件的工程化設(shè)計；本發(fā)明采用三段式結(jié)構(gòu)，三段采用不同的熱阻和熱膨脹系數(shù)材料制成，提高了推力器的軸向溫度梯度，解決了不同材料焊接的匹配性，在有限的尺寸上，滿足推力器對工作溫度分布的要求。
文檔編號H05B7/00GK102518572SQ201110412319
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者周怡秋, 林星榮, 沈巖, 魏延明 申請人:北京控制工程研究所