CN102678500A - 一种磁等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁等离子体推力器，在阴极安装件上由后至前套接端盖、支撑体与绝缘筒；绝缘筒前端面与阴极安装件前端面间形成放电腔。绝缘筒上由后至前套接中部连接件与阳极衬套；中部连接件上连通进气管道；中部连接件、阳极衬套与阴极安装件间具有进气通道；绝缘筒前端面上开有进气孔；通过阳极外壳实现阳极与绝缘筒间定位。阴极位于阴极安装件内部，前端穿出绝缘筒前端面，位于阳极内部。推进剂分两路供给，一路经进气管道-进气腔-进气通道-导气孔-放电腔-进气孔到达阳极处；另一路经阴极安装件内部-阴极内部到达阳极处；两路推进剂混合后通过阴阳极间放电电离。本发明使用氩气作为推进剂，在30-50kW功率范围内能提供毫牛级推力的电推力器。

Description

一种磁等离子体推力器

技术领域

本发明涉及空间电磁式电推力器技术领域，具体来说，是一种磁等离子体推力器。

背景技术

曾经存在于科幻小说当中的磁等离子体推力器（MPDT）因其容易实现与高的核电功率结合及小型化，被认为是探索深空奥秘的最佳候选推进方案之一。它主要通过电极间电流放电使得通入的气体工质电离产生等离子体，等离子体在电磁场和气动力加速作用下高速喷出，产生推力。近年来，随着大功率空间推进的提出和空间任务的需求，能与大功率空间电源对接的MPDT再次成为国际上研究的热点。磁等离子体发动机具有高的排气速度、大推力和高效率，较轻的重量，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。

自上世纪60年代开始，美国，欧洲，俄罗斯和日本等国的科研机构相继开展了MPDT的研究。但由于MPDT的工作过程涉及复杂的电磁和热力耦合作用，理论分析非常困难，到目前为止，实验研究是主要的手段。实验研究的基础是推力器的设计，由于缺乏理论上的指导，发动机工作参数和结构参数对推力器性能的影响均缺乏统一系统的认识。实验研究表明，推力器性能与推进剂流量、工作电流、阴阳极结构尺寸和磁场形态息息相关，因此结构设计中的难点是电极结构等关键尺寸的确定，以及密封结缘等问题的处理。

国内对于磁场中等离子体行为的研究多是基于磁约束技术，如托卡马克装置等，中科院等离子体研究所、核工业西南物理研究院、中国科技大学、大连理工大学和北京大学等单位开展了细致的研究工作，而对于MPDT的研究基本为零，未见到相关文献报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种磁等离子体推力器，使用氩气作为推进剂，在30-50kW功率范围内能提供毫牛级推力的电推力器，对磁等离子体推力器的设计和实验研究有重要的意义。

本发明一种磁等离子体推力器，其特征在于：包括阳极、阴极、阴极安装件、端盖、支撑体、中部连接件、绝缘筒、阳极衬套、阳极外壳、阳极挡环以及进气管道。

其中，阴极安装件为直管结构；阴极安装件后部外壁周向上设计有环状凸缘A；端盖、支撑体与绝缘筒均同轴套接在阴极安装件上，端盖后端面与环形凸缘A前端面贴合，通过螺钉A与环形凸缘A固连；支撑体与端盖台阶配合定位，支撑体、端盖与阴极安装件间通过石墨材料密封圈A密封；绝缘筒后端端面与支撑体前端面贴合，绝缘筒前端封闭，绝缘筒前端面中心处开有通孔A与通孔B；绝缘筒前端周向上外凸，且绝缘筒前端长于阴极安装件前端，由此在绝缘筒前端面与阴极安装件前端面间形成放电腔；绝缘筒7侧壁上开有两个向后倾斜的斜向导气孔，位于放电腔处。

上述绝缘筒外侧壁上同轴套接有中部连接件，中部连接件位于整个阴极安装件中部，是固定推力器中定位各部件的主体；中部连接件后端与支撑体前端台阶配合，且中部连接件与端盖间通过螺钉B固定连接；支撑体与中部连接件间通过石墨材料密封圈B密封；绝缘筒外侧壁上还套接有筒状阳极衬套，阳极衬套内壁与绝缘筒前端外凸部分周向外侧壁贴合；阳极衬套后端与中部连接件前端台阶配合定位。阳极衬套后端与中部连接件间通过密封圈C密封；上述中部连接件后部的内径大于前部的内径，使中部连接件内部形成大内经段与小内径段，在中部连接件与支撑体定位后，使中部连接件的大内经段与阴极安装件间形成环形进气腔，且中部连接件的小内径段、阳极衬套内侧壁均与绝缘筒外侧壁间具有一定间隙，作为气体供给通道；中部连接件外侧壁上安装有进气管道，进气管道与进气腔连通。

所述阳极内部具有阳极内孔，外侧壁周向上具有凸边；阳极与阴极安装件同轴设置，阳极后端与阳极衬套前端台阶配合；阳极后端与绝缘体前端贴合；阳极与阳极衬套间通过石墨材料密封圈D密封。

所述阴极为管状结构，位于阴极安装件前端内部，与阴极安装件间过盈配合连接；阴极前端伸出阴极安装件前端并穿过绝缘筒7前端面上的的通孔A，位于阳极2的阳极内孔处；阴极安装件中部内经小于左部与右部内径，由此在阴极安装件中部形成台肩结构，通过台肩结构对阴极进行轴向限位。

阳极外壳采用筒状结构，后端周向上具有环形凸缘B，另一端封闭，封闭端上开有阳极伸出口；阳极外壳套接在阳极衬套与阳极的外部，阳极前端由阳极伸出口伸出外露，通过阳极外壳封闭端的端面与阳极外侧壁周向上的凸边配合；通过阳极挡环与阳极外壳后端周向上的环形凸缘B配合，并通过螺钉C将阳极挡环与中部连接件固定。

通过上述结构，气体推进剂可由两路到达阳极中的阳极内孔处，可根据实验需求自由调节两路气体推进剂的流量；其中，一路由进气管道进入到进气腔，并经气体供给通道由绝缘筒7侧壁上的导气孔进入到放电腔，最终由绝缘筒前端面上的通孔B进入到阳极内孔处；另一路通过阴极安装件内部，经阴极内部进入到阳极的阳极内孔处。由此通过阴极与阳极间电流放电使得在阳极内孔处混合的两路推进剂电离产生等离子体，等离子体在电磁场和气动力加速作用下高速喷出，产生推力。

本发明的优点在于：

1、本发明磁等离子体推力器使用氩气作为推进剂，在30-50kW功率范围内能提供毫牛级推力的电推力器，对磁等离子体推力器的设计和实验研究有重要的意义；

2、本发明磁等离子体推力器中，阳极可重复拆装，可根据需要更换不同内部型面的阳极，在不更换推力器主体条件下，进行多工况，多种结构形态的实验；

3、本发明磁等离子体推力器中，阴极与阴极安装件之间为过盈配合连接，阴极离推力器出口的距离可通过在阴极安装件中轴向伸缩来调节，以满足不同实验条件下的要求；

4、本发明磁等离子体推力器中，气体推进剂分别从阴极中心和绝缘体与阳极衬套间的通道进入放电腔，可根据实验需求自由调节两条通道中推进剂的流量，另外，通道中推进剂还可以分别吸收阴极和阳极的热量，起到冷却的作用；

5、本发明磁等离子体推力器中各部件间基本上是采用螺栓连接，可重复自由拆装，零件更换和调整均非常方便。

附图说明

图1为本发明磁等离子体推力器整体结构剖视图。

图中：

1-阳极          2-阴极            3-阴极安装件        4-端盖

5-支撑体        6-中部连接件      7-绝缘筒            8-阳极衬套

9-阳极外壳      10-阳极挡环       11-进气管道         12-密封圈A

13-密封圈B      14-密封圈C        15-密封圈D          16-支架挡块

17-螺钉A        18-螺钉B          19-螺钉C            20-螺栓

21-螺栓衬套     301-环状凸缘A     3011-大直径段       3012-小直径段

3013-台肩      302-气体供给通道    601-大内径段      602-小内径段

701-通孔A      702-通孔B           703-放电腔        704-导气孔

603-进气腔     901-环形凸缘B       902-阳极伸出口

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明磁等离子体推力器，包括阳极1、阴极2、阴极安装件3、端盖4、支撑体5、中部连接件6、绝缘筒7、阳极衬套8、阳极外壳9、阳极挡环10以及进气管道11，如图1所示。

其中，阴极安装件3为直圆管结构，作为整个推力器中各部件的支撑；阴极安装件3后部外壁周向上设计有环状凸缘A301。所述端盖4、支撑体5与绝缘筒7均同轴套接在阴极安装件3上，端盖4后端面与环形凸缘A301前端面贴合，通过螺钉A17与环形凸缘A301固连，实现端盖4与阴极安装件3间的定位。支撑体5采用氮化硼材料，支撑体5与端盖4台阶配合定位，且支撑体5与、端盖4阴极安装件3间通过石墨材料密封圈A12密封。绝缘筒7为氮化硼材料，绝缘筒7后端面与支撑体5前端面贴合，绝缘筒7前端封闭，绝缘筒7前端面中心处开有通孔A701，通孔A701外侧周向上均匀开有通孔B702；绝缘筒7前端周向上外凸（即绝缘筒7前端的外径大于绝缘筒7其余部分的外径），用来与阳极衬套8配合定位，且绝缘筒7前端长于阴极安装件3前端，从而在绝缘筒7前端面与阴极安装件3前端面间形成放电腔703。绝缘筒7侧壁上开有两个向后倾斜的斜向导气孔704，位于放电腔703处。

本发明中为了使端盖4、支撑体5以及阴极安装件间的定位以及密封效果更佳，通过下述设计实现：

环状凸缘A301设计为二段阶梯状，具有大直径段3011与小直径段3012。端盖4套接在阴极安装件3后部的小直径段3012外侧，端盖4套接在阴极安装件3后部的小直径段3012外侧，端盖4后端面与大直径段3011前端面贴合，通过螺钉A17将端盖4与大直径段3012固定。支撑体5与端盖4间台阶配合，支撑体5后端插入到端盖4内侧，使支撑体5后端外侧壁与端盖4内侧壁贴合，并使支撑体5后端面与阴极安装件3小直径段3012的前端面贴合。由此将密封圈A12设置在支撑体5后端面与阴极安装件3小直径段3012的前端面间，达到支撑体5、端盖4与阴极安装件3间的密封。

上述绝缘筒7外侧壁上同轴套接有中部连接件6，中部连接件6位于整个阴极安装件3中部，采用2Cr13材料，是固定推力器中定位各部件的主体；中部连接件6后端与支撑体5前端台阶配合，由此实现中部连接件6与阴极安装件3间的周向定位，且中部连接件6与端盖4间通过螺钉B18固定连接，实现中部连接件6在阴极安装件3上的轴向定位；在螺钉B18与端盖间设置有螺栓衬套21，由此减轻螺钉B18固定时对端盖4间的压力。支撑体5与中部连接件6间通过石墨材料密封圈B13密封。绝缘筒7外侧壁上还套接有筒状阳极衬套8，阳极衬套8内壁与绝缘筒7前端外凸部分周向外侧壁贴合，实现阳极衬套8的周向定位；阳极衬套8后端与中部连接件6前端台阶配合定位，前端用来定位阳极2。阳极衬套8后端与中部连接件6间通过密封圈C14密封。上述中部连接件6后部的内径大于前部的内径，使中部连接件6内部形成大内经段601与小内径段602，在中部连接件6与支撑体5定位后，使中部连接件6的大内经段601与阴极安装件3间形成环形进气腔603，且中部连接件6的小内径段602、阳极衬套8内侧壁均与绝缘筒7外侧壁间具有一定间隙，作为气体供给通道302；中部连接件外侧壁上安装有进气管道11，进气管道11与进气腔603连通。

所述阳极2为耐高温钼材料，内部具有阳极内孔，外侧壁周向上具有凸边；阳极2与阴极安装件3同轴设置，阳极2后端与阳极衬套8前端台阶配合，实现周向定位；且阳极2后端与绝缘体7前端贴合。阳极2与阳极衬套8间通过石墨材料密封圈D15密封。

所述阴极1为钍钨材料的直管状结构，位于阴极安装件3前端内部，与阴极安装件3间过盈配合连接，阴极1可沿阴极安装件3轴向上自由移动，使阴极2与推力器出口间的距离可调，以满足不同实验条件下的要求；阴极1后端通过阴极安装件3内侧壁上的阶梯结构实现轴向定位，另前端伸出阴极安装件3前端并穿过绝缘筒7前端面上的的通孔A701，位于阳极2后端的扩张型开口处。为了对阴极1在阴极安装件3内部轴向上的移动限位，因此设计阴极安装件3中部内经小于左部与右部内径，由此可在阴极安装件3中部形成台肩3013结构，通过台肩3013结构对阴极2进行轴向限位，台肩3013与绝缘筒7前端面间距不大于阴极2的长度。

阳极外壳9采用筒状结构，后端周向上具有环形凸缘B901，另一端封闭，封闭端上开有阳极伸出口902，通过阳极外壳9实现阳极2、阳极外壳9、绝缘筒7与阴极安装件3间的轴向定位，具体为：阳极外壳9套接在阳极衬套8与阳极2的外部，阳极2前端由阳极伸出口902伸出外露，阳极外壳9封闭端的端面与阳极2外侧壁周向上的凸边201配合定位。阳极挡环10与阳极外壳9后端周向上的环形凸缘B901配合，并通过螺钉C19将阳极挡环10与中部连接件6固定，实现了阳极2与阴极安装件3间的轴向固定。

上述结构中，中部6连接件周向上通过螺栓20固定有两个支架挡块16，通过两个支架挡块16，两个支架挡块16作为三角支架支撑整个推力器。

通过上述结构，气体推进剂可由两路到达阳极2中的阳极内孔处，可根据实验需求自由调节两路气体推进剂的流量；其中，一路由进气管道11进入到进气腔603，并经气体供给通道302由绝缘筒7侧壁上的导气孔704进入到放电腔703，最终由绝缘筒7前端面上的通孔B702进入到阳极内孔处；另一路通过阴极安装件3内部，经阴极2内部进入到阳极2的阳极内孔处。由此通过阴极2与阳极1间电流放电使得在阳极1内孔处混合的两路推进剂电离产生等离子体，等离子体在电磁场和气动力加速作用下高速喷出，产生推力。在气体推进剂供给过程中，气体供给通道302、阴极安装件3内部以及阴极2内部的气体推进剂还可以分别吸收阴极2和阳极1的热量，起到冷却的作用。

本发明中阳极1可重复拆装，可根据需要更换不同内部型面的阳极1，在不更换推力器主体条件下，进行多工况，多种结构形态的实验。

Claims (9)

1.一种磁等离子体推力器，其特征在于：包括阳极、阴极、阴极安装件、端盖、支撑体、中部连接件、绝缘筒、阳极衬套、阳极外壳、阳极挡环以及进气管道；

其中，阴极安装件为直管结构；阴极安装件后部外壁周向上设计有环状凸缘A；端盖、支撑体与绝缘筒均同轴套接在阴极安装件上，端盖后端面与环形凸缘A前端面贴合，通过螺钉A与环形凸缘A固连；支撑体与端盖台阶配合定位，支撑体、端盖与阴极安装件间通过石墨材料密封圈A密封；绝缘筒后端端面与支撑体前端面贴合，绝缘筒前端封闭，绝缘筒前端面中心处开有通孔A与通孔B；绝缘筒前端周向上外凸，且绝缘筒前端长于阴极安装件前端，由此在绝缘筒前端面与阴极安装件前端面间形成放电腔；绝缘筒7侧壁上开有两个向后倾斜的斜向导气孔，位于放电腔处；

上述绝缘筒外侧壁上同轴套接有中部连接件，中部连接件位于整个阴极安装件中部，是固定推力器中定位各部件的主体；中部连接件后端与支撑体前端台阶配合，且中部连接件与端盖间通过螺钉B固定连接；支撑体与中部连接件间通过石墨材料密封圈B密封；绝缘筒外侧壁上还套接有筒状阳极衬套，阳极衬套内壁与绝缘筒前端外凸部分周向外侧壁贴合；阳极衬套后端与中部连接件前端台阶配合定位。阳极衬套后端与中部连接件间通过密封圈C密封；上述中部连接件后部的内径大于前部的内径，使中部连接件内部形成大内经段与小内径段，在中部连接件与支撑体定位后，使中部连接件的大内经段与阴极安装件间形成环形进气腔，且中部连接件的小内径段、阳极衬套内侧壁均与绝缘筒外侧壁间具有一定间隙，作为气体供给通道；中部连接件外侧壁上安装有进气管道，进气管道与进气腔连通；

所述阳极内部具有阳极内孔，外侧壁周向上具有凸边；阳极与阴极安装件同轴设置，阳极后端与阳极衬套前端台阶配合；阳极后端与绝缘体前端贴合；阳极与阳极衬套间通过石墨材料密封圈D密封；

所述阴极为管状结构，位于阴极安装件前端内部，与阴极安装件间过盈配合连接；阴极前端伸出阴极安装件前端并穿过绝缘筒7前端面上的的通孔A，位于阳极2的阳极内孔处；阴极安装件中部内经小于左部与右部内径，由此在阴极安装件中部形成台肩结构，通过台肩结构对阴极进行轴向限位；

阳极外壳采用筒状结构，后端周向上具有环形凸缘B，另一端封闭，封闭端上开有阳极伸出口；阳极外壳套接在阳极衬套与阳极的外部，阳极前端由阳极伸出口伸出外露，通过阳极外壳封闭端的端面与阳极外侧壁周向上的凸边配合；通过阳极挡环与阳极外壳后端周向上的环形凸缘B配合，并通过螺钉C将阳极挡环与中部连接件固定。

2.如权利要求1所述一种磁等离子体推力器，其特征在于：所述支撑体采用氮化硼材料；绝缘筒为氮化硼材料；中部连接件采用2Cr13材料。

3.如权利要求1所述一种磁等离子体推力器，其特征在于：所述通孔A位于绝缘筒前端面中心处；通孔B位于通孔A外侧周向上，均匀设置。

4.如权利要求1所述一种磁等离子体推力器，其特征在于：所述环状凸缘A为二段阶梯状，具有大直径段与小直径段；端盖套接在阴极安装件后部的小直径段外侧，端盖套接在阴极安装件后部的小直径段外侧，端盖后端面与大直径段前端面贴合，通过螺钉A将端盖与大直径段固定；支撑体与端盖间台阶配合，支撑体后端插入到端盖内侧，使支撑体后端外侧壁与端盖内侧壁贴合，并使支撑体后端面与阴极安装件小直径段的前端面贴合；密封圈A设置在支撑体与阴极安装件间。

5.如权利要求1所述一种磁等离子体推力器，其特征在于：所述阳极为耐高温钼材料；阴极为钍钨材料

6.如权利要求1所述一种磁等离子体推力器，其特征在于：所述台肩与绝缘筒前端面间距不大于阴极的长度。

7.如权利要求1所述一种磁等离子体推力器，其特征在于：所述中部连接件周向上通过螺栓固定有两个支架挡块，起到支撑作用。

8.如权利要求1所述一种磁等离子体推力器，其特征在于：所述在螺钉B与端盖间设置有螺栓衬套。

9.如权利要求1所述一种磁等离子体推力器，其特征在于：所述密封圈A、密封圈B、密封圈C、密封圈D均为石墨材料。

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