CN103790794B - 多级会切磁场等离子体推力器用辐射散热装置 - Google Patents

Abstract

多级会切磁场等离子体推力器用辐射散热装置，它涉及一种辐射散热装置，以解决多级会切磁场等离子体推力器的阳极温度较高，以及出口处的高温和陶瓷内壁由于粒子的碰撞引起的磁分界面处高温，这些造成推力器通道内壁和阳极受热短时间内急剧增强，这些热量传导严重影响了永磁铁的磁性，以及推力器工作稳定性和可靠性差、使用寿命短的问题，它包括散热圆筒、散热板、两个散热锥筒和两个散热器，推力器壳体布置在两个散热锥筒之间，推力器壳体的上部和下部分别套装有一个所述散热器，推力器壳体上套装有散热板，散热板位于两个散热器之间，散热圆筒的封闭端与推力器壳体固接。本发明用于多级会切磁场等离子体推力器。

Description

多级会切磁场等离子体推力器用辐射散热装置

技术领域

本发明涉及一种辐射散热装置，具体涉及一种多级会切磁场等离子体推力器用辐射散热装置。

背景技术

多级会切磁场等离子体推力器是目前国际涌现出的一类新型电推进概念，推力器内部由多级永磁铁包围着陶瓷通道，相邻的两个永磁铁极性相反，在会切磁场的作用下阴极释放的电子被束缚沿磁力线做螺旋线运动并通过碰撞产生传导向阳极运动以形成放电回路，由电子电离氙原子产生的离子在轴向电场的作用下加速喷出，以产生推力。会切磁场等离子体推力器相对于其他电推进装置具有结构简单、效率和可靠性更高等优点，经过十年时间的研究，历经方案论证、原理样机、工程样机设计等阶段，已经确定做为欧空局新一代航天器的动力装置，然而，目前我国的多级会切磁场等离子体推力器设计还很不成熟，对多级会切磁场等离子体推力器的探索仍需加快步伐，在此仅对其散热设计进行说明，该发明也可适用于其他以辐射散热为主的结构中。多级会切磁场等离子体推力器的主要特点在于以永磁铁代替了磁场强度相对较弱的电磁铁，而永磁铁的温度要求不能太高，由于推力器阳极温度较高，以及出口处（通道的出口，即最后一级磁铁的最末端）的高温和陶瓷内壁由于粒子的碰撞引起的磁分界面处（磁分界面就是两级磁铁的交界处）高温，这些造成推力器通道内壁和阳极受热短时间内急剧增强，这些热量传导严重影响了永磁体的磁性，也造成了推力器工作稳定性和可靠性差，使用寿命缩短。

此外推力器的密封设计、绝缘设计等都对最高温度有限制，因此对其进行散热设计尤其是阳极散热设计是至关重要的。而且在其他航天、通信应用上，比如卫星、载人航天、探月工程以及雷达等，应用较为广泛的行波管也对散热有较为严格的要求，行波管如果不能及时将收集极热量排出，也会严重影响行波管的使用寿命和工作特性，因此散热结构设计是至关重要的。在太空散热过程中，由于处于真空状态，靠对流传热方式散热是不可能实现的，水冷散热由于结构复杂，不宜采用。

发明内容

本发明是为解决多级会切磁场等离子体推力器的阳极温度较高，以及出口处的高温和陶瓷内壁由于粒子的碰撞引起的磁分界面处高温，这些造成推力器通道内壁和阳极受热短时间内急剧增强，这些热量传导严重影响了永磁铁的磁性，以及推力器工作稳定性和可靠性差、使用寿命短的问题，进而提供一种多级会切磁场等离子体推力器用辐射散热装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的多级会切磁场等离子体推力器用辐射散热装置包括散热圆筒、散热板、两个散热锥筒和两个散热器，所述散热圆筒为一端封闭而另一端敞口的散热圆筒，两个散热锥筒的小直径端正对布置，推力器壳体布置在两个散热锥筒之间，推力器壳体的两端分别固装在两个散热锥筒的小直径端内，推力器壳体的上部和下部各套装有一个所述散热器，每个散热器的外表面为由多个半圆弧面构成的曲面，推力器壳体上套装有散热板，散热板位于两个散热器之间，散热板通过两个散热器夹紧，位于下端的散热锥筒内布置有散热圆筒，散热圆筒的封闭端与推力器壳体的下端面固接，推力器阳极穿过散热圆筒的封闭端并伸出敞口端，散热板的厚度由中心向边缘逐渐减小，散热圆筒与推力器壳体同轴设置，所述散热圆筒、散热板、两个散热锥筒及两个散热器均由导热材料制成。

本发明的有益效果是：一、由于在阳极处温度最高，散热应该最强，因此采用散热锥筒，在出口处的磁分界面处实验中可观察到已出现赤红状态，温度也较高，因此，采用散热锥筒散热。阳极处和出口处散热锥锥向相背，以避免相互辐射，散热锥筒与推力器壳体接触部位面积较大，以增强热传导作用，在外圈厚度较小，保证了足够大的散热面积和重量较低。二、阳极后面加散热圆筒，通过热传导对阳极进行进一步的散热，散热圆筒重量较轻且散热面积较大，散热效果很好，散热效率提高了30%以上，同时散热圆筒外加轴向散热器，加速了散热，散热器的半圆弧面（开口朝外）的设计（也可以设计为半圆弧形板，开口朝外），一个弧面的垂直辐射热量不会落到相邻弧面上，便于热量的传导，散热器可打孔或开槽，便于提高散热面积。三、在中间的磁分界面处加变厚度径向散热板，在其余距高温热源相对较远的外壳部分采用轴向散热器，并可在散热器上打孔或开槽，以满足足够散热面积同时减小重量。四、本发明采用不同散热结构，包括径向散热板、轴向散热器、散热圆筒以及散热锥筒，对不同温度部位进行散热，温度降低了40%-60%，达到了随温度分布变化的不同散热结构的合理搭配，节省了材料，保证了温度可靠性，同时满足了重量相对较低性，实现了散热效果最好、材料最省、重量最轻的一体化。五、本发明可以在热量较为集中的阳极通过导热系数较好的金属材料将推力器内部热量引至推力器外面壳体上，然后通过与壳体紧密接触的辐射率较高的散热结构及时将热量排至太空。关于壳体的散热结构有多种设计方式，不同的结构及不同结构的搭配对散热有很大影响。通过较为优化的辐射散热装置设计，解决了推力器工作稳定可靠的问题，并能延长推力器使用寿命，推力器的使用寿命延长了3-4倍，使用寿命提高了35%-50%。本发明有效地降低了推力器热量从而保证推力器温度可靠性。保证了会切磁场等离子体推力器内部永磁铁的温度可靠性，以实现多级会切磁场等离子体推力器的安全、稳定和长寿命工作，避免了永磁铁的磁性减弱。本发明多级会切磁场等离子体推力器的散热设计也可广泛应用于其他类似的以辐射散热为主的结构上。本发明结构简单，设计合理，相比水冷散热结构，运行成本降低了35%以上。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图，图2是本发明的A-A剖面结构示意图，图3是散热圆筒的立体结构示意图，图4是散热板的主视结构示意图，图5是散热器的俯视结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图5说明，本实施方式的多级会切磁场等离子体推力器用辐射散热装置包括散热圆筒1、散热板2、两个散热锥筒3和两个散热器4，所述散热圆筒1为一端封闭而另一端敞口的散热圆筒，两个散热锥筒3的小直径端正对布置，推力器壳体5布置在两个散热锥筒3之间，推力器壳体5的两端分别固装在两个散热锥筒3的小直径端内，推力器壳体5的上部和下部各套装有一个所述散热器4，每个散热器4的外表面为由多个半圆弧面4-1构成的曲面，推力器壳体5上套装有散热板2，散热板2位于两个散热器4之间，散热板2通过两个散热器4夹紧，位于下端的散热锥筒3内布置有散热圆筒1，散热圆筒1的封闭端与推力器壳体5的下端面固接，推力器阳极6穿过散热圆筒1的封闭端并伸出敞口端，散热板2的厚度由中心向边缘逐渐减小，散热圆筒1与推力器壳体5同轴设置，所述散热圆筒1、散热板2、两个散热锥筒3及两个散热器4均由导热材料制成。

本实施方式在温度不同部位安装不同散热结构，在温度较高区通过散热较强且集中的径向散热板和散热锥加强散热，在温度较低区采用散热相对较均匀的轴向散热器散热，多个半圆弧面呈齿轮形状，每个半圆弧面的开口朝外，实现了散热的合理搭配。散热板越远离壳体，其厚度越薄，避免热应力集中，接触部位采用圆角过渡。散热板可进行打孔或开槽，便于热量的进一步传导。散热圆筒的封闭端的底面与会切磁场推力器阳极紧密接触，便于热量的向外传导。本发明主要用于太空辐射散热的散热设计，该设计也可广泛用于各种以辐射散热方式为主的散热结构上。

具体实施方式二：结合图1-图3说明，本实施方式所述散热圆筒1由铝制成。如此设置，阳极后端加散热筒，散热筒与阳极紧密接触，可通过螺栓连接散热筒与阳极或焊接。散热筒采用导热系数较好且密度小的铝制，散热效果好。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明，本实施方式所述散热锥筒3由紫铜制成。如此设置，散热锥筒采用紫铜为材料，导热效果好，可通过螺栓与推力器壳体连接固定。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1、图2和图4说明，本实施方式所述散热板2由紫铜制成。如此设置，采用导热系数较好的紫铜为材料，大大地提高了导热效果，散热板的两端面靠轴向散热器压紧固定，连接方便可靠。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1、图2和图5说明，本实施方式所述散热器4由铝制成。如此设置，加速散热，便于热量导出至太空。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明，本实施方式的每个散热锥筒3的锥心角为120°。如此设置，散热锥筒与推力器壳体的接触部位面积较大，增强了热传导。其它与具体实施方式五相同。

工作过程

将本发明辐射散热装置固定在推力器上后，将整个推力器系统包括辐射散热装置置于真空罐中，对推力器阴极点火，阴极发出电子，电子向通道内部运动，通过阳极入口向推力器通道内通入氙气并逐步提高阳极电压至点火成功，推力器开始工作，推力器温度逐渐上升，辐射散热装置开始进行辐射散热，从而保证推力器及时排出热量并正常工作。

Claims (6)

1.多级会切磁场等离子体推力器用辐射散热装置，它包括散热圆筒(1)、散热板(2)、两个散热锥筒(3)和两个散热器(4)，其特征在于：所述散热圆筒(1)为一端封闭而另一端敞口的散热圆筒，两个散热锥筒(3)的小直径端正对布置，推力器壳体(5)布置在两个散热锥筒(3)之间，推力器壳体(5)的两端分别固装在两个散热锥筒(3)的小直径端内，推力器壳体(5)的上部和下部各套装有一个所述散热器(4)，每个散热器(4)的外表面为由多个半圆弧面(4-1)构成的曲面，推力器壳体(5)上套装有散热板(2)，散热板(2)位于两个散热器(4)之间，散热板(2)通过两个散热器(4)夹紧，位于下端的散热锥筒(3)内布置有散热圆筒(1)，散热圆筒(1)的封闭端与推力器壳体(5)的下端面固接，推力器阳极(6)穿过散热圆筒(1)的封闭端并伸出敞口端，散热板(2)的厚度由中心向边缘逐渐减小，散热圆筒(1)与推力器壳体(5)同轴设置，所述散热圆筒(1)、散热板(2)、两个散热锥筒(3)及两个散热器(4)均由导热材料制成。

2.根据权利要求1所述的多级会切磁场等离子体推力器用辐射散热装置，其特征在于：所述散热圆筒(1)由铝制成。

3.根据权利要求1或2所述的多级会切磁场等离子体推力器用辐射散热装置，其特征在于：所述散热锥筒(3)由紫铜制成。

4.根据权利要求3所述的多级会切磁场等离子体推力器用辐射散热装置，其特征在于：所述散热板(2)由紫铜制成。

5.根据权利要求1、2或4所述的多级会切磁场等离子体推力器用辐射散热装置，其特征在于：所述散热器(4)由铝制成。

6.根据权利要求5所述的多级会切磁场等离子体推力器用辐射散热装置，其特征在于：每个散热锥筒(3)的锥心角为120°。