CN104265590A - 一种多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，由多孔结构阴极、两个阴极连接件及尾部端盖组成的阴极部分，套上绝缘套筒后，再通过绝缘衬套和尾部螺钉与中间连接件的左端面进行连接；由阳极、阳极衬套及阳极外壳组成的阳极部分，通过阳极挡环及阳极螺钉，与中间连接件的右侧面进行连接。中间连接件上开设有两个相通的进气通道，通过两个进气管道进气。由此推进剂分三路供给，两路分别经由两个气管道与进气通道到达阳极，另一路经由阴极连接件与阴极内部到达阳极。本发明推力器，外部还同轴套有环形附加磁线圈；本发明满足了大功率条件下推力器对电子发射能力的要求，而阴极有效截面积的增大也提高了阴极的可靠性和使用寿命。

Description

一种多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器

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，是一种多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器。

背景技术

作为电推力器的一种，磁动力等离子体(MPD)推力器利用电流和磁场相互作用产生的洛伦兹力来获得高的比冲及推力密度，在未来的载人太空飞行中有很大的应用前景。

与自身场磁等离子体动力推力器(SF-MPDT)相比，附加场磁等离子体动力推力器(AF-MPDT)能够在同等的功率范围下达到更高的比冲(喷气速度)，且能更好地保证推力器在大电流工作条件下的稳定性，更适用于大功率的任务使命。此外，增大推力器的放电电流能够显著地提高推力器内部的电磁加速效应、等离子体的喷出速度，进而提高推力器的比冲及推力。事实上，鉴于大功率空间推进的提出及空间任务的需求，对大电流AF-MPDT的研究具有更加深远的意义。

对SF-MPDT的研究始于上世纪60年代的美国，俄罗斯、德国、意大利、英国和日本等国也相继开展了此方面的研究，但对于AF-MPDT而言，由于引入了外加磁场，其内部的物理过程及等离子体加速机制更加复杂，很难形成统一的结论。此外，大电流条件下AF-MPDT面临着大通量电子供给和绝缘等诸多问题，值得进一步研究。

发明内容

为了解决AF-MPDT在大电流工作条件下的电子供给和绝缘等问题，本发明提供一种多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，它的电子发射面积大，能够满足大功率条件下的电子供给要求，此外，它采用一体式的绝缘结构设计，并避免在绝缘体侧壁上开通气孔，有效地提高了电极间的绝缘性。

一种多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，包括阳极部分、绝缘套筒、阴极部分、中间连接件、进气管道与环形附加磁线圈。

所述阳极部分包括阳极、阳极衬套、阳极外壳与阳极挡环；其中，阳极与阳极衬套同轴设置在阳极外壳内；通过阳极外壳后端内壁周向上设计的凸缘，与阳极前端外壁周向上设计的台肩搭接配合，实现阳极与阳极衬套的后向定位。阳极外壳上套装阳极挡环，并通过螺栓将阳极外壳与中间连接件间拧紧固定，实现中间连接件与阳极外壳间的定位；且中间连接件后部由阳极外壳前端伸入阳极外壳内，用来实现阳极衬套与阳极的前向定位。

所述绝缘套筒后端穿过中间连接件，同轴设置于阳极衬套内；绝缘套筒外壁与中间连接件后部内壁以及阳极衬套内壁间具有一定间隔，分别形成环形空腔A与环形空腔B；通过绝缘套筒前端周向上设计有凸缘与中间连接件前端面配合，实现绝缘套筒的前向定位。

所述阴极部分包括阴极连接件A、阴极连接件B、阴极与端盖。其中，阴极连接件A为筒状结构，同轴设置于绝缘套筒内；通过阴极连接件A前端周向上设计的凸缘D，与绝缘套筒前端面间配合，实现阴极连接件A的后向定位；阴极连接件A前端套有端盖，端盖通过螺栓与阴极连接件A前端周向上设计的连接面固连；端盖通过螺钉与中间连接件固定；由此实现了阴极连接件A与绝缘套筒的前向定位。阴极连接件B为筒状结构，同轴设置于绝缘套筒内；前端与阴极连接件A后端螺纹配合固定；所述阴极为多孔阴极，前端与阴极连接件B后顶紧固定；多孔阴极的后端由绝缘套筒后端面中心位置开设的穿孔穿出，位于阳极内部。

上述中间连接件上安装有两条进气管道，令分别为进气管道A与进气管道B；且在中间连接件上还开有进气通道A与进气通道B。进气通道A一端与进气管道A连通，进气通道B一端与进气管道B连通；进气通道A与进气通道B的另一端均与空腔A连通。

所述环形附加磁线圈通过支架同轴架设在多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器外部，为推力器提供所需的强磁场。

本发明的优点为：

1、本发明多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，采用了多孔阴极的结构形式，以较为简单的方式满足了大功率条件下推力器对电子发射能力的要求，而阴极有效截面积的增大也提高了阴极的可靠性和使用寿命；

2、本发明多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，绝缘套筒采用一体式的设计，以较为简单的结构形式实现了阴极、中间连接件和阳极间的绝缘，此外，避免了在绝缘套筒外壁上开通气孔，有效地降低了大电流工作条件下电弧通过通气孔击穿阴阳极的可能性、提高了推力器的绝缘性；

3、本发明多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，外部同轴套有环形附加磁线圈，为推力器提供所需的缓慢扩张的外加磁场，增强推力器电磁加速的效果；且环形附加磁线圈的轴向位置可调，以便研究磁场位形对推力器性能的影响；

4、本发明多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，可实现推进剂三路供给，通过对多路流量的自由控制可以实现不同的工况组、便于试验研究，且经过阴极内孔的推进剂能够加速阴极的冷却、有效地降低阴极的腐蚀程度；

5、本发明多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，阴极连接件设计为两部分结构，其中阴极与阴极连接件A之间的配合采用锥面配合的方式，以最大程度地方便阴极的拆卸和更换；

6、本发明多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，推力器中各部件间基本上采用螺栓连接的方式，最大程度上方便零件的调整和更换；

7、本发明多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，对于多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器的试验研究以及未来大功率电推力器的研究有重要的意义。

附图说明

图1是本发明多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器整体结构剖视图；

图2是本发明多孔阴极的剖视图。

图中：

1-阳极部分                2-绝缘套筒                3-阴极部分

4-中间连接件              5-进气管道                6-环形附加磁线圈

7-支架左挡块              8-支架右挡块              9-安装支架

10-空腔A                  11-空腔B                  12-进气通道A

13-进气通道B              101-阳极                  102-阳极衬套

103-阳极外壳              104-阳极挡环              301-阴极连接件A

302-阴极连接件B           303-阴极                  304-端盖

305-连接面                306-钍钨棒                307-安装面

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，包括阳极部分1、绝缘套筒2、阴极部分3、中间连接件4、进气管道5与环形附加磁线圈6。中间连接件4作为本发明多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器阳极部分1、绝缘套筒2、阴极部分3与进气管道5间的连接定位中间件。

所述阳极部分1包括阳极101、阳极衬套102、阳极外壳103与阳极挡环104；其中，阳极101采用耐高温钼材料，为圆筒状外形，其内型面可以根据需要设计为直通道、后部扩张通道或者前部收敛后部扩张通道多种形式，本发明中阳极101内型面采用后部扩张形式。阳极101与阳极衬套102同轴设置在阳极外壳103内，阳极101的前端面与阳极衬套102的后端面贴合，且阳极衬套102外壁与阳极外壳103内壁贴合。阳极外壳103后端内壁周向上设计有凸缘A；阳极前端外壁周向上设计有台肩；通过凸缘A与台肩搭接配合，实现阳极101与阳极衬套102的后向定位。

中间连接件4采用2Cr13材料，后部设计为筒状结构，中心位置开有通孔；中间连接件4的后部由阳极外壳103前端伸入阳极外壳103内，外壁与阳极外壳103内壁贴合；且后端端部插入阳极衬套102前端端面外缘开设的环形凹槽内，实现中间连接件4与阳极衬套102间的定位。阳极外壳103前端外壁周向上设计有凸缘B，通过在阳极外壳103上套装阳极挡环104，使阳极挡环104与凸缘B搭接配合，并通过螺栓将阳极挡环104与中间连接件4间拧紧固定，实现中间连接件4与阳极外壳103间的定位，同时，实现阳极衬套102与阳极101的前向定位。中间连接件4上还设计有安装面307，通过在推力器安装支架8两侧设置支架左挡块7与支架右挡块8，并通过挡块螺钉将支架左挡块7、安装支架9、支架右挡块8固定于安装面307上，实现本发明推力器与安装支架9间的固定。

所述绝缘套筒2采用氮化硼材料，后端穿过中间连接件4的中心通孔后，同轴设置于阳极衬套102内；绝缘套筒2外壁与中间连接件4后部内壁以及阳极衬套102内壁间具有一定间隔，分别形成环形空腔A10与环形空腔B11。绝缘套筒2前端周向上设计有凸缘C；中间连接件4前端面上设计有环形凹槽；通过凸缘C与环形凹槽配合，实现绝缘套筒2的前向定位；绝缘套筒2后端与阳极101前端间存在一定间隙。

所述阴极部分3包括阴极连接件A301、阴极连接件B302、阴极303、端盖304；

其中，阴极连接件A301为筒状结构，同轴设置于绝缘套筒2内，外壁与绝缘套筒2内壁贴合。阴极连接件A301前端周向上设计有凸缘D，通过凸缘D与绝缘套筒2前端面间配合，实现阴极连接件A301的后向定位。阴极连接件A301前端套有端盖304，端盖304通过螺栓与阴极连接件A301后端周向上设计的连接面305固连。端盖304通过套有绝缘衬套的螺钉与中间连接件4固定；由此实现了阴极连接件A301与绝缘套筒2的前向定位。阴极连接件B302为筒状结构，同轴设置于绝缘套筒2内；前端设计为外螺纹构，与阴极连接件A301后端设计的内螺纹结构螺纹配合固定；由此，实现阴极连接件B302与阴极连接件A301间的连接定位。阴极连接件B302后端内型面为锥形扩张结构，用来安装阴极303。所述阴极303为多孔阴极，即为在纯钨材料单孔阴极303前端内插入n根实心圆柱钍钨棒306，n＞1，使钍钨棒306间以及钍钨棒306与单孔阴极303内壁间形成孔隙，实现阴极303的多孔状设计，如图2所示；由此，一方面可以增大电子的发射面积，满足大功率下的电子发射要求，另一方面阴极303有效面积的增大也提高了阴极303的可靠性及使用寿命。多孔阴极303的前端外型面设计为锥形段，插入到阴极连接件B302后端，与阴极连接件B302后端内型面配合顶紧固定；多孔阴极303的后端由绝缘套筒2后端面中心位置开设的穿孔穿出，位于阳极101内部。

通过上述结构，便对阴极连接件B302与阴极303整体进行更换，且便于当阴极303损毁而阴极连接件B302仍完好时只进行阴极303的更换，最大程度上地节省装拆时间及加工成本。通过绝缘套筒2将推力器的阴极部分3和阳极部分1有效地隔开，避免了推力器其他部分间的放电，此外，还起到了很重要的支撑和定位作用。

上述中间连接件4周向对称位置固定安装有L型进气管道5，令分别为进气管道A与进气管道B，且在中间连接件4上开有相对于轴线对称的进气通道A12与进气通道B13。其中，进气通道A12一端与进气管道A连通，进气通道B13一端与进气管道B连通；进气通道A12与进气通道B13的另一端均与空腔A10连通；由此，通过两个进气管道4、进气通道A12与进气通道B13，可为推力器的阳极101供气。为了保证本发明推力器的气密性要求，在阴极连接件B302与绝缘套筒2之间、绝缘套筒2与中间连接件4之间、中间连接件4与阳极衬套102之间以及阳极101与阳极外壳103之间均通过石墨材料密封圈进行密封。

本发明推力器可实现三路进气的方式：其中，一路推进剂由阴极连接件A301前端通入，依次经阴极连接件A301内部、阴极连接件B302内部、阴极303内部后，由阴极303内钍钨棒306间以及钍钨棒306与单孔阴极303内壁间形成的孔隙进入阳极101；另两路推进剂分别由两个进气管道4进入，随后分别经进气通道A12与进气通道B13进入空腔A10，最终经空腔B11以及绝缘套筒2与阳极101间的间隙进入到阳极101内；阳极101内部作为推力器的放电室，通过为推力器的阴极303与阳极201供电，可在放电室内实现推进剂的电离以及等离子体的加速，进而产生所需的推力。

所述环形附加磁线圈6通过支架同轴架在推力器外部，为推力器提供所需的缓慢扩张的外加磁场，增强推力器电磁加速的效果；且环形附加磁线圈6的轴向位置可调，以便研究磁场位形对推力器性能的影响。

Claims (7)

1.一种多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，其特征在于：包括阳极部分、绝缘套筒、阴极部分、中间连接件、进气管道与环形附加磁线圈； 

所述阳极部分包括阳极、阳极衬套、阳极外壳与阳极挡环；其中，阳极与阳极衬套同轴设置在阳极外壳内；通过阳极外壳后端内壁周向上设计的凸缘，与阳极前端外壁周向上设计的台肩搭接配合，实现阳极与阳极衬套的后向定位；阳极外壳上套装阳极挡环，并通过螺栓将阳极外壳与中间连接件间拧紧固定，实现中间连接件与阳极外壳间的定位；且中间连接件后部由阳极外壳前端伸入阳极外壳内，用来实现阳极衬套与阳极的前向定位； 

所述绝缘套筒后端穿过中间连接件，同轴设置于阳极衬套内；绝缘套筒外壁与中间连接件后部内壁以及阳极衬套内壁间具有一定间隔，分别形成环形空腔A与环形空腔B；通过绝缘套筒前端周向上设计有凸缘与中间连接件前端面配合，实现绝缘套筒的前向定位； 

所述阴极部分包括阴极连接件A、阴极连接件B、阴极、端盖；其中，阴极连接件A为筒状结构，同轴设置于绝缘套筒内；通过阴极连接件A前端周向上设计的凸缘D，与绝缘套筒前端面间配合，实现阴极连接件A的后向定位；阴极连接件A前端套有端盖，端盖通过螺栓与阴极连接件A前端周向上设计的连接面固连；端盖通过螺钉与中间连接件固定；由此实现了阴极连接件A与绝缘套筒的前向定位；阴极连接件B为筒状结构，同轴设置于绝缘套筒内；前端与阴极连接件A后端螺纹配合固定；所述阴极为多孔阴极，前端与阴极连接件B后顶紧固定；多孔阴极的后端由绝缘套筒后端面中心位置开设的穿孔穿出，位于阳极内部； 

上述中间连接件上安装有两条进气管道，令分别为进气管道A与进气管道B；且在中间连接件上还开有进气通道A与进气通道B；进气通道A一端与进气管道A连通，进气通道B一端与进气管道B连通；进气通道A与进气通道B的另一端均与空腔A连通； 

所述环形附加磁线圈通过支架同轴架设在多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器外部。 

2.如权利要求1所述一种多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，其特征在于：具有三路进气的方式：其中，一路推进剂由阴极连接件A前端通入，依次经阴极连接件A内部、阴极连接件B内部、阴极内部后，由多孔阴极后段进入阳极；另两路推进剂分别由两个进气管道进入，随后分别经进气通道A与进气通道B进入空腔A，最终经空腔B以及绝缘套筒与阳极间的间隙进入到阳极内。 

3.如权利要求1所述一种多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，其特征在于：所述多孔阴极为：在单孔阴极前端内填充n根实心圆柱钍钨棒，n＞1。 

4.如权利要求1所述一种多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，其特征在于：所述两个进气管道之间，以及两个进气通道之间均相对于中心连接件的轴线对称。 

5.如权利要求1所述一种多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，其特征在于：所述阴极连接件B与绝缘套筒之间、绝缘套筒与中间连接件之间、中间连接件与阳极衬套之间以及阳极与阳极外壳之间均通过石墨材料密封圈进行密封。 

6.如权利要求1所述一种多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，其特征在于：所述中间连接件上设计有安装面，通过在推力器安装支架两侧设置支架左挡块与支架右挡块，并通过挡块螺钉将支架左挡块、安装支架、支架右挡块固定于安装面上。 

7.如权利要求1所述一种多孔阴极附加场磁等离子体动力推力器，其特征在于：所述阳极采用耐高温钼材料；中间连接件采用2Cr13材料；绝缘套筒采用氮化硼材料。