CN104454418A - 一种可提高运行稳定性的电弧加热发动机 - Google Patents

一种可提高运行稳定性的电弧加热发动机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电弧加热发动机，包括依次相连的阴极、密封件、绝缘件、金属套、阳极喷管；所述阴极、密封件及绝缘件依次套接固定，所述金属套一端与所述绝缘件套接，另一端与所述阳极喷管卡接；还包括与所述阳极喷管相适应的水冷套，所述水冷套加装在所述阳极喷管外壁面；所述水冷套内设置有可供冷却水通过的通路。本发明提供的电弧加热发动机通过在电弧加热发动机阳极喷管外壁面附近加装水冷套，避免阳极喷管温度过高，从而减少阳极喷管内壁面烧蚀，提高电弧加热发动机的运行稳定性。

Description

一种可提高运行稳定性的电弧加热发动机
技术领域
本发明涉及航空技术领域，特别涉及一种可提高发动机运行稳定性的电弧加热发动机。
背景技术
随着以空间资源探测及利用为目标的航天活动日益增加，商业通讯、科学探索、国防任务等方面的发展，对用于卫星姿态和轨道调整的推进系统提出了更高的要求。传统的化学推进受推进剂燃烧温度的限制，比冲已经接近于极限，并且用于卫星定位的控制精度较低。电推进系统可产生比化学推进高得多的比冲，因而在完成同样航天任务的前提下，能减少卫星所需携带的推进剂重量，增加卫星的有效载荷或延长在轨寿命，并提高对卫星的定位和姿态控制精度。世界众多国家为发展高性能的空间电推进系统，投入了大量的人力和物力，使之成为当前国际范围的一个研究热点。
空间电推进技术大致可以分为：1)电热型，包括电阻加热射流方式和电弧加热等离子体射流方式；2)静电加速型，如离子发动机；3)等离子体推进型，包括霍尔发动机、脉冲等离子体发动机、磁等离子体动力学发动机和可变比冲磁等离子体发动机。电弧加热发动机通常由阴极、兼做喷管的阳极、以及固定阴极阳极的卡件、绝缘件等组成，其基本工作原理是：供给发动机的气态推进剂经过阴极和兼做喷管的阳极间放电所产生的直流电弧加热，形成最高温度超过万度的高温部分电离气体，进而在喷管的扩张段膨胀、降温、加速，以超声速射流的形式从喷管喷出，产生较高的推力和比冲。电弧加热推力器系统重量轻，推力/功率比值高，与现有卫星推进系统兼容性好，羽流污染小，在技术难度、系统复杂性、可靠性等方面都具有优势。因此，虽然电弧加热推力器的比冲较霍尔和离子发动机的低，但自1993年在国际上首次安装在商业通讯卫星Telstar IV上以来发展很快，在多种电推进发动机中有其独特的地位。功率为千瓦量级的电弧加热发动机在国外已成为应用于卫星姿态及轨道控制的成熟技术。
我国电弧加热发动机运行实验中遇到诸如发动机电极严重烧蚀、热态条件下密封性差、发动机性能不稳定、可靠性差、持续稳定工作时间不长、效率不高等问题，而推进系统的寿命在一定程度上决定着航天器的寿命，迄今为止，我国的电弧加热发动机还没有成功应用在自己的卫星上。必须深入研究其独特的工作过程，系统掌握其运行机理和规律，方能解决这些问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电弧加热发动机，克服上述已有技术的缺陷，提高发动机运行稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电弧加热发动机，包括依次相连的阴极、密封件、绝缘件、金属套、阳极喷管；
所述阴极、密封件及绝缘件依次套接固定，所述金属套一端与所述绝缘件套接，另一端与所述阳极喷管卡接；
还包括与所述阳极喷管相适应的水冷套，所述水冷套加装在所述阳极喷管外壁面；所述水冷套内设置有可供冷却水通过的通路。
优选的，所述阳极喷管外壁面与所述水冷套之间设置有间隙。
优选的，所述阳极喷管外壁面与所述水冷套之间的间隙根据阳极喷管材料的膨胀系数及阳极喷管温度设置。
本发明提供的电弧加热发动机通过在电弧加热发动机阳极喷管外壁面附近加装水冷套，避免阳极喷管温度过高，从而减少阳极喷管内壁面烧蚀，提高电弧加热发动机的运行稳定性。
附图说明
图1为本发明一个实施例中的电弧加热发动机的剖面示意图；
图2为本发明一个实施例中电弧加热发动机工作系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的主要思想是通过在电弧加热发动机的阳极喷管外壁面加装水冷套，阳极喷管外壁面和水冷套间的间距，依据阳极喷管材料的膨胀系数及预控制的阳极喷管温度而定，确保电弧加热发动机运行过程中，阳极喷管温度升到预定值时，因阳极喷管受热膨胀接触到水冷套，进而通过水冷套的冷却降温作用降低阳极喷管温度，从而减少阳极内壁面烧蚀，提高电弧加热发动机的运行稳定性。
参照图1所示，为本发明一个实施例中的电弧加热发动机的剖面示意图，本实施例中的电弧加热发动机包括：阴极9、阳极喷管1、绝缘件7、密封件8、金属套5和水冷套2，所述水冷套2与所述阳极喷管1相适应。图中同时示出了进气口6和水冷套2的冷却水入口4及冷却水出口3。其中，阴极9通过密封件8与绝缘件7固定，金属套5一端与绝缘件7相连，另一端与阳极喷管1卡接；金属套5上设有进气口6；水冷套2加装在阳极喷管1外壁面，所述水冷套2内设置有可供冷却水通过的通路。所述水冷套2和阳极喷管1的外壁面之间的间隙依据阳极喷管1的材料的膨胀系数及预控制的阳极喷管1的温度设置。
参照图2所示，为本发明一个实施例中电弧加热发动机工作系统示意图。将图1所示的电弧加热发动机连接电源、气路及水路，引弧试验电弧加热发动机的性能。本实施例搭建了在阳极喷管1外壁面加装水冷套2的电弧加热发动机工作系统。本实施例中真空室12的直径为2米，长为4米，极限真空为1×10-4Pa。图中示出了发动机羽流10及推力测力器11。工作气体13存储于高压气罐，质量流量计14选用精度为满量程3％的质量流量计，电流电压传感器15选用霍尔效应原理的传感器，工作电源16选用30千瓦级逆变等离子体电源。冷却循环水系统17与图1所示的冷却水入口4及冷却水出口3相连，为电弧加热发动机的水冷套2提供恒温循环冷却水源。真空室排气系统18可确保实现电弧加热发动机工作的真空环境。电弧加热发动机阳极喷管1的外壁面和水冷套2之间的间隙为0.1mm。选用氮气为工作气体，在输入功率8.5kW、总气流量10L/min的工作参数条件下连续工作10分钟以上。
本发明在电弧加热发动机阳极喷管外壁面加装有一定间隙的水冷套，所述水冷套和阳极喷管外壁面的间隙依据阳极喷管材料的膨胀系数及预控制的阳极喷管温度而定。当阳极喷管壁面温度升高到预定温度时，阳极喷管壁面与水冷套接触降温，避免阳极喷管温度过高，从而减少阳极喷管内壁面烧蚀，提高电弧加热发动机的运行稳定性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电弧加热发动机，其特征在于，包括依次相连的阴极、密封件、绝缘件、金属套、阳极喷管；
所述阴极、密封件及绝缘件依次套接固定，所述金属套一端与所述绝缘件套接，另一端与所述阳极喷管卡接；
还包括与所述阳极喷管相适应的水冷套，所述水冷套加装在所述阳极喷管外壁面；所述水冷套内设置有可供冷却水通过的通路。
2.如权利要求1所述的电弧加热发动机，其特征在于，所述阳极喷管外壁面与所述水冷套之间设置有间隙。
3.如权利要求2所述的电弧加热发动机，其特征在于，所述阳极喷管外壁面与所述水冷套之间的间隙根据阳极喷管材料的膨胀系数及阳极喷管温度设置。
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