CN105020112B - 一种高热稳定的离子推力器屏栅筒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子推力器屏栅筒，克服现有屏栅筒热稳定性的不足，能够满足大功率离子推力器高温环境下的结构稳定性及抗热变形的要求。其屏栅筒体采用圆柱形薄壁结构，在屏栅筒体周向上加工出向外突出的、与筒等壁厚的加强筋，加强筋与屏栅筒体为一体结构。屏栅筒体两端面处向内折弯，形成环形内折边；屏栅筒体通过两端的环形内折边连接上固定结构和下固定结构。屏栅筒体与上固定结构的接触面处以及屏栅筒体与下固定结构的接触面处均设计了定位结构；所述定位结构包括相互配合的定位凸台和定位凹槽；定位凹槽位于屏栅筒体两端面处，定位凸台位于上固定结构和下固定结构，并且在上下固定结构上设计了限位环型凸台。

Description

一种高热稳定的离子推力器屏栅筒

技术领域

本发明属于等离子体推进技术和热控技术领域，具体涉及一种高热稳定的离子推力器屏栅筒。

背景技术

离子推力器以等离子体作为能量传递的介质，等离子体产生的区域就在屏栅筒内部，屏栅筒对于一台推力器而言，主要有两个作用，一是提供等离子体产生的空间，隔离外部环境，二是提供放电室所需的上千伏的高压，加上推力器的工作特性，造成屏栅筒要长期工作在高电压，高低温交变，以及高溅射的等离子体环境中。

随着推力器功率越来越大，原来传统的圆柱形薄壁结构的屏栅筒已无法适应高温下的热稳定性要求，传统的屏栅筒为硬铝材料的简单圆柱形筒状结构，在400℃的高温下，屏栅筒膨胀严重，加上安装环必须为导磁材料，两种材料的线胀系数的不一致更加剧了屏栅筒变形的不可控性，大部分情况下，屏栅筒膨胀的尺寸只能向里扭曲，造成屏栅筒与阳极筒间距减小，这种间距变小的趋势在推力器反复开关机的热交变环境中逐渐恶化，最终将导致屏栅筒、阳极筒短路，使推力器失效。屏栅筒变形同时也造成了放电室形状的改变，进而改变等离子体密度分布，使推力器性能偏离设计工作点，屏栅筒变形对放电室稳定性以及束流平直度也会产生不利的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高热稳定的离子推力器屏栅筒，克服现有屏栅筒热稳定性的不足，能够满足大功率离子推力器高温环境下的结构稳定性及抗热变形的要求。

相比传统结构，本发明主要从结构加强入手，同时考虑定位及热应力释放，以及采用表面涂层等热控措施，极大地提高了屏栅筒的热稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种离子推力器屏栅筒，包括屏栅筒体，以及安装在屏栅筒体两端面的上固定结构和下固定结构；其中，屏栅筒体采用圆柱形薄壁结构，在屏栅筒体周向上加工出向外突出的、与筒等壁厚的加强筋，加强筋与屏栅筒体为一体结构。

优选地，屏栅筒体两端面处向内折弯，形成环形内折边；屏栅筒体通过两端的环形内折边连接上固定结构和下固定结构。

优选地，屏栅筒体与上固定结构的接触面处以及屏栅筒体与下固定结构的接触面处均设计了定位结构；所述定位结构包括相互配合的定位凸台和定位凹槽；定位凹槽位于屏栅筒体两端面处，定位凸台位于上固定结构(1)和下固定结构。

优选地，上固定结构和下固定结构上的定位凸台均为4个，且周向分布、两两间隔90°；屏栅筒体上的定位凹槽位置和数量与定位凸台一致。

优选地，上固定结构和下固定结构上的屏栅筒体安装位置外侧设有限位凸台；限位凸台与屏栅筒体外边缘间距相等。

优选地，所述限位凸台为多段弧组成的环形结构，弧间具有间隙。

优选地，屏栅筒体内表面采用本色阳极化工艺处理；屏栅筒体外表面采用真空CCAl镀膜。

优选地，屏栅筒体采用钛合金TC4材料制作。

优选地，上固定结构和下固定结构采用电工纯铁DT4C材料制作。

有益效果：

(1)本发明通过屏栅筒上加工与筒等壁厚的加强筋，在不增加重量的前提下，增加了结构刚度，提高了热稳定性和抗热变形的能力；且加强筋为等壁厚设计，避免壁厚不均造成的热应力集中，有效降低了屏栅筒在长时间冷热交变过程中发生结构失效的风险，长期冷热交变下的热稳定性更好。

(2)本发明在屏栅筒体两端增加折弯边，既加强了两端开口部位的结构强度又增加了传热路劲上的热接触面积，从而有利于热量向外传导。

(3)定位结构的设计，限制了屏栅筒只能沿径向方向膨胀或收缩，而不能旋转，限定了变形方向和变形量，使之在可控的范围内。

(4)屏栅筒体两端和上下固定结构之间设计了有限热应变释放结构。该结构允许屏栅筒向外形变，但将该形变控制在一定的范围内，这样的设计即释放了部分热应力，又控制热变形在设计允许的范围内。

(5)屏栅筒体内表面采用本色阳极化工艺处理，增加辐射传热的效率；屏栅筒体外表面采用真空CCAl镀膜，该材料具有高的发射率和低的吸收率，进一步降低屏栅筒温度，提高温度均匀性。可见通过表面处理工艺，改善散热能力，进一步提高热稳定性。

总之，通过上述措施的应用，极大地提高了屏栅筒的热稳定性，能够满足高功率长寿命离子推力器的使用要求。

附图说明

图1为本发明高热稳定性离子推力器屏栅筒的剖视及安装示意图。

图2为本发明高热稳定性离子推力器屏栅筒的外形图；

图3为上固定结构和下固定结构的示意图；

图4为屏栅筒体的示意图；

其中，1-上固定结构；2-屏栅筒体；3-下固定结构；4-加强筋；5-环形内折边；6-定位凹槽；7-限位凸台；8-定位凸台。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明主要从结构加强入手，同时考虑定位及热应力释放，以及采用表面涂层等热控措施，极大地提高了屏栅筒的热稳定性，能够满足高功率离子推力器的使用要求。

本发明实施例的高热稳定的离子推力器屏栅筒结构如图1所示，包括屏栅筒体2，以及安装在屏栅筒体2两端面的上固定结构1和下固定结构3。其中，固定结构1和下固定结构3为环形结构，如图2所示。

屏栅筒体2采用圆柱形薄壁结构，在屏栅筒体2周向上加工出向外突出的、与筒等壁厚的加强筋4，加强筋4与屏栅筒体2为一体结构。根据屏栅筒体2的大小以及所需强度可以加工处多条环形加强筋4。本实施例中，屏栅筒壁厚0.8mm，加强筋共4条，加强筋高度为1mm。本发明通过屏栅筒上加工与筒等壁厚的加强筋，在不增加重量的前提下，增加了结构刚度，提高了热稳定性和抗热变形的能力；且加强筋为等壁厚设计，避免壁厚不均造成的热应力集中，有效降低了屏栅筒在长时间冷热交变过程中发生结构失效的风险，长期冷热交变下的热稳定性更好。

屏栅筒体2两端面处向内折弯，形成环形内折边5。屏栅筒体2通过两端的环形内折边5连接上固定结构1和下固定结构5。本发明在屏栅筒体两端增加折弯边，既加强了两端开口部位的结构强度又增加了传热路劲上的热接触面积，从而有利于热量向外传导。

屏栅筒体2与上固定结构1的接触面处以及屏栅筒体2与下固定结构3的接触面处均设计了定位结构，限制了屏栅筒只能沿径向方向膨胀或收缩，而不能旋转，限定了变形方向和变形量，使之在可控的范围内。如图3和图4所示，定位结构包括相互配合的定位凸台8和定位凹槽6。其中，如图4所示，屏栅筒体2上下两个环形内折边5上各开有4个周向分布、两两间隔90°的定位凹槽6；相应的，上固定结构1和下固定结构3上的定位凸台8数量也是4个，如图3所示，4个定位凸台8也是周向分布、两两间隔90°。

上固定结构1和下固定结构3上的屏栅筒体2安装位置外侧设计了有限热应变释放结构，允许屏栅筒向外形变，但将该形变控制在一定的范围内，这样的设计即释放了部分热应力，又控制热变形在设计允许的范围内。该有限热应变释放结构采用限位凸台7实现，限位凸台7与屏栅筒体2间距相等。限位凸台7可以是几个点，这几个点形成环，围绕在屏栅筒体2外，较佳地，如图3所示，限位凸台7为多段弧组成的环形结构，弧间具有间隙，从而能够全方位的将形变控制在一定的范围内。而且，定位凸台8还可以嵌在弧间，从而充分利用空间。限位凸台7与屏栅筒体2的间距根据所限制的变形量进行设计。

屏栅筒体2内表面采用本色阳极化工艺处理，增加辐射传热的效率。屏栅筒体2外表面采用真空CCAl镀膜，该材料具有高的发射率和低的吸收率，进一步降低屏栅筒温度，提高温度均匀性。可见通过表面处理工艺，能够改善散热能力，进一步提高热稳定性。

屏栅筒2优选钛合金TC4制作。上下固定结构优选电工纯铁DT4C制作。

上述结构特征可以采用钣金冲压、钣金折弯的加工方法完成。最后通过热处理工艺充分消除金属零件的残余应力。

安装时，上下固定结构周向的4个定位凸台8对应屏栅筒体上下端面的4个定位凹槽6，实现屏栅筒的轴线和放电室轴线的重合，同时在工作时，凸台和凹槽的结构也限定了屏栅筒的变形方向；上下固定结构上的限位凸台7在装配好后，与屏栅筒体外边缘等间距。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种离子推力器屏栅筒，其特征在于：包括屏栅筒体(2)，以及安装在屏栅筒体(2)两端面的上固定结构(1)和下固定结构(3)；其中，屏栅筒体(2)采用圆柱形薄壁结构，在屏栅筒体(2)周向上加工出向外突出的、与筒等壁厚的加强筋(4)，加强筋(4)与屏栅筒体(2)为一体结构；

所述屏栅筒体(2)与上固定结构(1)的接触面处以及屏栅筒体(2)与下固定结构(3)的接触面处均设计了定位结构；所述定位结构包括相互配合的定位凸台(8)和定位凹槽(6)；定位凹槽(6)位于屏栅筒体(2)两端面处，定位凸台(8)位于上固定结构(1)和下固定结构(3)。

2.如权利要求1所述的离子推力器屏栅筒，其特征在于：屏栅筒体(2)两端面处向内折弯，形成环形内折边(5)；屏栅筒体(2)通过两端的环形内折边(5)连接上固定结构(1)和下固定结构(3)。

3.如权利要求1所述的离子推力器屏栅筒，其特征在于：上固定结构(1)和下固定结构(3)上的定位凸台(8)均为4个，且周向分布、两两间隔90°；屏栅筒体(2)上的定位凹槽(6)位置和数量与定位凸台(8)一致。

4.如权利要求1所述的离子推力器屏栅筒，其特征在于：上固定结构(1)和下固定结构(3)上的屏栅筒体(2)安装位置外侧设有限位凸台(7)；限位凸台(7)与屏栅筒体(2)外边缘间距相等。

5.如权利要求4所述的离子推力器屏栅筒，其特征在于：所述限位凸台(7)为多段弧组成的环形结构，弧间具有间隙。

6.如权利要求1所述的离子推力器屏栅筒，其特征在于：屏栅筒体(2)内表面采用本色阳极化工艺处理；屏栅筒体(2)外表面采用真空CCAl镀膜。

7.如权利要求1所述的离子推力器屏栅筒，其特征在于：屏栅筒体(2)采用钛合金TC4材料制作。

8.如权利要求1所述的离子推力器屏栅筒，其特征在于：上固定结构(1)和下固定结构(3)采用电工纯铁DT4C材料制作。