CN106246487B - 一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

本发明一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，属于电推进领域；外部从左到右依次为：安装件，安装绝缘件和磁线圈；中间层为中间连接件；内层从左到右依次为：阴极连接件，陶瓷套，绝缘体，空心阴极以及扩张阳极；安装件外部套有安装绝缘件，安装件插入磁线圈紧固连接；内部连接中间连接件，中间连接件同时连接扩张阳极和陶瓷套；扩张阳极内部卡接绝缘体，绝缘体套上石墨垫片与扩张阳极进行轴向配合连接，陶瓷套卡套在阴极连接件外部；阴极连接件同时卡接在绝缘体内部；阴极连接件内部与绝缘体内部共同卡有空心阴极；优点在于：推力器整体小巧、结构紧凑、绝缘可靠、密封性好，同时装配可靠方便。

Description

一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器

技术领域

本发明属于电推进领域，涉及一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器。

背景技术

电推进是一类利用电能直接加热推进剂，或利用电磁作用电离加速推进剂，以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，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。

磁等离子体推力器(MPDT)是电推进技术的典型代表，因其具有高比冲和大推力，且易与高功率电源结合实现大功率、小型化等技术特点，被认为是用于深空探测的最佳候选推进方案之一。

磁等离子体推力器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，等离子体在附加电磁场和气动力加速作用下高速喷出，产生推力。由于中功率MPDT工作时将产生几百安培的大电流，内部会产生高温等离子体。因此推力器的整体装配结构、密封、绝缘成为推力器实现性能、可靠工作的设计关键。同时，推力器较好的整体供电、安装方案，可以为MPDT的试验研究提供可靠保障。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，使用氨气作为推进剂，在50kW-80kW功率范围内提供牛级推力，对磁等离子体推力器提升功率、结构设计和实验研究均具有重要意义。

所述的磁等离子体推力器，整体为圆柱结构，外部从左到右依次为：绝缘套筒，安装件，安装绝缘件和磁线圈；中间层为中间连接件；内层从左到右依次为：阴极连接件，阴极供电块，陶瓷套，绝缘体，空心阴极，扩张阳极以及阳极供电块；

安装件外部套有安装绝缘件，端面开孔安装绝缘套筒，安装件插入磁线圈的内孔，通过螺钉实现安装件和磁线圈的紧固连接，间隙配合实现径向定位，并保持同轴；绝缘套筒和安装绝缘件保证了安装件和磁线圈之间绝缘。

安装件内部连接中间连接件，中间连接件同时连接扩张阳极和陶瓷套，实现轴向和径向配合保证同心并紧固；

扩张阳极内部卡接绝缘体，绝缘体套上石墨垫片与扩张阳极进行轴向配合连接，通过压缩石墨实现气路密封；

陶瓷套卡套在阴极连接件外部，陶瓷套和阴极连接件实现轴向和径向连接；阴极连接件同时卡接在绝缘体内部，阴极连接件套上石墨垫片，通过压缩石墨垫片与绝缘体进行轴向定位并实现密封；

阴极连接件内部与绝缘体内部共同卡有空心阴极，空心阴极为内部通孔的单孔空心阴极，阴极插入阴极连接件加大内孔内形成过盈配合进行固定安装；

阳极供电块使用螺钉紧固，配合安装在扩张阳极外；阴极供电块通过内孔夹持在阴极连接件上。

本发明的优点在于：

1、一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，阴阳极间的绝缘设计采用氮化硼陶瓷，具有耐高温和耐高压性能，可保证推力器绝缘部位可靠工作，同时通过绝缘件的结构设计，实现阴阳极件的可靠连接，并在主要部分实现多层阻隔放电，提高可靠性。

2、一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，气路密封，通过在关键部位安装柔性石墨垫片实现，石墨垫片耐高温，密封好，可靠性高，同时由于其较好的压缩率和回弹率，可以实现对绝缘陶瓷的保护，防止被压坏，提高绝缘设计的可靠性。

3、一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，采用推力器与磁线圈轴向配合的方式，直接将推力器安装在磁线圈上，保证推力器和磁线圈的同轴性，从而保证附加磁场的位型精度，有利于对推力器性能的研究。

4、一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，安装件的镂空设计既实现了推力器供水供电线路的穿插通过，又减轻了零件重量。

5、一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，通过安装绝缘件数量的调整，可实现推力器与磁线圈轴向相对位置的定量改变，从而可以研究磁场位置对推力器的影响。

6、一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，各部件间基本上是采用螺钉连接，可重复自由拆装，零件更换和调整均非常方便，同时保证推力器整体美观整洁。

附图说明

图1为本发明一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器的装配图；

图2为本发明一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器的左视图；

图3为本发明一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器的三维剖视图。

图中：1-扩张阳极；2-绝缘体；3-安装绝缘件；4-中间连接件；5-安装件；6-螺钉；7-陶瓷套；8-阴极连接件；9-阴极供电块；10-绝缘套筒；11-空心阴极；12-石墨垫片；13-磁线圈；14-阳极供电块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，通过采用扩张阳极、空心阴极以及内锥面绝缘陶瓷形成放电室；通过设计绝缘体和陶瓷套连接阴极和阳极，实现绝缘连接；通过在关键配合位置安装柔性石墨垫片达到密封目的；通过设计安装件将推力器与磁线圈径向配合连接，保证同轴性，提高附加磁场位型的精准度；根据阴阳极不同结构特点，设计不同供电零件，实现推力器供电；

推力器包括：阴极连接件，空心阴极，陶瓷套，绝缘体，中间连接件，扩张阳极，石墨垫片，阴极供电块和阳极供电块。

推力器整体小巧，结构紧凑，采用螺钉连接，外表美观；采用氨气作为推进剂，在放电室内经阴阳极间的高压击穿放电，持续电离出等离子体并在附加电磁场作用下从阳极喷出产生推力。

磁等离子体推力器的装配图，如图1所示，包括：扩张阳极1，绝缘体2，安装绝缘件3，中间连接件4，安装件5，陶瓷套7，阴极连接件8，阴极供电块9，绝缘套筒10，空心阴极11，石墨垫片12，磁线圈13和阳极供电块14。

所述的磁等离子体推力器整体为圆柱结构，外部从左到右依次为：绝缘套筒10，安装件5，可调数量的安装绝缘件3和磁线圈13；

安装绝缘件3数量是可调的，本实施例优选2个，可以增加成3个或者4个，减少为1或0个，调整的距离相当于安装绝缘件3的厚度，因为安装绝缘件3的厚度固定，所以推力器与磁线圈轴的相对位置改变是定量的。

所述的安装件5作用是实现推力器与磁线圈13的同轴连接，采用双圆环结构，分为内阶梯孔和外阶梯圆柱面，双圆环中间镂空四个通孔，实现线路穿插通过；通过外阶梯圆柱面和磁线圈13实现径向间隙配合，保证同心；在外阶梯圆柱面周围套有两个安装绝缘件3，安装绝缘件3是圆环状，内孔套在安装件5上，且在外阶梯圆柱的端面上对称开有六个孔，用来安装绝缘套筒10，通过螺钉插入绝缘套筒10实现安装件5和磁线圈13的轴向连接和紧固。

绝缘套筒10和安装绝缘件3均为PEEK材料，保证了安装件5和磁线圈13之间绝缘。

所述磁线圈13为环柱形磁线圈，为推力器附加外磁场；在磁线圈13的端面上开有六个孔，与安装件5的外阶梯圆柱的端面上的六个孔位置相同，通过将安装件5连同推力器插入磁线圈13的内孔，间隙配合实现径向定位，并保持同轴；

安装件5的内阶梯孔与中间连接件4相连，通过间隙配合实现轴向和径向配合保证同轴，用螺钉将中间连接件4紧固在安装件5的内阶梯的圆端面上，中间连接件4位于磁等离子体推力器的中间层，同时连接陶瓷套7和扩张阳极1；

中间连接件4为阶梯形结构，外圆凸面用于螺栓连接，内孔面用于径向配合，内孔端面用于轴向配合，并被螺栓拉紧定位紧固，作用是将扩张阳极1和空心阴极11进行同心固定连接。

具体为：

中间连接件4通过内孔面与扩张阳极1的外圆面间隙配合实现径向定位，并保持同轴，通过螺栓与扩张阳极1进行轴向固定，实现推力器内部零件的安装固定；同时中间连接件4通过陶瓷套7套入扩张阳极1，直至内孔端面压住陶瓷套7凸台端面实现轴向拉紧定位；

磁等离子体推力器内层从左到右依次为：阴极连接件8，阴极供电块9，陶瓷套7，绝缘体2，空心阴极11，扩张阳极1以及阳极供电块14；

扩张阳极1的外表面为阶梯圆柱面，内表面为阶梯圆柱面和圆锥面连接组成，目的是形成扩张型主流放电室；扩张阳极1内部卡接绝缘体2。

绝缘体2为氮化硼陶瓷材料，外表面为阶梯圆柱面，内表面为阶梯圆柱面和圆锥面连接组成，圆锥段的凸台端面套上石墨垫片12与扩张阳极1的阶梯圆柱面进行轴向配合连接，压缩石墨实现气路密封；将套有石墨垫片12方向的绝缘体2插入扩张阳极1内，直至石墨垫片12与扩张阳极1的内孔端面压住，同时绝缘体2与扩张阳极1内孔配合实现轴向定位和同轴；

绝缘体2圆锥段的凸台端面设计石墨垫片12的作用是：保证密封，防止绝缘体2与扩张阳极1两零件的接触面漏气；同时能够有效保护石墨垫片12不被腐蚀。

所述陶瓷套7采用氮化硼陶瓷，为阶梯形绝缘结构，通过阶梯内孔和阴极连接件8实现轴向和径向连接，通过阶梯外圆端面实现轴向夹紧。

具体为：陶瓷套7较大直径一端套入阴极连接件8，直至内孔端面压至阴极连接件8的凸台端面实现轴向配合，陶瓷套7的内孔与阴极连接件8的外轴通过间隙配合实现径向定位并保证同轴；

同时陶瓷套7与绝缘体2配合，共同卡接阴极连接件8，保证扩张阳极1和空心阴极11的双层绝缘，保证缝隙处绝缘可靠性。

阴极连接件8内部为阶梯通孔，内孔为进气通道，端口使用螺纹与供气管连接进行供气；右端套上石墨垫片12，通过压缩石墨垫片12与绝缘体2进行轴向定位并实现密封；同时阴极连接件8外部套有陶瓷套7；阴极连接件8内部夹持空心阴极11，并对空心阴极11进行通气；

具体为：空心阴极11插入阴极连接件8的加大内孔端，通过过盈配合实现空心阴极11的定位和夹持；将石墨垫片12从插有空心阴极11的一端套入阴极连接件8，将安装有空心阴极11和石墨垫片12的阴极连接件8插入绝缘体2的内孔中，直至石墨垫片12压至绝缘体2的端面，阴极连接件8的外圆柱面与绝缘体2的内圆柱面通过间隙配合，实现径向定位并保证同轴；

空心阴极11为内部通孔的单孔空心阴极，插入阴极连接件8的加大内孔内形成过盈配合进行固定安装；

所述阳极供电块14和阴极供电块9通过螺栓紧固供电线实现阴阳极供电；阳极供电块14通过内圆柱面与扩张阳极1的外圆柱面配合，并使用螺钉进行紧固连接；阴极供电块9通过内孔套装在阴极连接件8的细端外轴上，通过螺栓紧固连接。

本发明通过增加和减少安装绝缘件来实现推力器和磁线圈的轴向定量相对位置，从而可以研究附加磁场位置对于推力器性能的影响。通过绝缘体和陶瓷套结构设计，达到阴极和阳极绝缘的目的，整体质量轻，结构紧凑。在绝缘体与扩张阳极、绝缘体与阴极连接件配合的关键位置，通过安装柔性石墨垫片进行挤压式密封，从而达到推力器结构密闭性目的，同时柔性石墨较好的压缩率和回弹率可对陶瓷材料进行保护。通过中间连接件连接陶瓷套和扩张阳极，陶瓷套卡接阴极连接件，同时阴极连接件卡接阴极，从而中间连接件最终实现空心阴极和扩张阳极的固定连接。设计安装件将推力器和磁线圈径向配合在一起，保证同轴性，其内部镂空设计既可通过供水供气线路，又可减小质量。

Claims (10)

1.一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的磁等离子体推力器，整体为圆柱结构，外部从左到右依次为：绝缘套筒，安装件，安装绝缘件和磁线圈；中间层为中间连接件；内层从左到右依次为：阴极连接件，陶瓷套，绝缘体，空心阴极以及扩张阳极；

安装件外部套有安装绝缘件，安装绝缘件的端面开孔安装绝缘套筒，安装件插入磁线圈的内孔，使安装件与磁线圈紧固连接，间隙配合实现径向定位，并保持安装件与磁线圈同轴；绝缘套筒和安装绝缘件保证了安装件和磁线圈之间绝缘；

安装件内部连接中间连接件，中间连接件同时连接扩张阳极和陶瓷套，实现扩张阳极和陶瓷套轴向和径向配合，保证扩张阳极和陶瓷套以及中间连接件同心并紧固；

扩张阳极内部卡接绝缘体，绝缘体套上石墨垫片与扩张阳极进行轴向配合连接，通过压缩石墨垫片实现气路密封；

陶瓷套卡套在阴极连接件外部，陶瓷套和阴极连接件实现轴向和径向连接；阴极连接件同时卡接在绝缘体内部，阴极连接件套上石墨垫片，通过压缩石墨垫片与绝缘体进行轴向定位并实现密封；

阴极连接件内部与绝缘体内部共同卡有空心阴极，空心阴极内部为单通孔，空心阴极插入阴极连接件加大内孔内形成过盈配合进行固定安装。

2.如权利要求1所述的一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的磁等离子体推力器，还包括阴极供电块和阳极供电块，阳极供电块通过内圆柱面配合安装在扩张阳极的外圆柱面；阴极供电块通过内孔夹持在阴极连接件上。

3.如权利要求1所述的一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的安装绝缘件数量为0个或1个或2个或3个或4个，安装绝缘件为圆环状，磁线圈的内孔套在安装件上，且在安装绝缘件的外阶梯圆柱的端面上对称开有六个孔，用来安装绝缘套筒，通过螺钉插入绝缘套筒实现安装件和磁线圈的轴向连接和紧固。

4.如权利要求3所述的一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的绝缘套筒和安装绝缘件材料均为PEEK。

5.如权利要求1所述的一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的安装件采用双圆环结构，分为内阶梯孔和外阶梯圆柱面，双圆环中间镂空四个通孔，实现线路穿插通过；通过外阶梯圆柱面和磁线圈实现径向间隙配合，保证安装件与磁线圈同心；在外阶梯圆柱面周围套有安装绝缘件；安装件的内阶梯孔与中间连接件紧固相连，通过间隙配合实现安装件与中间连接件的轴向和径向配合，保证安装件与中间连接件同轴。

6.如权利要求1所述的一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的中间连接件为阶梯形结构，内孔面与扩张阳极的外圆面间隙配合，实现中间连接件与扩张阳极径向定位，并保持同轴，中间连接件与扩张阳极轴向固定，实现推力器内部零件的安装固定；同时通过陶瓷套套入扩张阳极，直至内孔端面压住陶瓷套凸台端面实现轴向拉紧定位。

7.如权利要求1所述的一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的绝缘体为氮化硼陶瓷材料，外表面为阶梯圆柱面，内表面为阶梯圆柱面和圆锥面连接组成，圆锥段的凸台端面套上石墨垫片，与扩张阳极的阶梯圆柱面进行轴向配合连接，压缩石墨垫片实现气路密封，同时保护石墨垫片不被腐蚀；将套有石墨垫片方向的绝缘体插入扩张阳极内，直至石墨垫片与扩张阳极的内孔端面压住，同时绝缘体与扩张阳极内孔配合实现轴向定位和同轴。

8.如权利要求1所述的一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的陶瓷套采用氮化硼陶瓷，为阶梯形绝缘结构，陶瓷套较大直径一端套入阴极连接件，直至陶瓷套内孔端面压至阴极连接件的凸台端面实现轴向配合，陶瓷套的内孔与阴极连接件的外轴通过间隙配合实现径向定位并保证同轴；同时陶瓷套与绝缘体配合，共同卡接阴极连接件，双层密封，保证缝隙处绝缘可靠性。

9.如权利要求1所述的一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的阴极连接件内部为阶梯通孔，阶梯通孔为进气通道，阴极连接件内部端口使用螺纹与供气管连接进行供气；将石墨垫片从插有空心阴极的一端套入阴极连接件，将阴极连接件插入绝缘体的内孔中，直至石墨垫片压至绝缘体的端面，阴极连接件的外圆柱面与绝缘体的内圆柱面通过间隙配合，实现径向定位并保证同轴。

10.如权利要求1所述的一种利用附加电磁场能量转化的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的空心阴极为内部通孔的单孔空心阴极，空心阴极插入阴极连接件的加大内孔端，形成过盈配合进行固定安装。