CN106337791B - 一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，属于电推进领域；整体为圆柱形结构，外部从左向右依次包括：中间连接件，阳极连接件和阳极；阳极连接件同时连接阳极和中间连接件；内部从左向右依次为同轴配合的第二阴极连接件，第一阴极连接件，绝缘体和阴极；第二阴极连接件径向配合安装第一阴极连接件；缘体卡套在阳极连接件内部，且绝缘体和第一阴极连接件锥面卡有阴极，阴极锥面和第一阴极连接件锥面通过5°锥角紧密配合。优点在于：阴极包裹在阴极连接件内部，第二阴极连接件压紧阴极尾部，保证阴极上有充分的压紧力，防止阴极因为热膨胀而松动；阴极头部采用多孔结构，拥有更大的电流发射面积，提高了电流发射能力。

Description

一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器

技术领域

本发明属于电推进领域，是一种电推力器；具体来说，是一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器。

背景技术

磁等离子体动力推力器是电推力器的一种，按加速机制来分属于电磁加速式，其优点是比冲高、推力大，易于实现大功率等。但是磁等离子体动力推力器工作原理较其他电推力器而言更复杂，设计时难度较大。

磁等离子体动力推力器的一个核心部件是阴极，阴极的主要作用是发射电子，电离推进剂，产生等离子体。所以阴极的电流发射能力是衡量其性能的一个重要指标。磁等离子体动力推力器的阴极常用材料为耐高温的金属钨，但是钨的硬度高，易碎，且加工性差，所以一般不能加工成复制的形状，从推力器整体结构考虑，一般阴极周围会使用其他易加工的零件作为阴极的辅助结构来构成完整的发动机。

所以阴极设计时主要从两方面考虑，一个是阴极本身的性能，另一个是发动机整体结构的合理性。从性能方面考虑，阴极要能够同时满足电流发射要求和使用寿命要求；从结构方面考虑，阴极要易于拆装，简单可靠。因为磁等离子体动力推力器工作时会产生大量的热，所以推力器的温度会很快上升并出现明显的热膨胀。而阴极处于推力器的中心位置，其工作环境最恶劣，温度升高也最明显。如果其结构设计不合理，很可能会因为高温而导致结构破坏或者改变，而影响推力器工作。

发明内容

本发明根据上述问题，设计了一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，包括阳极、阴极、绝缘体、第一阴极连接件、第二阴极连接件、阳极连接件、中间连接件和绝缘套。

该磁等离子体推力器整体为圆柱形结构，外部从左向右依次包括：中间连接件，阳极连接件和阳极；

中间连接件为中间有孔的圆盘结构，在圆盘上对称安装6个绝缘套，每个绝缘套内通过螺钉和阳极连接件相连，绝缘套致使阳极连接件和中间连接件之间留有空隙，保证阳极连接件与中间连接件绝缘。

阳极连接件为两侧带有对称边缘的圆环，左侧边缘与中间连接件相连；右侧边缘相连阳极；

阳极通过螺钉与阳极连接件相连，且径向配合安装；

磁等离子体推力器整体内部从左向右依次为第二阴极连接件，第一阴极连接件，绝缘体和阴极；且第二阴极连接件，第一阴极连接件，阴极和阳极同轴配合；

第二阴极连接件固定连接第一阴极连接件，且通过第二阴极连接件轴径向配合安装在第一阴极连接件孔；第一阴极连接件孔紧挨第一阴极连接件锥面，且第一阴极连接件锥面开有锥度为5°的锥型孔，用于安装阴极；同时，第二阴极连接件轴右端压紧阴极尾部，避免松动。

中间连接件压在第一阴极连接件的凸缘上，通过中间连接件边缘的螺钉产生的拉力，第二阴极连接件和第一阴极连接件均被紧紧压在绝缘体上；

绝缘体卡套在阳极连接件内部，绝缘体右端和阳极配合安装；绝缘体左端与第一阴极连接件径向配合安装，且绝缘体和第一阴极连接件锥面卡有阴极。

阴极为空心阴极，阴极尾部形成较大的空腔，设为阴极大孔，且阴极大孔外表面设计为锥型，阴极锥面锥度为5°，阴极锥面和第一阴极连接件锥面通过5°锥角紧密配合，且配合锥面圆锥的尖端方向指向阴极尖端，阴极尾部和阴极尖端之间形成阴极台阶，且阴极尾部和阴极尖端的长度比为2:3。阴极尖端端部开有9个阴极小孔；9个阴极小孔轴线都在以阴极轴心为圆心，10mm为直径的圆柱面上。

本发明的优点为：

1)、本发明一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，阴极采用锥型，方便拆装。

2)、本发明一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，采用的锥角为5°，既可以保证阴极与阴极连接件配合牢固，同时阴极的长度不至于太长。

3)、本发明一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，通过锥的特殊方向使得阴极被包裹在阴极连接件内部，第二阴极连接件压紧阴极尾部，保证阴极上有充分的压紧力，防止阴极因为热膨胀而松动。

4)、本发明一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，第一阴极连接件与第二阴极连接件通过周围6个螺钉固定，连接可靠；

5)、本发明一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，阴极头部采用多孔结构，可以在相同外径的条件下拥有更大的电流发射面积，提高其电流发射能力。

6)、本发明一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，多种结构中小孔的分布经过仔细设计，使得孔与孔之间的壁厚大体均匀一致，保证在提高发射面积的同时保持较强的抗烧蚀能力。

附图说明

图1为本发明一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器的爆炸结构图；

图2为本发明磁等离子体推力器中锥型多孔空心阴极的结构示意图；

图3为本发明磁等离子体推力器中锥型多孔空心阴极的剖面示意图；

图4为本发明磁等离子体推力器中阴极结构示意图；

图5为本发明磁等离子体推力器中第一阴极连接件结构示意图；

图6为本发明磁等离子体推力器中第二阴极连接件结构示意图。

图中：

1-阳极；2-阴极；3-绝缘体；4-第一阴极连接件；5-第二阴极连接件；6-中间连接件；7-绝缘套；8-阳极连接件；

201-阴极大孔；202-阴极锥面；203-阴极台阶；204-阴极小孔；401-第一阴极连接件孔；402-第一阴极连接件螺钉孔；403第一阴极连接件锥面；501-第二阴极连接件通气孔；502-第二阴极连接件安装孔；503-第二阴极连接件轴。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，如图1所示，包括阳极1、阴极2、绝缘体3、第一阴极连接件4、第二阴极连接件5、中间连接件6、绝缘套7和阳极连接件8。

该磁等离子体推力器整体为圆柱形结构，如图2和图3所示，外部从左向右依次包括：中间连接件6，阳极连接件8和阳极1；

中间连接件6位于该磁等离子体推力器的最左端，为中间有孔的圆盘结构，在圆盘上对称安装六个绝缘套7，每个绝缘套7内通过螺钉和阳极连接件8相连，使得阳极连接件8和中间连接件6之间留有空隙，保证阳极连接件8与中间连接件6绝缘。

阳极连接件8为两侧带有对称边缘的圆环，每侧边缘上相同位置处均开有对称的六个安装孔，且六个安装孔的位置与绝缘套7的安装位置对应；左侧边缘通过六个安装孔与中间连接件6相连；右侧边缘通过六个螺栓相连阳极1；

阳极1位于磁等离子体推力器的最右端，阳极1左端设有与阳极连接件8相同尺寸的边缘，且开有与阳极连接件8相同的六个安装孔，通过螺栓与阳极连接件8相连，且径向配合安装；

磁等离子体推力器整体内部从左向右依次为第二阴极连接件5，第一阴极连接件4，绝缘体3和阴极2。且第二阴极连接件5，第一阴极连接件4，阴极2和阳极1同轴配合；

第二阴极连接件5为空心阶梯轴结构，如图6所示，从左侧开始，第一个阶梯轴直径最小，且为带有外螺纹，用于安装供气接头；第二阶梯轴直径略大，用于与供电装置配合；然后是轴肩结构，轴肩结构上沿圆周开有6个对称第二阴极连接件安装孔502，通过螺钉配合安装，用于固定第一阴极连接件4和第二阴极连接件5；在轴肩结构右侧为第二阴极连接件轴503，第二阴极连接件轴503的外径与第二阶梯轴外径相同，且第二阴极连接件轴503与第一阴极连接件4径向配合。

第一阴极连接件4，如图5所示，包括第一阴极连接件孔401和第一阴极连接件锥面403两部分；在第一阴极连接件孔401凸缘上开有对称6个第一阴极连接件螺钉孔402，其位置与第二阴极连接件轴肩结构上的6个第二阴极连接件安装孔502一一对应，用于安装螺钉，从而将第一阴极连接件4和第二阴极连接件5固定在一起；同时，第二阴极连接件轴503径向配合安装在第一阴极连接件孔401；第一阴极连接件孔401紧挨第一阴极连接件锥面403，第一阴极连接件锥面403开有锥度为5°的锥型孔，用于配合安装阴极2，同时第二阴极连接件轴503右端压紧阴极2尾部，保证阴极2和第一阴极连接件4的锥面配合有足够的压力，避免松动。

中间连接件6压在第一阴极连接件4的凸缘上，通过中间连接件6边缘的螺钉产生的拉力，第二阴极连接件5和第一阴极连接件4均被紧紧压在绝缘体3上；

绝缘体3卡套在阳极连接件8内部，且阳极连接件8与绝缘体3径向配合；绝缘体3整体为圆筒状，在内部卡有一个圆环，圆环的右端与阳极1配合安装；圆环左端与第一阴极连接件4径向配合安装，第一阴极连接件4卡在绝缘体3的圆环左端内，且绝缘体3的圆环和第一阴极连接件锥面403内部共同卡有阴极1。

阴极2为空心阴极，如图4所示，阴极2尾部为内径较大的阴极大孔201，形成较大的空腔，保证推进剂能分布更加均匀；阴极2外侧分为圆锥段和圆柱段；阴极大孔201外表面设计为锥型，阴极锥面202锥度为5°，阴极锥面202和第一阴极连接件锥面403通过5°锥角紧密配合，且配合锥面圆锥的尖端方向指向阴极尖端，从圆柱段到圆锥段设有阴极台阶203，也就是阴极尾部和阴极尖端之间重合部分形成阴极台阶203，且阴极尾部和阴极尖端的长度比为2:3，阴极台阶203的高度为1mm。

阴极锥面202的最小段直径比端部圆柱段直径大2mm，这样的结构能够防止阴极受热后圆柱段与第一阴极连接件4接触和挤压而导致较大的热变形；同时阴极台阶203可以避免阴极2表面出现变形以后无法通过第一阴极连接件4而不能拆卸。

阴极尖端圆柱段外径为16mm，端部开有9个阴极小孔204，每个阴极小孔204内径为2mm；能够使得阴极的电流发射面积大大提高，整个阴极2的电流发射能力大大增强；其中，中心1个阴极小孔204，周围8个阴极小孔204均匀分布；9个阴极小孔204的轴线都在以阴极2轴心为圆心，10mm为直径的圆柱面上；这样的设计可以保证每个阴极小孔204之间的壁厚相同，在提高发射面积的同时保证了阴极2的壁厚不至于太薄，从而提高其耐烧蚀的能力。

绝缘体与阴极和阳极同轴，阴极和阳极之间通过绝缘体进行定位；阳极连接件和中间连接件之间通过绝缘套绝缘；从而保证阳极和中间连接件绝缘，中间连接件固定压紧第一阴极连接件，从而接触阴极，绝缘套保证了阴极和阳极之间绝缘；从而保证发动机正常工作，所以绝缘体是为了保证发动机能正常工作必不可少的部件。

所述阳极1通过螺钉与阳极连接件8相连，而且径向配合安装；阳极连接件8与绝缘体3径向配合，绝缘体3与第一阴极连接件4径向配合；第一阴极连接件4和阴极2通过锥面连接保证同心，这样就可以保证阴极2和阳极1有较好的同轴度；阳极连接件8左端通过螺钉与中间连接件6相连，螺钉和中间连接件6之间有绝缘套7，使得阳极连接件8和中间连接件6绝缘，进而保证阴阳极之间绝缘；中间连接件6将第一阴极连接件4压紧在绝缘体3上，第二阴极连接件5通过6个螺钉固定在第一阴极连接件4上，并且压紧阴极2；这种连接方式能有效防止阴极2因为高温膨胀挤压第二阴极连接件5而引起锥面配合的松动。

第二阴极连接件5除了压紧阴极2之外还是推进剂供给通道，其左端有外螺纹，用来安装推进剂供给管路接头，推进剂通过第二阴极连接件5中间的孔进入空心阴极大孔201，在阴极大孔201中流过一定距离后以相对均匀的分布进入阴极小孔204，然后从阴极2端部排出进入放电腔。

阴极2是整个推力器中最容易损毁的部件，所以阴极2常常需要更换，在本发明的设计中充分考虑了阴极2的可更换性：将第二阴极连接件5取出后，只要在阴极2右端施加一定的压力就可以将阴极2从第一阴极连接件4中取出。

Claims (7)

1.一种带有锥型多孔空心阴极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形结构，外部从左向右依次包括：中间连接件，阳极连接件和阳极；

中间连接件为中间有孔的圆盘结构，在圆盘上对称安装有若干绝缘套，每个绝缘套内通过螺钉和阳极连接件相连，使得阳极连接件和中间连接件之间留有空隙，保证阳极连接件与中间连接件绝缘；同时，阳极连接件右侧与阳极相连；阳极与阳极连接件径向配合安装；

磁等离子体推力器整体内部从左向右依次为第二阴极连接件，第一阴极连接件，绝缘体和阴极；且第二阴极连接件，第一阴极连接件，阴极和阳极同轴配合；

第二阴极连接件固定连接第一阴极连接件，第一阴极连接件锥面开有锥度为5 º的锥型孔，用于配合安装阴极；同时，第二阴极连接件轴右端压紧阴极尾部，保证阴极和第一阴极连接件的锥面配合有足够的压力，避免松动；

中间连接件压在第一阴极连接件的凸缘上，通过中间连接件边缘的螺钉产生的拉力，第二阴极连接件和第一阴极连接件均被紧紧压在绝缘体上；

绝缘体卡套在阳极连接件内部，径向配合安装；绝缘体两端同时配合安装阳极和第一阴极连接件，且绝缘体和第一阴极连接件锥面卡有阴极；

阴极为空心阴极，阴极尾部的空腔为阴极大孔，且阴极大孔外表面设计为锥型，阴极锥面锥度为5 º，阴极锥面和第一阴极连接件锥面通过5 º锥角紧密配合，且配合锥面圆锥的尖端方向指向阴极尖端，阴极尾部和阴极尖端之间形成阴极台阶；阴极台阶避免阴极表面出现变形以后无法通过第一阴极连接件而不能拆卸。

2.如权利要求1所述的一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的第二阴极连接件为空心阶梯轴结构，从左侧开始，第一个阶梯轴直径最小，且带有外螺纹，用于安装供气接头；第二个阶梯轴直径略大，用于与供电装置配合；然后是轴肩结构，轴肩结构上沿圆周对称开有6个第二阴极连接件安装孔，通过螺钉配合安装，用于固定第一阴极连接件和第二阴极连接件；在轴肩结构右侧为第二阴极连接件轴，第二阴极连接件轴与第一阴极连接件径向配合。

3.如权利要求1所述的一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的第一阴极连接件，包括第一阴极连接件孔和第一阴极连接件锥面两部分；在第一阴极连接件孔凸缘上对称开有6个第一阴极连接件螺钉孔，与第二阴极连接件轴肩结构上的6个第二阴极连接件安装孔一一对应；同时，第二阴极连接件轴径向配合安装在第一阴极连接件孔。

4.如权利要求1所述的一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的绝缘体整体为圆筒状，在内部卡有一个圆环，圆环一端与阳极配合安装；圆环另一端与第一阴极连接件径向配合安装，第一阴极连接件卡在绝缘体的圆环左端内，且绝缘体的圆环和第一阴极连接件锥面内部共同卡有阴极。

5.如权利要求1所述的一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，其特征在于，所述的阴极外侧分为圆锥段和圆柱段；阴极圆锥段和圆柱段的长度比为2:3。

6.如权利要求1所述的一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，其特征在于，所述阴极锥面的最小段直径比端部圆柱段直径大2mm，防止阴极受热后圆柱段与第一阴极连接件接触和挤压而导致较大的热变形。

7.如权利要求1所述的一种带有锥型多孔空心阴极的磁等离子体推力器，其特征在于，所述阴极尖端圆柱段外径为16mm，端部开有9个阴极小孔，每个阴极小孔内径为2mm，使得阴极的电流发射面积大大提高，整个阴极的电流发射能力大大增强；9个阴极小孔的轴线都在以阴极轴心为圆心，10mm为直径的圆柱面上；保证每个阴极小孔间的壁厚相同，在提高发射面积的同时保证了阴极的壁厚不太薄，从而提高其耐烧蚀的能力。