CN107218187B - 一种磁等离子体推力器的阳极水冷结构 - Google Patents

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Abstract

该发明属于电推进推力器设计领域，是一种用于磁等离子体推力器的阳极水冷结构。主要用于解决磁等离子体推力器的阳极热防护问题。所述阳极水冷结构由阳极和阳极水冷外壳构成环形冷却通道，利用焊接在通道内部的隔板和导流板迫使冷却水在环形的冷却通道内“S形”流动，既增加了冷却水的滞留时间又增强了涡流，提高了冷却水的利用效率和换热的均匀性。所述水冷结构带走了集中沉降在推力器阳极上的大量热量，防止电极结构由于过热而失效，减轻电极烧蚀现象，显著提高磁等离子体推力器的单次工作时间和寿命。

Description

一种磁等离子体推力器的阳极水冷结构
所属技术领域
本发明属于电推进推力器设计领域，涉及一种用内冷却通道方式对阳极进行冷却的水冷结构。
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。
磁等离子体推力器是电推进的一种，利用磁场和电场产生的洛伦兹力对推进剂电离气体进行加速，又被称为洛伦兹力加速器。磁等离子体推力器容易实现与高的核电功率结合、小型化以及能够提供比其他电推力器更大量级的推力，被认为是未来深空探测的最佳推进方案之一。
磁等离子体推力器在工作过程中，会有50％～70％的能量损失在阳极上，这些能量最终会转化成热能。在推力器功率低的情况下，通过辐射冷却可以有效散热，然而在高功率的情况下，冷却效率更高的水冷就显示出巨大的优势。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于设计一种水冷结构，对磁等离子体发动机热沉降最为严重的阳极进行冷却，保证发动机工作安全可靠，延长发动机的工作时间和使用寿命，并尽可能减小对发动机径向布置的影响。
本发明所述的磁等离子体发动机阳极水冷结构由阳极、阳极水冷外壳、导流板、隔板组成。所述阳极是水冷结构的主要冷却对象，同时也与阳极水冷外壳一起作为水冷腔体的内壁，两者之间在周向采用焊接形成可靠连接并起到密封作用。阳极和阳极水冷外壳围成的环形空腔形成了水冷腔的主要轮廓。所述导流板共有七块，用焊接方式与阳极连接，与隔板一起将水冷腔体分为八部分，每两块板之间的夹角为45度。位于阳极冷却水入水口和出水口正中间的隔板将水冷腔完全隔开。其余7块导流板前后交错地留出空隙，迫使冷却水进出水冷腔后以“S形”路径通过环形的水冷腔道，增加冷却水的驻留时间和流经长度，达到更好的换热效果。所述导流板中，空隙位于推力器出口方向的4块导流板与阳极水冷外壳相接触的那端被削去了一个角，保证端部不会因为热变形而产生强烈的应力集中，避免结构失效。空隙位于推力器入口方向的3块导流板没有采取类似措施的原因是它们的端部距离推力器出口相对较远，温度较低，热应力较小。
本发明的优点在于
1.导流板的设计：导流板引导水流在阳极的环形腔体中做“S形”流动，增加了冷却水的行程和滞留时间，提高了冷却水的利用效率。同时这种“S形”流动能够诱发冷却水中产生涡流，使得换热更加均匀，同时增强对流换热效果。
2.进水方式的设计：阳极水冷腔道没有采用常用的“下方进水、上方出水”形式，而是同时从阳极上方进出水。两个水口之间用隔板完全隔开，形成环形腔体，增大了冷却水的滞留时间，提高了冷却水的利用效率。采用轴向进出水方式，减小对推力器径向设计的干扰。
3.密封设计：多处利用了焊接的方式进行可靠连接，能够有效防止漏水的发生，同时也使得设计更加简洁美观。
4.减小应力以提高可靠性：阳极的导流板削去一角，将应力集中的部位转移至原本应力较小的区域，平衡了各区域的应力，有效减轻了应力集中。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为使用本专利所述水冷结构的磁等离子体推力器的三维剖视图，可以看到阳极水冷结构就是阳极水冷外壳15和阳极16以及其中的隔板和导流板所组成的组合体。
图中，
1.导流板 2.螺母 3.空心阴极 4.阴极入水管
5.阴极连接件 6.阴极出水管 7.阴极水冷外壳 8.螺栓
9.绝缘套筒 10.外部固定件 11.中间连接件 12.阳极推进剂入口
13.螺钉 14.绝缘陶瓷 15.阳极水冷外壳 16.阳极
图2为阳极水冷结构示意图，包括三视图和立体图。为了观察方便，此处将阳极水冷外壳隐去不画。
图中，
201.螺纹孔 202.冷却水入水口 203.冷却水出水口 204.隔板(1块)
205.水冷通道 206.导流板(7块)
具体实施方式
下面通过具体实例结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
请参照图1，本发明所公开的磁等离子体发动机的装配图，包括：1.导流板2.螺母3.空心阴极4.阴极入水管5.阴极连接件6.阴极出水管7.阴极水冷外壳8,13.螺栓9.绝缘套筒10.外部固定件11.中间连接件12.阳极推进剂入口14.绝缘陶瓷15.阳极水冷外壳16.阳极。所述中间连接件11通过螺栓8、螺母2、绝缘套筒9与外部固定件10相固定，其中外部固定件10与推力器支撑结构固定。所述绝缘套筒9的目的是将外部固定件与推力器绝缘，防止推力器的电力传导至外部导致触电事故。所述阴极连接件5与阴极水冷外壳7、阴极入水管4、阴极出水管6均采用焊接方式连接固定。所述阴极水冷外壳7套入绝缘陶瓷14中，绝缘陶瓷14套入中间连接件11中完成径向固定。所述阳极16通过螺钉13与中间连接件固定。所述阳极冷却外壳15与阳极16通过焊接方式连接并固定。磁等离子体推力器工作时，所述阴极3和阳极16之间通过电弧放电，将从阴极连接件5和阳极推进剂入口12进入的气体推进剂电离，产生炽热的等离子体，再电磁场的作用之下加速并向后喷射出去。本发明所述的阳极水冷结构对应于15、16部分及它们内部围成的水冷通道，下面将对阳极水冷结构进行单独说明。
请参照图2，本发明所公开的磁等离子体发动机阳极水冷结构图，包括201.螺纹孔202.冷却水入水口203.冷却水出水口204.隔板(1块)205.水冷通道206.导流板(7块)。为了观察方便，结构图中将阳极水冷外壳隐去不画，但其也是阳极水冷结构的一部分。由于电弧附着、粒子轰击与溅射、等离子体的辐射作用，所述阳极16的外表面承受着很高的热量输入。为了便于散热，将阳极制成空心，并将所述隔板204和7块导流板206以均匀的间隔按如图的方式焊接在阳极的空腔中，形成环形的水冷通道205。冷却水在水冷通道中以“S形”流动，既增加了冷却水的停留时间，又有利于产生涡流增强换热效率，带走阳极上的大量热量，保护阳极不会因为过热而失效，减轻阳极的烧蚀现象，延长磁等离子体推力器的使用寿命。

Claims (1)

1.一种用于磁等离子体推力器的阳极水冷结构，其特征在于所述的水冷结构包括阳极(16)、阳极冷却外壳(15)、冷却水入水口(202)、冷却水出水口(203)、隔板(204)、水冷通道(205)、导流板(206)；隔板(204)将冷却通道(205)完全隔开，形成环形的水冷通道，冷却水入水口(202)和冷却水出水口(203)分别位于隔板(204)两侧；若干块导流板(206)前后交错放置，将环形的水冷通道(205)分隔成“S形”的通道；冷却水在“S形”的水冷通道(205)中流动，通过对流换热将阳极的热量带走； 所述导流板为平行四边形或有缺角的平行四边形；采用轴向进出水的方式；所述阳极(16)、阳极冷却外壳(15)、隔板(204)、导流板(206)的材料为金属铜；所述阳极(16)与阳极冷却外壳(15)、隔板(204)、导流板(206)的连接方式采用焊接。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109630368A (zh) * 2018-11-28 2019-04-16 北京控制工程研究所 大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构
CN110067712B (zh) * 2019-06-05 2024-03-26 中国人民解放军国防科技大学 一种感生轴向磁场的磁等离子体推力器
CN110705008B (zh) * 2019-08-16 2021-03-26 北京航空航天大学 一种等离子体涡旋驱动装置的附加磁场位型的优化方法
CN111022275B (zh) * 2019-12-23 2020-12-29 北京航空航天大学 一种磁等离子体推力器的阳极结构及磁等离子体推力器
CN111779645A (zh) * 2020-05-26 2020-10-16 北京控制工程研究所 大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构
CN112483341B (zh) * 2020-11-25 2022-06-14 哈尔滨工业大学 霍尔推力器导热支架及含有该支架的霍尔推力器
CN112689345B (zh) * 2020-12-24 2022-09-13 上海空间推进研究所 一种空心阴极感应式加热器和空心阴极结构
CN113993264B (zh) * 2021-11-05 2023-11-14 北京环境特性研究所 一种等离子体炬及其冷却方法
CN114017275B (zh) 2021-11-29 2022-05-17 中国科学院合肥物质科学研究院 一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构
CN115217732A (zh) * 2022-07-29 2022-10-21 兰州空间技术物理研究所 一种大功率霍尔推力器散热装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4431488A (en) * 1980-03-24 1984-02-14 Messerschmitt-Bolkow Blohm Gmbh Heat absorber structure, particularly a plasma beam absorber and method of manufacturing the structure
JPH0861220A (ja) * 1994-08-12 1996-03-08 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd アークジェットスラスタ
CN102678500A (zh) * 2012-05-10 2012-09-19 北京航空航天大学 一种磁等离子体推力器
CN104454418A (zh) * 2014-11-05 2015-03-25 中国科学院力学研究所 一种可提高运行稳定性的电弧加热发动机
CN205377538U (zh) * 2016-03-14 2016-07-06 杭州德伺麦科技有限公司 一种高效、无焊接的水冷永磁交流伺服电机的机壳

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4431488A (en) * 1980-03-24 1984-02-14 Messerschmitt-Bolkow Blohm Gmbh Heat absorber structure, particularly a plasma beam absorber and method of manufacturing the structure
JPH0861220A (ja) * 1994-08-12 1996-03-08 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd アークジェットスラスタ
CN102678500A (zh) * 2012-05-10 2012-09-19 北京航空航天大学 一种磁等离子体推力器
CN104454418A (zh) * 2014-11-05 2015-03-25 中国科学院力学研究所 一种可提高运行稳定性的电弧加热发动机
CN205377538U (zh) * 2016-03-14 2016-07-06 杭州德伺麦科技有限公司 一种高效、无焊接的水冷永磁交流伺服电机的机壳

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