CN108216696A - 地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉和冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉，双层防溅射分子沉结构的制冷方法，涉及等离子体空间环境模拟试验设备技术领域。其中，带筒体双层防溅射分子沉，包括双层防溅射分子沉筒体骨架、筒体冷却管板，次端防溅射分子沉和端部防溅射分子沉，双层防溅射分子沉筒体骨架、与筒体骨架连接在一起的筒体冷却管板共同形成筒体，筒体冷却管板围成筒体的内壁，端部防溅射分子沉和次端防溅射分子沉沿筒体轴向排列，端部防溅射分子沉安装在筒体的底端，次端防溅射分子沉安装在筒体的内部。该发明能够解决现有技术中存在的地面电推进试验的防溅射结构的防溅射能力差的技术问题。

Description

地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉和冷却方法

技术领域

本发明涉及等离子体空间环境模拟试验设备技术领域，尤其涉及地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉和具有上述双层防溅射分子沉的地面电推进试验机。

背景技术

与传统化学推力器相比，电推力器具有比冲高、推力小、长寿命等特点，因此电推进可以提高航天器的有效载荷、提高姿轨控精度、大幅提升航天器的寿命，在世界范围内受到广泛的应用。中国的电推力器也经过几十年的研究逐渐成熟，但是电推力器在我国卫星上还没有应用的先例，而且电推力器羽流溅射效应会影响到航天器的使用寿命及航天器温控、光学等部件的正常使用，对航天器的溅射效应是不容忽视的。由于空间羽流实验非常难并且昂贵，研究者们则对离子溅射腐蚀效应进行了长期的地面真空舱实验。但是进行地面真空舱实验中，真空舱壁的背景溅射效果严重影响了实验结果，因此，需要进行防溅射分子沉的合理设计。

电推进羽流地面实验的一个重要前提是保证背景溅射效果尽量小，使得实验环境能够达到规定的指标。国际上一些适用于电推进的大型的真空舱的防溅射靶的设计结构主要有平板式，异形式两种。但是所有的溅射靶都是单层结构。如LEEP2的防溅射靶的结构和Aerospazio公司的LVTF真空舱的防溅射靶均采用平板形式，Alta公司的IV10vacuumchamber的异形防溅射靶采用中间带孔的圆锥体重点防护core part of the beam。

在充分考虑防溅射靶的防溅射效应的同时应考虑溅射靶材的溅射产物的返回量应该尽量少，可以减少对推力器及试验部件的影响，这就需要对防溅射靶的结构进行优化设计从而达到防溅射靶的长寿命及提高试验空间环境的清洁度的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉，以解决现有技术中存在的地面电推进试验的防溅射结构的防溅射能力差的技术问题。

地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉，包括双层防溅射分子沉筒体骨架、筒体冷却管板，次端防溅射分子沉和端部防溅射分子沉，双层防溅射分子沉筒体骨架、与筒体骨架连接在一起的筒体冷却管板共同形成筒体，筒体冷却管板围成筒体的内壁，端部防溅射分子沉和次端防溅射分子沉沿筒体轴向排列，端部防溅射分子沉安装在筒体的底端，次端防溅射分子沉安装在筒体的内部。

本发明地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉的有益效果为：

该双层防溅射分子沉结构，经过了位于筒体底部的端部防溅射分子沉和位于筒体内部的次端防溅射分子沉的吸收，两次吸收，更有效的防止了电推进中由于舱内壁溅射对实验结果的影响。

优选的技术方案，其附加特征在于：端部防溅射分子沉和次端防溅射分子沉和筒体中设有冷却液输液管。

在防溅射分子沉中加入冷却管路，降低壁面温度，吸附羽流中的氙离子及各种溅射成分，起到更好的防溅射效果。

优选的技术方案，其附加特征在于：筒体中的每个冷却液输液管分别固定连接有两个筒体翅片。

进一步优选的技术方案，其附加特征在于：次端防溅射分子沉具有三角形翅片。

具体的，三角形翅片可以为等腰三角形，等腰三角形的底角可以小于10°。次端防溅射分子沉设计的翅片角度可以有效的阻止端部防溅射分子沉溅射返回的产物对流场的影响。

进一步优选的技术方案，其附加特征在于：端部防溅射分子沉具有折角形翅片。

再进一步优选的技术方案，其附加特征在于：折角形翅片的折角为150°，与同一冷却液输液管连接的两个折角形翅片的局部平行设置。

再进一步优选的技术方案，其附加特征在于：冷却液输液管为 316不锈钢管，折角形翅片和三角形翅片为T2紫铜翅片，冷却液输液管分别与折角形翅片和三角形翅片固定连接。

再进一步优选的技术方案，其附加特征在于：三角形翅片的外表面包覆有第一碳毡，筒体翅片和折角形翅片的内表面包覆有第二碳毡。

再进一步优选的技术方案，其附加特征在于：还包括冷却循环系统，冷却循环系统包括冷却系统、筒体管路冷却液控制阀、端部分子沉管路冷却液控制阀、骨架管路冷却液控制阀、低温排液阀、筒体骨架输液管、端部分子沉输液管、筒体输液管，冷却系统通过筒体管路冷却液控制阀连接筒体输液管，冷却系统通过骨架管路冷却液控制阀连接筒体骨架输液管，冷却系统通过端部分子沉管路冷却液控制阀，筒体骨架输液管、端部分子沉输液管、筒体输液管均与低温排液阀连接。

防溅射分子沉的冷却循环管路与舱体外大舱的供液系统相连，方便管路布局及操作，便于与舱体进行同步温度调节。

本发明的另一个目的在于提供一种应用上述的地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉结构的制冷方法，包括以下步骤：

打开筒体管路冷却液控制阀、端部分子沉输液管冷却液控制阀和骨架管路冷却液控制阀，启动冷却循环系统，次端防溅射分子沉和端部防溅射分子沉的冷却液输液管通入冷却液，同时通过冷却液控制阀来调节管路温度及降温速度，当端部防溅射分子沉和次端防溅射分子沉的温度达到最低时，关闭冷却系统控制阀停止冷却液供应；

打开低温排液阀，将次端防溅射分子沉和端部防溅射分子沉的冷却液输液管中的冷却液通过低温排液阀排出，通过观察，待低温排液阀中无冷却液流出时，关闭低温排液阀。

本发明制冷方法的有益效果为：

整个冷却过程中，同时打开端部分子沉输液管冷却液控制阀和骨架管路冷却液控制阀，确保了双层防溅射分子沉中的次端防溅射分子沉和端部防溅射分子沉同时降温。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的双层防溅射分子沉的总体示意图；

图2为本发明中冷却循环示意图；

图3为图1中D-D剖面所示的总管连接示意图；

图4为图1中B-B剖面所示支撑示意图；

图5为图1中C-C剖面所示的管路连接示意图；

图6为图1中A-A剖面所示的双层防溅射分子沉轴向结构示意图；

图7为图6中局部I次端防溅射分子沉单片的结构示意图；

图8为图6中局部II端部防溅射分子沉上侧面翅片的结构示意图；

图9为图6中局部IV筒体翅片的结构示意图；

图10为图1中B向视图；

图11为图6中次端防溅射分子沉与端部防溅射分子沉之间距离 示意图。

各个实施例中所用的附图标记表示的含义如下：

1-双层防溅射分子沉筒体骨架；2-筒体冷却管板；3-支撑滑轮； 4-筒体骨架输液管；5-端部分子沉输液管；6-筒体输液管；7-低温排液阀；801-筒体管路冷却液控制阀；802-端部分子沉管路冷却液控制阀；803-骨架管路冷却液控制阀；9-第一固定块；10-隔热环；11-第一U形螺栓；12-第二固定块；13-第一隔热垫；14- 第二隔热垫；15-第二U形螺栓；16-第三固定块；17-第三隔热垫； 18-第四隔热垫；19-第三U形螺栓；20-次端防溅射分子沉；21- 端部防溅射分子沉；22-冷却液输液管；23-铜质基底；24-石墨涂层；25-端部防溅射分子沉翅片；26-筒体翅片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

实施例一

如图1、图2和图6所示，本发明的一种应用于真空舱内的针对电推进舱内溅射作用的双层防溅射分子沉，包括双层防溅射分子沉筒体骨架1、筒体冷却管板2、支撑滑轮3、次端防溅射分子沉20和端部防溅射分子沉21，防溅射分子沉包括与舱壁相配合的筒体分子沉、端部防溅射分子沉和次端部防溅射分子沉，端部防溅射分子沉21通过螺栓固定于双层防溅射分子沉筒体骨架1上，次端防溅射分子沉 20与双层防溅射分子沉筒体骨架采用一体化设计，次端防溅射分子沉20与端部防溅射分子沉21的距离为2500mm。

如图2所示，双层防溅射分子沉的冷却循环系统包括：冷却系统、筒体管路冷却液控制阀801、端部防溅射分子沉管路冷却液控制阀 802和骨架管路冷却液控制阀803、低温排液阀7以及图1中所示的筒体骨架输液管4、端部防溅射分子沉输液管5和筒体输液管6。冷却系统通过筒体管路冷却液控制阀801连接筒体输液管4，冷却系统通过骨架管路冷却液控制阀803连接筒体骨架输液管4，冷却系统通过端部防溅射分子沉管路冷却液控制阀802，筒体骨架输液管4、端部防溅射分子沉输液管5、筒体输液管6的出口端均与低温排液阀7 连接。冷却循环系统的入口为图1中由下方的筒体骨架输液管4、端部防溅射分子沉输液管5和筒体输液管6组成的管路群，出液口为图1上方的筒体骨架输液管4、端部防溅射分子沉输液管5和筒体输液管6组成的管路群。

如图3所示，筒体骨架输液管4与第一固定块9邻接，第一固定块9中穿有第一U形螺栓11，其中第一U形螺栓9穿在第一固定块 9中的部位上套装有隔热环，第一U形螺栓9的U形底部连接在双层防溅射分子沉筒体骨架1上。

如图4所示，筒体输液管6被第一隔热垫13和第二隔热垫14 夹持，第一隔热垫13和第二隔热垫14被第二U形螺栓15连接在第一固定块12上，第一固定块12支承有端部防溅射分子沉输液管5。

如图5所示，端部防溅射分子沉输液管5被第三隔热垫17和第四隔热垫18夹持，第三隔热垫17和第四隔热垫18被第三U形螺栓 19连接在第三固定块16上，第三固定块16支承有端部分子筒体输液管6。

如图11所示，双层防溅射分子沉筒体包括：直径为Φ3400mm 的环形的双层防溅射分子沉筒体骨架1、通过图10所示的翅片与通体骨架连接在一起的筒体冷却管板2，筒体冷却管板2围成的筒体的外廓的直径为Φ3200mm，长5800mm。筒体通过与双层防溅射分子沉筒体骨架1相连接的支撑滑轮3连接于真空舱内的轨道上，支撑滑轮的结构如图1所示。筒体翅片的内表面包覆有第二碳毡。

如图10所示，筒体中的冷却液输液管22与两个筒体翅片焊接，筒体骨架输液管4、端部防溅射分子沉输液管5、筒体输液管6均为 316不锈钢直管22。相应的，全部的翅片为T2紫铜翅片材质。冷却液输液管22的管尺寸为Φ21mm，壁厚2.2mm，筒体翅片和端部防溅射分子沉翅片的厚度1.5mm，每片的宽110mm。筒体翅片26平面与折面间夹角135°，可以更好的防止缝隙间溅射产物回到主流场中。筒体分子沉的内表面包覆有第二碳毡。

图6所示为图1的A-A剖面所示双层防溅射分子沉轴向结构示意图。端部防溅射分子沉21位于筒体底端，端部防溅射分子沉21 通过螺栓固定于双层防溅射分子沉筒体骨架1上，便于拆装更换。端部防溅射分子沉21结构如图6、图8和图9所示，端部防溅射分子沉21的端部防溅射分子沉翅片25采用“人”字形搭边设计，人字形夹角150°，每片端部防溅射分子沉翅片25的人字形的两部分均与筒体的垂直于轴线的平面之间的夹角为15°，这两种角度都更有利于减少溅射产物对主流场的影响。每根端部防溅射分子沉输液管5 连接有平行的端部防溅射分子沉翅片25的较长部分，两片端部防溅射分子沉翅片25的较长部分与筒体横截面的夹角为15°，两片端部防溅射分子沉翅片25的较长部分再继续向外延伸，延伸相同长度后再分别折角30°，即每片端部防溅射分子沉翅片25的两部分夹角为 150°，相邻的两根端部防溅射分子沉输液管5的相邻的两片端部防溅射分子沉翅片21的较长部分均平行设置，且相邻的两根端部防溅射分子沉输液管5的相邻的两片端部防溅射分子沉翅片21的较短部分，也互相平行，也均与到另外的一片端部防溅射分子沉翅片21的较长部在筒体内壁的周向上有重叠。端部防溅射分子沉的材料与筒体分子沉相同。端部防溅射分子沉翅片的内表面包覆有第二碳毡。

次端防溅射分子沉翅片沿筒体内的周向排列，且均朝向筒体的中轴线，翅片结构如图7，由铜质基底23组成的三角形表面，包裹着冷却液输液管22。该铜质基底24的界面为等腰三角形，等腰三角形的底边与筒体的轴线方向平行，在铜质基底表面附着一层石墨涂层 24，用以减小溅射产物，等腰三角形底角α<10°。端部防溅射分子沉的材料与筒体分子沉相同。

实施例二

应用上述一种双层防溅射分子沉制冷的方法，如图2所示，具体为：

(1)打开筒体管路冷却液控制阀801、端部防溅射分子沉输液管冷却液控制阀802和骨架管路冷却液控制阀803，启动冷却循环系统，向双层防溅射分子沉管路通入冷却液，同时通过打开筒体管路冷却液控制阀801、端部防溅射分子沉输液管冷却液控制阀802和骨架管路冷却液控制阀803来调节管路温度及降温速度，当筒体冷却管板 2、端部防溅射分子沉21和次端防溅射分子沉20的温度达到最低时，关闭冷打开筒体管路冷却液控制阀801、端部防溅射分子沉输液管冷却液控制阀802和骨架管路冷却液控制阀803，停止冷却液供应；

(2)打开低温排液阀7，将筒体输液管6、端部防溅射分子沉输液管5和筒体骨架输液管4中的大量冷却液通过排液阀7排出，通过观察，待排液阀7中无冷却液流出时，关闭低温排液阀7。

整个冷却过程中，确保了双层防溅射分子沉筒体骨架1、筒体冷却管板2、次端防溅射分子沉20和端部防溅射分子沉21同时降温。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。

而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉，其特征在于，包括双层防溅射分子沉筒体骨架(1)、筒体冷却管板(2)，次端防溅射分子沉(20)和端部防溅射分子沉(21)，所述双层防溅射分子沉筒体骨架(1)、与筒体骨架连接在一起的筒体冷却管板(2)共同形成筒体，所述筒体冷却管板(2)围成所述筒体的内壁，所述端部防溅射分子沉(21)和所述次端防溅射分子沉(20)沿筒体轴向排列，端部防溅射分子沉(21)安装在所述筒体的底端，次端防溅射分子沉(20)安装在所述筒体的内部。

2.根据权利要求1所述的地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉，其特征在于，所述端部防溅射分子沉(21)和所述次端防溅射分子沉(20)和所述筒体中设有冷却液输液管(22)。

3.根据权利要求2所述的地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉，其特征在于，所述筒体中的每个冷却液输液管(22)分别固定连接有两个筒体翅片(26)。

4.根据权利要求3所述的地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉，其特征在于，所述次端防溅射分子沉(20)具有三角形翅片。

5.根据权利要求4所述的地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉，其特征在于，所述端部防溅射分子沉(21)具有折角形翅片。

6.根据权利要求5所述的地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉，其特征在于，所述折角形翅片的折角为150°，与同一冷却液输液管连接的两个折角形翅片的局部平行设置。

7.根据权利要求5所述的地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉，其特征在于，所述冷却液输液管(22)为316不锈钢管，所述折角形翅片和所述三角形翅片和所述筒体翅片为T2紫铜翅片，所述冷却液输液管(22)分别与所述折角形翅片和所述三角形翅片固定连接。

8.根据权利要求5所述的地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉，其特征在于，所述三角形翅片的外表面包覆有第一碳毡，所述筒体翅片和所述折角形翅片的内表面包覆有第二碳毡。

9.根据权利要求5所述的地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉，其特征在于，还包括冷却循环系统，所述冷却循环系统包括冷却系统、筒体管路冷却液控制阀(801)、端部分子沉管路冷却液控制阀(802)、骨架管路冷却液控制阀(803)、低温排液阀(7)、筒体骨架输液管(4)、端部分子沉输液管(5)、筒体输液管(6)，所述冷却系统通过所述筒体管路冷却液控制阀(801)连接所述筒体输液管(6)，所述冷却系统通过所述骨架管路冷却液控制阀(803)连接所述筒体骨架输液管(4)，所述冷却系统通过所述端部分子沉管路冷却液控制阀(802)，所述筒体骨架输液管(4)、所述端部分子沉输液管(5)、所述筒体输液管(6)均与所述低温排液阀(7)连接。

10.一种权利要求9所述的地面电推进试验用的带筒体双层防溅射分子沉的制冷方法，包括以下步骤：

打开所述筒体管路冷却液控制阀、所述端部分子沉输液管冷却液控制阀和所述骨架管路冷却液控制阀，启动冷却循环系统，次端防溅射分子沉(20)和端部防溅射分子沉(21)的冷却液输液管(22)通入冷却液，同时通过冷却液控制阀(801、802、803)来调节管路温度及降温速度，当端部防溅射分子沉(21)和次端防溅射分子沉(20)的温度达到最低时，关闭冷却所述筒体管路冷却液控制阀、所述端部分子沉输液管冷却液控制阀和所述骨架管路冷却液控制阀停止冷却液供应；

打开低温排液阀(7)，将次端防溅射分子沉(20)和端部防溅射分子沉(21)的冷却液输液管中的冷却液通过低温排液阀(7)排出，通过观察，待低温排液阀(7)中无冷却液流出时，关闭低温排液阀(7)。