CN110553846B - 一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体及装配方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体及装配方法，包括：真空腔体、耐溅射保护板、槽钢、进出水管道。n块耐溅射保护板周向均布拼接形成横截面为n边形结构，耐溅射保护板通过槽钢固定连接真空腔体的内壁，真空腔体的内壁为弧面。槽钢朝向真空腔体的端面加工有凹槽。凹槽和真空腔体内壁封闭而成的腔体作为冷水管路；真空腔体壁面在开有通孔，进出水管道的一端通过真空腔体壁面的通孔连通冷水流道，进出水管道的另一端连接外部冷水循环系统。本发明提供了一种可替换式耐溅射散热装置，具有结构简单、制造成本低、可靠性风险低、维护简单等多方面优点。

Description

一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体及装 配方法

技术领域

本发明涉及一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体及装配方法，属于真空试验技术领域。

背景技术

为了提高人造航天器推进系统的比冲，从而降低航天器的重量、提高航天器的寿命，人们提出了电推进的概念。电推进是航天器利用电能转化为推进剂的动能的推进技术。与化学推进技术相比，电推进不受推进剂化学能的限制，主要靠电能给推进剂提供能量，摆脱了化学能的限制，因此通过增加向单位质量的推进剂提供的能量，有可能产生比化学推进大的多的排气速度或比冲。因此电推进系统可节省推进剂，提高航天器的有效载荷。电推进系统的排气速度可以达到几十千米每秒。电推进的高比冲使得航天器对推进剂的需求量大大减少，在同样工作寿命条件下能增加卫星的有效载荷，或在由效载荷不变的条件下，可以提高航天器寿命。

目前，发展最为成熟的电推力器有离子推力器和霍尔推力器两种，这两种电推力器通常采用氙作为推进剂，通过将电能转化为氙离子的动能，使得航天器获得与氙离子运动方向相反的动量。

电推力器的地面点火试验必须在无油大型高真空腔体内进行。无油大型高真空系统，一般采用低温泵作为主抽泵。

电推力器排出的高能氙离子以极高的速度轰击真空腔体内表面，由于真空腔体通常为钢或不锈钢材料，铁元素在高能氙离子的轰击下，会出现严重的溅射和沉积过程，被溅射出的金属原子会大量沉积在真空腔体内所有物体的表面，如果沉积到电推力器上，会导致产品绝缘失效等严重后果。而且，电推力器排出的高能氙离子轰击真空腔体内壁的过程，实际上就是将电能转化为热能的过程，会导致真空腔体壁温度升高，长时间点火甚至可能会严重影响真空系统主泵——低温泵的正常工作。

目前比较常见的真空系统内部温度控制技术为热沉系统。传统热沉系统包括制冷机、制冷剂循环管路、真空腔体内热沉等组成。应用于电推力器点火试验的热沉系统的制冷剂循环管路通常用设计成“鸟笼”状，由大量不锈钢管焊接而成，内侧敷设钛板作为耐溅射层，避免高能氙离子直接轰击真空腔体不锈钢内表面。传统热沉最初并不是为电推力器点火试验所设计，其本来目的是进行高低温热真空试验，其具有变温范围宽、结构复杂、生产及维护成本高等特点，但是其较宽的变温范围对于电推力器地面点火试验来说并没有太大意义，因为电推力器地面点火试验所需的散热功率只需大于等于电推力器自身的电功率即可，没必要达到零下几十度的极低温度，因此电推力器点火试验真空腔体内采用传统热沉方案实际上是一种极大的浪费。为了避免不必要的浪费，需要针对电推力器地面点火试验的特殊性，重新设计散热结构，以达到大幅节省成本、提高性价比、降低制造难度、缩短生产周期、降低维护成本等目的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体及装配方法，解决了传统“鸟笼”式热沉系统结构复杂、生产成本高、生产时间长等问题。

本发明的技术方案是：

一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体，包括：真空腔体、耐溅射保护板、槽钢、进出水管道；

n块耐溅射保护板周向均布拼接形成横截面为n边形结构，所述耐溅射保护板通过槽钢固定连接所述真空腔体的内壁，所述真空腔体的内壁为弧面；n为正整数；

所述槽钢朝向所述真空腔体的端面加工有凹槽，所述凹槽和所述真空腔体内壁封闭而成的腔体作为冷水流道；

所述真空腔体壁面开有通孔，进出水管道的一端通过所述真空腔体壁面的通孔连通所述冷水流道，所述进出水管道的另一端连接外部冷水循环系统。

所述冷水流道和所述出水管道的连通关系为a形式或b形式，具体如下：

a)所述真空腔体壁面设置有两个进出水管道，两两相邻的槽钢凹槽互相连通形成S形冷水流道，所述S形冷水流道的头尾均设置有一个进出水管道，所述两个进出水管道中的任意一个作为所述冷水流道的出水口，其余一个作为所述冷水流道的进水口；

b)两两相邻槽钢的凹槽互不连通，每个槽钢凹槽的两端均设置有两个进出水管道，两相邻槽钢的冷水流道中的冷水流向相同。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明结构简单，只会用到槽钢和钛板两种原材料，而且两种原材料都只需要一种规格。槽钢直接焊接在真空腔体内壁上，完全不需要机械支撑结构；

2)本发明制造成本极低，原材料规格统一，原材料二次加工工序较少；不需单独设计机械支撑结构；用普通的循环水制冷机取代复叠制冷机和浴油循环设备，因此制造成本极低，仅有传统热沉的1/3左右；

3)本发明可靠性高，风险低。传统热沉采用铜管作为循环工质流道，由于铜管原材料长度有限，因此在制造热沉过程中不可避免的要用锡焊的方法来焊接铜管。真空腔体内部众多的钎焊焊接接头长期处于电推力器产生的高能粒子环境中，循环工质泄露的风险极高。而本方案采用氩弧焊方法将槽钢直接焊接在真空腔体内壁上，焊缝强度高，而且焊缝完全被钛板遮挡，高能粒子无法对焊缝造成损伤，因此循环工质泄漏的风险大幅下降；

4)本发明更换钛板极为方便。所有钛板的尺寸规格完全一致，而且每一块钛板都是由钛螺钉或者钛抽芯铆钉固定，拆卸和安装都非常容易；

5)本发明冷却水流道是由较厚的不锈钢槽钢构成，完全被钛板遮挡，高能离子无法直接轰击槽钢表面，不存在冷却水泄漏到真空腔体内的隐患。

附图说明

图1为本发明轴向局部剖面图；

图2为传统“鸟笼”形热沉示意图；

图3为本发明槽钢和钛板装配图；

图4为本发明一实施例槽钢结构示意图；

图5为本发明一实施例钛板开孔示意图；

图6为本发明真空腔体开孔示意图；

图7为本发明焊接进/出水口示意图；

图8为本发明槽钢焊接示意图；

图9为本发明钛板装配图；

图10为本发明多个单元装配图；

图11为本发明真空腔体结构图。

具体实施方式

本发明针对电推进产品地面点火试验对防溅射以及散热两方面的需求，完全抛弃了如图2所示的传统热沉方案，创造性地设计了一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体及装配方法，如图1所示，具有很强的原创性。

本发明充分考虑到电推进产品寿命测试对测试设备需求的特点，有针对性地设计了可替换式耐溅射散热装置，将槽钢3这种最普通、最廉价的钢铁材料大胆应用到新兴的电推进产品的地面点火试验设备中，彻底放弃了传统的用于热真空试验的热沉系统方案，本发明具有结构简单、制造成本低、可靠性风险低、维护简单等多方面优点。

制造过程简单。只涉及铣加工和氩弧焊两个工种；槽钢3及钛板的尺寸规格完全统一，批量加工成本低；

钛板的安装和更换过程简单。在安装钛板时，只需使用扳手拧紧固定钛板的螺钉即可；当发现钛板由于长期点火试验而大量损耗时，只需拆下需要替换的钛板，然后安装上相同规格的全新钛板即可完成维护工作。

冷却水流道不易被高能离子击穿。传统热沉中有大量管道，这些管道只要有暴露在电推力器羽流中的部位，经过长时间高能离子的轰击之后，暴露部位就有可能被击穿，冷却水流入真空腔体1内从而造成严重的真空事故。而本发明中，冷却水流道是由较厚的不锈钢槽钢3构成，而且完全被钛板遮挡，高能离子无法直接轰击槽钢3表面，因此本发明不存在冷却水泄漏到真空腔体1内的隐患。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体，包括：真空腔体1、耐溅射保护板2、槽钢3、冷水流道4、进出水管道5。

如图10所示，n块耐溅射保护板2周向均布拼接形成横截面为n边形结构，所述耐溅射保护板2通过槽钢3固定连接所述真空腔体1的内壁，所述真空腔体1的内壁为弧面；n为正整数；

所述槽钢3朝向所述真空腔体1的端面加工有凹槽，所述凹槽和所述真空腔体1内壁封闭而成的腔体作为冷水流道4；

所述真空腔体1壁面开有通孔，进出水管道5的一端通过所述真空腔体1壁面的通孔连通所述冷水流道4，所述进出水管道5的另一端通过法兰结构连接外部冷水循环系统。

所述耐溅射保护板2的材料为钛合金，所述耐溅射保护板2厚度的取值范围为0.5～5mm。所述槽钢3的厚度大于所述耐溅射保护板2的厚度。所述真空腔体1的轴线长度大于所述真空腔体1的直径的1.5倍以上。所述真空腔体1的横截面为圆形。

所述耐溅射保护板2由m个钛板沿真空腔体1轴向长度方向拼接而成，所述槽钢3由m个结构块沿真空腔体1轴向长度方向拼接而成；m为正整数。

所述n个槽钢3安装在真空腔体内壁且周向均布。

根据电推力器点火试验的热负荷，所述冷水流道4和所述出水管道5的连通关系为a形式或b形式，具体如下：

a)所述真空腔体1壁面设置有两个进出水管道5，两两相邻的槽钢3凹槽互相连通形成S形冷水流道4，所述S形冷水流道4的头尾均设置有一个进出水管道5，所述两个进出水管道5中的任意一个作为所述冷水流道4的出水口，其余一个作为所述冷水流道4的进水口；所有槽钢3形成的冷水流道4之间类似于串联，相邻两根槽钢3内水流方向相反。这种连接方法无法应对过大的热负荷，因为靠近出水口的水温一定比附近的水温高。但优点是工程量小。

b)两两相邻槽钢3的凹槽互不连通，每个槽钢3凹槽的两端均设置有两个进出水管道5，两相邻槽钢3的冷水流道4中的冷水流向相同。所有槽钢3形成的冷水流道4之间类似于并联，所有槽钢3内水流方向一致，且温度一致。虽然这种连接方式能够应付比较大的热负荷，但是管路复杂，工程量较大。

进出水管道5一端连接所述通孔，所述冷水流道4的两端分别穿过所述真空腔体1上的通孔，通过所述进出水管道5连接外部冷水循环系统。

一种加工装配如上述用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体的装配方法，具体包括步骤如下：

1)加工槽钢3及耐溅射保护板2

加工多个结构尺寸一致的结构块沿真空腔体1轴向长度方向拼接成槽钢3，所述结构块上等间距焊接一对螺纹孔固定块，然后对所述结构块进行铣加工成形处理，保证槽钢3与耐溅射保护板2安装面的平面度；同时，加工多块结构尺寸一致的钛板；

2)钻孔

在真空腔体1壁面钻出多个通孔；

3)焊接管道

在所述步骤2)钻出的通孔上焊接不锈钢管作为进出水管道5；

4)焊接槽钢

采用氩弧焊方法将槽钢3直接焊接在真空腔体1内壁上，槽钢3加工有凹槽的一侧朝向所述真空腔体1且使所述步骤2)钻出的通孔完全被槽钢3覆盖；槽钢3的两端用小块钢板封闭；

5)安装钛板

采用标准连接件分别将钛板固定在所述槽钢3的表面，使m个钛板拼接成n块耐溅射保护板2，所述n块耐溅射保护板2周向均布拼接成n边形结构，所述耐溅射保护板2完全遮挡所述步骤4)焊接槽钢3的焊缝。

实施例

一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体产品总长度为6m，真空腔体1的内径为3m。耐溅射保护板2完全覆盖真空腔体1直段的内表面，耐溅射保护板2由一百多块钛板拼接而成，每块钛板的结构尺寸完全一致。槽钢3焊接安装在真空腔体1的内壁，沿轴向方向周向均布多根冷水流道4。耐溅射保护板2将真空腔体1周向等分成24个单元，每个单元15度圆心角。15度圆心角在1.5m半径位置的弦长为391.6mm。由于需要为散热层预留一定空间，钛板宽度应比理论计算值略小，由此确定如图3所示，钛板宽度为390mm，钛板长度1000mm。真空腔体1周向共设置有24根槽钢3，真空腔体1共安装钛板144块，如图11所示。

1)加工槽钢3及钛板

在120mm宽度的槽钢3上每隔100mm焊接一对螺纹孔固定块，然后对槽钢3进行铣加工，要求整体厚度为14.5mm，如图3所示，并且保证槽钢3平整面的平面度。具体产品的槽钢3及钛板外形尺寸如图4和图5所示。

2)钻孔

在已经成型的真空腔体1两端相应位置钻孔，每隔15度在两端各钻一个孔，共48个孔，用于下一步焊接进出水管道5。如图6所示。

3)焊接管道

每个孔焊接一段适当长度的不锈钢管作为进出水管道5，不锈钢管的自由端为法兰结构，如图7所示。

4)焊接槽钢3

如图8所示，采用氩弧焊方法，将槽钢3沿轴向焊接在真空腔体1内壁上，槽钢3将进、出水口盖住，槽钢3两端用不锈钢板封住。焊后对焊缝进行检漏。

5)安装钛板

如图9所示，用M3钛螺钉或者钛合金抽芯铆钉将钛板固定在槽钢3上。每块钛板由20个螺钉固定在槽钢3上，能够保证钛板与槽钢3平面之间良好接触以保证散热效果。

本发明虽然牺牲了热沉系统具有的部分优势，但是设计方案具有很强的针对性，能够完全满足电推进地面点火试验的耐溅射以及散热需求，并且能够大幅降低制造成本，避免了不必要的浪费。以内径3m，直段长度6m的真空腔体1为例，如果采用传统热沉方案，成本约为300万元，采用本方案能够节约资金200万元左右，成本只有热沉方案的30％左右。因此本发明具有很强的市场竞争力。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体，其特征在于，包括：真空腔体(1)、耐溅射保护板(2)、槽钢(3)、进出水管道(5)；

n块耐溅射保护板(2)周向均布拼接形成横截面为n边形结构，所述耐溅射保护板(2)通过槽钢(3)固定连接所述真空腔体(1)的内壁，所述真空腔体(1)的内壁为弧面；n为正整数；

所述槽钢(3)朝向所述真空腔体(1)的端面加工有凹槽，所述凹槽和所述真空腔体(1)内壁封闭而成的腔体作为冷水流道(4)；

所述真空腔体(1)壁面开有通孔，进出水管道(5)的一端通过所述真空腔体(1)壁面的通孔连通所述冷水流道(4)，所述进出水管道(5)的另一端连接外部冷水循环系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体，其特征在于，所述冷水流道(4)和所述出水管道(5)的连通关系为a形式或b形式，具体如下：

a)所述真空腔体(1)壁面设置有两个进出水管道(5)，两两相邻的槽钢(3)凹槽互相连通形成S形冷水流道(4)，所述S形冷水流道(4)的头尾均设置有一个进出水管道(5)，所述两个进出水管道(5)中的任意一个作为所述冷水流道(4)的出水口，其余一个作为所述冷水流道(4)的进水口；两相邻槽钢(3)的冷水流道(4)中的冷水流向相反；

b)两两相邻槽钢(3)的凹槽互不连通，每个槽钢(3)凹槽的两端均设置有两个进出水管道(5)，两相邻槽钢(3)的冷水流道(4)中的冷水流向相同。

3.根据权利要求2所述的一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体，其特征在于，所述耐溅射保护板(2)的材料为钛合金，所述耐溅射保护板(2)厚度的取值范围为0.5～5mm。

4.根据权利要求3所述的一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体，其特征在于，所述槽钢(3)的厚度大于所述耐溅射保护板(2)的厚度。

5.根据权利要求4所述的一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体，其特征在于，所述耐溅射保护板(2)由m个钛板沿真空腔体(1)轴向长度方向拼接而成，所述槽钢(3)由m个结构块沿真空腔体(1)轴向长度方向拼接而成；m为正整数。

6.根据权利要求5所述的一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体，其特征在于，n个槽钢(3)安装在真空腔体内壁且周向均布。

7.根据权利要求6所述的一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体，其特征在于，所述真空腔体(1)的轴线长度大于所述真空腔体(1)的直径的1.5倍以上。

8.根据权利要求7所述的一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体，其特征在于，所述真空腔体(1)的横截面为圆形。

9.根据权利要求8所述的一种用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体，其特征在于，所述真空腔体(1)的内径为3米，所述真空腔体(1)的轴线长度为6米。

10.一种装配如权利要求6所述的用于电推力器点火试验的可替换式耐溅射真空腔体的装配方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)加工槽钢(3)及耐溅射保护板(2)

加工多个结构尺寸一致的结构块沿真空腔体(1)轴向长度方向拼接成槽钢(3)，所述结构块上等间距焊接一对螺纹孔固定块，然后对所述结构块进行铣加工成形处理，保证槽钢(3)与耐溅射保护板(2)安装面的平面度；同时，加工多块结构尺寸一致的钛板；

2)钻孔

在真空腔体(1)壁面钻出多个通孔；

3)焊接管道

在所述步骤2)钻出的通孔上焊接不锈钢管作为进出水管道(5)；

4)焊接槽钢

采用氩弧焊方法将槽钢(3)直接焊接在真空腔体(1)内壁上，槽钢(3)加工有凹槽的一侧朝向所述真空腔体(1)且使所述步骤2)钻出的通孔完全被槽钢(3)覆盖；

5)安装钛板

采用标准连接件分别将钛板固定在所述槽钢(3)的表面，使m个钛板拼接成n块耐溅射保护板(2)，所述n块耐溅射保护板(2)周向均布拼接成n边形结构，所述耐溅射保护板(2)完全遮挡所述步骤4)焊接槽钢(3)的焊缝。

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