CN110993247A - 一种空间推进地面模拟环境用t级高场超导磁体系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，包括：冷源输运系统(1)、上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统(2)和下部抗羽流共享磁路超导磁体系统(3)；提供一种在将所述的超导磁体从300K到4.2K温区的冷却降温的空间推进地面模拟环境用超导磁体系统。系统应用于大空间真空环境舱室内，用于等离子体的推进；一种空间推进地面模拟环境用超导磁体系统包括上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统、下部抗羽流共享磁路超导磁体系统和多通道长距离低漏热冷源输运系统。

Description

一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统
技术领域
本发明涉及一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，尤其是涉及一种空间推进地面模拟环境特种低温冷却系统，属于超导磁体应用于空间推进地面模拟环境技术领域。
背景技术
目前，空间核电推进系统是一种将核反应堆产生的热能转换成电能并利用电能电离和加速推进剂产生推力的新一代颠覆性空间推进技术，具有高能量密度、大功率、高比冲、长寿命等技术优势，能彻底解决制约大型航天的能源与推进技术瓶颈。空间核电推进将用于载人火星探测、远距离深空探测、星际旅行等航天任务
一种空间推进地面模拟环境是一种用电磁力作用于带电粒子来产生推力的推进新型电推进技术，在比冲(可达10000s)、推力(可达200N)、体积重量上具有较为明显的优势；
前期空间推进地面模拟环境的电磁铁是用绝缘铜线或铝线绕在铁芯上制成的磁体，它在产生强磁场时，因需要在线圈中通入很大的电流，而产生高温，放出巨大热量。由于磁体电阻和磁路损耗，大量电能因转化为热能而被浪费。利用常规导体要得到较强磁场，就得利用导磁率高的磁性铁芯，或是增大线圈匝数和加大电流。然而磁性铁芯的磁化特性有饱和极限且磁性铁芯过重，难以在大范围内产生稳定的强磁场，且增加线圈匝数会使增大体积和重量，同时亦无法在小空间范围内，高效地形成较强磁场。电磁体磁场越强，消耗电能越多，电磁体温度也越高，这将导致铜、铝导线或绝缘体的熔化，给强磁场的应用带来限制。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，制冷机提供冷源维持液氦循环利用形成闭环低温系统，以解决现有技术电磁铁电阻和磁路损耗大，磁性铁芯的磁化特性有饱和极限且磁性铁芯过重，难以在大范围内产生稳定的强磁场，且增加线圈匝数会使增大体积和重量，同时亦无法在小空间范围内，高效地形成较强磁场等特点，要求一种应用于空间推进地面模拟环境的新技术超导磁体具备抵抗高温热负荷要求，同时做到防护高能粒子溅射的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，包括：
冷源输运系统(1)、上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统(2)和下部抗羽流共享磁路超导磁体系统(3)；
所述冷源输运系统(1)上、下端口采用敞口结构，分别与上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统(2)和下部抗羽流共享磁路超导磁体系统(3)连接，所述冷源输运系统(1)的连接管道由内向外形成圆柱型包裹，分三层，最内侧和最外侧采用氩弧密封焊接，中间层采用法兰对接螺钉紧固连接。
进一步的,所述冷源输运系统(1)为多通道长距离低漏热冷源输运系统，包括长距离冷源连接管道(4)、低辐射漏热铜导热法兰连接管道(5)、不锈钢连接管道(6)和长距离低管阻承插式液氦注入管道(7)，低辐射铜导热法兰连接管道(5)设置于不锈钢连接管道(6)和长距离液氦连接管道(4)中间，采用1×10-4Pa以上高真空环境将两者隔开，外表面包裹多层铝箔形成的绝热材料降低辐射漏热，形成漏热小于0.1W低辐射漏热，多通道长距离低漏热冷源输运系统采用多层长距离颈管法兰连接结构，所述长距离是指跨度大于700mm，形成漏热小于0.5W长距离低漏热的输运系统，连通上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统(2)和下部抗羽流共享磁路超导磁体系统(3)。
进一步的，所述长距离低管阻承插式液氦注入管道(7)设置于长距离液氦连接管道(4)内，连接上部冷源供给及控制系统(9)和下部超导磁体及低温组件(14)，长距离低管阻承插式液氦注入管道(7)采用承插式变径结构设计，上半部分采用16mm大口径加压高流速设计，下半部分采用6mm小口径滴液缓流设计，控制管阻在400以内的液氦流通低管阻，减小管损对于冷源的消耗，同时通过上部冷源供给及控制系统(9)内部冷源液面的高度控制下部超导磁体及低温组件(14)冷源流体的压力和流速，最终达到羽流区能量反馈影响最小化，使得整个低温系统稳定的运行。
进一步的，所述的上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统(2)，包括上部冷源供给及控制系统(9)、一级热防护全包裹真空辐射层(10)、二级抗电磁干扰外真空屏蔽层(11)；
上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统通过圆形密封法兰盘(12)安装在大空间真空环境舱室(13)内部顶端；一级热防护全包裹真空辐射层(10)设置于高真空环境中采用薄铜板和多层绝热形成夹层的模式，抗击羽流区产生的辐射、激励和发散造成的损耗，满足不同等离子体速度要求，避免通道出口超高温等离子体对上部冷源供给及控制系统(9)的破坏，二级抗电磁干扰外真空屏蔽层(11)设置于内部高真空和外部大空间低真空环境舱室之间，隔离羽流溅射影响，避免上部冷源供给及控制系统(9)的产生误动作。
进一步的，所述的下部抗羽流共享磁路超导磁体系统(3)，包括下部超导磁体及低温组件(14)、多通道共享磁路推进区(15)；下部抗羽流共享磁路超导磁体系统(3)通过大空间真空环境舱室内部平台(16)安装在舱室中部位置，与大空间真空环境舱室(13)中心同轴，采用推进系统一体化设计，所述推进系统即为超导磁体系统和大空间真空环境舱室形成的电磁推力系统，其中超导线圈浸泡在下部超导磁体及低温组件(14)内部，通电后产生轴向磁场梯度的洛伦兹力，为等离子体形成和随后的加速提供动力，使得电能有效地转化为等离子体的平动能。
进一步的，所述多通道共享磁路推进区(15)为外磁场核心区，能够提高推力和电弧放电的稳定性，分离下部超导磁体及低温组件(14)和多通道共享磁路推进区(15)也能有效阻隔羽流区内因温度上升较大造成的内部液氦的大量蒸发，减少冷却液氦和液氮的消耗，保证超导磁体在无损耗或磁场衰减较慢的状态下运行。
进一步的，所述不锈钢连接管道(6)采用薄壁翻边包裹式氩弧焊，保证热阻最大化，层层套接形成多通道结构。一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，包括多通道长距离低漏热冷源输运系统、上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统和下部抗羽流共享磁路超导磁体系统。
本发明的优点是：
本发明的空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，是一种制冷机作为冷源的低温超导磁体系统，液氦作冷却介质，因此克服了现有技术中液氦挥发造成的高运行成本及使用不便的问题；同时，配备配管和蓄冷系统，分离了液氦输入区和液氦工作区，采用多通道长距离低漏热冷源输运系统连接结构，因此低温系统稳定，能够抵抗电磁干扰和羽流区高温影响，因此，本发明的超导磁体系统能够同时具有使用方便、结构简洁、性能稳定且绿色环保的优点。
超导磁体应用于空间推进地面模拟环境的新思路充分发挥了超导磁体稳定运行时本身没有焦耳热的损耗，对于需要在较大空间中获得直流强磁场的磁体，这一点尤为突出，可以大量节约能源，且所需的励磁功率很小。超导材料可以有很高的电流密度，因此超导磁体体积小，重量轻，而且可以较容易地满足关于高均匀度或高磁场梯度等方面的特殊要求。超导磁体可显著提高空间推进地面模拟环境中运载有效的载荷和轨道转移的时间，有利于推进系统的质量和尺寸最小化设计。
附图说明
图1为本发明实施例的超导磁体系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的超导磁体低温系统的多通道长距离低漏热冷源输运系统结构示意图；
图3为本发明实施例的超导磁体低温系统的上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统结构示意图；
图4为本发明实施例的超导磁体低温系统的下部抗羽流共享磁路超导磁体系统结构示意图；
其中，附图标号说明如下：
1、多通道长距离低漏热冷源输运系统2、上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统3、下部抗羽流共享磁路超导磁体系统4、长距离液氦连接管道5、低辐射铜导热法兰连接管道6、不锈钢连接管道7、长距离低管阻承插式液氦注入管道8、羽流区9、上部冷源供给及控制系统10、一级热防护全包裹真空辐射层11、二级抗电磁干扰外真空屏蔽层12、圆形密封法兰盘13、大空间真空环境舱室14、下部超导磁体及低温组件15、多通道共享磁路推进区16、大空间真空环境舱室内部平台17、径向拉杆18、轴向拉杆19、云母材质结构件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例的一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，包括：多通道长距离低漏热冷源输运系统(1)、上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统(2)和下部抗羽流共享磁路超导磁体系统(3)。
如图2所示，本发明实施例的多通道长距离低漏热冷源输运系统(1)，包括长距离液氦连接管道(4)、低辐射铜导热法兰连接管道(5)、不锈钢连接管道(6)和长距离低管阻承插式液氦注入管道(7)，多通道长距离低漏热冷源输运系统(1)采用这种多层长距离颈管法兰连接结构，长距离液氦连接管道(4)采用上下对接氩弧焊结构设计；低辐射铜导热法兰连接管道(5)采用圆形法兰安装结构，保证较大的接触面积提高热传导效率；低辐射铜导热法兰连接管道(5)设置于不锈钢连接管道(6)和长距离液氦连接管道(4)中间，采用1×10-4Pa以上高真空环境将两者隔开，外表面包裹多层铝箔形成的绝热材料降低辐射漏热，形成漏热小于0.1W低辐射漏热；不锈钢连接管道(6)采用薄壁翻边包裹式氩弧焊，具有高热阻,保证热阻最大化，层层套接形成多通道结构。多通道长距离低漏热冷源输运系统(1)采用多层长距离颈管法兰连接结构，所述长距离是指跨度大于700mm，形成漏热小于0.5W长距离高热阻低漏热的输运系统，连通上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统(2)和下部抗羽流共享磁路超导磁体系统(3)。
长距离低管阻承插式液氦注入管道(7)设置于长距离液氦连接管道(4)内部，连接上部冷源供给及控制系统(9)和下部超导磁体及低温组件(14)，长距离低管阻承插式液氦注入管道(7)采用承插式变径结构设计，上半部分采用大口径加压高流速设计，下半部分采用小口径滴液缓流设计，控制管阻在400以内的液氦流通低管阻，承插口设计在长距离低漏热冷源输运系统(1)中部，承插接触长度不小于最大管径的8-10倍，要求下半部分小口径进口位置高于接触口长度，目的减小管损对于液氦的消耗，同时可以通过上部冷源供给及控制系统(9)内部液氦的高度控制下部超导磁体及低温组件(14)液氦的压力和流速，最终达到羽流区能量反馈影响最小化，使得整个低温系统稳定的运行。
如图3所示，本发明实施例的上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统(2)，包括上部冷源供给及控制系统(9)、一级热防护全包裹真空辐射层(10)、二级抗电磁干扰外真空屏蔽层(11)；上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统通过圆形密封法兰盘(12)安装在大空间真空环境舱室(13)内部顶端，其中制冷机及安装组件输入端、压力泄放及控制系统输出端安装在上部杜瓦组件外部，要求与大空间真空环境舱室隔离与外部大气相连，能够满足液氦的供应及内部压力控制，圆形密封法兰盘(12)与大空间真空环境舱室(13)内部顶端法兰采用O圈密封，螺栓固定。一级热防护全包裹真空辐射层(10)设置于高真空环境中采用薄铜板和多层绝热形成夹层的模式，薄铜板通过软铜带于GM制冷机一级冷头连接形成传导冷的辐射屏，外部包裹多层绝热二级抗电磁干扰外真空屏蔽层(11)设置于内部高真空和外部大空间低真空环境舱室之间，采用贴片式铝箔整体包裹，接缝处采用叠层式的连接。
如图4所示，本发明实施例的下部抗羽流共享磁路超导磁体工作系统(3)，包括下部超导磁体及低温组件(14)、多通道共享磁路推进区(15)；下部抗羽流共享磁路超导磁体工作系统(3)通过大空间真空环境舱室内部平台(16)安装在舱室中部位置与大空间真空环境舱室(13)中心同轴，采用推进系统一体化设计，其中超导线圈浸泡在下部超导磁体及低温组件(14)内部，采用径向拉杆(17)和轴向拉杆(18)共同受力的方式安装，满足微调节超导线圈和抵消电磁力的作用；多通道共享磁路推进区(15)采用多层多通道结构设计，最外层采用云母材质结构件(19)隔离超导磁体和羽流区，其中磁场核心区，内部用于推进系统核心件的安装，外部用于保护羽流溅射对磁极腐蚀和冲击的影响。
本发明所述的一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统的工作原理是超导磁体在临界温度下励磁产生零阻抗无衰减的稳定高能磁场，为推力器工作提供符合推力器要求的磁力线，与推力器电流相互作用，为离子和电子的运动提供洛伦兹力，给推力器粒子加速提供可靠绿色清洁的动力源泉。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，其特征在于，包括：
冷源输运系统(1)、上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统(2)和下部抗羽流共享磁路超导磁体系统(3)；
所述冷源输运系统(1)上、下端口采用敞口结构，分别与上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统(2)和下部抗羽流共享磁路超导磁体系统(3)连接，所述冷源输运系统(1)的连接管道由内向外形成圆柱型包裹，分三层，最内侧和最外侧采用氩弧密封焊接，中间层采用法兰对接螺钉紧固连接。
2.如权利要求1所述的一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，其特征在于：
所述冷源输运系统(1)为多通道长距离低漏热冷源输运系统，包括长距离液氦连接管道(4)、低辐射漏热铜导热法兰连接管道(5)、不锈钢连接管道(6)和长距离低管阻承插式液氦注入管道(7)，低辐射铜导热法兰连接管道(5)设置于不锈钢连接管道(6)和长距离液氦连接管道(4)中间，采用1×10-4Pa以上高真空环境将两者隔开，外表面包裹多层铝箔形成的绝热材料降低辐射漏热，形成漏热小于0.1W低辐射漏热，多通道长距离低漏热冷源输运系统(1)采用多层长距离颈管法兰连接结构，所述长距离是指跨度大于700mm，形成漏热小于0.5W长距离低漏热的输运系统，连通上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统(2)和下部抗羽流共享磁路超导磁体系统(3)。
3.如权利要求2所述的一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，其特征在于：
所述长距离低管阻承插式液氦注入管道(7)设置于长距离液氦连接管道(4)内，连接上部冷源供给及控制系统(9)和下部超导磁体及低温组件(14)，长距离低管阻承插式液氦注入管道(7)采用承插式变径结构设计，上半部分采用16mm大口径加压高流速设计，下半部分采用6mm小口径滴液缓流设计，控制管阻在400以内的液氦流通低管阻，减小管损对于冷源的消耗，同时通过上部冷源供给及控制系统(9)内部冷源液面的高度控制下部超导磁体及低温组件(14)冷源流体的压力和流速，最终达到羽流区能量反馈影响最小化，使得整个低温系统稳定的运行。
4.如权利要求1所述的一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，其特征在于：
所述的上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统(2)，包括上部冷源供给及控制系统(9)、一级热防护全包裹真空辐射层(10)、二级抗电磁干扰外真空屏蔽层(11)；
上部热防护抗电磁干扰冷源存储及供给系统通过圆形密封法兰盘(12)安装在大空间真空环境舱室(13)内部顶端；一级热防护全包裹真空辐射层(10)设置于高真空环境中采用薄铜板和多层绝热形成夹层的模式，抗击羽流区产生的辐射、激励和发散造成的损耗，满足不同等离子体速度要求，避免通道出口超高温等离子体对上部冷源供给及控制系统(9)的破坏，二级抗电磁干扰外真空屏蔽层(11)设置于内部高真空和外部大空间低真空环境舱室之间，隔离羽流溅射影响，避免上部冷源供给及控制系统(9)的产生误动作。
5.如权利要求1所述的一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，其特征在于：
所述的下部抗羽流共享磁路超导磁体系统(3)，包括下部超导磁体及低温组件(14)、多通道共享磁路推进区(15)；下部抗羽流共享磁路超导磁体系统(3)通过大空间真空环境舱室内部平台(16)安装在舱室中部位置，与大空间真空环境舱室(13)中心同轴，采用推进系统一体化设计，所述推进系统即为超导磁体系统和大空间真空环境舱室形成的电磁推力系统，其中超导线圈浸泡在下部超导磁体及低温组件(14)内部，通电后产生轴向磁场梯度的洛伦兹力，为等离子体形成和随后的加速提供动力，使得电能有效地转化为等离子体的平动能。
6.如权利要求1所述的一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，其特征在于：
所述多通道共享磁路推进区(15)为外磁场核心区，能够提高推力和电弧放电的稳定性，分离下部超导磁体及低温组件(14)和多通道共享磁路推进区(15)也能有效阻隔羽流区内因温度上升较大造成的内部液氦的大量蒸发，减少冷却液氦和液氮的消耗，保证超导磁体在无损耗或磁场衰减较慢的状态下运行。
7.如权利要求1所述的一种空间推进地面模拟环境用T级高场超导磁体系统，其特征在于：
所述不锈钢连接管道(6)采用薄壁翻边包裹式氩弧焊，保证热阻最大化，层层套接形成多通道结构。
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