CN111005849A - 一种环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构 - Google Patents

一种环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构，包括密封结构包括陶瓷环、屏蔽罩及Z型密封环；外围设备为离子推力器的栅极组件、阳极、绝缘支撑组件及支撑环，阳极为阶梯圆筒结构，包括大径圆筒和小径圆筒；屏蔽罩安装于阳极小径圆筒上端外壁，所述陶瓷环位于屏蔽罩下方，固定在阳极大小径之间的端面上，同时屏蔽罩对陶瓷环部分端面和陶瓷环内壁面实现遮挡，实现阳极与栅极组件之间的电绝缘；所述Z型密封环一侧水平端面固定在栅极组件底面，另一侧水平端面压缩在陶瓷环顶端，完成放电室等离子体的密封。本发明解决了离子推力器栅极组件与阳极之间在长期等离子体环境下的电绝缘和放电室等离子体的密封问题。

Description

一种环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构
技术领域
本发明涉及航天空间电推进技术领域，具体涉及一种环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构。
背景技术
电推进技术作为一种先进空间推进技术，已经在空间各个应用领域得到了广泛应用。随着人类对空间探测的不断深入，探测任务所需速度增量越来越大。一些大速度增量任务在大功率、长寿命离子电推进系统的支持下才能完成。
离子推力器是离子电推进系统的核心，其他配套单机，如电源、贮供、控制等单机均为离子推力器服务。大功率离子推力器往往具有较大的束口径，在同样栅间距和总加速电压，只有具有较高的束流平直度才能实现大束口径下的正常引出。环形磁钢会切场放电室具有较高的束流平直度，非常适合于大功率离子推力器。目前在国外7kW级NEXT离子推力器、4kW级XIPS-25离子推力器上均采用了环形磁钢会切场放电室。我国正在研制的5kW级LIPS-300离子推力器没有继承1kW级LIPS-200离子推力器的柱形磁钢会切场放电室结构，而采用了环形磁钢会切场放电室。环形磁钢会切场放电室与柱形磁钢会切场放电室相比只有一个阳极，无屏栅筒。因此既要实现放电室等离子体密封，又要确保栅极与放电室阳极之间的等离子体环境下长期的电绝缘是环形磁钢会切场放电室的工程关键技术之一。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构，解决了离子推力器栅极组件与阳极之间在长期等离子体环境下的电绝缘和放电室等离子体的密封问题。
本发明采取的技术方案如下：
一种环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构，包括密封结构包括陶瓷环、屏蔽罩及Z型密封环；外围设备为离子推力器的栅极组件、阳极、绝缘支撑组件及支撑环，阳极为阶梯圆筒结构，包括大径圆筒和小径圆筒；
所述屏蔽罩安装于阳极小径圆筒上端外壁，所述陶瓷环位于屏蔽罩下方，固定在阳极大小径之间的端面上，同时屏蔽罩对陶瓷环部分端面和陶瓷环内壁面实现遮挡，实现阳极与栅极组件之间的电绝缘；所述Z型密封环一侧水平端面固定在栅极组件底面，另一侧水平端面压缩在陶瓷环顶端，完成放电室等离子体的密封。
进一步地，所述阳极与栅极组件之间的最小真空绝缘距离大于1mm，最小陶瓷绝缘介质表面距离大于10mm。
进一步地，所述屏蔽罩为带圆筒凸起的金属环，所述屏蔽罩通过圆筒与阳极固定连接。
进一步地，所述陶瓷环部分端面在径向方向的长度不小于2～3mm。
进一步地，所述最小陶瓷介质距离通过在陶瓷环内壁沿轴向设置两个以上凹槽实现，且陶瓷环内壁与阳极小径圆筒外壁之间距离不小于1mm。
进一步地，所述Z型密封环最小内径小于屏蔽罩最大外径，Z型密封环最大外径大于陶瓷环外径5～6mm。
进一步地，所述密封结构进一步包括密封间隙调整垫，所述密封间隙调整垫安装在绝缘支撑组件和支撑环之间。
有益效果：
1、本发明通过陶瓷环的绝缘特性保证了阳极与栅极组件之间的电绝缘，蔽罩对对陶瓷环部分端面和陶瓷环内壁面实现遮挡，减小放电室溅射物对陶瓷环表面污染，保证了陶瓷环在等离子体环境下的长期绝缘能力，实现阳极与栅极组件之间的电绝缘；
其次，密封环Z型结构设计以及在初期装配时对Z型密封环纵向的压缩，使栅极组件与陶瓷环实现弹性连接，完成放电室等离子体的密封，解决了离子推力器本身结构无法将陶瓷环与阳极和栅极组件同时连接以及栅极组件不能受力的问题。
2、本发明通过在陶瓷环内壁设置凹槽，使得放电室等离子体溅射物附着到凹槽表面需要进行多次折线运动，这大大降低了凹槽表面污染速率，延长表面爬电距离、增加抗污染面，保证了离子推力器30000小时以上寿命下陶瓷环在长期等离子体环境下的电绝缘能力。
3、本发明的密封结构进一步包括密封间隙调整垫，该密封间隙调整垫用于调整栅极组件与陶瓷环之间的距离，使Z型密封环在轴向进一步产生压缩量，由于离子推力器工作时本身发热而存在高低温冲击热环境，该压缩量确保下在这种热环境下Z型密封环与陶瓷环具有良好的接触，防止等离子体泄漏，从而实现放电室等离子体的密封。
附图说明
图1为离子推力器放电室等离子体密封结构正视图(不包括栅极组件)；
图2为离子推力器放电室等离子体密封结构轴向剖切面局部放大图。
其中，1-陶瓷支撑组件、2-栅极组件、3-Z型密封环、4-屏蔽罩、5-屏蔽罩固定螺钉组件、6-阳极、7-陶瓷环、8-陶瓷环固定螺钉组件、9-支撑环、10-密封间隙调整垫。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构，如图1所示，该密封结构包括陶瓷环7、屏蔽罩4、Z型密封环3及密封间隙调整垫10，安装在离子推力器上，该离子推力器包括栅极组件2、阳极6、陶瓷支撑组件1及支撑环9。阳极6为阶梯圆筒结构，包括大径圆筒和小径圆筒，轴向截面呈凸字；陶瓷支撑组件1固定在支撑环9上，陶瓷支撑组件1用于固定栅极组件2。
如图2所示，屏蔽罩4为带圆筒凸起的金属环，轴向截面为两个呈轴对称的L型，通过屏蔽罩固定螺钉组件5将屏蔽罩4的圆筒部分安装在阳极6小径圆筒上端外壁。
陶瓷环7高和半径均为10mm，陶瓷环7内壁沿轴向设置三个凹槽，凹槽的深度和宽度均为1mm，增加了栅极组件2与阳极6两电极之间在陶瓷环7表面的爬电距离，端面均布十二个沉头孔。陶瓷环7位于屏蔽罩4下方，通过陶瓷环固定螺钉组件8与沉头孔的配合将陶瓷环7固定在阳极6大小径之间的端面上，陶瓷环7内壁与阳极6小径圆筒外壁之间距离不小于1mm，同时屏蔽罩4对陶瓷环7部分端面和陶瓷环7内壁面实现遮挡，陶瓷环7部分端面在径向方向的长度不小于2～3mm，减小放电室溅射物对陶瓷环7表面污染，陶瓷环7的绝缘特性保证了阳极6与栅极组件2之间的电绝缘。
Z型密封环3轴向截面为两个呈轴对称的Z型，采用弹性模量大的金属材质，Z型密封环3的一侧水平端面固定在栅极组件2的屏栅支撑环底面，另一侧水平端面压缩在陶瓷环7顶端，Z型密封环3与陶瓷环7顶端接触的端面在径向方向长3mm，Z型密封环3高为3mm，Z型密封环3最小内径小于屏蔽罩4最大外径，Z型密封环3最大外径大于陶瓷环7外径5～6mm，保证弹性。在初期装配时对Z型密封环3纵向压缩，使栅极组件2与陶瓷环7实现弹性连接。
密封间隙调整垫10为厚度0.05～2mm的调整垫圈，安装在陶瓷支撑组件1和支撑环9之间，用于调整栅极组件2与陶瓷环7之间的距离，使Z型密封环3在轴向产生约0.2mm的压缩量。
如此设置能够保证栅极组件2与阳极6之间的最小真空绝缘距离大于1mm，最小陶瓷绝缘介质表面距离大于10mm通过介质表面。
装配次序为：装配时先将陶瓷环7安装于阳极6，然后将屏蔽罩4安装于阳极6；再将Z型密封环3与栅极组件2固定安装，之后将密封间隙调整垫10安装在支撑环9上，最后将栅极组件2与陶瓷支撑组件1共同安装于支撑环9上。
该结构应用于我国LIPS-300离子推力器后，已开展了3000h寿命试验，陶瓷环绝缘性能未发现下降，也未发现放电室等离子体在阳极与栅极连接处的泄漏。并且LIPS-300离子推力器通过了通信卫星平台鉴定级力学和热真空试验，说明该结构还具有较好的力学和热真空环境适应能力。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构，其特征在于，所述密封结构包括陶瓷环、屏蔽罩及Z型密封环；外围设备为离子推力器的栅极组件、阳极、绝缘支撑组件及支撑环，阳极为阶梯圆筒结构，包括大径圆筒和小径圆筒；
所述屏蔽罩安装于阳极小径圆筒上端外壁，所述陶瓷环位于屏蔽罩下方，固定在阳极大小径之间的端面上，同时屏蔽罩对陶瓷环部分端面和陶瓷环内壁面实现遮挡，实现阳极与栅极组件之间的电绝缘；所述Z型密封环一侧水平端面固定在栅极组件底面，另一侧水平端面压缩在陶瓷环顶端，完成放电室等离子体的密封。
2.如权利要求1所述的环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构，其特征在于，所述阳极与栅极组件之间的最小真空绝缘距离大于1mm，最小陶瓷绝缘介质表面距离大于10mm。
3.如权利要求1所述的环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构，其特征在于，所述屏蔽罩为带圆筒凸起的金属环，所述屏蔽罩通过圆筒与阳极固定连接。
4.如权利要求1所述的环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构，其特征在于，所述陶瓷环部分端面在径向方向的长度不小于2～3mm。
5.如权利要求2所述的环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构，其特征在于，所述最小陶瓷介质距离通过在陶瓷环内壁沿轴向设置两个以上凹槽实现，且陶瓷环内壁与阳极小径圆筒外壁之间距离不小于1mm。
6.如权利要求1所述的环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构，其特征在于，所述Z型密封环最小内径小于屏蔽罩最大外径，Z型密封环最大外径大于陶瓷环外径5～6mm。
7.如权利要求1所述的环形磁钢环切场离子推力器放电室等离子体密封结构，其特征在于，所述密封结构进一步包括密封间隙调整垫，所述密封间隙调整垫安装在绝缘支撑组件和支撑环之间。
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