CN111038741A - 百瓦级航天电推进空心阴极结构 - Google Patents
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Abstract
百瓦级航天电推进空心阴极结构，属于霍尔推力器领域，本发明提供一种低功耗、低重量、小尺寸要求的百瓦级小霍尔推力器制造工艺。本发明包括阴极管、发射体、石墨环、钨顶、加热丝、隔热屏和触持极；阴极管内并列设置发射体和钨顶，阴极管内设置内凸台对发射体进行轴向定位，通过发射体与阴极管之间设置的石墨环对发射体进行径向定位；阴极管外壁缠绕加热丝，加热丝与触持极之间设置隔热屏。
Description
技术领域
本发明属于霍尔推力器领域，涉及空心阴极的制造工艺。
背景技术
近年来商业航天发展迅速，急需大量的百瓦级低功率霍尔电推进作为动力系统，用于完成小卫星或微小卫星的入轨、编队、离轨等任务。空心阴极是霍尔电推进的关键核心部件，其主要作用包括：(1)为使霍尔推力器成功启动，空心阴极需要作为电子源，提供足够多的种子电子；(2)在霍尔推力器运行过程中，喷射出的羽流包含大量离子，为降低其对推力器造成的伤害，空心阴极需要作为中和器产生电子，中和羽流；(3)作为负极，与推力器之间形成加速电场。因此，工作性能良好的低功耗空心阴极是霍尔推力器正常运行必不可少的元器件。
长寿命、高可靠是空心阴极航天应用的首要需求，必须保证整个寿命期间空心阴极的放电稳定性、抗力学性能、抗热交变形能以及电绝缘特性，阴极航天级空心阴极通常采用耐高温难熔金属作为结构材料，并采用真空钎焊或者真空电子束焊进行连接，形成结构紧凑、强度高、质量轻的飞行产品，但钎焊和电子束焊组装工艺复杂、生产周期长，导致空心阴极产品生产成本较高。而百瓦级小霍尔推力器同时还提出了低功耗、低重量、小尺寸等特殊要求，导致空心阴极在原有结构和工艺条件下必须缩减尺寸，使加工、焊接等成本继续增加，难以满足商业航天对低成本、批量化和快速装配的需求。
发明内容
本发明目的是为了提供一种低功耗、低重量、小尺寸要求的百瓦级小霍尔推力器制造工艺。
本发明所述百瓦级航天电推进空心阴极结构包括阴极管1、发射体2、石墨环3、钨顶4、加热丝5、隔热屏6和触持极7；
阴极管1内并列设置发射体2和钨顶4，阴极管1内设置内凸台1-1对发射体2进行轴向定位，通过发射体2与阴极管1之间设置的石墨环3对发射体2进行径向定位；
阴极管1外壁缠绕加热丝5，加热丝5与触持极7之间设置隔热屏6。
优选地，阴极管1内设置的内凸台1-1位于靠近阴极管1上游端的内部，发射体2上游端卡在内凸台1-1处，发射体2下游端与钨顶4上游端面紧贴，钨顶4下游端通过点焊与阴极管1下游端固连。
优选地，阴极管1内设置的内凸台1-1位于阴极管1下游端出口处，钨顶4的下游端卡在内凸台1-1处，钨顶4的上游端紧贴发射体2下游端面，发射体2上游端通过弹簧8进行支撑。
优选地，内凸台1-1的形状为直角、锥形或圆弧形。
优选地，当内凸台1-1为圆弧形时，内凸台1-1和钨顶4的下游端之间通过点焊固定。
优选地，隔热屏6的层数由3～4层钽箔层和钽箔支架构成，多层钽箔层的一端分别通过点焊连接至钽箔支架上，多层钽箔层的另一端通过点焊钨丝将各层分隔开。
优选地，还包括隔台，隔台位于相邻两层钽箔层之间，且位于与钽箔支架连接端。
优选地，钽箔支架具有一个或多个分层环，所述分层环位于相邻两层钽箔层之间。
优选地，加热丝5的一端在阴极管1下游端直接焊接或通过钽管9焊接，加热丝5中段制成螺旋状，与阴极管1外壁呈悬空未接触状态，加热丝5的另一端通过陶瓷管将加热丝导出到引出电极上。
本发明的有益效果：本发明空心阴极供气发射管采用旋压的方式进行零件之间的固定，包括采用凸台定位、弹簧支撑、石墨环紧固等多种方式，并且采用了点焊进行防松处理，从而代替高成本的真空电子束焊。隔热屏采用板材卷筒，点焊固定的方式代替高温钎焊，可根据阴极的工作要求来选择隔热屏的组装方式。加热丝的组装方式包括直接点焊固定和增加钽管安装节点两种，在保证可靠性的同时，组装也更为方便。其他组件之间的连接采用点焊进行连接，代替真空电子束焊。具体结构，根据工艺方法进行了结构改进。
本发明在保证空心阴极工作可靠性的基础上，简化了空心阴极的连接方式，降低了空心阴极制造工艺的苛刻要求，便于空心阴极的组装和制造，很大程度上节省空心阴极的制造成本，便于商业化生产。
附图说明
图1是实施方式一所述百瓦级航天电推进空心阴极的结构示意图；
图2是实施方式一阴极管内部加工内凸台的示意图；
图3是实施方式二所述百瓦级航天电推进空心阴极的结构示意图；
图4是实施方式二阴极管出口端加工内凸台的示意图；
图5是实施方式二内凸台为锥形的示意图；
图6是实施方式二内凸台为圆弧形的示意图；
图7是隔热屏结构示意图，设置有隔台；
图8和图9是隔热屏结构示意图，钽箔支架设置有分层环；
图10是加热丝直接焊接在阴极管外壁的结构示意图；
图11是加热丝通过钽管焊接在阴极管外壁的结构示意图。
1-阴极管，2-发射体，3-石墨环，4-钨顶，5-加热丝，6-隔热屏，7-触持极，8-弹簧，9-钽管，1-1内凸台，B-点焊。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式一：下面结合图1～图2说明本实施方式，本实施方式所述百瓦级航天电推进空心阴极结构包括阴极管1、发射体2、石墨环3、钨顶4、加热丝5、隔热屏6和触持极7；
阴极管1内并列设置发射体2和钨顶4，阴极管1内设置内凸台1-1对发射体2进行轴向定位，通过发射体2与阴极管1之间设置的石墨环3对发射体2进行径向定位；
阴极管1外壁缠绕加热丝5，加热丝5与触持极7之间设置隔热屏6。
阴极管1内设置的内凸台1-1位于靠近阴极管1上游端的内部，发射体2上游端卡在内凸台1-1处，发射体2下游端与钨顶4上游端面紧贴，钨顶4下游端通过点焊与阴极管1下游端固连。
参见图2所示，在阴极管1内部加工出一内凸台1-1，发射体2通过内凸台1-1进行轴向定位，石墨环3套接在发射体2外端，对发射体2形成径向定位；钨顶4则与发射体2端面紧贴，再在另一端面通过点焊与阴极管1下游端连接，将发射体区域各部件的相对位置进行固定。该方式组装方便，结构简单。
具体实施方式二：下面结合图3～图6说明本实施方式，本实施方式所述百瓦级航天电推进空心阴极结构包括阴极管1、发射体2、石墨环3、钨顶4、加热丝5、隔热屏6和触持极7；
阴极管1内并列设置发射体2和钨顶4，阴极管1内设置内凸台1-1对发射体2进行轴向定位，通过发射体2与阴极管1之间设置的石墨环3对发射体2进行径向定位；
阴极管1外壁缠绕加热丝5，加热丝5与触持极7之间设置隔热屏6。
阴极管1内设置的内凸台1-1位于阴极管1下游端出口处，钨顶4的下游端卡在内凸台1-1处，钨顶4的上游端紧贴发射体2下游端面，发射体2上游端通过弹簧8进行支撑。
参见图4～6，在阴极管1的出口加工出一内凸台1-1，与钨顶4下游端面紧贴，对钨顶4形成轴向定位；钨顶4上游端面与发射体2端面紧贴，对发射体2形成轴向定位，通过在发射体2周向施加石墨环3，对发射体2形成径向定位；最后通过施加弹簧8对发射体2上游端面进行支撑，对发射体区域各部件的相对位置产生加固作用。
内凸台1-1的形状为直角(图4)、锥形(图5)或圆弧形(图6)。
当内凸台1-1为圆弧形时，内凸台1-1和钨顶4的下游端之间通过点焊固定。
图5和图6的连接方式与图4相近，主要差别在于阴极管出口内凸台的定位方式(分别为角勾定位、锥形定位、弧形定位)。图5将内凸台的形状改为锥形，钨顶与阴极管的接触面积增大，径向和轴向定位性更好，但同时增加了阴极管和钨顶的加工工艺难度。图6则将内凸台的形状改为圆弧形，这种内凸台可以通过外部模具压制成型，加工难度相较于其他连接方式最低，通过点焊连接可对轴向定位进行强化。上述各种连接方式适用场景不同，在实际生产中可根据不同的要求进行选择。
具体实施方式三：下面结合图7～图9说明本实施方式，本实施方式与实施方式一或二的不同之处在于，隔热屏6的层数由3～4层钽箔层和钽箔支架构成，多层钽箔层的一端分别通过点焊连接至钽箔支架上，多层钽箔层的另一端通过点焊钨丝将各层分隔开。
隔热屏结构主要应用在低电流空心阴极中，由于低电流空心阴极结构紧凑，为实现自持工作，对于热量的管理提出了高要求。隔热屏6主要作用是减少发射体区域以热辐射形式损失的热量，提高能量利用率，隔热屏层数一般为3-4层。
图7为一种隔热屏结构示意图，主要由钽箔支架和钽箔层组成。钽箔通过点焊连接到钽箔支架上，而钽箔支架一方面通过点焊与其他部件固连，另一方面通过与其他部件的相互压紧作用而进一步加固。当需要多层隔热屏时，可通过点焊将多层隔台逐级累加到钽箔支架上，再将钽箔层与各级隔台点焊在一起，另一端则通过点焊将耐高温材料，如钨丝焊接在钽箔层表面将隔热屏间隔开，在保证良好的隔热性同时，也增强了隔热屏6的刚度。该类组装方式不受隔热屏层数的限制，增减隔热屏层数比较自由。图8和图9为另外两种隔热屏的组装方式，与图7的主要差别在于钽箔支架的类型不同，图7的钽箔支架无伸进两层钽箔层之间的间隔件，而图8和图9的钽箔支架具有一个或多个分层环，伸进相邻两层钽箔层之间将二者分隔开，起到的作用与隔台类似，这两种组装方式的主要优点在于对钽箔支架空间的良好利用，可以减小钽箔支架的载荷，组装方便。在实际生产中可根据需要灵活选用上述组装方式。
具体实施方式四：下面结合图10～图11说明本实施方式，本实施方式与实施方式三的不同之处在于，加热丝5的一端在阴极管1下游端直接焊接或通过钽管9焊接，加热丝5中段制成螺旋状，与阴极管1外壁呈悬空未接触状态，加热丝5的另一端通过陶瓷管将加热丝导出到引出电极上。
参见图10，加热丝5一般由钨丝或钨铼丝等耐高温的材料制成，该组装方式在阴极管1下游端通过点焊或冷阻焊直接将加热丝5和阴极管1连接在一起，加热丝5中段制成螺旋状，与阴极管1呈悬空未接触状，而加热丝5的另一端则通过陶瓷管将加热丝5导出到引出电极上，防止与其他部件接触导致短路失效，该种组装方式简单有效。图11为另一种组装方式，主要差别在于加热丝5下游端与阴极管1的接触方式，在阴极管1下游端通过点焊安装一段钽管，再通过点焊将钽管与加热丝5连接在一起，虽然加工工艺难度增加，但加热丝的安装更方便，工作可靠性也会提升。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (9)
1.百瓦级航天电推进空心阴极结构，其特征在于，包括阴极管(1)、发射体(2)、石墨环(3)、钨顶(4)、加热丝(5)、隔热屏(6)和触持极(7)；
阴极管(1)内并列设置发射体(2)和钨顶(4)，阴极管(1)内设置内凸台(1-1)对发射体(2)进行轴向定位，通过发射体(2)与阴极管(1)之间设置的石墨环(3)对发射体(2)进行径向定位；
阴极管(1)外壁缠绕加热丝(5)，加热丝(5)与触持极(7)之间设置隔热屏(6)。
2.根据权利要求1所述百瓦级航天电推进空心阴极结构，其特征在于，阴极管(1)内设置的内凸台(1-1)位于靠近阴极管(1)上游端的内部，发射体(2)上游端卡在内凸台(1-1)处，发射体(2)下游端与钨顶(4)上游端面紧贴，钨顶(4)下游端通过点焊与阴极管(1)下游端固连。
3.根据权利要求1所述百瓦级航天电推进空心阴极结构，其特征在于，阴极管(1)内设置的内凸台(1-1)位于阴极管(1)下游端出口处，钨顶(4)的下游端卡在内凸台(1-1)处，钨顶(4)的上游端紧贴发射体(2)下游端面，发射体(2)上游端通过弹簧(8)进行支撑。
4.根据权利要求3所述百瓦级航天电推进空心阴极结构，其特征在于，内凸台(1-1)的形状为直角、锥形或圆弧形。
5.根据权利要求4所述百瓦级航天电推进空心阴极结构，其特征在于，当内凸台(1-1)为圆弧形时，内凸台(1-1)和钨顶(4)的下游端之间通过点焊固定。
6.根据权利要求1所述百瓦级航天电推进空心阴极结构，其特征在于，隔热屏(6)的层数由3～4层钽箔层和钽箔支架构成，多层钽箔层的一端分别通过点焊连接至钽箔支架上，多层钽箔层的另一端通过点焊钨丝将各层分隔开。
7.根据权利要求6所述百瓦级航天电推进空心阴极结构，其特征在于，还包括隔台，隔台位于相邻两层钽箔层之间，且位于与钽箔支架连接端。
8.根据权利要求6所述百瓦级航天电推进空心阴极结构，其特征在于，钽箔支架具有一个或多个分层环，所述分层环位于相邻两层钽箔层之间。
9.根据权利要求1所述百瓦级航天电推进空心阴极结构，其特征在于，加热丝(5)的一端在阴极管(1)下游端直接焊接或通过钽管(9)焊接，加热丝(5)中段制成螺旋状，与阴极管(1)外壁呈悬空未接触状态，加热丝(5)的另一端通过陶瓷管将加热丝导出到引出电极上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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