CN111043000B - 一种磁等离子体推力器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁等离子体推力器，气体从阳极背板通入后，会沿着阳极背板中的气路通入由绝缘陶瓷和阳极背板形成的缓冲腔中，缓冲腔里的气体会被绝缘陶瓷中的两组气路分成两部分，一部分通过第二供气通道通入放电腔进行放电，另一部分通过第三供气通道吹向阴极表面，在阴极表面形成气体保护层，可以减少高能离子对阴极的轰击，降低阴极的烧蚀，提高磁等离子体推力器的单次工作时间和使用寿命；并且，气体经过缓冲腔的缓冲后，流速变得稳定，气体可以均匀、稳定地通入放电腔以及吹向阴极表面，从而可以在保证阳极供气均匀、稳定的同时，还能引出一路气体对阴极表面进行保护；此外，第一垫片可以起到对缓冲腔里的气体进行密封的作用，密封性强。

Description

一种磁等离子体推力器
技术领域
本发明涉及电推进推力器设计技术领域，尤其涉及一种磁等离子体推力器。
背景技术
电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。
磁等离子体推力器是电推进的一种，利用磁场和电场产生的洛伦兹力对推进剂电离气体进行加速，又被称为洛伦兹力加速器。磁等离子体推力器能够与较高核电功率结合，容易实现小型化，能够提供比其他电推力器更大量级的推力，被认为是未来深空探测的最佳推进方案之一。
阳极表面的温度以及阴极被烧蚀的状态，都会对磁等离子体推力器的工作状况产生很大的影响，因此，如何降低阳极表面的温度，减缓阴极的烧蚀，以提高推力器的效率和工作时的稳定性，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种磁等离子体推力器，用以降低阳极表面的温度，减缓阴极的烧蚀。
因此，本发明提供了一种磁等离子体推力器，包括：阳极1、绝缘陶瓷2、阴极3以及第一垫片4；其中，
所述阳极1包括连接在一起的阳极头部5和空心圆柱型阳极背板6；所述阳极背板6的顶面具有至少一个第一入气口7，所述阳极背板6的内壁具有与各所述第一入气口7一一对应的第一出气口8，每个所述第一入气口7与对应的第一出气口8之间通过第一供气通道9连通；
所述绝缘陶瓷2包括依次首尾相接且轴线重合的第一空心圆柱体10、第二空心圆柱体11和第三空心圆柱体12，所述第二空心圆柱体11的外径小于所述第一空心圆柱体10和所述第三空心圆柱体12的外径，且所述第一空心圆柱体10的外径大于所述第三空心圆柱体12的外径，所述第二空心圆柱体11的内径与所述第三空心圆柱体12的内径相同且小于所述第一空心圆柱体10的内径；所述阴极3穿过所述第一空心圆柱体10、所述第二空心圆柱体11和所述第三空心圆柱体12的中心；
所述第一空心圆柱体10的底面、所述第二空心圆柱体11的外壁、所述第三空心圆柱体12的顶面以及所述阳极背板6的内壁构成一个缓冲腔13；所述第三空心圆柱体12的顶面具有至少一个第二入气口14，所述第三空心圆柱体12的底面具有与各所述第二入气口14一一对应的第二出气口15，每个所述第二入气口14与对应的第二出气口15之间通过第二供气通道16连通；所述第二空心圆柱体11的外壁具有至少一个第三入气口17，所述第二空心圆柱体11与所述第三空心圆柱体12的内壁具有与各所述第三入气口17一一对应的第三出气口18，每个所述第三入气口17与对应的第三出气口18之间通过第三供气通道19连通；所述第一出气口8、所述第二入气口14和所述第三入气口17分别与所述缓冲腔13连通；所述阳极背板6的内壁具有内凹且延伸到所述阳极背板6顶面的第一台阶，所述第一垫片4位于所述第一空心圆柱体10的底面与所述第一台阶之间。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，所述阳极头部5包括焊接在一起的空心圆柱型阳极外壳20和直筒-扩张型阳极喷管21；阳极外壳20的内螺纹与第二台阶的外螺纹配合将阳极头部5与阳极背板6连接在一起，阳极背板6、阳极外壳20和阳极喷管21形成阳极水冷腔22；
所述磁等离子体推力器还包括：第二垫片23和第三垫片24；其中，所述阳极背板6的外壁具有内凹且延伸到所述阳极背板6底面的第二台阶，所述阳极背板6的内壁具有内凹且延伸到所述阳极背板6底面的第三台阶；所述第二垫片23位于所述第二台阶与所述阳极外壳20之间，所述第三垫片24位于所述第三台阶与所述阳极喷管21之间。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，所述第二供气通道16与所述绝缘陶瓷2的轴线平行。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，所述第三供气通道19与所述绝缘陶瓷2的轴线之间的夹角范围为30°～45°。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，各所述第二入气口14沿所述第三空心圆柱体12的周向均匀排布。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，所述第二入气口14的数量范围为8～16个。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，各所述第三入气口17沿所述第二空心圆柱体11的周向均匀排布。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，所述第三入气口17的数量为4～12个。
本发明提供的上述磁等离子体推力器，气体从阳极背板通入后，会沿着阳极背板中的气路通入由绝缘陶瓷和阳极背板形成的缓冲腔中，缓冲腔里的气体会被绝缘陶瓷中的两组气路分成两部分，一部分通过第二供气通道通入放电腔进行放电，另一部分通过第三供气通道吹向阴极表面，在阴极表面形成气体保护层，可以减少高能离子对阴极的轰击，降低阴极的烧蚀，显著提高磁等离子体推力器的单次工作时间和使用寿命；并且，气体经过缓冲腔的缓冲后，流速变得稳定，这样，气体可以均匀、稳定地通入放电腔以及吹向阴极表面，从而可以在保证阳极供气均匀、稳定的同时，还能引出一路气体对阴极表面进行保护；此外，第一垫片可以起到对缓冲腔里的气体进行密封的作用，密封性强。本发明提供的上述磁等离子体推力器，并未增加磁等离子体推力器的轴向布置，仅通过改变绝缘陶瓷的气路结构即可实现对阳极气路的分流，从而可以同时实现阳极供气以及对阴极的保护；阳极头部和阳极背板采用第一垫片和螺纹配合的密封方式，便于拆装；磁等离子体推力器的绝缘陶瓷是消耗品，为了实现不同的供气效果只需更换绝缘陶瓷即可，更换方便。
附图说明
图1为本发明提供的磁等离子体推力器沿XZ平面的截面图；
图2为本发明提供的磁等离子体推力器中绝缘陶瓷的结构示意图；
图3为本发明提供的磁等离子体推力器沿YZ平面的截面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。
本发明提供的一种磁等离子体推力器，沿XZ平面的截面图如图1所示，包括：阳极1、绝缘陶瓷2、阴极3以及第一垫片4；其中，
阳极1包括连接在一起的阳极头部5和空心圆柱型阳极背板6；阳极背板6的顶面具有至少一个第一入气口7，阳极背板6的内壁具有与各第一入气口7一一对应的第一出气口8，每个第一入气口7与对应的第一出气口8之间通过第一供气通道9连通；
绝缘陶瓷2，如图2所示，包括依次首尾相接且轴线重合的第一空心圆柱体10、第二空心圆柱体11和第三空心圆柱体12；第二空心圆柱体11的外径小于第一空心圆柱体10和第三空心圆柱体12的外径，且第一空心圆柱体10的外径大于第三空心圆柱体12的外径，第二空心圆柱体11的内径与第三空心圆柱体12的内径相同且小于第一空心圆柱体10的内径；阴极3穿过第一空心圆柱体10、第二空心圆柱体11和第三空心圆柱体12的中心；
如图1所示，第一空心圆柱体10的底面、第二空心圆柱体11的外壁、第三空心圆柱体12的顶面以及阳极背板6的内壁构成一个缓冲腔13；第三空心圆柱体12的顶面具有至少一个第二入气口14，第三空心圆柱体12的底面具有与各第二入气口14一一对应的第二出气口15，每个第二入气口14与对应的第二出气口15之间通过第二供气通道16连通；第二空心圆柱体11的外壁具有至少一个第三入气口17，第二空心圆柱体11与第三空心圆柱体12的内壁具有与各第三入气口17一一对应的第三出气口18，每个第三入气口17与对应的第三出气口18之间通过第三供气通道19连通；第一出气口8、第二入气口14和第三入气口17分别与缓冲腔13连通；阳极背板6的内壁具有内凹且延伸到阳极背板6顶面的第一台阶，第一垫片4位于第一空心圆柱体10的底面与第一台阶之间。
本发明提供的上述磁等离子体推力器，气体从阳极背板通入后，会沿着阳极背板中的气路通入由绝缘陶瓷和阳极背板形成的缓冲腔中，缓冲腔里的气体会被绝缘陶瓷中的两组气路分成两部分，一部分通过第二供气通道通入放电腔进行放电，另一部分通过第三供气通道吹向阴极表面，在阴极表面形成气体保护层，可以减少高能离子对阴极的轰击，降低阴极的烧蚀，显著提高磁等离子体推力器的单次工作时间和使用寿命；并且，气体经过缓冲腔的缓冲后，流速变得稳定，这样，气体可以均匀、稳定地通入放电腔以及吹向阴极表面，从而可以在保证阳极供气均匀、稳定的同时，还能引出一路气体对阴极表面进行保护。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，第一垫片可以采用石墨垫片，石墨垫片可以起到很好的密封作用，防止气体从缓冲腔内泄露出去。当然，第一垫片并非局限于石墨垫片这一种材料，还可以为能够实现良好密封作用的其他材料的垫片，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，如图1所示，阳极头部5包括焊接在一起的空心圆柱型阳极外壳20和直筒-扩张型阳极喷管21；阳极外壳20的内螺纹与第二台阶的外螺纹配合将阳极头部5与阳极背板6连接在一起，阳极背板6、阳极外壳20和阳极喷管21形成阳极水冷腔22；本发明提供的上述磁等离子体推力器还可以包括：第二垫片23和第三垫片24；其中，阳极背板6的外壁具有内凹且延伸到阳极背板6底面的第二台阶，阳极背板6的内壁具有内凹且延伸到阳极背板6底面的第三台阶；第二垫片23位于第二台阶与阳极外壳20之间，第三垫片24位于第三台阶与阳极喷管21之间；这样，阳极头部5与阳极背板6通过第二垫片23与螺纹的配合实现固定连接，并且，阳极水冷腔22通过第二垫片23、第三垫片24以及阳极外壳20与阳极喷管21之间的焊接点25实现密封，密封性强，不会造成冷却水的泄露。
在具体实施时，本发明提供的上述磁等离子体推力器，沿YZ平面的截面图如图3所示，可以在阳极背板6的顶面设置进水口26，在阳极背板6的底面设置出水口27，出水口27与阳极水冷腔22连通，进水口26与出水口27通过供水管道28连通，从而实现对阳极水冷腔22供水。同理，如图3所示，还可以在阴极3位于第一空心圆柱体10内的部分的四周设置阴极水冷腔29。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，第二垫片和第三垫片可以采用石墨垫片，石墨垫片可以起到很好的密封作用，防止冷却水从水冷腔内流出。当然，第二垫片和第三垫片并非局限于石墨垫片这一种材料，还可以为能够实现良好密封作用的其他材料的垫片，在此不做限定。
需要说明的是，本发明提供的上述磁等离子体推力器拆装非常方便。首先，将第二垫片和第三垫片分别套在阳极背板的第二台阶和第三台阶上，然后，将焊接好的阳极头部通过阳极外壳的内螺纹与阳极背板中第二台阶的外螺纹配合，将阳极头部与阳极背板连接在一起，完成阳极的组装，接着，将第一垫片套在绝缘陶瓷上，将装好的绝缘陶瓷装入阳极背板中间的圆孔中，最后，将组装好的阳极与推力器的其他组件组装起来即可。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，如图1所示，可以将第一供气通道9设计为90°弯折的形状，具体地，为了简化第一供气通道9的制作工艺，可以从阳极背板6的外壁向内壁纵向打孔并打穿，从顶面向底面横向打孔并与纵向孔连通，从而形成90°弯折的第一供气通道9，值得注意的是，需要将阳极背板6外壁上形成的孔进行密封，以避免气体从该孔泄露，具体地，可以利用焊接将该孔密封。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，如图1所示，可以将第二供气通道16设计为与绝缘陶瓷2的轴线平行，这样，不仅可以降低加工难度，还可以保证气流与阳极内壁面平行，增强对阳极的保护效果。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，第三供气通道与绝缘陶瓷的轴线之间的夹角需要根据阴极的长度和绝缘陶瓷的结构进行设计，第三供气通道与绝缘陶瓷的轴线之间的夹角太大，会导致气流的轴向速度过小，不利于对阴极端部的保护，第三供气通道与绝缘陶瓷的轴线之间的夹角太小，会导致供气通道无法与缓冲腔相连，增大加工难度，因此，为了取得更好的加工性能以及增强对阴极端部的保护效果，可以将第三供气通道与绝缘陶瓷的轴线之间的夹角控制在30°～45°的范围。较佳地，如图1所示，第三供气通道19与绝缘陶瓷2的轴线之间的夹角θ优选45°。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，如图2所示，可以将各第二出气口15设计为沿第三空心圆柱体12的周向均匀排布，对应地，各第二入气口也沿第三空心圆柱体的周向均匀排布，这样，可以保证供气和放电的均匀性。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，第二入气口的数量可以根据供气流量和放电腔直径进行设计，在绝缘陶瓷中设置过多的第二入气口，会导致流阻太大，使得气体不能顺利进入放电腔或者气体进入放电腔的速度过小，在绝缘陶瓷中设置过少的第二入气口，会降低供气的均匀性，因此，为了保证气体顺利进入放电腔和供气的均匀性，可以将第二入气口的数量控制在8个～16个范围，较佳地，如图2所示，第二入气口14(图2中未示出)和第二出气口15的数量优选为12个。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，第二入气口的直径可以根据阳极的供气流量进行设计，第二入气口的直径太大，会导致气流全部从阳极表面通入，从而会降低阴极的推进剂供给，第二入气口的直径太小，会导致流阻太大，使得气体不能顺利进入放电腔或者气体进入放电腔的速度过小，因此，为了同时保证阴极和阳极的供气效果，可以将第二入气口的直径控制在0.5mm～2mm范围，较佳地，第二入气口的直径优选1mm。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，与第二入气口的设计类似，可以将各第三入气口设计为沿第二空心圆柱体的周向均匀排布，这样，可以保证气体供给的均匀性。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，与第二入气口的设计类似，第三入气口的数量可以根据供气流量和阴极直径进行设计，在绝缘陶瓷中设置过多的第三入气口，不仅会降低供气效率，还会导致阴极附近的绝缘陶瓷的强度降低，从而容易被震动等外力破坏，在绝缘陶瓷中设置过少的第三入气口，会降低供气的均匀性，因此，为了保证绝缘陶瓷的强度和供气的均匀性，可以将第三入气口的数量控制在4个～12个范围，较佳地，第三入气口的数量优先为4个。
在具体实施时，在本发明提供的上述磁等离子体推力器中，与第二入气口的设计类似，第三入气口的直径可以根据阳极供气流量进行设计，第三入气口的直径太大，会导致推进剂优先从阴极通入，从而会降低对阳极的保护效果，第三入气口的直径太小，会降低供气效率，因此，为了同时保证阴极和阳极的供气效果，可以将第三入气口的直径控制在0.5mm～1.5mm范围，较佳地，第三入气口的直径优选1mm。
本发明提供的上述磁等离子体推力器，气体从阳极背板通入后，会沿着阳极背板中的气路通入由绝缘陶瓷和阳极背板形成的缓冲腔中，缓冲腔里的气体会被绝缘陶瓷中的两组气路分成两部分，一部分通过第二供气通道通入放电腔进行放电，另一部分通过第三供气通道吹向阴极表面，在阴极表面形成气体保护层，可以减少高能离子对阴极的轰击，降低阴极的烧蚀，显著提高磁等离子体推力器的单次工作时间和使用寿命；并且，气体经过缓冲腔的缓冲后，流速变得稳定，这样，气体可以均匀、稳定地通入放电腔以及吹向阴极表面，从而可以在保证阳极供气均匀、稳定的同时，还能引出一路气体对阴极表面进行保护；此外，第一垫片可以起到对缓冲腔里的气体进行密封的作用，密封性强。本发明提供的上述磁等离子体推力器，并未增加磁等离子体推力器的轴向布置，仅通过改变绝缘陶瓷的气路结构即可实现对阳极气路的分流，从而可以同时实现阳极供气以及对阴极的保护；阳极头部和阳极背板采用第一垫片和螺纹配合的密封方式，便于拆装；磁等离子体推力器的绝缘陶瓷是消耗品，为了实现不同的供气效果只需更换绝缘陶瓷即可，更换方便。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种磁等离子体推力器，包括：阳极(1)、绝缘陶瓷(2)和阴极(3)，其特征在于，还包括：第一垫片(4)；其中，
所述阳极(1)包括连接在一起的阳极头部(5)和空心圆柱型阳极背板(6)；所述阳极背板(6)的顶面具有至少一个第一入气口(7)，所述阳极背板(6)的内壁具有与各所述第一入气口(7)一一对应的第一出气口(8)，每个所述第一入气口(7)与对应的第一出气口(8)之间通过第一供气通道(9)连通；
所述绝缘陶瓷(2)包括依次首尾相接且轴线重合的第一空心圆柱体(10)、第二空心圆柱体(11)和第三空心圆柱体(12)，所述第二空心圆柱体(11)的外径小于所述第一空心圆柱体(10)和所述第三空心圆柱体(12)的外径，且所述第一空心圆柱体(10)的外径大于所述第三空心圆柱体(12)的外径，所述第二空心圆柱体(11)的内径与所述第三空心圆柱体(12)的内径相同且小于所述第一空心圆柱体(10)的内径；所述阴极(3)穿过所述第一空心圆柱体(10)、所述第二空心圆柱体(11)和所述第三空心圆柱体(12)的中心；
所述第一空心圆柱体(10)的底面、所述第二空心圆柱体(11)的外壁、所述第三空心圆柱体(12)的顶面以及所述阳极背板(6)的内壁构成一个缓冲腔(13)；所述第三空心圆柱体(12)的顶面具有至少一个第二入气口(14)，所述第三空心圆柱体(12)的底面具有与各所述第二入气口(14)一一对应的第二出气口(15)，每个所述第二入气口(14)与对应的第二出气口(15)之间通过第二供气通道(16)连通；所述第二空心圆柱体(11)的外壁具有至少一个第三入气口(17)，所述第二空心圆柱体(11)与所述第三空心圆柱体(12)的内壁具有与各所述第三入气口(17)一一对应的第三出气口(18)，每个所述第三入气口(17)与对应的第三出气口(18)之间通过第三供气通道(19)连通；所述第一出气口(8)、所述第二入气口(14)和所述第三入气口(17)分别与所述缓冲腔(13)连通；所述阳极背板(6)的内壁具有内凹且延伸到所述阳极背板(6)顶面的第一台阶，所述第一垫片(4)位于所述第一空心圆柱体(10)的底面与所述第一台阶之间。
2.如权利要求1所述的磁等离子体推力器，其特征在于，所述阳极头部(5)包括焊接在一起的空心圆柱型阳极外壳(20)和直筒-扩张型阳极喷管(21)；阳极外壳(20)的内螺纹与第二台阶的外螺纹配合将阳极头部(5)与阳极背板(6)连接在一起，阳极背板(6)、阳极外壳(20)和阳极喷管(21)形成阳极水冷腔(22)；
所述磁等离子体推力器还包括：第二垫片(23)和第三垫片(24)；其中，所述阳极背板(6)的外壁具有内凹且延伸到所述阳极背板(6)底面的第二台阶，所述阳极背板(6)的内壁具有内凹且延伸到所述阳极背板(6)底面的第三台阶；所述第二垫片(23)位于所述第二台阶与所述阳极外壳(20)之间，所述第三垫片(24)位于所述第三台阶与所述阳极喷管(21)之间。
3.如权利要求1或2所述的磁等离子体推力器，其特征在于，所述第二供气通道(16)与所述绝缘陶瓷(2)的轴线平行。
4.如权利要求1或2所述的磁等离子体推力器，其特征在于，所述第三供气通道(19)与所述绝缘陶瓷(2)的轴线之间的夹角范围为30°～45°。
5.如权利要求1或2所述的磁等离子体推力器，其特征在于，各所述第二入气口(14)沿所述第三空心圆柱体(12)的周向均匀排布。
6.如权利要求1或2所述的磁等离子体推力器，其特征在于，所述第二入气口(14)的数量范围为8～16个。
7.如权利要求1或2所述的磁等离子体推力器，其特征在于，各所述第三入气口(17)沿所述第二空心圆柱体(11)的周向均匀排布。
8.如权利要求1或2所述的磁等离子体推力器，其特征在于，所述第三入气口(17)的数量为4～12个。
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