CN111140449B - 一种基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件,由插手式内陶瓷环、插手式外陶瓷环、外压环、内压环和带有沟槽阳极组成;所述插手式内陶瓷环和外陶瓷环均为由多个陶瓷件首尾相连而组成的闭环圆环;每个陶瓷件为弧形结构,具有相互配合的首部凸起和尾部凹陷;插手式内陶瓷环和插手式外陶瓷环的下端面均具有凸起,嵌入阳极提供的内、外环形沟槽中;插手式内、外陶瓷环的上端面由内、外压环按压;内、外压环的另一端固定于内、外磁极板上;内压环和外压环的按压具有弹性。本发明能够实现大功率放电情况下的热应力释放,确保了推力器稳定可靠工作,同时规避了大尺寸下的一次成型的技术难度。
Description
技术领域
本发明属于航天器推进技术领域,具体涉及一种用于空间的基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件。
背景技术
高推功比是满足大功率电推进任务的基本要求。应用大功率的电推进的任务主要包括载人登月货运飞船,在轨服务轨道间转移,载人深空探测等任务。这些任务都要求有较大推力,以尽快达到预定轨道。较之离子推力器(30mN/kW)、磁等离子体动力推进(10mN/kW)、可变比冲磁等离子体推进(25mN/kW)等电推力器,霍尔推力器推功比最高,达到了45-66mN/kW,是满足未来任务的首选。
两个半径不同的陶瓷套管固定在同一轴线上以及两者底部的阳极所组成的具有环形结构的等离子体放电室是推力器放电等离子体产生、加速的场所,是推力器的核心部分;在中低功率(通常10kW以下)情况下,采用陶瓷直接一体成型,并通过螺钉固定的方式,实现放电室的组成。较之中低功率,大功率下的霍尔推力器放电室腔室直径增加很大,所涉及陶瓷套管如果直接一体成型,具有非常高的技术难度;另外,大功率推力器工作功率往往达到几十kW,甚至于上百kW,其放电时会产生大量的热,这些热量很大一部分会直接加载至与其直接接触的放电室两侧的陶瓷壁上,使得陶瓷壁承受很大的热应力,极易造成陶瓷壁的损坏。由此,需要设计一种适用于大功率霍尔推力器的陶瓷放电室组件。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件设计,通过插手式陶瓷连接,实现了柔性连接,进而实现大功率放电情况下的热应力释放,确保了推力器稳定可靠工作,同时规避了大尺寸下的一次成型的技术难度。
为了解决上述技术问题,本发明是这样实现的:
一种基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件,由插手式内陶瓷环、插手式外陶瓷环、外压环、内压环和带有沟槽的阳极组成;
所述插手式内陶瓷环为由多个内陶瓷件首尾相连而组成的闭环圆环;每个内陶瓷件为弧形结构,具有相互配合的首部凸起和尾部凹陷;所述插手式外陶瓷环为由多个外陶瓷件首尾相连而组成的闭环圆环;每个外陶瓷件为弧形结构,具有相互配合的首部凸起和尾部凹陷;
插手式内陶瓷环和插手式外陶瓷环的下端面均具有凸起,嵌入阳极提供的内、外环形沟槽中;插手式内陶瓷环的上端面由内压环按压;插手式外陶瓷环的上端面由外压环按压;内压环、外压环的另一端固定于内、外磁极板上;内压环和外压环的按压具有弹性。
可选地,插手式内陶瓷环的内环壁上具有突出的内压台,内压环的压接部压在所述内压台上;内压台外侧的内陶瓷环上端部形成环形凸沿,作为防爬电沿。
可选地,插手式外陶瓷环的外环壁上具有突出的外压台,外压环的压接部压在所述外压台上;外压台内侧的外陶瓷环上端部形成环形凸沿,作为防爬电沿。
可选地,内压环、外压环的所述另一端通过螺接与内、外磁极板固定。
可选地,所述内压环为整体结构,包括内部圆环和与内部圆环相连的周向均匀分布的第一按压板;内部圆环固定于内磁极板上。
可选地,所述外压环为分离式结构,由多个相互独立的外压环单件组成,每个外压环单件包括两个第二按压板以及两个第二按压板之间的连接部;连接部固定于外磁极板上;所有外压环单件周向等间隔均匀布置,通过第二按压板按压在插手式外陶瓷环的上端面。
可选地,所述第一按压板由相连的第一压接弧面和第一压环柄组成,第一压接弧面按压在插手式内陶瓷环的上端面,第一压环柄负责连接内部圆环。
可选地,所述第二按压板由相连的第二压接弧面和第二压环柄组成,第二压接弧面按压在插手式外陶瓷环的上端面,第二压环柄负责连接所述连接部。
可选地,所述内陶瓷件和外陶瓷件的首部凸起均为锥形凸起。
有益效果:
(1)本发明通过插手式陶瓷连接,实现了柔性连接,可以有效克服大功率热应力带来的放电室损害的风险,提高了推力器的可靠性和稳定性,从而确保了推力器稳定可靠工作,同时规避了大尺寸下的一次成型的技术难度。
(2)插手式陶瓷环结构,形成迷宫式结构,在保持良好柔性的同时,还可以保证良好气密性和绝缘性,提升了放电室组件的普遍适用性。且,陶瓷环分离式插手组合,简单易于加工,避免了在大尺寸情况下的陶瓷腔一体成型的技术难点。
(3)通过弹性压环与环形沟槽阳极,实现了对陶瓷上下的约束,结构简单,易于实现,确保了有效约束的同时,保证了柔性连接以及热应力的释放,提升了稳定可靠性。
(4)通过陶瓷件的锥形凸起和凹陷以及防爬电沿的特殊设计,增大了间隙的长度和阻力,确保了放电室的气密性和绝缘性,提升了放电室的普适性。
附图说明
图1(a)为本发明三维结构示意图的剖视图;
图1(b)为发明三维结构示意图的俯视图;
图2为内陶瓷件41的三维结构示意图;
图3为外陶瓷件21的三维结构示意图;
图4为内压环5的结构示意图;
图5为外压环单件11的结构示意图;
其中,1-外压环,11-外压环单件,111-外压环的按压板,112-外压环的连接部,2-插手式外陶瓷环,21-外陶瓷件,22-外陶瓷件首部凸起,23-外陶瓷件尾部凹陷,24-环形的外压台,25-外陶瓷件的防爬电沿,26-外陶瓷件的下端面凸起,3-阳极、4-插手式内陶瓷环,41-内陶瓷件,42-内陶瓷件首部凸起,43-内陶瓷件尾部凹陷,44-环形的内压台,45-内陶瓷件的防爬电沿,46-内陶瓷件的下端面凸起,5-内压环,51-内部圆环,52-内压环的按压板52,6-内磁极板,7-外磁极板。
其中,I-压环柄,II-防爬电沿,III-阳极的环形沟槽,a-固定孔,b-压接弧面,下角标n:内,w:外。
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。
本发明提出了一种基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件,该方案为以柔性连接为理念,设计了相应的插手式陶瓷环、弹性压环以及带环形沟槽的阳极,形成一种具有简单、稳定可靠以及易于加工等特点的柔性连接陶瓷放电室组件装置,在保持放电室的稳定工作情况下,规避了大功率推力器放电所致热应力带来的放电室损坏的风险。
如图1(a)和图1(b)所示,该大功率霍尔推力器放电室组件由插手式内陶瓷环4、插手式外陶瓷环2、外压环1、内压环5以及一个带有沟槽的阳极3组成。
插手式内陶瓷环4为由多个内陶瓷件41首尾相连而组成的闭环圆环,增大了陶瓷件之间间隙路径长度和气流阻力。参见图2,每个内陶瓷件为弧形结构,具有相互配合的首部凸起42和尾部凹陷43。本实施例中,这里的首部凸起42为锥形凸起,尾部凹陷43为配合形状的锥形凹陷,这种形状更容易进行周向连接。插手式内陶瓷环4的内环壁上具有突出的环形的内压台44。在内陶瓷件41上该环形内压台表现为一段向内的弧形凸起。内压台44外侧的内陶瓷环4上端部形成环形凸沿,作为内陶瓷件的防爬电沿45,从而增大内压台44与放电室的距离,规避放电室与内压台44之间的放电。
插手式外陶瓷环2为由多个外陶瓷件21首尾相连而组成的闭环圆环,增大了陶瓷件之间间隙路径长度和气流阻力。参见图3,每个外陶瓷件21为弧形结构,具有相互配合的首部凸起22和尾部凹陷23。本实施例中,这里的首部凸起22为锥形凸起,尾部凹陷23为配合形状的锥形凹陷。插手式外陶瓷环2的外环壁上具有突出的环形的外压台24。在外陶瓷件21上该外压台表现为一段向外的弧形凸起。外压台24内侧的外陶瓷环2上端部形成环形凸沿,作为外陶瓷件的防爬电沿25,增大外压台24与放电室的距离,规避放电室与外压台24之间的放电。
外陶瓷件21和内陶瓷件41的下端面均具有凸起26,46,组合后会形成环形的插件,嵌入阳极3提供的内环形沟槽IIIn和外环形沟槽IIIw中,以实现陶瓷件下端面的限位,参见图1(a)。
插手式内陶瓷环4的上端面由内压环5按压,插手式外陶瓷环2的上端面由外压环1按压,以实现陶瓷件上端面的限位。内压环5、外压环1未按压陶瓷环的另一端通过螺钉与内、外磁极板6,7固定。这里的按压具有一定弹性,可以实现上下维度的热应力释放。
参见图4,内压环5为一个整体结构,包括内部圆环51和与内部圆环相连的周向均匀分布的按压板52。按压板52包括压接弧面bn和压环柄In,压接弧面bn的弧度与内压台44弧度配合,该压接弧面bn通过压环柄In连接内部圆环51。内部圆环51开设固定孔an,螺钉穿过固定孔an,固定于内磁极板6上。压环柄的宽度小于压接弧面,采用压环柄的结构可以增加按压板的弹性。
参见图5,外压环1为分离式结构,由多个相互独立的外压环单件11组成。每个外压环单件11包括两个按压板111以及两个按压板之间的连接部112。按压板111包括与外压台24弧度配合的压接弧面bw,以及连接压接弧面bw和所述连接部112的压环柄Iw。连接部112上开设固定孔aw,螺钉穿过固定孔aw,固定于外磁极板7上。
内压环和外压环的设置使得按压具有一定弹性,可以实现上下维度的热应力释放。
整个放电室组件间隙设置充分考虑工作受热时材料形变量,当放电室工作时,产生大量热,放电室组件通过间隙收缩以及弹性形变等方式,实现热应力的释放,从而保证放电室的可靠稳定工作。
本发明可以规避陶瓷环大尺寸一体成型以及大功率下热应力不易释放的技术难点,很大程度上提升了大功率放电时放电室可靠稳定工作。此外,本发明柔性连接设计思想,利于后续大功率推力器的普遍应用。
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 (9)
1.一种基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件,其特征在于,由插手式内陶瓷环(4)、插手式外陶瓷环(2)、外压环(1)、内压环(5)和带有沟槽的阳极(3)组成;
所述插手式内陶瓷环(4)为由多个内陶瓷件(41)首尾相连而组成的闭环圆环;每个内陶瓷件(41)为弧形结构,具有相互配合的首部凸起和尾部凹陷;所述插手式外陶瓷环(2)为由多个外陶瓷件(21)首尾相连而组成的闭环圆环;每个外陶瓷件(21)为弧形结构,具有相互配合的首部凸起和尾部凹陷;
插手式内陶瓷环(4)和插手式外陶瓷环(2)的下端面均具有凸起,嵌入阳极(3)提供的内、外环形沟槽(IIIn、IIIw)中;插手式内陶瓷环(4)的上端面由内压环(5)按压;插手式外陶瓷环(2)的上端面由外压环(1)按压;内压环(5)、外压环(1)的另一端固定于内、外磁极板(6、7)上;内压环(5)和外压环(1)的按压具有弹性。
2.如权利要求1所述的基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件,其特征在于,插手式内陶瓷环(4)的内环壁上具有突出的内压台(44),内压环(5)的压接部压在所述内压台上;内压台(44)外侧的内陶瓷环上端部形成环形凸沿,作为防爬电沿。
3.如权利要求1所述的基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件,其特征在于,插手式外陶瓷环(2)的外环壁上具有突出的外压台(24),外压环(1)的压接部压在所述外压台(24)上;外压台(24)内侧的外陶瓷环上端部形成环形凸沿,作为防爬电沿。
4.如权利要求1所述的基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件,其特征在于,内压环(5)、外压环(1)的所述另一端通过螺接与内、外磁极板固定。
5.如权利要求1所述的基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件,其特征在于,所述内压环(5)为整体结构,包括内部圆环(51)和与内部圆环相连的周向均匀分布的第一按压板(52);内部圆环固定于内磁极板(6)上。
6.如权利要求1所述的基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件,其特征在于,所述外压环(1)为分离式结构,由多个相互独立的外压环单件(11)组成,每个外压环单件包括两个第二按压板(111)以及两个第二按压板之间的连接部(112);连接部固定于外磁极板(7)上;所有外压环单件周向等间隔均匀布置,通过第二按压板按压在插手式外陶瓷环(2)的上端面。
7.如权利要求5所述的基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件,其特征在于,所述第一按压板(52)由相连的第一压接弧面(bn)和第一压环柄(In)组成,第一压接弧面(bn)按压在插手式内陶瓷环(4)的上端面,第一压环柄负责连接内部圆环(51)。
8.如权利要求6所述的基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件,其特征在于,所述第二按压板(111)由相连的第二压接弧面(bw)和第二压环柄(Iw)组成,第二压接弧面(bw)按压在插手式外陶瓷环(2)的上端面,第二压环柄负责连接所述连接部(112)。
9.如权利要求1所述的基于柔性连接的大功率霍尔推力器放电室组件,其特征在于,所述内陶瓷件(41)和外陶瓷件(21)的首部凸起均为锥形凸起。
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