CN111605740B - 一种电弧推力器阳极结构 - Google Patents
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Abstract
一种电弧推力器阳极结构，包括：收缩段、核心段、第一扩张段、第二扩张段；其全部为导体，外形都为圆柱形，依次同轴串联密封连接。收缩段内部有锥形收缩的第一通道；核心段内部有锥形收缩的第二通道、圆柱通道和锥形扩张的第三通道；扩张段内部有锥形扩张的第四通道；扩张段内部有锥形扩张的第五通道。第一通道、第二通道、圆柱通道、第三通道、第四通道和第五通道同轴串联组成阳极的内壁面。收缩段、核心段、第一扩张段和第二扩张段内部有吸热通道，外表面表面有辐射散热涂层；气体推进剂沿在吸热通道内流动，从吸热通道壁面吸收热量后进入电弧放电区。本发明能够降低了阳极的加工难度和原材料成本，提高推力器的性能，减小阳极质量，有利于卫星的工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种电弧放电装置，尤其是一种适用于卫星推进系统的电弧推力器阳极。
背景技术
阳极是电弧推力器的关键部件，其功能是参与电弧放电并兼做推力器的喷管。阳极一般具有收缩-扩张形状的内型面，参与电弧放电的核心区主要是喉道及其上下游附近区域，这一区域有高温和电弧贴附，容易出现内壁面烧蚀和热蠕变，制约电弧推力器寿命。面向卫星工程应用，现有技术一般采用钨合金制造的整体阳极，存在以下不足：
1)加工难度大。整体阳极的喉道附近核心区位于阳极内部，加工刀具难以到达。
2)原材料成本高。需要大段的钨合金棒料，材料成本高，特别是采用含铼的钨合金时，材料成本更高。
3)制约推力器性能。阳极内部难以布置再生冷却通道和扩大外表面积，不利于增强阳极的散热，制约了推力器性能。
4)不利于减重。钨合金密度大，导致阳极质量大。
因此，现有技术不利于卫星的工程应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种电弧推力器阳极结构，可降低加工难度和材料成本，提高推力器性能。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种电弧推力器阳极结构，包括：沿轴向由气体入口至气体出口方向依次连接的收缩段、核心段、第一扩张段和第二扩张段；
收缩段、核心段、第一扩张段和第二扩张段的材料都为导体，收缩段、核心段、第一扩张段和第二扩张段的外形都为圆柱，收缩段、核心段、第一扩张段和第二扩张段的轴线重合；收缩段、核心段、第一扩张段和第二扩张段两两之间的接触面密封连接；
收缩段内部设置有圆锥孔作为第一通道，圆锥孔的开口方向朝向气体入口；
核心段内部设置有两个开口方向相背的圆锥孔，两个圆锥孔之间通过通孔连接，开口方向朝向气体入口的圆锥孔作为第二通道，开口方向朝向气体出口的圆锥孔作为第三通道，两圆锥孔之间的通孔作为圆柱通道；
第一扩张段内部有开口朝向气体出口的圆锥孔作为第四通道；第二扩张段内部有开口朝向气体出口的圆锥孔作为第五通道；
第一通道、第二通道、圆柱通道、第三通道、第四通道和第五通道同轴且依次串联，第一通道、第二通道、圆柱通道、第三通道、第四通道和第五通道的内壁面光滑连接，第一通道的轴线与收缩段的圆柱轴线重合；
收缩段、核心段、第一扩张段和第二扩张段内部还设置有吸热通道；吸热通道的起点开始于收缩段端面，沿轴向依次传入核心段和第一扩张段，并在第一扩张段和第二扩张段的接触面处沿径向向轴线延长后折返并与第一通道的大径端连通；
吸热通道的起点作为气体入口，第五通道的大径端作为气体出口；阴极结构插入第一通道且与第一通道的内壁不接触。
所述收缩段、核心段和第一扩张段的外壁直径相同；第二扩张段的外壁直径大于第一扩张段。
所述收缩段、核心段、第一扩张段和第二扩张段外表面喷涂耐高温辐射散热涂层，涂层材料为氧化铝、氮化钛、碳化钛等耐温1000℃以上的陶瓷，耐高温辐射散热涂层的表面发射率在0.7以上。
所述核心段的材料为钨铼合金，收缩段、第一扩张段和第二扩张段的材料为钼铼、钼镧或TZM钼合金。
所述收缩段、核心段、第一扩张段和第二扩张段两两之间采用扩散焊工艺连接。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
本发明降低了阳极结构的加工难度和原材料成本，容易在阳极内部布置吸热通道和扩大外表面积，增强了阳极结构的散热能力，提高了推力器的性能，减小了阳极结构质量，有利于卫星的工程应用。
附图说明
图1为本发明的阳极结构在电弧推力器安装位置示意图。
图2为本发明的阳极结构轴向剖面结构示意图。
图3为图2的阳极结构A-A截面剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述：
本发明一种电弧推力器阳极结构，如图1、图2和图3所示包括：沿轴向由气体入口至气体出口方向依次连接的收缩段1、核心段2、第一扩张段3和第二扩张段4；
收缩段1、核心段2、第一扩张段3和第二扩张段4的材料都为导体，收缩段1、核心段2、第一扩张段3和第二扩张段4的外形都为圆柱，收缩段1、核心段2、第一扩张段3和第二扩张段4的轴线重合；收缩段1、核心段2、第一扩张段3和第二扩张段4两两之间的接触面密封连接；
收缩段1内部设置有圆锥孔作为第一通道5，圆锥孔的开口方向朝向气体入口；
核心段2内部设置有两个开口方向相背的圆锥孔，两个圆锥孔之间通过通孔连接，开口方向朝向气体入口的圆锥孔作为第二通道6，开口方向朝向气体出口的圆锥孔作为第三通道8，两圆锥孔之间的通孔作为圆柱通道7；
第一扩张段3内部有开口朝向气体出口的圆锥孔作为第四通道9；第二扩张段4内部有开口朝向气体出口的圆锥孔作为第五通道10；
第一通道5、第二通道6、圆柱通道7、第三通道8、第四通道9和第五通道10同轴且依次串联，第一通道5、第二通道6、圆柱通道7、第三通道8、第四通道9和第五通道10的内壁面光滑连接，第一通道5的轴线与收缩段1的圆柱轴线重合；
收缩段1、核心段2、第一扩张段3和第二扩张段4内部还设置有周向均布的吸热通道11，如图3所示。吸热通道11的起点开始于收缩段1端面，沿轴向依次传入核心段2和第一扩张段3，并在第一扩张段3和第二扩张段4的接触面处沿径向向轴线延长后折返并与第一通道5的大径端连通；
吸热通道11的起点作为气体入口，第五通道10的大径端作为气体出口；阴极结构13插入第一通道5且与第一通道5的内壁不接触。气体推进剂在吸热通道11内流动，吸热通道11的壁面吸收热量，然后进入电弧放电区。
气体推进剂沿图1和图2中的箭头方向在吸热通道11内流动，从吸热通道11的壁面吸收热量，实现再生冷却的作用，然后流入阳极内壁面与阴极13之间的电弧放电区，最后从锥面10的右端喷出。
收缩段1、核心段2和第一扩张段3的外圆柱面直径相同；第二扩张段4的外圆柱面直径大，辐射面积大，有利于增强阳极散热，使阳极能够在更高的功率工作，提高推力器性能。收缩段1、核心段2、第一扩张段3和第二扩张段4外表面喷涂耐高温辐射散热涂层，涂层材料为氧化铝、氮化钛、碳化钛等耐温1000℃以上的陶瓷，涂层发射率在0.7以上，可进一步提高阳极的散热能力。
核心段2的材料为钨铼合金，具有良好的高温强度和抗烧蚀能力；收缩段1、第一扩张段3和第二扩张段4的材料为钼铼、钼镧或TZM钼合金，容易加工，成本低，与钨铼合金焊接性能好，热膨胀系数与钨铼合金接近，有利于减少热应力，高温性能可满足所在位置的要求，密度比钨铼合金低，有利于阳极减重。
收缩段1、核心段2、第一扩张段3和第二扩张段4各自单独加工完成之后，采用扩散焊连接，优选放电等离子烧结扩散焊以减少焊接变形。收缩段1与上游的电弧推力器壳体12可采用电子束焊接、钎焊或扩散焊连接，优选放电等离子烧结扩散焊。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种电弧推力器阳极结构，其特征在于，包括：沿轴向由气体入口至气体出口方向依次连接的收缩段（1）、核心段（2）、第一扩张段（3）和第二扩张段（4）；
收缩段（1）、核心段（2）、第一扩张段（3）和第二扩张段（4）的材料都为导体，收缩段（1）、核心段（2）、第一扩张段（3）和第二扩张段（4）的外形都为圆柱，收缩段（1）、核心段（2）、第一扩张段（3）和第二扩张段（4）的轴线重合；收缩段（1）、核心段（2）、第一扩张段（3）和第二扩张段（4）两两之间的接触面密封连接；
收缩段（1）内部设置有圆锥孔作为第一通道（5），圆锥孔的开口方向朝向气体入口；
核心段（2）内部设置有两个开口方向相背的圆锥孔，两个圆锥孔之间通过通孔连接，开口方向朝向气体入口的圆锥孔作为第二通道（6），开口方向朝向气体出口的圆锥孔作为第三通道（8），两圆锥孔之间的通孔作为圆柱通道（7）；
第一扩张段（3）内部有开口朝向气体出口的圆锥孔作为第四通道（9）；第二扩张段（4）内部有开口朝向气体出口的圆锥孔作为第五通道（10）；
第一通道（5）、第二通道（6）、圆柱通道（7）、第三通道（8）、第四通道（9）和第五通道（10）同轴且依次串联，第一通道（5）、第二通道（6）、圆柱通道（7）、第三通道（8）、第四通道（9）和第五通道（10）的内壁面光滑连接，第一通道（5）的轴线与收缩段（1）的圆柱轴线重合；
收缩段（1）、核心段（2）、第一扩张段（3）和第二扩张段（4）内部还设置有吸热通道（11）；吸热通道（11）的起点开始于收缩段（1）端面，沿平行于收缩段（1）的轴线方向依次传入核心段（2）和第一扩张段（3），并在第一扩张段（3）和第二扩张段（4）的接触面处沿径向向第二扩张段（4）的轴线延长后折返，折返路径依次靠近第一扩张段（3）的内壁面、核心段（2）的内壁面以及收缩段（1）的内壁面，最终与第一通道（5）的大径端连通；
吸热通道（11）的起点作为气体入口，第五通道（10）的大径端作为气体出口；阴极结构（13）插入第一通道（5）且与第一通道（5）的内壁不接触；所述收缩段（1）、核心段（2）和第一扩张段（3）的外壁直径相同；第二扩张段（4）的外壁直径大于第一扩张段（3）；
所述核心段（2）的材料为钨铼合金，收缩段（1）、第一扩张段（3）和第二扩张段（4）的材料均可为钼铼、钼镧或TZM钼合金。
2.根据权利要求1所述的一种电弧推力器阳极结构，其特征在于：所述收缩段（1）、核心段（2）、第一扩张段（3）和第二扩张段（4）外表面喷涂耐高温辐射散热涂层，涂层材料为氧化铝、氮化钛或碳化钛陶瓷，耐高温辐射散热涂层的表面发射率在0.7以上。
3.根据权利要求1或2所述的一种电弧推力器阳极结构，其特征在于：所述收缩段（1）、核心段（2）、第一扩张段（3）和第二扩张段（4）两两之间采用扩散焊工艺连接。
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