CN111637029A - 分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极及其制备方法。所述阴极包括导热段、过渡段、发射段、进气缓冲腔体、多孔导流通道，导流通道均匀分布并贯穿导热段、过渡段和发射段，与进气缓冲腔体相通，等离子体通过进气缓冲腔体进入阴极并使气体均匀的进入多孔导流通道进行工质输送，阴极由铜或铜合金制成的导热段、连接导热段和发射段的过渡段与钨基复合氧化物复合材料制成的发射段组成，实现了促进发射段的导热，增加温度梯度，从而增加钨基阴极的散热，降低阴极表面温度，减轻阴极的烧蚀。

Description

分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极及其制备方法

技术领域

本发明涉及分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极及其制备方法，属于磁动力领域。

背景技术

随着航天器应用电推进平台和深空探测任务的需求，我国已开展多种电推进技术研究，并取得了长足的进步，但鉴于我国大功率空间电源技术仍处于研制阶段，国内对大功率MPDT的研究起步较晚。磁动力等离子体推力器的工作原理是通过在阴阳极之间放电形成电弧，由推进剂形成的高温等离子体中有高电流通过，电流感生磁场和附加磁场与电流相互作用，产生轴向的洛伦兹力，使推进剂加速排出产生推力。大功率MPD推力器的阴极寿命问题一直是制约其广泛应用的瓶颈。MPD推力器稳态工作时，阴极发射面温度可达3000℃，由于传统MPD推力器的阴极均为钨氧化物材料，钨氧化物复合材料的导热系数较低，导热系数仅为150W/mK，极大的限制了工作过程中热量的传输。

现有的MPD推力器阴极多采用一体化钨氧化物复合材料，由于导热系数仅为150W/mK，阴极处于工质电离区的热量无法快速排放，造成了阴极熔融烧蚀速率较高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术中的传统MPD推力器因阴极本身热传导性能差导致的阴极熔融烧蚀的问题，提出了分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极及其制备方法，保证了阴极的散热能力和抗烧蚀能力。

本发明的技术解决方案是：一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极，该推力器阴极包括导热段、过渡段和发射段；

阴极的导热段与环绕在推力器外部的阴极水冷筒套采用锥面密封连接，过渡段用于连接发射段和导热段，导热段内部设有进气缓冲腔体，过渡段和发射段内部设有相互贯通的多孔导流通道，进气缓冲腔体与多孔导流通道连通，等离子体通过进气缓冲腔体进入多孔导流通道，经过多孔导流通道传输至发射段，发射段发射电子将工质电离成等离子体；发射段发射电子时会产生大量的多余热量，通过过渡段将发射段产生热量传导至导热段，再通过阴极水冷套筒散热，降低发射段的表面温度，防止发射段的烧蚀。

所述导热段的采用与阴极水冷套筒材料一致的金属材料制成，例如：铜合金或铜。

所述导热段的长度与环绕的阴极水冷筒套锥面长度一致，以便进行充分的热交换，将阴极发射电子时产生的热量传送出去，长度为30mm。

所述发射段长度为10～20mm。

所述过渡段的长度满足如下关系：过渡段长度＝阴极长度-发射段长度-导热段长度，阴极长度为60～68mm。

所述过渡段由骨架和镀层组成，骨架采用与发射段材料，镀层采用与导热段相同材料制成。

所述导热段和过渡段采用一体化熔渗成型工艺或焊接方式连接。

所述过渡段和发射段采用焊接方式连接。

所述发射段材料为钨基氧化物复合材料，例如，氧化钇、氧化镧、氧化铈。

所述阴极导热段的外表面为锥型面，与阴极水冷筒套结构进行锥形连接。

本发明的另一个技术解决方案是：一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)、制备发射段粗胚；

(2)、采用与发射段粗胚相同的材料制成多孔骨架，作为过渡段的骨架；

(3)、将过渡段的骨架与发射段焊接相连；

(4)、将焊接发射段的多孔骨架放入过渡段模具中，在H2气氛炉中进行渗铜铸造，使熔化的铜熔渗入多孔骨架中，多余的铜附着在过渡段表面；

(5)、将阴极导热段与过渡段焊接在一起；

(6)、通过机械加工在步骤加工的粗胚上加工进气缓冲腔体与多孔导流通道。

所述过渡段(1)采用钨基氧化物和铜混合材料制成。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明提出的一种新型的分段式复合结构阴极结构，分别由发射段、过渡段和导热段组成，在不影响阴极电子发射能力的前提下促进发射段的导热，增加温度梯度，从而增加钨阴极的散热，降低阴极表面温度，减轻阴极的烧蚀。

(2)、本发明过渡段采用的钨铜焊接工艺可靠且耐高温，可在磁等离子体动力(MPD)推力器工作环境下长时间使用；

(3)、本发明导热段采用与阴极水冷套筒材料一致的高导热金属，有效地提高了换热效果。

附图说明

图1为发明实施例提供的阴极结构图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种分段式复合结构磁等离子体动力(MPD)推力器阴极，该推力器阴极包括导热段1、过渡段2和发射段3；

阴极的导热段1与环绕在器外部的阴极水冷筒套采用锥面密封连接，过渡段2用于连接发射段3和导热段1，导热段1内部设有进气缓冲腔体4，过渡段2和发射段3内部设有相互贯通的多孔导流通道5，进气缓冲腔体4与多孔导流通道5连通，所述进气缓冲腔体4位于阴极导热段1中心，等离子体通过进气缓冲腔体4均匀地进入多孔导流通道5，经过多孔导流通道5传输至发射段3，发射段3发射电子将工质电离成等离子体；发射段3发射电子时会产生大量的多余热量，通过过渡段2将发射段3产生热量传导至导热段1，再通过阴极水冷套筒散热，降低发射段3的表面温度，防止发射段3的烧蚀。多孔导流通道5位于过渡段2和发射段3中心并贯通，为阴极提供足够的电子发射截面。

优选地，所述导热段1的采用与阴极水冷套筒材料一致的金属材料制成，

优选地，所述导热段1的长度与环绕的阴极水冷筒套锥面长度一致，以便进行充分的热交换，将阴极发射电子时产生的热量传送出去，长度为30mm。

优选地，本发明采用分段式变温度梯度结构，阴极过渡段长度为15～22mm，阴极发射段长度为10～20mm，过渡段长度满足如下关系：过渡段长度＝阴极长度-发射段长度--导热段长度，阴极长度为60～68mm，阴极导热段的外表面为锥型面，与阴极水冷筒套结构进行锥形连接。

优选地，所述过渡段2由骨架和镀层组成，骨架采用与发射段(3)材料，镀层采用与导热段1相同材料制成。

优选地，所述导热段1和过渡段2采用一体化熔渗成型工艺或焊接方式连接。

优选地，所述过渡段2和发射段3采用焊接方式连接。

优选地，所述阴极导热段1的外表面为锥型面，与阴极水冷筒套结构进行锥形连接，既可以保证充分的换热接触和夹持又可以快速拆卸。

优选地，导热段1材料为铜合金或铜，导热系数为401W/mK，保证了换热的能力。

优选地，所述过渡段(1)采用钨基氧化物和铜混合材料制成，钨铜混合体积比1：8。

优选地，过渡段2的骨架材料为铜钨氧化物复合材料，导热系数为195W/mK。过渡段2可以保证温度梯度的均匀变化，提高阴极换热能力，并且连接的降低焊接工艺难度。

优选地，发射段3材料为钨氧化物复合材料，例如，氧化钇、氧化镧、氧化铈，可以维持电子的发射能力，并且控制温度不超过3000℃。

本发明还提供了一种分段式复合结构MPD推力器阴极的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

(1)、制备发射段3粗胚；

(2)、采用与发射段3粗胚相同的材料制成多孔骨架，作为过渡段2的骨架；

(3)、将过渡段2的骨架与发射段3焊接相连；

(4)、将焊接发射段3的多孔骨架放入过渡段2模具中，在H2气氛炉中进行渗铜铸造，使熔化的铜熔渗入多孔骨架中，多余的铜附着在过渡段2表面；

(5)、将阴极导热段1与过渡段2焊接在一起；

(6)、通过机械加工在步骤5加工的粗胚上加工进气缓冲腔体4与多孔导流通道5。

上述制备方法一方面可以提高发射段3的导热性能，增加温度梯度，减轻阴极的烧蚀；另一方面可以维持阴极的电子发射能力，维持发动机性能不变。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于包括导热段(1)、过渡段(2)和发射段(3)；

阴极的导热段(1)与环绕在推力器外部的阴极水冷筒套采用锥面密封连接，过渡段(2)用于连接发射段(3)和导热段(1)，导热段(1)内部设有进气缓冲腔体(4)，过渡段(2)和发射段(3)内部设有相互贯通的多孔导流通道(5)，进气缓冲腔体(4)与多孔导流通道(5)连通，等离子体通过进气缓冲腔体(4)进入多孔导流通道(5)，经过多孔导流通道(5)传输至发射段(3)，发射段(3)发射电子将工质电离成等离子体；发射段(3)发射电子时会产生大量的多余热量，通过过渡段(2)将发射段(3)产生热量传导至导热段(1)，再通过阴极水冷套筒散热，降低发射段(3)的表面温度，防止发射段(3)的烧蚀。

2.根据权利要求1所述的一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于所述导热段(1)的采用与阴极水冷套筒材料一致的金属材料制成，例如：铜合金或铜。

3.根据权利要求1所述的一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于所述导热段(1)的长度与环绕的阴极水冷筒套锥面长度一致，以便进行充分的热交换，将阴极发射电子时产生的热量传送出去，长度为30mm。

4.根据权利要求3所述的一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于所述发射段(3)长度为10～20mm。

5.根据权利要求4所述的一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于所述过渡段(2)的长度满足如下关系：过渡段长度＝阴极长度-发射段长度-导热段长度，阴极长度为60～68mm。

6.根据权利要求1所述的一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于所述过渡段(2)由骨架和镀层组成，骨架采用与发射段(3)材料，镀层采用与导热段(1)相同材料制成。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于：所述导热段(1)和过渡段(2)采用一体化熔渗成型工艺或焊接方式连接。

8.根据权利要求1～6任一项所述的一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于：所述过渡段(2)和发射段(3)采用焊接方式连接。

9.根据权利要求1～6所述的项所述的一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于所述发射段(3)材料为钨基氧化物复合材料，例如，氧化钇、氧化镧、氧化铈。

10.根据权利要求1～6所述的项所述的一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于所述导热段(1)的外表面为锥型面，与阴极水冷筒套结构进行锥形连接。

11.一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、制备发射段(3)粗胚；

(2)、采用与发射段(3)粗胚相同的材料制成多孔骨架，作为过渡段(2)的骨架；

(3)、将过渡段(2)的骨架与发射段(3)焊接相连；

(4)、将焊接发射段(3)的多孔骨架放入过渡段(2)模具中，在H2气氛炉中进行渗铜铸造，使熔化的铜熔渗入多孔骨架中，多余的铜附着在过渡段(2)表面；

(5)、将阴极导热段(1)与过渡段(2)焊接在一起；

(6)、通过机械加工在步骤(5)加工的粗胚上加工进气缓冲腔体(4)与多孔导流通道(5)。

12.根据权利要求11所述的一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极制备方法，其特征在于所述过渡段(1)采用钨基氧化物和铜混合材料制成。

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