CN112412720B - 一种超导型磁等离子体推进器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导型磁等离子体推进器，包括推进器阴极和推进器阳极，所述推进器阴极包括阴极进气管、固定环件、内腔体、外腔体、喷管固定座和阴极喷管，所述阴极进气管固定连接在所述内腔体前端，所述内腔体后端通过螺纹连接喷管固定座，所述喷管固定座与所述阴极喷管固定连接；所述内腔体、喷管固定座和阴极喷管均为中空结构，共同构成阴极进气通道；所述固定环件和外腔体固定嵌套在所述内腔体外侧；所述推进器阳极一端固定连接绝缘管件，所述绝缘管件和推进器阳极均嵌套在所述外腔体外侧。本发明推进器阳极通过螺旋式换热单元和多通道换热单元进行降温，实现阳极端部的均匀冷却。

Description

一种超导型磁等离子体推进器

技术领域

本发明涉及推进器领域，具体涉及一种超导型磁等离子体推进器。

背景技术

大型航天器轨道转移、载人登月、深空探测等空间任务对推进系统的比冲、推力、寿命等提出了更高的需求。传统的化学推进和霍尔推进推力大、但是比冲小、有效载荷低，离子推进比冲高、但是推力小，均已无法满足未来空间任务的需求。磁等离子体推进器原理是通过高温电弧电离工质产生的等离子体在磁场和电场的综合作用下加速从而对推力器产生反向推力，加速机理涉及自身场加速、涡旋加速、霍尔加速、气动加速四种相互耦合的加速模式被NASA誉为最强电推进技术。在大型航天器轨道转移、载人登月、深空探测等方面有诸多优势。

一般采用的离子推进，是在静电场的作用下，将工质电离生成的离子加速喷出，产生推力。附加磁场由超导磁体取代常规铜线圈提供不但可以获得较高的磁场强度，整体部件的尺寸大幅降低，而且超导磁体的均匀磁场使得阴极等离子体放电也更加均匀。

空间磁等离子体动力推力器阳极的主要功能是维持阳极与阴极的持续放电平衡，其结构形式和尺寸直接对于推力器等离子体电离和能量注入效率具有至关重要的作用。

空间超导型磁等离子体推进器的功率损失主要在阳极，但是阴极尖端需要承受2000～3000K左右的高温，高温产生的能量最终转化成热量，阴极是推进器所有部件中工作环境最恶劣的，因为阴极处于放电区中心，要直接承受离子的轰击、强烈的热辐射以及放电电流带来的焦耳热，空间磁等离子体推力器阳极承受电子和离子的轰击作用，推力器的热损耗的80％发生在阳极，阳极的热环境较恶劣，因此如何高效将阳极的热排出尤为重要。然而在空间环境中，冷却水由于失重导致阳极冷却效率严重较低低，传统换热结构难以满足阳极的制冷需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种超导型磁等离子体推进器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超导型磁等离子体推进器，包括推进器阴极和推进器阳极，所述推进器阴极包括阴极进气管、固定环件、内腔体、外腔体、喷管固定座和阴极喷管，所述阴极进气管固定连接在所述内腔体前端，所述内腔体后端通过螺纹连接喷管固定座，所述喷管固定座与所述阴极喷管固定连接；所述内腔体、喷管固定座和阴极喷管均为中空结构，共同构成阴极进气通道；所述固定环件和外腔体固定嵌套在所述内腔体外侧；

所述推进器阳极一端固定连接绝缘管件，所述绝缘管件和推进器阳极均嵌套在所述外腔体外侧。

进一步的，所述固定环件和外腔体与内腔体之间设置冷却液通道；所述冷却液通道的进液口和出液口位于所述外腔体前端。

进一步的，所述阴极进气管垂直于所述内腔体，且内腔体的一端密封，另一端连接所述喷管固定座。

进一步的，绝缘管件和推进器阳极与所述推进器阴极之间设置绝缘层。

进一步的，所述阴极喷管为多孔阴极喷管。

进一步的，所述推进器阳极包括阳极本体和螺旋式换热单元，所述螺旋式换热单元嵌套在所述推进器阳极外侧。

进一步的，所述螺旋式换热单元包括换热外壳、换热内衬、第一进液管、第一出液管以及位于换热外壳和换热内衬之间的螺旋通道，所述换热内衬固定在所述阳极本体外侧一周，所述螺旋通道位于所述换热内衬中，且环绕所述阳极本体一周。

进一步的，所述推进器阳极还包括多通道换热单元，所述多通道换热单元包括端部外壳、端部冷却槽、第二进液管、第二出液管和端部冷却通道，所述端部外壳固定在所述推进器阳极后端，所述推进器阳极前端连接绝缘管件；所述端部外壳的外侧设置端部冷却槽，所述端部冷却通道设置在推进器阳极周围，且端部冷却通道的一端连接所述端部冷却槽，另一端连接第二进液管或第二出液管。

进一步的，所述第二进液管和第二出液管的数量相等，且对称分布所述推进器阳极外侧。

进一步的，所述端部外壳、推进器阳极和绝缘管件一起嵌套在所述外腔体外侧。

本发明的有益效果在于：推进器工作时多孔阴极喷管温度比较高，容易发生腐蚀损耗，其与内腔体之间通过螺纹连接，损耗后更换的效率更高，更换成本更低。推进器阴极中冷却液通道的进液口和出液口设计在同一侧，从而保证在冷却液通道内能保有更多的冷却液，增大冷却液在通道内的停留时间，可以带走多孔阴极喷管产生的大量热量，提高冷却液的利用效率。多孔阴极喷管的多处结构均利用焊接方式进行连接，更加可靠、能有效防止冷却液漏的发生。推进器阳极通过螺旋式换热单元有效增加冷却液在换热内衬中冷却时间，提高冷却效率；通过多通道换热单元可以大幅增加冷却液流量，加快换热速度，从而提高制冷量；此外，多通道换热单元的端部冷却通道间进出水口交替排布的方式实现阳极端部的均匀冷却。

附图说明

附图1为本发明推进器阴极的结构示意图；

附图2为本发明推进器的结构示意图；

附图3为本发明中推进器的俯视图；

附图4为本发明中推进器阳极的结构示意图；

附图5为本发明中螺旋式换热单元的结构示意图；

附图6为本发明中多通道换热单元的结构示意图。

附图标记：11阴极进气管，12固定环件，13内腔体，14外腔体，15喷管固定座，16阴极喷管，17进液口，18出液口，21绝缘管件，22阳极本体，23螺旋式换热单元，24多通道换热单元，231换热外壳，232换热内衬，233第一进液管，234第一出液管，235螺旋通道，241端部外壳，242端部冷却槽，243第二进液管，244第二出液管，245端部冷却通道，

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

请参阅附图1-2，一种超导型磁等离子体推进器，包括推进器阴极和推进器阳极，推进器阴极包括阴极进气管11、固定环件12、内腔体13、外腔体14、喷管固定座15和阴极喷管16，阴极进气管11固定连接在内腔体13前端，内腔体13后端通过螺纹连接喷管固定座15，喷管固定座15与阴极喷管16固定连接；内腔体13、喷管固定座15和阴极喷管16均为中空结构，共同构成阴极进气通道；固定环件12和外腔体14固定嵌套在内腔体13外侧。本发明中阴极喷管为多孔阴极喷管。

优选的，如附图1所示，本发明中阴极进气管垂直于内腔体，且内腔体的一端密封，另一端连接喷管固定座。

具体的，内腔体13与阴极进气管11通过焊接固定，通过螺纹连接与喷管固定座15连接，喷管固定座15则通过高温焊接与阴极喷管16固定，它们共同构成了空间超导型磁等离子体推进器多孔阴极喷管的进气通道结构，推进器工作时，阴极喷管16和推进器阳极之间通过电弧放电，将从阴极喷管16喷出的推进剂电离，产生高温等离子体，在空间超导磁体产生的磁场作用下加速喷出，从而产生需要的反作用力用于推进空间航天器，其中空间超导磁体环绕在推进器外围。

请继续参阅附图1-2，外腔体14与固定环件12和内腔体13通过焊接方式固定，并且固定环件12和内腔体13之间留有冷却液通道，通过进液口17和出液口18进行冷却液流通，它们共同构成了阴极液冷结构，多孔阴极喷管的液冷结构作为一个整体套入绝缘管件21与推进器阳极连接固定并且绝缘，从而保证工作时推进器阳极和阴极喷管16之间的电离外不会有其它部位的短路或击穿。阴极喷管16由于高温等离子体放电侵蚀、溅射，产生大量的热量，热量传导至温度较低的内腔体13上，冷却液在冷却通道中流动，冷却液的流通可以带走多孔阴极喷管工作时产生的大部分热量，通过强制对流换热导出大量的热量，延长空间超导型磁等离子体推进器阴极的寿命，从而保证推进器在阴极喷管16尖端位置进行稳定的放电，保证整体结构的稳定运行，进而提高推进器的工作使用寿命。

请参阅附图推进器阴极通过其内部留有的冷却通道使其工作运行时保证温度不至于过高，影响整体系统可靠性。外腔体远离多孔阴极喷管的端部上下均匀的分布着两个连接冷却液通道的进液口和出液口。工作时，冷却液从进液口进入，通过内腔体壁流到外腔体上部出液口，从出液口流出，冷却液通过与内腔体外表面的热交换，带走推进器工作时阴极产生的过高热量，从而保证推进器系统能稳定运行。

请参阅附图4-6本发明绝缘管件和推进器阳极与推进器阴极之间设置绝缘层。推进器阳极包括阳极本体222、螺旋式换热单元23和多通道换热单元24。

螺旋式换热单元嵌套在推进器阳极外侧。推进器阳极一端固定连接绝缘管件，绝缘管件和推进器阳极均嵌套在外腔体外侧。螺旋式换热单元包括换热外壳231、换热内衬232、第一进液管233、第一出液管234以及位于换热外壳和换热内衬之间的螺旋通道235，换热内衬232固定在阳极本体222外侧一周，螺旋通道235位于换热内衬中，且环绕阳极本体一周。

螺旋通道235由换热内衬232经过机加工后形成，螺旋通道的槽深和槽宽严格按照所需的冷却能力进行设计。换热外壳231与换热内衬232装配后经焊接形成密封的冷却通道。

第一进液管233与第一出液管234均与换热外壳231焊接，保证结构密封，冷却水不泄露。冷却水经第一进液管233进入螺旋通道235，最后经第一出液管234流出。螺旋通道显著增加冷却水的流动路径，具有较好的导热能力，提高阳极换热能力。第一进液管233与第一出液管234布置在对角位置。

推进器阳极还包括多通道换热单元，多通道换热单元包括端部外壳241、端部冷却槽242、第二进液管243、第二出液管244和端部冷却通道245，端部外壳241固定在推进器阳极后端，推进器阳极前端连接绝缘管件21；端部外壳的外侧设置端部冷却槽，端部冷却通道设置在推进器阳极周围，且端部冷却通道的一端连接端部冷却槽，另一端连接第二进液管或第二出液管。

第二进液管和第二出液管的数量相等，且对称分布推进器阳极外侧。端部外壳、推进器阳极和绝缘管件一起嵌套在外腔体外侧。

端部外壳241与阳极本体22通过焊接形成端部冷却槽242。第二进液管243、第二出液管243与阳极本体22焊接密封，保证冷却水不泄露。冷却剂经第二进液管243进入端部冷却通道245，然后流进至端部冷却槽242；再通过端部冷却通道245经第二出液管244流出多通道换热结构。多通道换热结构中第二进液管243和第二出液管243交替排列，实现阳极端部均匀换热。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超导型磁等离子体推进器，其特征在于，包括推进器阴极和推进器阳极，所述推进器阴极包括阴极进气管、固定环件、内腔体、外腔体、喷管固定座和阴极喷管，所述阴极进气管固定连接在所述内腔体前端，所述内腔体后端通过螺纹连接喷管固定座，所述喷管固定座与所述阴极喷管固定连接；所述内腔体、喷管固定座和阴极喷管均为中空结构，共同构成阴极进气通道；所述固定环件和外腔体固定嵌套在所述内腔体外侧；所述固定环件和外腔体与内腔体之间设置冷却液通道；

所述推进器阳极一端固定连接绝缘管件，所述绝缘管件和推进器阳极均嵌套在所述外腔体外侧；所述推进器阳极包括螺旋式换热单元；

所述螺旋式换热单元包括换热外壳、换热内衬、第一进液管、第一出液管以及位于换热外壳和换热内衬之间的螺旋通道，所述换热内衬固定在所述阳极本体外侧一周，所述螺旋通道位于所述换热内衬中，且环绕所述阳极本体一周；所述推进器阳极还包括多通道换热单元，所述多通道换热单元包括端部外壳、端部冷却槽、第二进液管、第二出液管和端部冷却通道，所述端部外壳固定在所述推进器阳极后端，所述推进器阳极前端连接绝缘管件；所述端部外壳的外侧设置端部冷却槽，所述端部冷却通道设置在推进器阳极周围，且端部冷却通道的一端连接所述端部冷却槽，另一端连接第二进液管或第二出液管。

2.根据权利要求1所述的一种超导型磁等离子体推进器，其特征在于，所述冷却液通道的进液口和出液口位于所述外腔体前端。

3.根据权利要求1所述的一种超导型磁等离子体推进器，其特征在于，所述阴极进气管垂直于所述内腔体，且内腔体的一端密封，另一端连接所述喷管固定座。

4.根据权利要求1所述的一种超导型磁等离子体推进器，其特征在于，绝缘管件和推进器阳极与所述推进器阴极之间设置绝缘层。

5.根据权利要求1所述的一种超导型磁等离子体推进器，其特征在于，所述阴极喷管为多孔阴极喷管。

6.根据权利要求1所述的一种超导型磁等离子体推进器，其特征在于，所述推进器阳极包括阳极本体和螺旋式换热单元，所述螺旋式换热单元嵌套在所述推进器阳极外侧。

7.根据权利要求1所述的一种超导型磁等离子体推进器，其特征在于，所述第二进液管和第二出液管的数量相等，且对称分布所述推进器阳极外侧。

8.根据权利要求1所述的一种超导型磁等离子体推进器，其特征在于，所述端部外壳、推进器阳极和绝缘管件一起嵌套在所述外腔体外侧。

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