CN112502927B - 一种用于超导型磁等离子体推进器的防羽流腐蚀装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于超导型磁等离子体推进器的防羽流腐蚀装置，包括位于真空舱中的超导磁体、推进器、防护外壳和导流器；其中，所述真空舱的前端设置舱门，所述推进器位于真空舱的底部，所述超导磁体包括超导线圈，所述超导线圈环绕在所述推进器的周围；所述推进器包括推进器主体和喷射口，所述喷射口位于所述推进器主体一侧；所述防护外壳为位于所述推进器本体上方的中空柱状结构；所述导流器固定连接在所述防护外壳上方，所述导流器为上端开口，下端封闭的锥形结构；本发明大大降低了离子束喷射过程中羽流对推进器、外围线路及真空舱的溅射腐蚀，延长了推进器及真空舱的使用寿命。

Description

一种用于超导型磁等离子体推进器的防羽流腐蚀装置
技术领域
本发明涉及羽流腐蚀防护领域，具体涉及一种用于超导型磁等离子体推进器的防羽流腐蚀装置。
背景技术
随着航天、空间探测的发展，传统的化学推进器已不能满足人们对深空探测的需求，各种高性能平台对电推进技术的应用需求越发迫切。电推进相比化学推进器具有质量低、比冲高和可重复启动等特点而得到广泛的应用，其中离子推进器相较于其它类型的电推进器比冲更高，是一种被各国重点研发的电推进器。离子推进器的性能、寿命和可靠性是高质量飞行器及其负载设计的重要一环。
离子推进器工作时会产生羽流，羽流主要由以下五部分组成:快速离子束(速度大于10km/s)是离子推进器推力的来源；未电离的中性推进剂原子，主要来自放电室和中和器；CEX离子；非推进剂离子，主要来自栅极材料的溅射离子；中和器发射的电子。离子推进器工作时产生喷射的高能离子，会对本身结构及外围测控单元造成溅射腐蚀，进而影响推进器的性能和工作寿命。
为了解决离子推进器工作时产生的高能离子溅射对推进器本身结构及外围测控单元造成腐蚀，需要设计出能够避免羽流腐蚀的防护装置。
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用于超导型磁等离子体推进器的防羽流腐蚀装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的有益效果在于：本发明将喷射口加大并引出到推进器后端，并在推进器上端增加了防护外壳，在防护外壳上端又进一步加了导流装置，同时在推进器喷射口对面加了沉降单元，大大降低了离子束喷射过程中羽流对推进器、外围线路及真空舱的溅射腐蚀，延长了推进器及真空舱的使用寿命。
附图说明
附图1为本发明防羽流腐蚀装置的结构示意图；
附图2为本发明沉降单元的结构示意图；
附图3为本发明真空舱的结构示意图。
附图标记：1超导磁体，2推进器，22推进器本体，21喷射口，3防护外壳，4导流器，5沉降单元，51沉降本体，52冷却支管，53保护障板，54固定杆，6真空舱，61舱门。
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1-3，本发明提供的一种用于超导型磁等离子体推进器的防羽流腐蚀装置，包括位于真空舱6中的超导磁1体、推进器2、防护外壳3、导流器4和沉降单元5；其中，真空舱6的前端设置舱门，推进器位于真空舱61的底部，通常设置在真空舱靠后侧舱壁1米处。值得说明的是，离子束是从真空舱内部水平喷射出来的，因此，舱门61设置在真空舱6水平方向的前端，且推进器喷射离子束的方向也是水平经舱门射出。超导磁体包括超导线圈，超导线圈浸泡在超导磁体及低温组件内部，且超导线圈环绕在推进器的周围；超导线圈通电后产生轴向磁场梯度的洛伦兹力，为等离子体形成和随后的加速提供动力，使得电能有效地转化为等离子体的平动能。
推进器包括推进器主体22和喷射口21，推进器主体22包括阳极和阴极，喷射口21位于推进器主体22的后侧，这里的后侧指的是远离真空舱底部的一侧，因为离子束需要通过喷射口和舱门射出真空舱。喷射口连接在推进器一侧的开口截面小于远离推进器一侧的开口截面，也就是说喷射口的束径被加大并引出到推进器后侧，呈喇叭形，一方面很好地防止了离子束喷射到推进器本体，这是因为位于推进器后侧的喷射口喷射出来的离子束不直接喷射出去，不会途经推进器的其他部分。另一方面在不影响正常推力水平的情况下有效降低了束流密度，从而降低了束流溅射的冲击力。
本发明针对羽流腐蚀的防护包括防护外壳3。具体的，防护外壳3为位于推进器本体上方的中空柱状结构；防护外壳通过4个支撑臂固定在真空舱内部。防护外壳在水平方向上的截面面积大于推进器在水平方向上的截面面积；且防护外壳在垂直方向上完全覆盖推进器。本发明中设置防护外壳3尺寸比较大，不影响推进器的微小姿态变化，防护外壳3容纳及环绕推进器本体和四周，这里的四周指的是水平方向的四周。喷射口喷射的离子束会在真空舱内壁发生溅射，溅射之后的羽流可能会回落至推进器外侧，从而损坏推进器。
导流器4固定连接在防护外壳3上方，导流器4为上端开口，下端封闭的锥形结构，且导流器上端开口截面面积小于防护外壳在水平方向上的截面面积；导流器采用类似漏斗形结构设计，例如导流器的下端直径可以设置为1.6米，上端直径可以设置为0.8米，当羽流离子撞击到真空舱6内壁发生溅射，从推进器上方落下的羽流进入导流装置4。
导流装置4采用类似漏斗形结构设计，上端入口处小，下端是封闭的，整个装置固定在防护外壳3上方，当羽流离子发生溅射从上方落下时，可以进入导流装置4，并汇聚在这里，该结构能够有效防止羽流离子反流出导流装置4，以减弱羽流对推进器表面及外围线路的腐蚀；当羽流离子撞击到真空舱6内壁发生溅射，从推进器侧面飞来的羽流能够被有效防护。
本发明中防护外壳的目的就是在垂直方向上将推进器全部笼罩，导流器的目的是将溅射的羽流进行收集。本发明中防护外壳位于推进器的上方，经过真空舱内壁溅射的羽流若落在推进器下方，则会直接沉降在真空舱底部底部上，不会对推进器产生影响；当然，本发明也可以在推进器下方也设置防护外壳盒导流器，其结构和工作原理均与推进器上方的防护外壳和导流器相同，在此不做详细介绍。
本发明针对羽流腐蚀的防护包括沉降单元5，沉降单元位于舱门和喷射口之间，通常设置在靠舱门0.5米处。沉降单元5包括沉降本体51、冷却支管52和保护障板53，其中，沉降单元5位于舱门和推进器之间，沉降本体51为正对喷射口的锥形结构，且沉降本体远离喷射口一侧的截面面积大于靠近喷射口一侧的截面面积，类似于开口的盘状结构，且在中心轴心位置形成一体结构的外凸部，这里的外凸部指的是凸向舱门一侧。沉降本体正对喷射口的一侧均匀分布冷却支管52，冷却支管52以圆形阵列形式固定焊接在沉降本体51上，冷却支管52包括进液管和出液管，进出液管一端均连通于汇流出液管道，另一端均设置有密封机构，用于对喷射口喷射出来的离子束进行降温。
保护障板53位于沉降本体51外侧，且保护障板53焊接在冷却支管上52，且保护障板53平行于冷却支管52。保护障板的厚度小于相邻冷却支管之间的间隙。保护障板一侧翻折边与沉降本体的内凹面具有间隙，固定焊接在冷却支管表面，用来防止羽流离子的轰击。
作为一种优选的实施例，如附图3所示，沉降本体51为中心对称图形。沉降本体51两侧对称设置固定架，固定架包括两个固定杆54，两个固定杆的其中一端焊接在一起，另一端对称位于沉降本体对称中心的两侧；保护障板53焊接在固定架中。优选的，沉降本体、进出液管和离子沉降保护障板均用钛材焊接而成。
推进器阳极和阴极放电产生等离子体，经过超导线圈加速形成离子束，并经喷射口和舱门喷射出去；离子束喷射之后的羽流离子发生溅射从上方落下时进入至导流器中。羽流离子在轰击羽流沉降单元5时大部分被捕获，并最终沉降至保护障板中，减少了羽流对真空舱6的溅射腐蚀，同时也减少了对推进器本身的溅射。
本发明将喷射口加大并引出到推进器侧板，并在推进器上端外侧加了防护外壳，在防护外壳上端又进一步加了导流装置，同时在推进器喷射口对面加了沉降单元，大大降低了离子束喷射过程中羽流对推进器、外围线路及真空舱的溅射腐蚀，延长了推进器及真空舱的使用寿命。
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 (5)

1.一种用于超导型磁等离子体推进器的防羽流腐蚀装置，其特征在于，包括位于真空舱中的超导磁体、推进器、防护外壳和导流器；其中，所述真空舱的前端设置舱门，所述推进器位于真空舱的底部，所述超导磁体包括超导线圈，所述超导线圈环绕在所述推进器的周围；
所述推进器包括推进器主体和喷射口，所述推进器主体包括阳极和阴极，所述喷射口位于所述推进器主体一侧，所述喷射口连接在推进器一侧的开口截面小于远离推进器一侧的开口截面；
所述防护外壳为位于所述推进器本体上方的中空柱状结构；所述导流器固定连接在所述防护外壳上方，所述导流器为上端开口，下端封闭的锥形结构；所述防护外壳在水平方向上的截面面积大于所述推进器在水平方向上的截面面积；且防护外壳在垂直方向上完全覆盖所述推进器；
还包括沉降单元，所述沉降单元包括沉降本体、冷却支管和保护障板，其中，所述沉降单元位于所述舱门和推进器之间，所述沉降本体为正对喷射口的锥形结构；所述沉降本体正对喷射口的一侧均匀分布冷却支管，所述保护障板位于所述沉降本体外侧；所述沉降本体靠近喷射口一侧的截面面积大于所述喷射口的截面面积；所述保护障板焊接在所述冷却支管上，且保护障板平行于所述冷却支管；所述保护障板的厚度小于相邻冷却支管之间的间隙；
所述推进器阳极和阴极放电产生等离子体，经过超导线圈加速形成离子束，并经喷射口和舱门喷射出去；离子束喷射之后的羽流离子发生溅射从上方落下时进入至所述导流器中。
2.根据权利要求1所述的一种用于超导型磁等离子体推进器的防羽流腐蚀装置，其特征在于，所述沉降本体为中心对称图形。
3.根据权利要求1所述的一种用于超导型磁等离子体推进器的防羽流腐蚀装置，其特征在于，所述沉降本体两侧对称设置固定架，所述固定架包括两个固定杆，两个固定杆的其中一端焊接在一起，另一端对称位于所述沉降本体对称中心的两侧；所述保护障板焊接在所述固定架中。
4.根据权利要求1所述的一种用于超导型磁等离子体推进器的防羽流腐蚀装置，其特征在于，所述冷却支管包括进液管和出液管。
5.根据权利要求1所述的一种用于超导型磁等离子体推进器的防羽流腐蚀装置，其特征在于，所述防护外壳通过支撑臂固定在所述真空舱内部。
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