CN112509779A - 一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统，包括杜瓦、线圈骨架、超导线圈、横向拉杆、径向拉杆和制冷机，所述线圈骨架被所述横向拉杆和径向拉杆固定在所述杜瓦内部，所述径向拉杆垂直于所述线圈骨架的轴线方向，所述横向拉杆平行于所述线圈骨架的轴线方向，所述超导线圈缠绕在所述线圈骨架上，所述制冷机均匀分布在所述杜瓦外部，且所述制冷机连接至所述线圈骨架；所述线圈骨架为中空结构，所述线圈骨架中空部分设置推进器，所述推进器包括阳极和阴极。本发明具备结构紧凑、重量轻化、安全性高、运行成本低等优点。

Description

一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统
技术领域
本发明涉及超导磁体领域，具体涉及一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统。
背景技术
推进装置是航天器摆脱地球引力束缚，进入广袤太空的动力之源。以磁等离子体推进器(Magneto Plasma Dynamic Thruster，MPDT)为代表的电推进技术与化学推进相比，具有比冲高、寿命长等优势，可以完成位置保持、轨道转移、深空探测主推进、扰动精确补偿等多类型空间任务，满足新型航天任务对更高比冲、更长寿命和更强调节能的推进系统的需求。
空间推进技术是一种用电磁力作用于带电粒子来产生推力的新型电推进技术。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。磁等离子体动力推进系统通过电子与离子的碰撞将电能转化为等离子内能，再经过磁场定向约束，将内能转化为定向动能，产生推力，具有高比冲、大推力密度等技术优势。磁等离子体推进器采用常规磁线圈或永磁体来产生需要的磁场时，磁体本身的体积过大，中心磁场强度耗散后效率降低，难以满足后续地面试验以及上星需求，而且在低磁场强度下，难以找到推力器的性能拐点。
超导磁体由于其更高的载流密度，可以在大幅度减小磁体尺寸的前提下实现推进器磁场成倍增加。同时由于整体尺寸小，磁场强度高，在等离子体推进区域的磁场均匀度更高，可以更好地实现等离子体约束和加速。低温超导磁体需要在4.2K液氦温区运行，可以采取液氦浸泡冷却或者GM制冷机进行传导冷却，对于面向空间应用的超导磁等离子体推进器而言，液态的冷却介质不适用于空间强震动和旋转的运行工况，同时GM制冷机所需的大型压缩机也会大大增加超导磁体整体的重量，使得超导磁体丧失本身的优势。
同时，超导型磁等离子体推进器工作时会喷射出大量的离子束，束流离子温度很高，而超导磁体是在低温环境下工作的，受外部高温影响，很容易造成失超，所以研究一种超导磁体复合隔热结构也尤为重要。
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空间磁等离子体推进器的超导磁体系统。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统，包括杜瓦、线圈骨架、超导线圈、横向拉杆、径向拉杆和制冷机，所述线圈骨架被所述横向拉杆和径向拉杆固定在所述杜瓦内部，所述径向拉杆垂直于所述线圈骨架的轴线方向，所述横向拉杆平行于所述线圈骨架的轴线方向，所述超导线圈缠绕在所述线圈骨架上，所述制冷机均匀分布在所述杜瓦外部，且所述制冷机连接至所述线圈骨架；
所述线圈骨架为中空结构，所述线圈骨架中空部分设置推进器，所述推进器包括阳极和阴极。
进一步的，所述超导线圈通过电流引线连接至电源。
进一步的，所述径向拉杆为三个，相邻径向拉杆之间呈120°均匀分布在所述超导线圈外周围；所述横向拉杆为六个，横向拉杆均匀分布在超导线圈中。
进一步的，所述制冷机为均匀分布在所述杜瓦外周围的斯特林制冷机，所述斯特林制冷机通过导冷单元连接至所述线圈骨架。
进一步的，所述超导线圈采用环氧树脂进行固化，形成包裹在超导线圈上的环氧树脂固化层；所述环氧树脂固化层外侧还包括无氧铜层，所述无氧铜层连接所述制冷机。
进一步的，所述超导线圈外侧固定线圈法兰，所述线圈法兰包括上金属法兰，下金属法兰以及位于上金属法兰和下金属法兰之间的金属连接杆。
进一步的，所述超导线圈外部依次包括散热层、隔热层、反射层和外涂料层。
进一步的，所述散热层采用G10板，所述反射层采用云母片。
进一步的，隔热层包括紧贴在反射层和散热层表面的陶瓷纤维纸，以及位于陶瓷纤维纸之间的云母管。
进一步的，所述外涂料层包含石墨烯@二氧化硅中空微球，硅丙乳液和水性氟碳乳液，所述石墨烯@二氧化硅中空微球的密度为20-100mg/mL；所述石墨烯@二氧化硅中空微球与硅丙乳液和水性氟碳乳液体积比1:1-1:4。
本发明的有益效果在于：本发明采用了斯特林制冷机对线圈骨架以及超导线圈进行降温，克服了现有技术中液氦挥发造成的高运行成本及使用不便的问题，同时使得整个系统结构具备结构紧凑、重量轻化、安全性高、运行成本低等优点；本发明在超导线圈外部设置散热层、隔热层、反射层和外涂料层，形成隔热结构，可以将推进器工作过程中产生的大量热量抵挡在超导磁体系统之外，起到了很好的隔热效果。
附图说明
附图1为本发明超导磁体系统的结构示意图；
附图2为本发明超导磁体系统的剖面图；
附图3为本发明中电流引线及冷却单元的结构示意图；
附图4为本发明线圈法兰的结构示意图；
附图5为本发明超导线圈外部隔热单元的结构示意图；
附图6为本发明隔热层的结构示意图。
附图标记：11杜瓦，12径向拉杆，13制冷机，14放电通道，15横向拉杆，16超导线圈，17阳极，18阴极，19导冷单元，21电流引线，22引线冷却单元，23环氧树脂层，24无氧铜层，25上金属法兰，26下金属法兰，27金属连接杆，28密绕冷却单元，31散热层，32隔热层，322云母管，33反射层，34内壁筒，35绝热座，36可拆盖板，37缝隙盖板。
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1-2一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统，包括杜瓦11、线圈骨架、超导线圈、横向拉杆15、径向拉杆12和制冷机13，其中，超导线圈缠绕在线圈骨架上。线圈骨架被横向拉杆15和径向拉杆12固定在杜瓦11内部，径向拉杆12垂直于线圈骨架的轴线方向，横向拉杆15平行于线圈骨架的轴线方向，制冷机13均匀分布在杜瓦11外部，且制冷机13连接至线圈骨架。
线圈骨架为中空结构，线圈骨架中空部分设置推进器，推进器包括阳极17和阴极18，阴极17和阳极18之间形成放电通道14。阳极17和阴极18重合的区域与超导线圈16的好场区区域重合，通过超导线圈16产生的均匀梯度场来实现等离子体的加速和位型调控。放电通道在左侧等离子体射出区域采取外扩口的形式，通过控制超导线圈16的磁场位型，在外扩张口处形成流线形磁场位型，可以充分等离子体羽流的位型控制，避免羽流发散影响推进器推力。
请参阅附图1，径向拉杆12为三个，相邻径向拉杆12之间呈120°均匀分布在超导线圈外周围；横向拉杆15为六个，横向拉杆15贯穿超导线圈，且均匀分布在超导线圈中。超导线圈16通过三个径向拉杆12和六个轴向拉杆15进行固定，每个拉杆内部采取复合型结构布局，纵向拉杆和横向拉杆内部采用G10材料制备，可以减小漏热，并预留有螺旋结构进行超导线圈16的空间位置调整。
请参阅附图3，超导线圈16通过电流引线21连接至电源，电流引线21连接引线冷却单元22，引线冷却单元22连接至制冷机，引线冷却单元起到蓄冷作用，保证超导线圈正常通电运行的工作温度。
请继续参阅附图3，制冷机13为均匀分布在杜瓦外周围的斯特林制冷机，斯特林制冷机通过导冷单元连接至线圈骨架。斯特林制冷机13的数量可以为2个，且在水平方向上对称布置，可以实现工作温度为20K-50K；斯特林制冷机冷头通过导冷单元19与超导线圈16进行连接，通过传导冷却的方式对超导线圈进行冷却。斯特林制冷机与超导线圈16之间的导冷单元采取了铜带的结构，隔绝了斯特林制冷机的振动传递到超导线圈16。在保证高温超导磁体稳定运行的前提下，可以实现无液氦或液氮等冷却介质运行，适用于空间超导型磁等离子体推进器在振动和旋转工况下的运行。
本发明中斯特林制冷机连接波纹管，斯特林制冷机提供超导磁体运行时所需的温度，波纹管起到斯特林制冷机密封，同时调节斯特林制冷机和超导磁体相对位置，保证传导冷却的接触面积。
超导线圈能够通过较高的电流，使得制造超导线圈的超导线材少，人力和材料方面的成本效益越低。此外，超导线圈所需的线圈匝数较少，超导线圈能够通过较高电流下在真空环境中被供应到超导磁体中。实施例超导线圈通过将磁体上的热负载降至最小，使得超导磁体能够在真空环境中使用强电流。本发明超导线在线圈骨架上绕成超导线圈后，采取绝热树脂和环氧固化两步对线圈进行无损固化处理。让环氧树脂进入真空浸渍腔内，进入线圈的匝与匝之间的间隙，达到在线圈的匝与匝之间填充环氧树脂，实现线圈固化并增强匝与匝之间的导热效果。
请参阅附图4，固化之后的环氧树脂层23外侧设置无氧铜层24，无氧铜层24可以大幅提高超导线圈的导热率，从而可以加快磁体的冷却速度，同时也可以起到减小磁体温度梯度的效果。另外线圈骨架不仅起到磁体的支撑作用，而且也具有一定的导冷功能，可以减小磁体内侧的温度梯度。优选的，本发明在绕制线圈的时候，每当绕制特定匝数时，在线圈中垫上密绕冷却单元28，绕制之后的超导线圈自内而外均匀分布密绕冷却单元28，密绕冷却单元可以协助线圈骨架对线圈进行降温。
请继续参阅附图4，超导磁体由至少一个超导双饼组成，总体呈单螺线管形状。当多个双饼导冷单元叠加在一起，其顶部和底部分别设置有上金属法兰25和下金属法兰26，上金属法兰25和下金属法兰26之间通过金属连接杆27固定。本发明实施例的高温超导线圈，包括单线双饼绕制，饼之间采用低电阻接头的连接方式，独立双饼采用3mm厚环氧树脂固化层23固化，外部包裹5mm厚无氧铜层24提供冷量传输。
本发明在超导线圈外侧设置隔热单元，隔热单元自内向外依次包括散热层31、隔热层32、反射层33和外涂料层。
散热层采用G10板，散热层根据超导磁体前后两侧尺寸设计结构模型，厚度为5mm，前后两侧面各有六块G10板拼接而成。
反射层采用云母片。反射层云母片根据超导磁体前后两侧尺寸设计结构模型，厚度为3mm，前后两侧面各有六块云母片拼接而成。
隔热层包括紧贴在反射层和散热层表面的陶瓷纤维纸，以及位于陶瓷纤维纸之间的云母管322。其中，云母管322外径为8mm，内径为5mm。
外涂料层包含石墨烯@二氧化硅中空微球，硅丙乳液和水性氟碳乳液，石墨烯@二氧化硅中空微球的密度为20-100mg/mL；石墨烯@二氧化硅中空微球与硅丙乳液和水性氟碳乳液体积比1:1-1:4。外层涂料具体可以通过以下方式配制，取密度为20mg/mL的石墨烯@二氧化硅中空微球，将其与硅丙乳液和水性氟碳乳液按照体积比为1：1混合。
除此以外，隔热单元还包括内壁筒34，绝热座35及可拆盖板36，缝隙盖板37；内壁筒34根据超导磁体内侧环形尺寸及宽度设计结构模型，厚度为5mm，材料选择云母片，按照设计模型加工后得到。绝热座35围绕卡箍半圈，上面有螺纹孔，用于固定可拆盖板，材质选用云母片。可拆盖板36呈圆形，根据绝热座的大小设计出来，上面有螺纹孔，用于固定在绝热座上，材质选用云母片。缝隙盖板37根据拼接后的反射层云母片缝隙宽度设计而成，呈长条状，材质选用云母片，厚度为3mm。
本发明制备在线圈外侧制备个人单元可以采用如下方案：将内壁筒34通过耐高温胶水粘在超导磁体内壁上；在超导磁体前后两端面分别安装六块G10板，通过耐高温胶水粘贴并拼接成环形；在G10板外侧通过耐高温胶水贴上陶瓷纤维纸；在G10板的陶瓷纤维纸外侧通过耐高温胶水贴上云母管322，每两个云母管322之间相隔5mm，云母管322呈扇形排列；将云母片内侧用耐高温胶水贴上陶瓷纤维纸；将云母片贴有陶瓷纤维纸的一面贴在云母管322上，并拼接成环形；云母片之间的缝隙通过缝隙盖板37盖住，用耐高温胶水粘在缝隙处；将绝热座35环绕卡箍周围固定在云母片上，超导磁体前后两端面各三个；最后将可拆盖板36通过陶瓷螺钉和螺母固定在绝热座35上。
本发明提供的超导磁体复合隔热结构通过外层涂料石墨烯@二氧化硅中空微球、硅丙乳液和水性氟碳乳液按比例混合的方式，可以很好地隔离推进器离子束的大量热量，云母片本身又具备极好的反射耐热性，可以将大量热量抵挡在外，再通过内层G10板进一步隔离残余热量，通过各部分完美地拼接组合，将超导磁体有效地防护起来，起到了很好的隔热效果。
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 (10)

1.一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统，其特征在于，包括杜瓦、线圈骨架、超导线圈、横向拉杆、径向拉杆和制冷机，所述线圈骨架被所述横向拉杆和径向拉杆固定在所述杜瓦内部，所述径向拉杆垂直于所述线圈骨架的轴线方向，所述横向拉杆平行于所述线圈骨架的轴线方向，所述超导线圈缠绕在所述线圈骨架上，所述制冷机均匀分布在所述杜瓦外部，且所述制冷机连接至所述线圈骨架；
所述线圈骨架为中空结构，所述线圈骨架中空部分设置推进器，所述推进器包括阳极和阴极。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统，其特征在于，所述超导线圈通过电流引线连接至电源。
3.根据权利要求1所述的一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统，其特征在于，所述径向拉杆为三个，相邻径向拉杆之间呈120°均匀分布在所述超导线圈外周围；所述横向拉杆为六个，横向拉杆均匀分布在超导线圈中。
4.根据权利要求1所述的一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统，其特征在于，所述制冷机为均匀分布在所述杜瓦外周围的斯特林制冷机，所述斯特林制冷机通过导冷单元连接至所述线圈骨架。
5.根据权利要求1所述的一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统，其特征在于，所述超导线圈采用环氧树脂进行固化，形成包裹在超导线圈上的环氧树脂固化层；所述环氧树脂固化层外侧还包括无氧铜层，所述无氧铜层连接所述制冷机。
6.根据权利要求5所述的一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统，其特征在于，所述超导线圈外侧固定线圈法兰，所述线圈法兰包括上金属法兰，下金属法兰以及位于上金属法兰和下金属法兰之间的金属连接杆。
7.根据权利要求1所述的一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统，其特征在于，所述超导线圈外部依次包括散热层、隔热层、反射层和外涂料层。
8.根据权利要求7所述的一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统，其特征在于，所述散热层采用G10板，所述反射层采用云母片。
9.根据权利要求8所述的一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统，其特征在于，隔热层包括紧贴在反射层和散热层表面的陶瓷纤维纸，以及位于陶瓷纤维纸之间的云母管。
10.根据权利要求1所述的一种用于空间磁等离子体推进器的超导磁体系统，其特征在于，所述外涂料层包含石墨烯@二氧化硅中空微球，硅丙乳液和水性氟碳乳液，所述石墨烯@二氧化硅中空微球的密度为20-100mg/mL；所述石墨烯@二氧化硅中空微球与硅丙乳液和水性氟碳乳液体积比1:1-1:4。
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