CN113025800A - 一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法 - Google Patents

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Abstract

一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，涉及航天电推进技术领域。本发明是为了解决钨丝作为加热丝韧性强、回弹力大，且容易与导热陶瓷贴合不紧的问题。本发明所述的一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，在真空环境下对加热丝进行电流加热处理，使加热丝升温达到去应力的退火温度，然后进行冷却。主要用途。利用欧姆效应提高加热丝的温度，使其达到去应力的退火温度，然后进行冷却，从而达到去除绕线应力的作用。

Description

一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法
技术领域
本发明属于航天电推进技术领域。
背景技术
随着商业航天及各种卫星星座计划的发展，霍尔推力器因其具有结构简单、体积小、总冲高、推功比大的优点，成为在轨应用数量最多的电推进装置。空心阴极作为电子源与中和器，是霍尔电推进的关键核心部件，也必须具有快速启动、寿命长和在轨应用可靠性高等特点。目前空心阴极的启动大都采用螺旋加热丝，通过给额定电流的方法利用欧姆效应实现加热，并在3～5分钟内把发射体从常温加热到1500℃，使发射体具有热电子发射能力，此时加热丝的温度必须一开始就要达到1800～2000℃。可见加热丝如果短路、断路都无法实现空心阴极的快速启动，因此加热器是空心阴极的关键部件，也是制约空心阴极寿命的主要部件。
加热器的最主要失效模式就是短路和断路，而这两种方式均与加热丝的传热特性有关，如果加热器在生产过程中与导热陶瓷贴合的比较紧，则加热丝导热特性好，产生的热量会及时导到发射体上，加热丝的温度就不会太高，这样加热丝的温度相对较低，加热丝的热蒸发速率小，热应力低，短路和断路的阈值就会大幅延长，增加加热丝和空心阴极的工作寿命。反之，如果加热与导热陶瓷贴合的不紧，加热丝仅能依靠辐射传热，加热丝温度要高出至少500℃，大幅增加了加热丝的热蒸发速率，减小了工作寿命。可见，生产过程中加热丝与导热陶瓷的紧密贴合非常关键，直接决定了整个空心阴极甚至是霍尔电推进系统的在轨寿命。加热丝通常采用钨丝，它在高温下具有热蒸发速率小的优点，但也具有很强的韧性，回弹力较大，因此必须采用合适的方法来消除这种回弹力。
发明内容
本发明是为了解决钨丝作为加热丝韧性强、回弹力大，且容易与导热陶瓷贴合不紧的问题，现提供一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法。
一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，在真空环境下对加热丝1进行电流加热处理，使加热丝1升温达到去应力的退火温度，然后进行冷却。
进一步的，上述一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法中，对加热丝1进行电流加热处理时，电流值为5A～10A，加热时间为5s～150s。具体的，电流值为7A，加热时间为10s。
进一步的，上述一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法中，还能够在对加热丝1进行电流加热处理的过程分为多个加热阶段，后一加热阶段的电流大于前一加热阶段的电流。初始加热阶段的电流值为1A～2A。相邻两个加热阶段的电流值之差为0.5A～1A。
具体的，对加热丝1进行电流加热处理的过程分为3个加热阶段，
第一个加热阶段电流为1.5A，加热时间为30min，
第二个加热阶段电流为2.5A，加热时间为30min，
第三个加热阶段电流为3.5A，加热时间为20min。
进一步的，上述利用加热器对加热丝1进行加热前，先将加热丝1螺旋缠绕在陶瓷管2的外圆周面上，加热丝1与陶瓷管2的外圆周面紧贴。加热丝1的两端通过钽电极3与陶瓷管2固定、且加热丝1与钽电极3之间焊接。陶瓷管2的外圆周面上设有两个凸起4，加热丝1的两端分别绕过两个凸起4后再与钽电极3相连。
本发明提出了一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，在绕制加热器后直接对加热丝在真空下进行通电流加热处理，利用欧姆效应提高加热丝的温度，使其达到去应力的退火温度，然后进行冷却，从而达到去除绕线应力的作用。
经过本方法处理后，加热丝不但消除了绕制过程中的应力，而且还能与导热陶瓷贴合紧密，不再出现因传热恶化而导致的蒸发速率过大而失效的问题，处理方法操作简单、成本低、可靠性高、便于规模化生产。
附图说明
图1为加热丝缠绕在陶瓷管上的示意图；
图2为第一种对加热丝进行加热的结构图；
图3为第二种对加热丝进行加热的结构图。
加热丝1、陶瓷管2、钽电极3、凸起4、真空计5、放气阀6、真空罐7、观察窗8、隔热陶瓷9、底座10、隔热层11。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，所述方法首先需要制作加热器，所述加热器如图1所示。
将加热丝1螺旋缠绕在陶瓷管2的外圆周面上，共7圈。加热丝1与陶瓷管2的外圆周面紧贴。所述陶瓷管2为中空结构，加热丝1为铼钨丝。陶瓷管2的外圆周面上设有两个凸起4，加热丝1的两端分别绕过两个凸起4后再与钽电极3相连。使得加热丝1能够保持螺旋形不变。钽电极3在陶瓷管2外表面缠绕一圈，将陶瓷管2压紧且二者无相对滑动，使得加热丝1的两端通过钽电极3与陶瓷管2固定、且加热丝1与钽电极3之间焊接。
然后将加热器整体通过导热性较差的隔热陶瓷9固定在真空罐7内部的底座10上，且保持加热器远离真空罐7内各元件，如图2所示。
在真空环境下通过钽电极3对加热器通7A的电流，并维持10s。之后停止通电，并冷却1h至加热丝1温度降至室温。打开真空罐7取下加热丝1的固定装置，此时加热丝1不再变形，完成去应力。
本实施方式采用大电流短时间加热的方式，仅使加热丝1的温度迅速升高，而其它元器件温度几乎没有变化。本实施方式加热时间很短，其晶粒来不及发生明显的变形和重组，不会对其力学性能产生影响。
具体实施方式二：参照图1和图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的本实施方式所述的一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，所述方法首先需要制作加热器，所述加热器如图1所示。
将加热丝1螺旋缠绕在陶瓷管2的外圆周面上，共7圈。加热丝1与陶瓷管2的外圆周面紧贴。所述陶瓷管2为中空结构，加热丝1为铼钨丝。陶瓷管2的外圆周面上设有两个凸起4，加热丝1的两端分别绕过两个凸起4后再与钽电极3相连。使得加热丝1能够保持螺旋形不变。钽电极3在陶瓷管2外表面缠绕一圈，将陶瓷管2压紧且二者无相对滑动，使得加热丝1的两端通过钽电极3与陶瓷管2固定、且加热丝1与钽电极3之间焊接。
将加热器整体通过隔热陶瓷9架设在真空罐7内部的隔热层11内部，并保持加热器能够位于隔热层11正中央位置，尽量减少热量散失，如图3所示。
在真空环境下，首先对钽电极3通1.5A电流并维持30min；然后对钽电极3通2.5A电流并维持30min；最后对钽电极3通3.5A电流并维持20min。之后停止通电，并冷却1h至加热丝1温度降至室温。打开真空罐7取下加热丝1的固定装置，此时加热丝1不再变形，完成去应力。
本实施方式采用加热电流逐次增加，每个阶段均使加热丝1、导热陶瓷以及外部的隔热结构等达到热平衡。本实施方式温度控制更加精准，能准确保证去应力温度低于其再结晶温度，通过长时间多次充分释放残余应力，又不会对材料晶粒结构产生影响。
本发明所述的两种实施方式均在真空中进行，加热丝1表面不会产生氧化，，不会对其寿命和可靠性造成影响。采用通电加热的方式，对设备要求低，操作简单，严控加热温度和时间，保证去应力的可靠性和一致性。经过退火处理后，加热丝1在后续再加工和安装中不会再出现变形和断裂，不需要采用额外的手段对其进行固定，在面对卫星发射时的剧烈震动和冲击下也能保持较好的力学性能。

Claims (11)

1.一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，其特征在于，在真空环境下对加热丝(1)进行电流加热处理，使加热丝(1)升温达到去应力的退火温度，然后进行冷却。
2.根据权利要求1所述的一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，其特征在于，
对加热丝(1)进行电流加热处理时，电流值为5A～10A，加热时间为5s～150s。
3.根据权利要求1或2所述的一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，其特征在于，
对加热丝(1)进行电流加热处理时，电流值为7A，加热时间为10s。
4.根据权利要求1所述的一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，其特征在于，
对加热丝(1)进行电流加热处理的过程分为多个加热阶段，后一加热阶段的电流大于前一加热阶段的电流。
5.根据权利要求4所述的一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，其特征在于，
对加热丝(1)进行电流加热处理的过程中，初始加热阶段的电流值为1A～2A。
6.根据权利要求4或5所述的一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，其特征在于，
对加热丝(1)进行电流加热处理的过程中，相邻两个加热阶段的电流值之差为0.5A～1A。
7.根据权利要求4所述的一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，其特征在于，
对加热丝(1)进行电流加热处理的过程分为3个加热阶段，
第一个加热阶段电流为1.5A，加热时间为30min，
第二个加热阶段电流为2.5A，加热时间为30min，
第三个加热阶段电流为3.5A，加热时间为20min。
8.根据权利要求1、2、4、5或7所述的一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，其特征在于，利用加热器对加热丝(1)进行加热前，先将加热丝(1)螺旋缠绕在陶瓷管(2)的外圆周面上，加热丝(1)与陶瓷管(2)的外圆周面紧贴。
9.根据权利要求8所述的一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，其特征在于，加热丝(1)的两端通过钽电极(3)与陶瓷管(2)固定、且加热丝(1)与钽电极(3)之间焊接。
10.根据权利要求9所述的一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，其特征在于，陶瓷管(2)的外圆周面上设有两个凸起(4)，加热丝(1)的两端分别绕过两个凸起(4)后再与钽电极(3)相连。
11.根据权利要求1所述的一种电推进空心阴极加热丝的去应力方法，其特征在于，冷却时间为1h。
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