CN114017275B - 一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构，超导磁等离子体推进器热管冷却结构为圆柱状结构，包括阴极、中间连接件和阳极，阴极设置在中间连接件内部，阳极设置在中间连接件外部，阴极上设置有阴极冷却机构，阳极上设置有阳极冷却机构，阴极热管冷却机构包括阴极热管和阴极散热翅片，阳极热管冷却机构包括阳极热管和阳极散热翅片，本发明相比于传统的主动冷却结构需要额外的动力装置，导致结构复杂，安全性较低；该热管冷却结构无需任何动力系统，具有结构紧凑，安全可靠的特点，在深冷太空使用具有巨大的优势。

Description

一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构

技术领域

本发明涉及电推动器设计技术领域，具体为一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构。

背景技术

电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。

超导磁等离子体推进器(MPDT)是电推进技术的典型代表，因其具有高比冲、大推力、易于高功率电源结合实现大功率、小型化等技术特点，被认为是用于深空探测的最佳候选推进方案之一。

超导磁等离子体推进器在工作过程中，主要通过电极间电流放电，使得通入的气体工质电离产生等离子体。等离子体在附加电磁场和气动力加速作用下高速喷出，产生推力。由于MPDT功率较大时将产生几百安培的大电流内部产生的高温等离子体，对暴露在等离子体中的电极易产生烧蚀，严重危害推进器的安全。采用传统的主动水冷装置需要额外动力装置，系统复杂，安全性低，采用热管加辐射的完成被动式的散热方式，不需要用任何动力系统，安全可靠，在深冷太空中使用具有巨大优势。

发明内容

本发明的目的在于设计一种热管冷却结构，对超导磁等离子体推进器散热面积较小的阴极、阳极进行冷却。保证推进器工作稳定可靠，延长推进器的工作时间和使用寿命。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构，所述超导磁等离子体推进器热管冷却结构为圆柱状结构，包括阴极、中间连接件和阳极，所述阴极设置在所述中间连接件内部，所述阳极设置在所述中间连接件外部，所述阴极上设置有阴极冷却机构，所述阳极上设置有阳极冷却机构，所述阴极热管冷却机构包括阴极热管和阴极散热翅片，所述阴极散热翅片设置在所述阴极的外表面上，所述阴极热管包括蒸发段和冷凝段，所述阴极热管的蒸发段伸入所述阴极内部，所述阴极热管的冷凝段设置在所述阴极散热翅片上；所述阳极热管冷却机构包括阳极热管和阳极散热翅片，所述阳极散热翅片设置在所述阳极的外表面上，所述阳极热管包括蒸发段和冷凝段，所述阳极热管的蒸发段伸入所述阳极内部，所述阳极热管的冷凝段设置在所述阳极散热翅片上。

优选的，所述阴极上设置有阴极推进剂入口，所述阴极内部轴向设置有若干组阴极推进剂通道，所述阴极推进剂入口与推进剂腔室的入口连接，所述推进剂腔室的出口分别和所述阴极推进剂通道的一端连接，所述阴极推进剂通道的另一端分别和等离子体电离室连接。

优选的，所述阴极上设置有阴极冷却剂入口，所述阴极冷却剂入口通过阴极冷却剂通道与第三冷却剂腔室的入口连接，所述第三冷却剂腔室的出口与所述阴极热管蒸发段的一端连接，所述阴极热管蒸发段的另一端与所述第二冷却剂腔室的入口连接，所述第二冷却剂腔室的出口与阴极热管冷凝段的一端连接，所述阴极热管冷凝段的另一端与第一冷却剂腔室的入口连接，所述第一冷却剂腔室的出口与所述阴极冷却剂通道连接。

优选的，所述阴极冷却剂通道的数目为一条，所述阴极推进剂通道为6条，且1条所述阴极冷却剂通道设置在6条所述阴极推进剂通道的中心位置。

优选的，所述阴极热管采用毛细回路热管，且所述阴极热管蒸发段沿着阴极轴向布置有多个细通道，多个细通道内部设置有多孔材料制成的阴极吸液芯，所述阴极热管的材质为钨，内工质为银。

优选的，所述中间连接件为圆柱状绝缘陶瓷，所述中间连接件的外表面与所述阳极内表面通过间隙配合实现径向定位，所述中间连接件的内表面与所述阴极外表面通过阶梯轴实现轴向定位，所述中间连接件的前端通过环形流道连接等离子体喷射口。

优选的，所述阳极上设置有阳极推进剂入口，所述阳极推进剂入口与阳极推进剂通道的一端连接，所述阳极推进剂通道的另一端与所述环形流道的入口连接，所述环形流道的出口与所述等离子体喷射口的入口连接，所述等离子体喷射口的出口与等离子体电离室连接。

优选的，所述阳极上设置有阳极冷却剂入口，所述阳极冷却剂入口与阳极冷却剂通道的一端连接，所述阳极冷却剂通道的另一端与所述阳极热管蒸发段的一端连接，所述阳极热管蒸发段的另一端与所述阳极热管冷凝段的一端连接，所述阳极热管冷凝段的一端与所述阳极冷却剂通道连接。

优选的，所述阳极推进剂入口为4组，所述环形流道和所述等离子体喷射口的开口均为8组，所述阳极冷却剂入口为1个，所述阳极热管的数目为12组，且所述阳极冷却剂入口分别和12组所述阳极热管连接。

优选的，所述阳极热管采用毛细回路热管，且所述阳极热管内部设置有阳极吸液芯，所述阳极热管的材质为铜，内工质为甲醇或水。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构。相比于传统的主动冷却结构需要额外的动力装置，导致结构复杂，安全性较低。该热管冷却结构无需任何动力系统，具有结构紧凑，安全可靠的特点。在深冷太空使用具有巨大的优势。

(2)本发明提出的超导磁等离子体推进器热管冷却结构，相比于传统的水冷结构需要大量的冷却水进行冷却，本发明提出的热管冷却结构只需靠少量的冷却剂进行循环即可，为外太空飞行器节约了宝贵的资源。

(3)本发明提出的一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构，结构紧凑，由于阴极属于消耗品，本发明的阴极部件可通过轴向直接进行更换，便于维护。

附图说明

图1为本发明专利超导磁等离子体推进器整体结构图。

图2为本发明专利超导磁等离子体推进器阴极结构图。

图3为本发明专利超导磁等离子体推进器阴极冷却剂及推进剂流向示意图。

图4为本发明专利超导磁等离子体推进器阳极结构图

图5为本发明专利超导磁等离子体推进器阳极冷却剂及推进剂流向示意图

图6为本发明专利中间连接件结构图。

图中：1、阳极热管冷凝段；2、阳极散热翅片；3、阴极散热翅片；4、阴极；5、中间连接件；6、阳极；7、阴极热管冷凝段；8、阴极推进剂入口；9、阴极冷却剂入口；10、推进剂腔室；11、第一冷却剂腔室；12、第二冷却剂腔室；13、第三冷却剂腔室；14、阴极冷却剂通道；15、阴极推进剂通道；16、阴极吸液芯；17、阳极冷却剂入口；18、阳极推进剂入口；19、阳极推进剂通道；20、阳极吸液芯；21、阳极冷却剂通道；22、等离子体电离室；23、等离子体喷射口；24、环形流道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构，所述超导磁等离子体推进器热管冷却结构为圆柱状结构，包括阴极4、中间连接件5和阳极6，所述阴极4设置在所述中间连接件5内部，所述阳极6设置在所述中间连接件5外部，所述阴极4上设置有阴极冷却机构，所述阳极6上设置有阳极冷却机构，所述阴极热管冷却机构包括阴极热管和阴极散热翅片3，所述阴极散热翅片3设置在所述阴极的外表面上，所述阴极热管包括蒸发段和冷凝段，所述阴极热管的蒸发段伸入所述阴极内部，所述阴极热管的冷凝段设置在所述阴极散热翅片3上；所述阳极热管冷却机构包括阳极热管和阳极散热翅片2，所述阳极散热翅片2设置在所述阳极的外表面上，所述阳极热管包括蒸发段和冷凝段，所述阳极热管的蒸发段伸入所述阳极内部，所述阳极热管的冷凝段设置在所述阳极散热翅片2上。

作为本发明一优选实施方案，所述阴极4上设置有阴极推进剂入口8，所述阴极4内部轴向设置有若干组阴极推进剂通道15，所述阴极推进剂入口8与推进剂腔室10的入口连接，所述推进剂腔室10的出口分别和所述阴极推进剂通道15的一端连接，所述阴极推进剂通道15的另一端分别和等离子体电离室22连接。

具体地，阴极4有6组阴极推进剂通道15，推进剂从阴极推进剂入口8流入推进剂腔室10，然后经6组阴极推进剂通道15流入等离子体电离室22，电离喷射产生推力。

作为本发明一优选实施方案，所述阴极4上设置有阴极冷却剂入口9，所述阴极冷却剂入口9通过阴极冷却剂通道14与第三冷却剂腔室13的入口连接，所述第三冷却剂腔室13的出口与所述阴极热管蒸发段的一端连接，所述阴极热管蒸发段的另一端与所述第二冷却剂腔室12的入口连接，所述第二冷却剂腔室12的出口与阴极热管冷凝段7的一端连接，所述阴极热管冷凝段7的另一端与第一冷却剂腔室11的入口连接，所述第一冷却剂腔室11的出口与所述阴极冷却剂通道14连接。

作为本发明一优选实施方案，所述阴极冷却剂通道14的数目为一条，所述阴极推进剂通道15为6条，且1条所述阴极冷却剂通道14设置在6条所述阴极推进剂通道15的中心位置。

作为本发明一优选实施方案，所述阴极热管采用毛细回路热管，且所述阴极热管蒸发段沿着阴极轴向布置有多个细通道，多个细通道内部设置有多孔材料制成的阴极吸液芯16，所述阴极热管的材质为钨，内工质为银。

具体地，所述阴极热管使用的是毛细回路热管，并沿阴极轴向布置多个细通道作为热管的蒸发段，内部有多孔材料制成的吸液芯，吸液芯通过毛细作用将液体吸入，在蒸发段流动蒸发带走阴极热量，阴极上有1组冷却剂管道；冷却剂从阴极冷却剂入口9流入，到达第三冷却剂腔室13，经过阴极热管蒸发段内阴极吸液芯16吸收阴极产生的大量热量后到达第二冷却剂腔室12，流经阴极热管冷凝段7向阴极散热翅片3中释放阴极带来的热量，热量由翅片向外太空辐射出去，热管冷凝段通过大面积翅片向深冷太空辐射热量，冷却剂液化后流入第一冷却剂腔室11，形成一个冷却循环。阴极由于温度比较高，材料是钨，热管内工质可选择银。

作为本发明一优选实施方案，所述中间连接件5为圆柱状绝缘陶瓷，所述中间连接件5的外表面与所述阳极内表面通过间隙配合实现径向定位，所述中间连接件5的内表面与所述阴极外表面通过阶梯轴实现轴向定位，所述中间连接件5的前端通过环形流道24连接等离子体喷射口23。

作为本发明一优选实施方案，所述阳极6上设置有阳极推进剂入口18，所述阳极推进剂入口18与阳极推进剂通道19的一端连接，所述阳极推进剂通道19的另一端与所述环形流道24的入口连接，所述环形流道24的出口与所述等离子体喷射口23的入口连接，所述等离子体喷射口23的出口与等离子体电离室22连接。

具体地，阳极推进剂从阳极推进剂入口18流入阳极推进剂通道19进入中间连接件5的环形流道24后经八组开孔喷射的等离子体喷射口23后进去等离子体电离室22进行电离喷射，产生推力，推动推进器运动。

作为本发明一优选实施方案，所述阳极6上设置有阳极冷却剂入口17，所述阳极冷却剂入口17与阳极冷却剂通道21的一端连接，所述阳极冷却剂通道21的另一端与所述阳极热管蒸发段的一端连接，所述阳极热管蒸发段的另一端与所述阳极热管冷凝段1的一端连接，所述阳极热管冷凝段1的一端与所述阳极冷却剂通道21连接。

作为本发明一优选实施方案，所述阳极推进剂入口18为4组，所述环形流道24和所述等离子体喷射口23的开口均为8组，所述阳极冷却剂入口17为1个，所述阳极热管的数目为12组，且所述阳极冷却剂入口17分别和12组所述阳极热管连接。

作为本发明一优选实施方案，所述阳极热管采用毛细回路热管，且所述阳极热管内部设置有阳极吸液芯20，所述阳极热管的材质为铜，内工质为甲醇或水。

具体地，。阳极使用12组阳极热管实现对阳极的均匀冷却。热管主要由蒸发段、冷凝段构成。热管蒸发段插入阳极中，蒸发段毛细管内的液体吸收从阳极传导过来的大量热量变成蒸汽，在压力作用下流向冷凝段。在冷凝段释放出热量后，液体再由多孔材料毛细作用流回蒸发段，如此进行循环。冷凝段热管插入翅片中，通过大面积翅片向外部深冷太空辐射散热，更具体地说，冷却剂经阳极冷却剂入口17流入阳极冷却剂通道21，通道内含有阳极吸液芯20吸收阳极产生的大量热量后到达阳极热管冷凝段1向阳极散热翅片2中释放阳极带来的热量，热量由翅片向外太空辐射出去。冷却剂液化后再次进去阳极冷却剂通道21循环。阳极材料为铜。热管内工质可选用甲醇或水。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构。相比于传统的主动冷却结构需要额外的动力装置，导致结构复杂，安全性较低。该热管冷却结构无需任何动力系统，具有结构紧凑，安全可靠的特点。在深冷太空使用具有巨大的优势。

(2)本发明提出的超导磁等离子体推进器热管冷却结构，相比于传统的水冷结构需要大量的冷却水进行冷却，本发明提出的热管冷却结构只需靠少量的冷却剂进行循环即可，为外太空飞行器节约了宝贵的资源。

(3)本发明提出的一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构，结构紧凑，由于阴极属于消耗品，本发明的阴极部件可通过轴向直接进行更换，便于维护。

Claims (8)

1.一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构，其特征在于，所述超导磁等离子体推进器热管冷却结构为圆柱状结构，包括阴极(4)、中间连接件(5)和阳极(6)，所述阴极(4)设置在所述中间连接件(5)内部，所述阳极(6)设置在所述中间连接件(5)外部，所述阴极(4)上设置有阴极冷却机构，所述阳极(6)上设置有阳极冷却机构，所述阴极热管冷却机构包括阴极热管和阴极散热翅片(3)，所述阴极散热翅片(3)设置在所述阴极的外表面上，所述阴极热管包括蒸发段和冷凝段，所述阴极热管的蒸发段伸入所述阴极内部，所述阴极热管的冷凝段设置在所述阴极散热翅片(3)上；所述阳极热管冷却机构包括阳极热管和阳极散热翅片(2)，所述阳极散热翅片(2)设置在所述阳极的外表面上，所述阳极热管包括蒸发段和冷凝段，所述阳极热管的蒸发段伸入所述阳极内部，所述阳极热管的冷凝段设置在所述阳极散热翅片(2)上；

所述阴极(4)上设置有阴极推进剂入口(8)，所述阴极(4)内部轴向设置有若干组阴极推进剂通道(15)，所述阴极推进剂入口(8)与推进剂腔室(10)的入口连接，所述推进剂腔室(10)的出口分别和所述阴极推进剂通道(15)的一端连接，所述阴极推进剂通道(15)的另一端分别和等离子体电离室(22)连接；

所述阴极(4)上设置有阴极冷却剂入口(9)，所述阴极冷却剂入口(9)通过阴极冷却剂通道(14)与第三冷却剂腔室(13)的入口连接，所述第三冷却剂腔室(13)的出口与所述阴极热管蒸发段的一端连接，所述阴极热管蒸发段的另一端与第二冷却剂腔室(12)的入口连接，所述第二冷却剂腔室(12)的出口与阴极热管冷凝段(7)的一端连接，所述阴极热管冷凝段(7)的另一端与第一冷却剂腔室(11)的入口连接，所述第一冷却剂腔室(11)的出口与所述阴极冷却剂通道(14)连接。

2.根据权利要求1所述的一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构，其特征在于，所述阴极冷却剂通道(14)的数目为一条，所述阴极推进剂通道(15)为6条，且1条所述阴极冷却剂通道(14)设置在6条所述阴极推进剂通道(15)的中心位置。

3.根据权利要求1所述的一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构，其特征在于，所述阴极热管采用毛细回路热管，且所述阴极热管蒸发段沿着阴极轴向布置有多个细通道，多个细通道内部设置有多孔材料制成的阴极吸液芯(16)，所述阴极热管的材质为钨，内工质为银。

4.根据权利要求1所述的一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构，其特征在于，所述中间连接件(5)为圆柱状绝缘陶瓷，所述中间连接件(5)的外表面与所述阳极内表面通过间隙配合实现径向定位，所述中间连接件(5)的内表面与所述阴极外表面通过阶梯轴实现轴向定位，所述中间连接件(5)的前端通过环形流道(24)连接等离子体喷射口(23)。

5.根据权利要求1所述的一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构，其特征在于，所述阳极(6)上设置有阳极推进剂入口(18)，所述阳极推进剂入口(18)与阳极推进剂通道(19)的一端连接，所述阳极推进剂通道(19)的另一端与环形流道(24)的入口连接，所述环形流道(24)的出口与所述等离子体喷射口(23)的入口连接，所述等离子体喷射口(23)的出口与等离子体电离室(22)连接。

6.根据权利要求5所述的一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构，其特征在于，所述阳极(6)上设置有阳极冷却剂入口(17)，所述阳极冷却剂入口(17)与阳极冷却剂通道(21)的一端连接，所述阳极冷却剂通道(21)的另一端与所述阳极热管蒸发段的一端连接，所述阳极热管蒸发段的另一端与所述阳极热管冷凝段(1)的一端连接，所述阳极热管冷凝段(1)的一端与所述阳极冷却剂通道(21)连接。

7.根据权利要求5所述的一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构，其特征在于，所述阳极推进剂入口(18)为4组，所述环形流道(24)和所述等离子体喷射口(23)的开口均为8组，所述阳极冷却剂入口(17)为1个，所述阳极热管的数目为12组，且所述阳极冷却剂入口(17)分别和12组所述阳极热管连接。

8.根据权利要求7所述的一种超导磁等离子体推进器热管冷却结构，其特征在于，所述阳极热管采用毛细回路热管，且所述阳极热管内部设置有阳极吸液芯(20)，所述阳极热管的材质为铜，内工质为甲醇或水。

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