CN114660513B - 一种大功率磁等离子体推力器的磁场特性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率磁等离子体推力器的磁场特性测量装置，包括氮化硼陶瓷外壳、氧化铝陶瓷外壳、前段紫铜管、后段紫铜管、中心环氧树脂棒、水冷管和霍尔传感器，适用于极高的功率密度条件下磁等离子体推力器的羽流磁场特性测量，用于解决大功率磁等离子体推力器的电流密度分布测量问题、为其推力机制分析提供参考。本发明的装置结构简单、拆装方便，能够显著降低温度的影响，信号传输线采用铁氟龙材质的超细镀银屏蔽线，连接处使用硅胶进行固连，最大程度上减少外界环境对微弱电信号的影响，利用工业自动化领域常用的线性霍尔传感器根据霍尔效应进行磁场测量，可以同时实现稳恒磁场及时变磁场的测量。

Description

一种大功率磁等离子体推力器的磁场特性测量装置

技术领域

本发明属于空间电推进推力器诊断技术领域，尤其涉及一种适用于极高的功率密度条件下磁等离子体推力器的磁场特性测量装置。

背景技术

空间电推进一般是指利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用加速推进剂进而获得动力的先进推进方式，相比于传统化学火箭具有更高的比冲和效率，在小型航天器的南北位保、微推力控制以及大型航天器的姿态控制、深空探测等领域具有极广泛的应用前景。

磁等离子体推力器是空间电推进的一种，利用电场和磁场的共同作用对被电离后的推进剂进行加速，又被称为洛伦兹力加速器。磁等离子体推力器具有相对更高的推力和效率，可实现小型化以及与核电技术、超导技术的结合，被认为是未来深空探测的最佳推进方案之一。

在磁等离子体推力器中，推力产生机制的分析是较为关键的一项工作。一般来说，不同的加速模式会与沿着推力器轴向、径向及角向的电流有关。通过测量推力器工作过程中的磁场特性和由此计算出来的电流密度分布可以较为准确地分析推力产生机制。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种大功率磁等离子体推力器的磁场特性测量装置，能够测量到极高功率密度条件下的磁等离子体推力器磁通密度分布。本发明的具体技术方案如下：

一种大功率磁等离子体推力器的磁场特性测量装置，包括第一陶瓷外壳、第二陶瓷外壳、紫铜管、中心环氧树脂棒、水冷管和霍尔传感器，其中，

所述第一陶瓷外壳和第二陶瓷外壳连接；

所述紫铜管包括固定连接的前段紫铜管和后段紫铜管，所述前段紫铜管位于所述第一陶瓷外壳内，二者形成隔热空腔，所述后段紫铜管位于所述第二陶瓷外壳内；

所述中心环氧树脂棒位于所述前段紫铜管内，底部与所述后段紫铜管连接；

所述后段紫铜管的后端与所述水冷管连接，冷却水从所述水冷管的一端进入，经由所述后段紫铜管，从所述水冷管的另一端流出；

所述霍尔传感器固定在所述中心环氧树脂棒的顶部外侧；

由于冷却水的作用将测量装置维持在适宜的工作温度，向霍尔传感器通入电流即能够实现磁场特性的测量。

进一步地，所述中心环氧树脂棒为长条形，三个所述霍尔传感器通过硅胶固定在所述中心环氧树脂棒顶部的三个互相垂直的表面，实现大功率磁等离子体推力器羽流中的三轴磁场测量。

进一步地，所述水冷管包括长进水管和短出水管，其中，所述长进水管的出水端口接近所述后段紫铜管的前端，所述短出水管的进水端口接近所述后段紫铜管的后端，有利于冷却水的流动。

进一步地，在所述中心环氧树脂棒顶部表面设置PT100铂电阻用于实时监测所述装置内部的温度，通过四线制接线方法将所述PT100铂电阻连接至温控仪进行温度测量。

进一步地，所述后段紫铜管外侧开设信号传输线引出槽，通过硅胶将信号传输线贴在所述信号传输线引出槽内，避免与所述第二陶瓷外壳接触。

进一步地，所述前段紫铜管外侧设置阶梯过渡，减少与所述第一陶瓷外壳的热接触。

进一步地，所述第一陶瓷外壳为氮化硼陶瓷外壳，所述第二陶瓷外壳为氧化铝陶瓷外壳。

进一步地，所述第一陶瓷外壳顶部设置减压孔，避免由于受热不均匀出现开裂。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的结构简单、拆装方便：装置主要分为外侧陶瓷外壳、内侧紫铜管与中心环氧树脂棒，陶瓷外壳与霍尔传感器芯片等零件的拆装更换十分方便。

2.本发明的装置能够显著降低温度的影响：后段紫铜连接件内部通入20bar的常温冷却水后，经过热仿真分析可知在1KW的热流密度条件下内部霍尔传感器表面温度仅为305K，可以满足磁场测量的温度要求。

3.本发明的材质选择较为合适：铜和氮化硼陶瓷的磁化率均约为10^-5，对磁场测量的影响非常小。

4.本发明的信号传输线采用铁氟龙材质的超细镀银屏蔽线，连接处使用硅胶进行固连，最大程度上减少外界环境对微弱电信号的影响。

5.本发明利用工业自动化领域常用的线性霍尔传感器根据霍尔效应进行磁场测量，可以同时实现稳恒磁场及时变磁场的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本发明的磁场特性测量装置的爆炸视图；

图2为本发明的磁场特性测量装置的剖视图：

图3为磁场特性测量装置热仿真分析的结果；

图4为磁场特性测量装置的网格划分结果。

附图标号说明：

1-第一陶瓷外壳，2-第二陶瓷外壳，3-前段紫铜管，4-后段紫铜管，5-中心环氧树脂棒，6-水冷管，7-霍尔传感器，8-PT100铂电阻。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-2所示，一种大功率磁等离子体推力器的磁场特性测量装置，包括第一陶瓷外壳1、第二陶瓷外壳2、紫铜管、中心环氧树脂棒5、水冷管6和霍尔传感器7，其中，

第一陶瓷外壳1和第二陶瓷外壳2连接；较佳地，通过高温胶连接；

紫铜管包括固定连接的前段紫铜管3和后段紫铜管4，前段紫铜管3位于第一陶瓷外壳1内，二者形成隔热空腔，后段紫铜管4位于第二陶瓷外壳2内；

中心环氧树脂棒5位于前段紫铜管3内，底部与后段紫铜管4连接；

后段紫铜管4的后端与水冷管6连接，冷却水从水冷管6的一端进入，经由后段紫铜管4，从水冷管6的另一端流出；

霍尔传感器7固定在中心环氧树脂棒5的顶部外侧；

由于冷却水的作用将测量装置维持在适宜的工作温度，向霍尔传感器7通入电流即能够实现磁场特性的测量。

在一些实施方式中，中心环氧树脂棒5为长条形，三个霍尔传感器7通过硅胶固定在中心环氧树脂棒5顶部的三个互相垂直的表面，实现大功率磁等离子体推力器羽流中的三轴磁场测量。

在一些实施方式中，水冷管6包括长进水管和短出水管，其中，长进水管的出水端口接近后段紫铜管4的前端，短出水管的进水端口接近后段紫铜管4的后端，有利于冷却水的流动。

后段紫铜4内部通入20bar的常温冷却水后，经过热仿真分析可知在1KW的热流密度条件下内部霍尔传感器表面温度仅为305K，可以满足磁场测量的温度要求，如图3所示。

在一些实施方式中，在中心环氧树脂棒5顶部表面设置PT100铂电阻8用于实时监测装置内部的温度，通过四线制接线方法将PT100铂电阻8连接至温控仪进行温度测量。

在一些实施方式中，后段紫铜管4外侧开设信号传输线引出槽，通过硅胶将信号传输线贴在信号传输线引出槽内，避免与第二陶瓷外壳2接触。

较佳地，前段紫铜管3外侧设置阶梯过渡，减少与第一陶瓷外壳1的热接触。

较佳地，第一陶瓷外壳1为氮化硼陶瓷外壳，第二陶瓷外壳2为氧化铝陶瓷外壳。

较佳地，第一陶瓷外壳1顶部设置减压孔，避免由于受热不均匀出现开裂。

较佳地，信号传输线采用铁氟龙材质的超细镀银屏蔽线，连接处使用硅胶进行固连，最大程度上减少外界环境对微弱电信号的影响。

本发明的磁场特性测量装置，首先将中心环氧树脂棒5通过螺纹连接在后段紫铜管4前端，将三个霍尔传感器7及PT100铂电阻8通过硅胶固连在中心环氧树脂棒5端部的四个外表面，再将焊接好的后段铜管4整体结构通过螺纹与前段铜管3相连。接着将氮化硼陶瓷外壳与氧化铝陶瓷外壳使用高温胶固连在紫铜管中部凸起两侧。将水冷管6与供水通道固连后，通入冷却水，将装置维持在适宜的工作温度，将霍尔传感器7通入电流，就会与磁等离子体推力器的磁场产生作用，实现对于磁场特性的测量。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。

实施例1

为了验证本发明的磁场特性测量装置能够满足磁等离子体推力器极高的功率密度条件，使用COMSOL Multiphysics软件对其进行热仿真，仿真过程主要分为传热学建模、设置仿真条件、网格绘制等。

假设磁场特性测量装置正面吸收的热流功率约占推力器工作功率的2％，当推力器工作在50KW时，仿真热流功率输入为1KW。

为了达到冷却效果，水冷管中需充满液态水，对应在COMSOL仿真中需要在材料库中添加液态水，确定导热系数、恒压热容、密度、动力粘度、比热率等五项参数。

紫铜管主体采用铜材料，由于涉及的物理过程及计算不同，将铜体与铜的表面分别导入进行计算。选择铜体的域，涉及计算的参数有恒压热容、密度、导热系数，接着在COMSOL材料库中选择固体经表面抛光的铜作为铜表面，选择边界，确定参与计算的参数表面辐射率。

第一陶瓷外壳与第二陶瓷外壳分为体和表面两部分，从材料库中选择固体多晶氮化硼陶瓷与氧化铝陶瓷作为壳体，选择域、恒压热容、密度、导热系数。

由于磁场特性测量装置工作时周围气体为低浓度的氩气，而紫铜管与陶瓷外壳之间不可能完全贴合，因此缝隙会由氩气填充，此部分不能忽略，故选择氩气边界，选择参与计算的导热系数与表面辐射率。

接着对稳态传热仿真条件进行设置，包括固体传热、流体传热、湍流以及辐射等模块参数。

最后进行网格划分，基于对提高单元阶数、全局自适应网格细化、局部自适应网格划分的研究与分析，最终将曲率作为局部度量指标来确定可以细化的网格，所得到的局部自适应网格划分结果如图4所示。

仿真结果如图3所示，可知在1KW的热流密度条件下内部霍尔传感器表面温度仅为305K，能够满足磁场测量的温度要求。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大功率磁等离子体推力器的磁场特性测量装置，其特征在于，包括第一陶瓷外壳(1)、第二陶瓷外壳(2)、紫铜管、中心环氧树脂棒(5)、水冷管(6)和霍尔传感器(7)，其中，

所述第一陶瓷外壳(1)和第二陶瓷外壳(2)连接；

所述紫铜管包括固定连接的前段紫铜管(3)和后段紫铜管(4)，所述前段紫铜管(3)位于所述第一陶瓷外壳(1)内，二者形成隔热空腔，所述后段紫铜管(4)位于所述第二陶瓷外壳(2)内；

所述中心环氧树脂棒(5)位于所述前段紫铜管(3)内，底部与所述后段紫铜管(4)连接；

所述后段紫铜管(4)的后端与所述水冷管(6)连接，冷却水从所述水冷管(6)的一端进入，经由所述后段紫铜管(4)，从所述水冷管(6)的另一端流出；

所述霍尔传感器(7)固定在所述中心环氧树脂棒(5)的顶部外侧；

由于冷却水的作用将测量装置维持在适宜的工作温度，向所述霍尔传感器(7)通入电流即能够实现磁场特性的测量。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述中心环氧树脂棒(5)为长条形，三个所述霍尔传感器(7)通过硅胶固定在所述中心环氧树脂棒(5)顶部的三个互相垂直的表面，实现大功率磁等离子体推力器羽流中的三轴磁场测量。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述水冷管(6)包括长进水管和短出水管，其中，所述长进水管的出水端口接近所述后段紫铜管(4)的前端，所述短出水管的进水端口接近所述后段紫铜管(4)的后端，有利于冷却水的流动。

4.根据权利要求1-3之一所述的测量装置，其特征在于，在所述中心环氧树脂棒(5)顶部表面设置PT100铂电阻(8)用于实时监测所述装置内部的温度，通过四线制接线方法将所述PT100铂电阻(8)连接至温控仪进行温度测量。

5.根据权利要求1-3之一所述的测量装置，其特征在于，所述后段紫铜管(4)外侧开设信号传输线引出槽，通过硅胶将信号传输线贴在所述信号传输线引出槽内，避免与所述第二陶瓷外壳(2)接触。

6.根据权利要求1-3之一所述的测量装置，其特征在于，所述前段紫铜管(3)外侧设置阶梯过渡，减少与所述第一陶瓷外壳(1)的热接触。

7.根据权利要求1-6之一所述的测量装置，其特征在于，所述第一陶瓷外壳(1)为氮化硼陶瓷外壳，所述第二陶瓷外壳(2)为氧化铝陶瓷外壳。

8.根据权利要求1-6之一所述的测量装置，其特征在于，所述第一陶瓷外壳(1)顶部设置减压孔，避免由于受热不均匀出现开裂。

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