CN115962108B - 一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，包括阴阳极组件、高温超导磁体系统、支撑调节平台、电源和供气系统及冷却系统以及采集控制系统。所述的阴阳极组件采用螺旋式多通道换热设计，减少烧蚀现象发生；所述高温超导磁体提供高场高均匀度的中心磁场，优化磁场位型抑制束流发散角度；所述支撑调节平台用于阴阳极组件和高温超导磁体系统空间位置匹配；所述电源和供气系统及冷却系统用于为相应系统供电、供电和冷却；所述采集控制系统用于系统的采集控制、联锁预警以及人机交互。本发明能够降低推进器重量和尺寸，提升磁场、电流和电压的耦合，增加比推力和比冲，提高推进器性能和生命周期，实现小型化紧凑型航天器目标。

Description

一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统

技术领域

本发明涉及等离子体推进器领域，具体涉及一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统。

背景技术

大型航天器轨道转移、载人登月、深空探测等空间任务对推进系统的比冲、推力、寿命等提出了更高的需求。传统的化学推进和霍尔推进推力大、但是比冲小、有效载荷低，离子推进比冲高、但是推力小，均已无法满足未来空间任务的需求。磁等离子体推进器原理是通过高温电弧电离工质产生的等离子体在磁场和电场的综合作用下加速从而对推力器产生反向推力，加速机理涉及自身场加速、涡旋加速、霍尔加速、气动加速四种相互耦合的加速模式被NASA誉为最强电推进技术。在大型航天器轨道转移、载人登月、深空探测等方面有诸多优势。

目前20K-77K已经成为高温超导高场磁体最为经济的运行温区。要将高温超导磁体冷却到这一温区主要有两类方式。方式一是低温气体对流制冷，例如冷氦气制冷，氦气通过G-M制冷机制冷后通过高温超导磁体表面进行热量交换。对流制冷的优势在于制冷速度快，磁体温度梯度小；缺点在于杜瓦结构复杂，设备成本高。另一种方式是传导制冷，其基本原理是利用真空技术来消除磁体与外界环境之间的对流换热，利用热辐射屏蔽技术来大幅削弱外界的热辐射，之后，通过导冷结构将G-M制冷机的冷量传导到高温超导磁体表面，实现磁体的冷却。主要缺点为降温速度较慢，温度梯度较大。

空间用高温超导等离子体推进器系统的功率损失主要在阳极，推力器热损耗的80％发生在阳极，阳极的热环境较恶劣，因此如何高效将阳极的热量排出尤为重要。然而在空间环境中，冷却液由于失重导致阳极冷却效率严重降低，传统换热结构难以满足阳极的制冷需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，包括阴阳极组件、高温超导磁体系统、支撑调节平台、电源和供气系统及冷却系统以及采集控制系统，以解决现有技术中阴阳极组件冷却效率低，推进器工作时多孔阴极喷管温度较高，容易发生腐蚀损耗的问题，进一步改善高温超导磁体系统冷却方式，降低磁体尺寸和重量，优化磁场强度和位型。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，包括阴阳极组件，高温超导磁体系统，支撑调节平台，电源和供气及冷却系统以及采集控制系统。所述阴阳极组件位于高温超导磁体系统的环形中心位置，两者由支撑调节平台进行空间位置匹配，构成推进器系统主体；所述电源和供气及冷却系统以及采集控制系统位于推进器系统主体外部，与阴阳极组件和高温超导磁体系统相连。

所述阴阳极组件包括阴阳极冷却换热组件，阴阳极耐压绝缘组件和等离子体高压电离组件，所述阴阳极冷却换热组件包含包括阳极本体、螺旋式管路换热单元和多通道进出口管路，所述阴阳极耐压绝缘组件包括嵌套式陶瓷和G10定位法兰板，所述等离子体高压电离组件包括，阴极本体、阴极进气管、固定环件、内腔体、喷嘴固定座和阴极喷嘴。

所述阴阳极系统的具体结构如下：阴极进气管垂直于内腔体，内腔体的其中一端密封的，而另外一段则与喷嘴固定座相连接。

具体的，内腔体与阴极进气管通过焊接的方式连接固定，再通过螺纹连接的方式与喷管固定架进行连接，而喷管固定架则是通过高温焊接的方式与阴极喷嘴固定，上述结构共同构成了推进器进气通道结构。

具体的，在推进器工作时，阴极喷嘴和推进器阳极之间产生高电场，从阴极喷管主体喷出的推进剂在放电腔室内电离，产生高温等离子体，在空间超导磁体产生的强磁场作用下沿轴线加速喷出，从而产生反向推力作用于推进空间航天器。

进一步的，外腔体与固定环件和内腔体通过焊接方式进行固定，保证了进气管道的气密性。并且固定环件和内腔体之间留有冷却液通道，通过进液口和出液口进行冷却液流通。

所述阴阳极冷却换热组件起到冷却推进器部件的功效。

由于工作期间，阴阳极之间高温等离子体持续放电侵蚀、溅射，产生大量的热量，热量会迅速传导至温度较低的内腔体上，冷却液在冷却通道中流动，冷却液的流通可以带走工作时产生的大部分热量，通过强制对流换热导出大量的热量，延长空间超导型磁等离子体推进器寿命，从而保证推进器在阴极喷管尖端位置进行稳定的放电，保证整体结构的稳定运行，进而提高推进器的工作使用寿命。

推进器阴极通过其内部留有的冷却通道使其工作运行时保证温度不至于过高，影响整体系统可靠性。外腔体远离多孔阴极喷管的端部上下均匀的分布着两个连接冷却液通道的进液口和出液口。

所述螺旋式管路换热单元包括换热外壳、换热内衬、第一进液管、第一出液管以及位于换热外壳和换热内衬之间的螺旋通道，所述换热内衬固定在所述阳极本体外侧一周，所述螺旋通道位于所述换热内衬中，且环绕所述阳极本体一周。

进一步，螺旋式管路换热单元嵌套在推进器阳极外侧。推进器阳极一端固定连接绝缘管件，绝缘管件和推进器阳极均嵌套在外腔体外侧。

所述螺旋通道由换热内衬经过机加工后形成。换热外壳与换热内衬装配后经焊接形成密封的冷却通道。

所述第一进液管与第一出液管均与换热外壳焊接，保证结构密封，冷却液不泄露。冷却液经第一进液管进入螺旋通道，最后经第一出液管流出。螺旋通道显著增加冷却液的流动路径，具有较好的导热能力，提高阳极换热能力。第一进液管与第一出液管布置在对角位置。

所述推进器阳极包括多通道换热单元，多通道换热单元包括端部外壳、端部冷却槽、第二进液管、第二出液管和端部冷却通道，端部外壳固定在推进器阳极后端，推进器阳极前端连接绝缘管件；端部外壳的外侧设置端部冷却槽，端部冷却通道设置在推进器阳极周围，且端部冷却通道的一端连接端部冷却槽，另一端连接第二进液管或第二出液管。

所述第二进液管和第二出液管的数量相等，且对称分布推进器阳极外侧。端部外壳、推进器阳极和绝缘管件一起嵌套在外腔体外侧。

所述端部外壳与阳极本体通过焊接形成端部冷却槽。第二进液管、第二出液管与阳极本体焊接密封，保证冷却液不泄露。多通道换热结构中第二进液管和第二出液管交替排列，实现阳极端部均匀换热。

进一步的，阴阳极耐压绝缘组件位于阳极本体与所述阴极本体之间，嵌套式陶瓷用于绝缘，G10定位法兰板用于调节三者相对位置。

所述高温超导磁体系统包括高温超导线圈组件，高温超导低温冷却系统，低温绝热系统、斯特林制冷机，高真空外杜瓦以及高温羽流防护板，所述高温超导线圈组件包括YBCO超导双饼线圈、VPI线圈绝缘锯齿套筒单面安装线圈骨架，所述高温超导低温冷却系统包括一体式线圈骨架蓄冷安装块、U型可调节铜箔压接式导冷板、制冷机冷头安装座和电流引线安全传输段固定座，所述低温绝热系统包括横向拉杆和径向拉杆。

进一步的，所述YBCO超导双饼线圈是通过VPI线圈绝缘进行固化，形成包裹在YBCO超导双饼线圈之间的固定和绝缘。

进一步的，所述锯齿套筒单面安装线圈骨架，采用L型整体加工，4组YBCO超导双饼线圈嵌套式由内到外安装，YBCO超导双饼线圈之间加入1mm厚铜板形成锯齿状整体，通过单面压紧模式形成多面有效接触。

进一步的，所述制冷机为均匀分布在杜瓦外周围的斯特林制冷机，所述斯特林制冷机一端给YBCO超导双饼线圈提供超导态临界温度，一端消耗电流引线产生的焦耳热和传导热。

进一步的，低温绝热系统包括横向拉杆和径向拉杆，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。

所述电源和供气系统及冷却系统包括等离子体炬电源、高温超导电源、制冷机电源、供气系统和冷却系统。

所述等离子体炬电源包括一次电源、炬电源、启弧电源、近控/远控系统，所述炬电源和启弧电源与阴阳极系统相连，远控系统提供光纤通讯接口，其采用了先进的高频开关电源技术，使用最新开关器件，具有恒流输出特性和良好的适应性，工作稳定，参数调节范围宽，保护措施完善合理，具备体积小、重量轻、效率高等优点。

进一步的，一次电源采用三相四线50/60Hz，380V+5％交流供电，并使用铜芯电缆将机柜后面板的接地端子连接至大地零线，启弧电源提供高压脉冲，与阴阳极系统相连用于产生高压电离等离子体，炬电源提供一定范围的稳定输出电流和输出电压，与阴阳极系统相连用于维持电离形成的等离子体电流，远控系统光纤通讯接口RX和TX用光纤线分别接光纤集线器的TX和RX接口，之后与上位机相连。

所述高温超导电源包括直流电源组件、失超保护组件、散热组件、通讯组件，所述直流电源组件包括目标电流设定、过压保护电压设置、最大电流值设定、电流上升/下降速率设定，为高温超导磁体提供高精度稳定电流。

进一步的，直流电源组件具有基准缓升功能，开机后输出电压在设定时间内升到电流设定值，失超保护组件具有过流、过温保护功能，通讯组件采用RS485进行通讯。

所述供气系统包括气瓶、气管、解压阀、针阀、止回阀、气体质量流量计。

进一步的，气瓶外连接减压阀，通过气管依次连接至止回阀、针阀、气体质量流量计、阴阳极进气管。

所述冷却系统，包括阴阳极冷却回路、斯特林制冷机冷却回路、等离子体炬电源冷却回路，所述冷却回路包括温度计、流量计、压力表、冷却管。

进一步的，冷却回路进液口安装温度计、压力表，各支路回液口安装温度计、流量计。

所述控制系统，包括采集模块、通讯模块、上位机控制、联锁预警和紧急控制、人机交互，所述采集模块包括冷却回路温度采集、冷却回路流量采集、气体质量流量采集、制冷机温度采集、磁体外杜瓦温度采集、高温超导电源线圈电压采集，所述上位机控制包括气体质量流量控制、等离子体炬电源控制、高温超导电源控制、制冷机控制，所述联锁预警和紧急控制包括阳极冷却回路温度预警、磁体温度预警、高温超导电源急停、等离子体炬电源急停。

进一步的，采集模块与上位机通过通讯模块相连，实现各系统间通讯，冷却回路温度采集、冷却回路流量采集、气体质量流量采集、制冷机温度采集、磁体外杜瓦温度采集、高温超导电源线圈电压采集通过模拟量信号进行通讯，气体质量流量控制、高温超导电源控制、制冷机控制通过模拟量信号进行通讯，等离子体炬电源控制通过光信号转模拟量信号进行通讯。

本发明的有益效果在于，本发明的一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，是一种采用斯特林制冷机作为冷源的小型化高温超导磁体系统，因此克服了现有技术中G-M制冷机体积大和重量重造成的设计成本高及使用不便的问题；同时，阴阳极组件内阴极中冷却液通道的进液口和出液口设计在同一侧，从而保证在冷却液通道内能保有更多的冷却液，增大冷却液在通道内的停留时间，可以带走多孔阴极喷管产生的大量热量，提高冷却液的利用效率。多孔阴极喷管的多处结构均利用焊接方式进行连接，更加可靠、能有效防止冷却液泄漏的发生。推进器阳极通过螺旋式换热单元有效增加冷却液在换热内衬中的冷却时间，提高冷却效率；通过多通道换热单元可以大幅增加冷却液流量，加快换热速度，从而提高制冷量；此外，多通道换热单元的端部冷却通道间进出液口交替排布的方式实现了阳极端部的均匀冷却。

附图说明

图1为本发明实施例的空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的阴阳极组件及前端局部剖结构示意图；

图3为本发明实施例的螺旋式管路单元结构示意图；

图4为本发明实施例的多通道进出口管路换热单元结构示意图；

图5为本发明实施例的高温超导磁体系统结构示意图；

图6为本发明实施例的高温超导线圈组件和高温超导低温冷却系统结构示意图；

图7为本发明实施例的支撑调节平台结构示意图；

图8为本发明实施例的电源和供气及冷却系统结构示意图；

图9为本发明实施例的采集控制系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统包括阴阳极组件1、高温超导磁体系统2、支撑调节平台3、电源和供气及冷却系统4以及采集控制系统5。

如图1所示，本发明实施例的电源和供气及冷却系统4主要为离子体炬电源系统提供380V三相四线交流电，为高温超导磁体系统提供0-200A直流电，为斯特林制冷机提供24V/8A直流电，为采集控制系统提供低频和高频交流输入信号，为阴阳极提供给定质量流率的工质气体，为斯特林制冷机、离子体炬电源和阴阳极系统提供一定压力、温度和质量流率冷却液进行冷却。

如图1所示，本发明实施例的采集控制系统5主要进行冷却回路温度采集、冷却回路流量采集、气体质量流量采集、制冷机温度采集、磁体外杜瓦温度采集、高温超导电源线圈电压采集，以及气体质量流量控制、高温超导电源控制、等离子体炬电源控制、制冷机控制，各系统之间的联锁预警和紧急控制以及人机交互，保证超导线圈在超导态稳定运行，阳极温度不超过一定限值。

如图2所示，阴阳极组件1包括阴阳极冷却换热组件6、阴阳极耐压绝缘组件7和阴极8，所述阴阳极冷却换热组件6包含包括阳极本体61、螺旋式管路换热单元62和多通道进出口管路63。所述阴阳极耐压绝缘组件7采用嵌套式陶瓷71一端固定在阳极本体61和另一端通过螺旋式管路换热单元62和G10定位法兰板72，所述阴极8的内腔体83与阴极进气管81焊接固定，通过M8螺纹方式与喷嘴固定座84连接，喷嘴固定座84则通过高温焊接与阴极进气管81固定，它们共同构成推进器多孔进气通道结构，同时在推进器工作时，阴极进气管81、和阴极喷嘴85之间产生电弧放电；固定环件82和内腔体83通过焊接方式进行固定，保证了进气管道的气密性，两者之间留有冷却液通道。

如图3所示，所述螺旋式管路换热单元62包括换热外壳621、换热内衬622、第一进液管623、第一出液管624以及位于换热外壳和换热内衬之间的螺旋通道625，所述换热内衬622固定在所述阳极本体61外侧一周，所述螺旋通道625位于所述换热内衬中，且环绕所述阳极本体61一周。

如图4所示，所述多通道进出口管路63包括端部外壳631、端部冷却槽632、第二进液管633、第二出液管634和端部冷却通道635，所述端部外壳631固定在推进器的阳极本体61后端，所述阳极本体61前端设置等离子体高压放电组件；所述端部外壳631的外侧设置端部冷却槽632，所述端部冷却通道635设置在阳极本体61周围，且端部冷却通道635的一端连接所述端部冷却槽632，另一端连接第二进液管633或第二出液管634。

如图5所示，本发明实施例的高温超导磁体系统2包括高温超导线圈组件21、高温超导低温冷却系统22、低温绝热系统23、斯特林制冷机24、高真空外杜瓦25以及高温羽流防护板，所述高温超导线圈组件21包括YBCO超导双饼线圈211、VPI线圈绝缘212、锯齿套筒单面安装线圈骨架213，所述高温超导低温冷却系统22包括对称翼面可绝缘导冷蓄冷块221、U型可调节铜箔压接式导冷板222、制冷机冷头安装座223和电流引线安全传输段224，所述低温绝热系统23包括横向拉杆231和径向拉杆232。同时锯齿套筒单面安装线圈骨架213外侧的对称翼面可绝缘导冷蓄冷块221通过U型可调节铜箔压接式导冷板222连接到斯特林制冷机24冷头上，锯齿套筒单面安装线圈骨架213端面的吊耳通过低温绝热系统23包括横向拉杆231和径向拉杆232安装在高真空外杜瓦25密封法兰上，形成真空绝热及固定，主要起到抵消高温超导线圈组件的重力和通电后产生的电磁力，并且通过高真空形成稳定的内部超导状态所需的临界温度。

如图6所示，所述高温超导线圈组件21中YBCO超导双饼线圈211安装在锯齿套筒单面安装线圈骨架213内部形成整体，锯齿套筒单面安装线圈骨架213主要支持结构采用L型筒体2131加工，4组YBCO超导双饼线圈嵌套式由内到外安装，超导双饼线圈之间加入1mm厚铜板2132形成锯齿状整体，最后通过单面压紧固定板2133固定形成多面有效接触。所述高温超导低温冷却系统22中对称翼面可绝缘导冷蓄冷块221外端面通过U型可调节铜箔压接式导冷板222连接斯特林制冷机24冷头，形成导冷传热给高温超导线圈组件21提供超导态冷量，内端面通过氮化铝陶瓷连接电流引线安全传输段224，吸收消耗电流引线产生的焦耳热和传导热，形成有效蓄冷，保证高温超导磁体系统2安全高效的通电。

如图7所示，本发明实施例支撑调节平台3包括斯特林制冷机分置电机调节底板31、阴阳极组件固定法兰组件32和L型底座33，斯特林制冷机分置电机调节底板31通过腰孔采用M5X16螺栓固定在L型底座33端板上，可以上下微调，阴阳极组件固定法兰组件32通过环形60°均布的孔采用M6x20螺栓固定在L型底座33端板上背面的同心圆上。其中，阴阳极组件固定法兰组件32包括套筒式连接座321、可旋转固定法兰322，套筒式连接座321采用M5X25螺栓固定在可旋转固定法兰322径向加强肋板上。阴阳极组件固定法兰组件32通过安装阴阳极耐压绝缘组件7形成阴阳极冷却换热组件6和阴极8分离的状态，减少高压冷却液开启后造成的冲击。

如图8所示，本发明实施例电源和供气及冷却系统4中离子体炬电源系统41，接入380V、50/60Hz三相四线交流电，使用铜芯电缆将机柜后面板的接地端子连接至大地零线，输出电压的正负极与阴阳极系统相连，启弧阶段可提供20kV脉冲电压和20μs单次高压脉冲持续时间，用于击穿工质气体形成等离子体，稳定运行阶段可提供额定输出电压200V，稳定输出电流500A，输出功率100kW，保持稳定的等离子体电流。相关参数设置包括，点弧时间设定、弧阈值设定、稳态电流设定以及最大电流(Imax)设定。Imax随动保护可以及时灵敏的保护电源异常工作点，及时保护负载设备，以免发生损坏。电源触发瞬间，炬电源通过高压击穿建立等离子体通道，此时电源会检测电流，当电流大于“弧阈值”时，电源停止触发，主电源可解除触发限制，可实现良好的输出特性；当电源未通过“弧阈值”判断，则点弧维持“点弧时间的设定值”后停止触发，弧阈值设定功能，可以保护阴极烧蚀，有利于延长工作时间。离子体炬电源远程控制系统光纤通讯接口RX和TX用光纤线分别接光纤集线器的TX和RX接口，之后与上位机相连。所述离子体炬电源系统使用环境需要维持在0℃-40℃温度范围和低于90％的湿度范围，所在区域不可含有不得含有腐蚀性蒸汽、颗粒，导电颗粒以及吸潮后会变成导电的颗粒。当电源内部散热器温度超过65℃时电源将过热保护，此时指示灯亮，并且蜂鸣器发出警报，停止电源的运行，排除导致过热的原因后确保电源温度下降到正常范围，重新开机。供气系统42为阴阳极通入给定质量流率的工质气体，采用高精度气体流量计进行气体流量的控制和采集，回路中采用解压阀调节压力气瓶释放气体的压力，采用止回阀以防止气体的回流。阴阳极可在系统运行期间分别通入不同质量流率的气体，气路管道采用不锈钢材质以防止空间中可能造成的腐蚀。冷却系统43包括阴阳极冷却回路、斯特林制冷机冷却回路、等离子体炬电源冷却回路，采用温度计、流量计、压力表进行回路中液体工质相关参数的检测，为斯特林制冷机、离子体炬电源和阴阳极系统提供一定压力、温度和质量流率冷却液态进行冷却。制冷机电源44为斯特林制冷机提供24V/8A直流电，维持制冷机正常运行。高温超导电源45基于目标电流设定、过压保护电压设置、最大电流值设定、电流上升/下降速率设定，为高温超导磁体提供高精度稳定电流。高温超导电源具有基准缓升功能，开机后输出电流在设定时间内以设定速率上升到电流设定值，当线圈电压超过一定预设值时，高温超导电源紧急停机，以保护超导磁体的安全，当装置结束运行时，输出电流在设定时间内以设定速率下降至0。所述高温超导电源使用环境需要维持在25℃±5℃温度范围和10～65％湿度范围。

多通道进出口管路通讯模块52中采用模拟信号和光信号进行通讯，配有RS485通讯组件、光纤通讯盒实现光纤通讯至485通讯转化、以太网转RS485组件。上位机控制53包括气体质量流量控制、等离子体炬电源控制、高温超导电源控制、制冷机控制，等离子体炬电源控制包括稳弧、启弧、主回路合/分、启/停控制，当高温超导等离子体推进器系统运行时，依次控制进行主回路合、启动、启弧、稳弧，击穿气体工质形成等离子体，进而维持等离子体电流，当高温超导等离子体推进器系统停机时，依次控制停止、主回路分，结束等离子体炬电源运行。联锁预警和紧急控制54包括阳极冷却回路温度预警、磁体温度预警、高温超导电源急停、等离子体炬电源急停。由于高温超导等离子体推进器很大一部分功率沉积在推进器阳极上，因此阳极冷却情况较为严峻，阳极冷却液出口温度是重要监测参数，当阳极冷却液出口温度超过一定限值时，系统发出预警。高温超导磁体的稳定运行需要维持一定的温度，因此实时监测高温超导磁体外杜瓦温度情况，当高温超导磁体外杜瓦温度超过一定限值时，系统发出预警，并紧急停机，以防止超导磁体失超。当线圈电压超导所设阈值时，高温超导电源紧急停机，防止超导磁体失超。当等离子体炬电源出现过载、过流、电源温度过高、冷却液流量异常等有损坏电源的危险情况时，等离子体炬电源紧急停机，停止功率输出，待恢复正常后软启动恢复。人机交互55实现高温超导等离子体推进器系统的人机交互界面，以方便人工监测各系统采集数据以及人工控制。

本发明的制冷方式是77K@10W斯特林型单极连续降温，斯特林制冷机散热冷却采用单独的冷却液回路，保证制冷效率稳定可靠，在空间宽温区116.15K-394.15K范围内能适应高低温真空辐射冲击；YBCO超导双饼线圈通过高真空外杜瓦与外部空间绝热，保证高温超导磁体通电的连续和超导态的稳定；高温羽流防护板紧贴在高真空外杜瓦高温羽流喷射口外侧，保证在高真空外杜瓦与高温羽流之间形成有效隔热；等离子体炬电源通过电缆与阴阳极相连，用以击穿等离子体并形成等离子体电流；高温超导电源通过电缆与高温超导磁体相连，为高温超导磁体提供直流电流和失超保护；冷区系统采用冷却液对流换热形式，保证阴阳极、斯特林制冷机、等离子体炬电源稳定运行；采集控制系统采用上位机对各系统参数进行采集和控制、关键限值的预警、设备的急停，保证等离子体推进器系统持续稳定运行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，其特征在于：包括阴阳极组件（1）、高温超导磁体系统（2）、支撑调节平台（3）、电源和供气及冷却系统（4）以及采集控制系统（5）；所述阴阳极组件（1）位于高温超导磁体系统（2）的环形中心位置，两者由支撑调节平台（3）进行空间位置匹配，构成推进器系统主体；所述电源和供气及冷却系统以及采集控制系统位于推进器系统主体外部，与阴阳极组件（1）和高温超导磁体系统（2）相连；

所述阴阳极组件（1）包括阴阳极冷却换热组件（6），阴阳极耐压绝缘组件（7）和阴阳极等离子体高压电离组件（8），所述阴阳极冷却换热组件（6）包括阳极本体（61）、螺旋式管路换热单元（62）和多通道进出口管路（63），所述阴阳极耐压绝缘组件（7）包括嵌套式陶瓷（71）和G10定位法兰板（72），所述阴阳极等离子体高压电离组件（8）包括阴极进气管（81）、固定环件（82）、内腔体（83）、喷嘴固定座（84）和阴极喷嘴（85）。

2.如权利要求1所述的一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，其特征在于：所述高温超导磁体系统（2）包括高温超导线圈组件（21）、高温超导低温冷却系统（22）、低温绝热系统（23）、斯特林制冷机（24），高真空外杜瓦（25）以及高温羽流防护板（26），所述高温超导线圈组件（21）包括YBCO超导双饼线圈（211）、VPI线圈绝缘（212）、锯齿套筒单面安装线圈骨架（213），所述高温超导低温冷却系统（22）包括对称翼面可绝缘导冷蓄冷块（221）、U型可调节铜箔压接式导冷板（222）、制冷机冷头安装座（223）和电流引线安全传输段（224），所述低温绝热系统（23）包括横向拉杆（231）和径向拉杆（232）。

3.如权利要求1所述的一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，其特征在于：所述支撑调节平台（3）包括斯特林制冷机分置电机调节底板（31）、阴阳极组件固定法兰组件（32）和L型底座（33），其中，阴阳极组件固定法兰组件（32）包括套筒式连接座（321）和可旋转固定法兰（322）。

4.如权利要求1所述的一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，其特征在于：所述电源和供气及冷却系统（4）包括等离子体炬电源（41）、供气系统（42）、冷却系统（43）、制冷机电源（44）、高温超导电源（45）。

5.如权利要求1所述的一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，其特征在于：所述采集控制系统（5）包括采集模块（51）、通讯模块（52）、上位机控制（53）、联锁预警和紧急控制（54）、人机交互（55），所述采集模块（51）包括冷却回路温度采集、冷却回路流量采集、气体质量流量采集、制冷机温度采集、磁体外杜瓦温度采集、高温超导电源线圈电压采集，所述上位机控制（53）包括气体质量流量控制、等离子体炬电源控制、高温超导电源控制、制冷机控制，所述联锁预警和紧急控制包括阳极冷却回路温度预警、磁体温度预警、高温超导电源急停、等离子体炬电源急停。

6. 如权利要求1-5之一所述的一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，其特征在于：采用77 K @ 10 W斯特林制冷机单极连续降温，斯特林制冷机本体的散热冷却采用单独的冷却液回路，保证制冷效率稳定可靠，在空间宽温区116.15 K - 394.15 K 范围内能适应高低温真空辐射冲击；所述YBCO超导双饼线圈（211）通过高真空外杜瓦（25）与外部空间绝热，保证高温超导磁体通电的连续和超导态的稳定；所述高温羽流防护板（26）紧贴在高真空外杜瓦的高温羽流喷射口外侧，保证在高真空外杜瓦与高温羽流之间形成有效隔热；等离子体炬电源（41）通过电缆与阴阳极相连，用以击穿等离子体并形成等离子体电流；高温超导电源（45）通过电缆与高温超导磁体相连，为高温超导磁体提供直流电流和失超保护；冷却系统（43）采用冷却液对流换热形式，保证阴阳极、斯特林制冷机、等离子体炬电源稳定运行。

7.如权利要求1所述的一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，其特征在于：所述采集控制系统（5）采用上位机对各系统参数进行采集和控制、关键限值的预警、设备的急停，保证等离子体推进器系统持续稳定运行。