CN116733704A - 一种离子推力器力学增强型碳碳栅极组件 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电推进技术领域，具体而言，涉及一种离子推力器力学增强型碳碳栅极组件，包括加速栅部件、屏栅部件、栅间绝缘部件以及应变缓冲支架，其中：加速栅部件通过第一紧固件固定在屏栅部件的上方；栅间绝缘部件通过第二紧固件固定在屏栅部件的内部；应变缓冲支架为“几”字型结构，通过第三紧固件固定在屏栅部件的下方。本申请采用一体连接式加速栅部件和屏栅部件、加强筋式屏栅增强环、应变缓冲支架的组合方案，有效地降低碳碳栅极组件受到的力学载荷量级，实现了碳碳栅极组件力学增强的设计目标。

Description

一种离子推力器力学增强型碳碳栅极组件

技术领域

本申请涉及电推进技术领域，具体而言，涉及一种离子推力器力学增强型碳碳栅极组件。

背景技术

电推进具有高比冲、推力精确可调节等技术优势，是支撑航天器实现高承载、长寿命、高精度姿轨控制的核心技术。电推进技术已经在空间动力领域得到广泛应用，包括同步轨道卫星的南北位置保持、低轨道卫星的阻力补偿、航天器的姿态控制和轨道转移、星际探测器主推进，在航天器上应用电推进技术已经成为卫星技术发展的重要趋势，更是衡量卫星先进性的重要标志之一。

栅极是离子推力器的关键部组件，通过栅极电压差形成静电场，聚焦并加速引出放电室内工质气体电离后产生的离子束流，从而产生推力；同时，栅极组件特殊的多孔薄壁曲面结构，决定了其属于离子推力器的力学薄弱部件，难以承受较大的振动和冲击，若力学设计不当会造成结构破损失效。

通过现有的工程实践表明栅极已成为离子电推进可靠性薄弱环节和寿命短板，主要原因是当前金属钼栅极工作中始终存在显著的热形变和溅射腐蚀，而碳碳材料具有低热膨胀系数和低溅射产额等优异特性，用其制备加工栅极组件，可有效降低栅极热形变、减少溅射多余物，从而可提升离子推力器的可靠性和寿命。

但碳碳栅极在离子电推进中的应用，并非简单的材料直接更换，无法直接继承现有金属钼栅极组件的结构方案，主要由于碳碳材料固有的硬脆属性，碳碳材料的强度较金属材料差，碳碳栅极的力学可靠性问题是其应用短板，并且在当前大推力、高功率电推进技术需求趋势下，离子推力器口径势必更大，碳碳栅极的力学薄弱问题会愈加突出。

发明内容

本申请提供了一种离子推力器力学增强型碳碳栅极组件，实现了碳碳栅极组件力学增强的设计目标，解决了碳碳栅极力学可靠性的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了一种离子推力器力学增强型碳碳栅极组件，包括加速栅部件、屏栅部件、栅间绝缘部件以及应变缓冲支架，其中：加速栅部件通过第一紧固件固定在屏栅部件的上方；栅间绝缘部件通过第二紧固件固定在屏栅部件的内部；应变缓冲支架为“几”字型结构，通过第三紧固件固定在屏栅部件的下方。

进一步的，加速栅部件包括加速栅极和加速栅增强环，其中：加速栅极为多个栅孔组成的环形栅网结构；加速栅增强环为圆环状，整体通过碳粘合剂粘贴在加速栅极外周非栅孔区域的上方。

进一步的，屏栅部件包括屏栅极、屏栅增强环以及栅极安装环，其中：屏栅极为多个栅孔组成的环形栅网结构，设置在加速栅极的正下方；屏栅增强环为槽式圆环结构，上表面通过碳粘合剂粘贴在屏栅极外周非栅孔区域的下方，下表面通过碳粘合剂粘贴在栅极安装环的上方；栅极安装环为圆环状结构，下方通过第三紧固件与应变缓冲支架连接。

进一步的，栅间绝缘部件设置在屏栅增强环槽体的内部，包括第一连接端、安装螺钉、绝缘陶瓷以及第二连接端，其中：第一连接端中心为六角螺母结构，通过第一紧固件与加速栅极固定连接；第二连接端中心为六角螺母结构，用于放置安装螺钉；安装螺钉和下方的安装螺母组成第二紧固件，将第二连接端固定在栅极安装环上；绝缘陶瓷设置在第一连接端和第二连接端之间，与第一连接端和第二连接端一体成型。

进一步的，第一连接端与加速栅极之间设置有栅间距调整垫，栅间距调整垫为圆环状。

进一步的，加速栅部件、屏栅部件、应变缓冲支架以及栅间距调整垫的材料均为碳碳材料。

进一步的，屏栅增强环槽体的内部还均布有环形的隔离加强筋。

进一步的，绝缘陶瓷的结构为外螺旋结构。

本发明提供的一种离子推力器力学增强型碳碳栅极组件，具有以下有益效果：

本申请结合离子推力器栅极特殊的薄壁曲面多孔结构特点和碳碳材料工艺特点，采用一体连接式加速栅部件和屏栅部件、加强筋式屏栅增强环、应变缓冲支架的组合方案，有效地降低碳碳栅极组件受到的力学载荷量级，实现了碳碳栅极组件力学增强的设计目标，使碳碳栅极组件的力学可靠性不再是其应用短板，并且栅极组件的整体采用碳碳材料，具有低热膨胀系数和低溅射产额等优异特性，可显著提高离子推力器可靠性和寿命。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的离子推力器力学增强型碳碳栅极组件的结构示意图；

图2是根据本申请实施例提供的加速栅部件和屏栅部件的连接示意图；

图3是根据本申请实施例提供的加速栅部件、屏栅部件以及应变缓冲支架的连接示意图；

图4是根据本申请实施例提供的加速栅部件的示意图；

图5是根据本申请实施例提供的屏栅部件的示意图；

图6是根据本申请实施例提供的隔离加强筋的示意图；

图中：1-加速栅部件、1 1-加速栅极、12-加速栅增强环、2-屏栅部件、21-屏栅极、22-屏栅增强环、23-栅极安装环、3-栅间绝缘部件、31-第一连接端、32-安装螺钉、33-绝缘陶瓷、34-第二连接端、4-应变缓冲支架、5-第一紧固件、6-第二紧固件、7-第三紧固件、8-栅间距调整垫、9-隔离加强筋、101-加速栅部件安装孔、102-缓冲支架让位孔、201-绝缘部件安装孔、202-缓冲支架安装孔、203-绝缘部件让位孔。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1-3所示，本申请提供了一种离子推力器力学增强型碳碳栅极组件，包括加速栅部件1、屏栅部件2、栅间绝缘部件3以及应变缓冲支架4，其中：加速栅部件1通过第一紧固件5固定在屏栅部件2的上方；栅间绝缘部件3通过第二紧固件6固定在屏栅部件2的内部；应变缓冲支架4为“几”字型结构，通过第三紧固件7固定在屏栅部件2的下方。

具体的，本申请实施例提供的离子推力器力学增强型碳碳栅极组件结合离子推力器栅极特殊的薄壁曲面多孔结构特点和碳碳材料工艺特点，提出了碳碳栅极力学增强和应变缓冲的综合结构设计，有效地降低碳碳栅极受到的力学载荷量级，使碳碳栅极的力学可靠性不再是其应用短板，可显著提高离子推力器可靠性和寿命。其中，加速栅部件1整体通过第一紧固件5固定在屏栅部件2的上方，用于加速引出放电室内工质气体电离后产生的离子束流；屏栅部件2的内部设置有栅间绝缘部件3，一方面保证栅极间的电绝缘，使栅极加载电压形成静电场，进而聚集加速引出离子，另一方面作为栅极间结构的支撑，与栅间距调整垫8组合，共同实现对栅极间距的调整；屏栅部件2的下方固定有应变缓冲支架4，应变缓冲支架主要为了降低栅极组件受到的力学载荷量级，由于在发射力学环境中，沿栅极组件轴向的冲击载荷对栅极而言最为苛刻，因此优选设计成“几”字型结构作为载荷缓冲结构，可以有效降低传递到栅极上的冲击载荷量级。

进一步的，加速栅部件1包括加速栅极11和加速栅增强环12，其中：加速栅极11为多个栅孔组成的环形栅网结构；加速栅增强环12为圆环状，整体通过碳粘合剂粘贴在加速栅极11外周非栅孔区域的上方。加速栅极11整体为环状，中间是由多个栅孔组成的栅网结构，四周则是非栅孔区域，为了增加加速栅极11整体的刚度，加速栅增强环12整体通过碳粘合剂粘贴在加速栅极11外周非栅孔区域的上方，实现加速栅部件1的一体连接，同时加速栅增强环12还能够增强加速栅极11边缘非开孔区域的安装平面度，防止栅极边缘翘曲影响栅间电绝缘性能。如图4所示，加速栅部件1上还设置有加速栅部件安装孔101和缓冲支架让位孔102，其中，加速栅部件安装孔101用于放置第一紧固件5，实现加速栅部件1与屏栅部件2的固定连接；缓冲支架让位孔102主要为了方便下方的应变缓冲支架4的安装。

进一步的，屏栅部件2包括屏栅极21、屏栅增强环22以及栅极安装环23，其中：屏栅极21为多个栅孔组成的环形栅网结构，设置在加速栅极11的正下方；屏栅增强环22为槽式圆环结构，上表面通过碳粘合剂粘贴在屏栅极21外周非栅孔区域的下方，下表面通过碳粘合剂粘贴在栅极安装环23的上方；栅极安装环23为圆环状结构，下方通过第三紧固件7与应变缓冲支架4连接。屏栅极21整体同样为环状，中间是由多个栅孔组成的栅网结构，四周则是非栅孔区域，设置在加速栅极11的正下方，除了栅孔孔径大小不同，其他结构与加速栅极11结构相同，并且与加速栅极11对应设置；为了增加屏栅极21整体的刚度以及边缘非开孔区域的安装平面度，在屏栅极21与栅极安装环23之间设置屏栅增强环22，其中，屏栅增强环22的上表面通过碳粘合剂粘贴在屏栅极21外周非栅孔区域的下表面，屏栅增强环22的下表面通过碳粘合剂粘贴在栅极安装环23的上表面，实现屏栅极21、屏栅增强环22以及栅极安装环23的一体连接；屏栅增强环22整体为槽式圆环结构，槽体内部设置有栅间绝缘部件3和隔离加强筋9，在增加屏栅极21刚度的同时，还具有隔离保护的作用。而栅极安装环23整体为圆环状结构，通过第三紧固件7与下方的应变缓冲支架4连接。如图5所示，屏栅部件2上还设置有绝缘部件安装孔201、缓冲支架安装孔202、绝缘部件让位孔203以及缓冲支架让位孔102，其中，绝缘部件安装孔201用于与内部栅间绝缘部件3固定安装，缓冲支架安装孔202用于与下方的应变缓冲支架4固定安装，绝缘部件让位孔203和缓冲支架让位孔102主要为了方便栅间绝缘部件3和应变缓冲支架4的安装。

具体的，加速栅增强环12与加速栅极11的一体连接、屏栅增强环22与屏栅极21和栅极安装环23的一体连接均是通过碳粘合剂粘合碳化来实现的；上述各个零件在加工完成后，用碳粘合剂将所需连接零件对应粘合固定，采用化学气相沉积/渗透工艺将碳粘合剂碳化，从而实现整体结构的一体连接。

进一步的，栅间绝缘部件3设置在屏栅增强环22槽体的内部，包括第一连接端31、安装螺钉32、绝缘陶瓷33以及第二连接端34，其中：第一连接端31中心为六角螺母结构，通过第一紧固件5与加速栅极11固定连接；第二连接端34中心为六角螺母结构，用于放置安装螺钉32；安装螺钉32和下方的安装螺母组成第二紧固件6，将第二连接端34固定在栅极安装环23上；绝缘陶瓷33设置在第一连接端31和第二连接端34之间，与第一连接端31和第二连接端34一体成型。栅间绝缘部件3主要用于栅极之间的绝缘，整体设置在屏栅增强环22槽体的内部；第一连接端31设置在槽体的上方，通过第一紧固件5与加速栅极11连接；第二连接端34设置在槽体的下方，通过第二紧固件6与栅极安装环23连接；第二紧固件6主要由安装螺钉32和安装螺母组成，安装螺钉32设置在第二连接端34的内部，通过与下方的安装螺母配合，将第二连接端34固定在栅极安装环23上；为了增强栅间绝缘部件3的刚度，第一连接端31和第二连接端34的材料为金属材料，绝缘陶瓷33设置在第一连接端31和第二连接端34之间，与第一连接端31和第二连接端34通过陶瓷与金属焊接的工艺，实现整体栅间绝缘部件3的一体成型。

进一步的，第一连接端31与加速栅极11之间设置有栅间距调整垫8，栅间距调整垫8为圆环状。栅间距调整垫8设置在加速栅部件1和屏栅部件2之间，主要用于调节加速栅极11与屏栅极21之间的距离，栅间距调整垫8的外径小于等于栅间绝缘部件3外轮廓的尺寸，厚度根据实际的栅极间距进行设置。

进一步的，加速栅部件1、屏栅部件2、应变缓冲支架4以及栅间距调整垫8的材料均为碳碳材料。栅极组件的各个部件均采用碳碳材料进行制造，碳碳材料具有低热膨胀系数和低溅射产额等优异特性，用其制备加工栅极组件，可有效降低栅极热形变、减少溅射多余物，从而可提升离子推力器的可靠性和寿命。

进一步的，如图6所示，屏栅增强环22槽体的内部还均布有环形的隔离加强筋9。隔离加强筋9设置在屏栅增强环22槽体的内部，沿屏栅增强环22轴向环形均布，可增加碳碳栅极组件的刚度，也起到隔离保护栅间绝缘部件3的作用，防止离子溅射污染绝缘陶瓷33造成的绝缘异常问题。

进一步的，绝缘陶瓷33的结构为外螺旋结构。绝缘陶瓷33结构为外螺旋结构，可增加其真空爬电距离，提升碳碳栅极组件结构紧凑性和电绝缘性能。

具体的，在本申请实施例中，根据实际情况，第一紧固件5、栅间距调整垫8、栅间绝缘部件3以及第二紧固件6依次同轴配套设置，间隔固定连接加速栅部件1和屏栅部件2，具体的数量根据加速栅极11和屏栅极21的大小进行选择：而第三紧固件7和应变缓冲支架4依次同轴配套设置，间隔固定连接在栅极安装环23的下表面，具体数量根据屏栅极21的大小进行选择；即第一紧固件5依次穿过加速栅增强环12、加速栅极11以及栅间距调整垫8，进入第一连接端31内部，与六角螺母结构的螺纹孔配合连接，将加速栅部件1固定在屏栅部件2上方；安装螺钉32(第二紧固件6)依次穿过第二连接端34内部的六角螺母结构的螺纹孔和栅极安装环23，与下方的安装螺母配合连接，将栅间绝缘部件3固定在屏栅部件2的内部；第三紧固件7依次穿过栅极安装环23和应变缓冲支架4，与下方的固定螺母配合连接，将应变缓冲支架4固定在屏栅部件2的下方；其中，第一紧固件5和第二紧固件6同轴配套设置，而第三紧固件7与第二紧固件6间隔设置。

更具体的，本申请实施例结合离子推力器栅极特殊的薄壁曲面多孔结构特点和碳碳材料工艺特点，创新性地采用一体连接式加速栅部件1和屏栅部件2、加强筋式屏栅增强环22、应变缓冲支架4的组合方案，可使碳碳栅极组件受到的力学载荷的传递路径延长、振幅降低，从而提升碳碳栅极组件力学性能，显著提高离子推力器可靠性和寿命。

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

Claims (8)

1.一种离子推力器力学增强型碳碳栅极组件，其特征在于，包括加速栅部件、屏栅部件、栅间绝缘部件以及应变缓冲支架，其中：

所述加速栅部件通过第一紧固件固定在所述屏栅部件的上方；

所述栅间绝缘部件通过第二紧固件固定在所述屏栅部件的内部；

所述应变缓冲支架为“几”字型结构，通过第三紧固件固定在所述屏栅部件的下方。

2.根据权利要求1所述的离子推力器力学增强型碳碳栅极组件，其特征在于，所述加速栅部件包括加速栅极和加速栅增强环，其中：

所述加速栅极为多个栅孔组成的环形栅网结构；

所述加速栅增强环为圆环状，整体通过碳粘合剂粘贴在所述加速栅极外周非栅孔区域的上方。

3.根据权利要求2所述的离子推力器力学增强型碳碳栅极组件，其特征在于，所述屏栅部件包括屏栅极、屏栅增强环以及栅极安装环，其中：

所述屏栅极为多个栅孔组成的环形栅网结构，设置在所述加速栅极的正下方；

所述屏栅增强环为槽式圆环结构，上表面通过碳粘合剂粘贴在所述屏栅极外周非栅孔区域的下方，下表面通过碳粘合剂粘贴在所述栅极安装环的上方；

所述栅极安装环为圆环状结构，下方通过所述第三紧固件与所述应变缓冲支架连接。

4.根据权利要求3所述的离子推力器力学增强型碳碳栅极组件，其特征在于，所述栅间绝缘部件设置在所述屏栅增强环槽体的内部，包括第一连接端、安装螺钉、绝缘陶瓷以及第二连接端，其中：

所述第一连接端中心为六角螺母结构，通过所述第一紧固件与所述加速栅极固定连接；

所述第二连接端中心为六角螺母结构，用于放置安装螺钉；

所述安装螺钉和下方的安装螺母组成所述第二紧固件，将所述第二连接端固定在所述栅极安装环上；

所述绝缘陶瓷设置在所述第一连接端和所述第二连接端之间，与所述第一连接端和所述第二连接端一体成型。

5.根据权利要求5所述的离子推力器力学增强型碳碳栅极组件，其特征在于，所述第一连接端与所述加速栅极之间设置有栅间距调整垫，所述栅间距调整垫为圆环状。

6.根据权利要求6所述的离子推力器力学增强型碳碳栅极组件，其特征在于，所述加速栅部件、所述屏栅部件、所述应变缓冲支架以及所述栅间距调整垫的材料均为碳碳材料。

7.根据权利要求4所述的离子推力器力学增强型碳碳栅极组件，其特征在于，所述屏栅增强环槽体的内部还均布有环形的隔离加强筋。

8.根据权利要求4所述的离子推力器力学增强型碳碳栅极组件，其特征在于，所述绝缘陶瓷的结构为外螺旋结构。