CN209925157U - 一种扩张型自磁场磁等离子体推力器 - Google Patents

Abstract

一种扩张型自磁场磁等离子体推力器，包括陶瓷隔离体、分段式扩张阳极、阴极和进气接口；陶瓷隔离体包括空心圆柱段和圆锥形扩张段。分段式扩张阳极包括阳极固定环、阳极放电环及多根径向连接在阳极固定环和阳极放电环之的阳极电流传输线，阳极固定环套装在空心圆柱段上，阳极放电环固定在圆锥形扩张段的外端。阴极同轴置于空心圆柱段内且阴极顶端伸入圆锥形扩张段内，空心圆柱段上设有进气接口，气体工质从进气接口进入阴极与陶瓷隔离体间的环形通道，在阴极外围圆周上均匀注入到阴极和分段式扩张阳极间的扩张型放电腔。本实用新型利用阳极放电电流产生的环向磁场对等离子体的加速作用，使自磁场磁等离子体推力器工作的电磁加速机制实现最大化。

Description

一种扩张型自磁场磁等离子体推力器

技术领域

本实用新型属于航空航天电推进领域，涉及一种扩张型自磁场磁等离子体推力器。

背景技术

与传统化学推进推力器相比，电推进推力器具有比冲高的优点。在众多种类的电推力器中，磁等离子体推力器因具有较高的推力密度，在星际航行和深空探测等方面具有显著优势。

自磁场磁等离子体推力器工作过程中，首先将气体工质高压击穿为等离子体，依靠等离子体中的放电电流与其感生磁场相互作用产生洛伦兹力，使等离子体在气动加速与电磁加速共同作用下喷出推力器本体，进而生成推力。为了提高自磁场磁等离子体推力器的推进性能，学者们主要通过增加等离子电离率以及优化推力器放电参数增加电磁加速效果，包括增大放电电流、合理搭配电流与气体工质的供给量等措施，但仍然存在诸多难以解决的问题。

研究表明，由于洛伦兹力F_J×B与放电电流的平方J²成正比关系，在一定范围内增大放电电流可以大幅增加自磁场磁等离子体推力器电磁加速效果。但是，当电流与气体质量流率达到某临界值后，继续增加电流会引起电压高频振荡，导致阳极发生严重烧蚀(“onset”现象)，进而导致推力器工作不稳定以及降低寿命的问题。另外，增大电流也会使得阳极功率沉积随之增加，导致推力器效率降低等问题突显。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种扩张型自磁场磁等离子体推力器。

为实现本实用新型的技术目的，采用以下技术方案：

一种扩张型自磁场磁等离子体推力器，包括陶瓷隔离体、分段式扩张阳极、阴极和进气接口；

陶瓷隔离体整体呈漏斗形状，陶瓷隔离体包括空心圆柱段和圆锥形扩张段。

分段式扩张阳极包括阳极固定环、阳极放电环以及阳极电流传输线，阳极固定环套装在陶瓷隔离体的空心圆柱段上，阳极放电环固定在圆锥形扩张段的外端，多根阳极电流传输线径向连接在阳极固定环和阳极放电环之间；阴极同轴置于空心圆柱段内且阴极顶端伸入圆锥形扩张段内，圆锥形扩张段内的空腔形成阴极和分段式扩张阳极之间的扩张型放电腔。陶瓷隔离体的空心圆柱段上设置有进气接口，气体工质能够从进气接口进入阴极与陶瓷隔离体之间的环形通道，在阴极外围圆周上均匀注入到扩张型放电腔。阳极固定环和阴极分别连接电源的正、负极。推力器工作时等离子体电流从阳极环流向阴极。

阴极与空心圆柱段的自由端之间设置有密封件，避免气体工质从进气接口进入阴极与陶瓷隔离体之间后从阴极与空心圆柱段的自由端一头泄露流出。优选地，本实用新型中，阴极与空心圆柱段的自由端之间设置有密封垫片，密封垫片的长度不超出空心圆柱段上设置进气接口的位置，确保密封垫片不会堵塞进气接口。密封垫片主要具备两种主要功能，一是保证推力器其进气接口的气密性，确保从进气接口进入的气体只能进入扩张型放电腔。二是，密封垫片、阴极与空心圆柱段之间实现同轴与过盈配合，保证推力器各部件相对位置的固定。

优选地，本实用新型中，阳极电流传输线为导电性能较强的铜导线，各阳极电流传输线紧贴在圆锥形扩张段的外侧壁上，各阳极电流传输线的两端通过焊接或螺钉紧固的方式分别与阳极放电环、阳极固定环的侧面连接。并且所有阳极电流传输线呈圆周均匀分布，阳极电流传输线的数量可根据推力器的整体尺寸调整。

本实用新型中的陶瓷隔离体是一体成型的陶瓷结构，陶瓷隔离体由空心圆柱段和圆锥形扩张段组成，阳极固定环套装在陶瓷隔离体的空心圆柱段上，且空心圆柱段与阳极固定环过盈配合实现紧固联接，空心圆柱段将阳极固定环与阴极隔离。圆锥形扩张段将阳极传输电流与推力器放电电流隔离，各阳极电流传输线紧贴在圆锥形扩张段的外侧壁上，阳极放电环固定在圆锥形扩张段的外端，使得分段式扩张阳极与陶瓷隔离体位置的相对固定，能够有效防止推力器连续工作后分段式扩张阳极的松动，从而延长了推力器的使用寿命。

本实用新型中阴极包括阴极主体以及阴极头，阴极主体和阴极头均为为圆柱形结构。阴极头通过可拆卸连接的方式(如螺纹连接)连接在阴极主体的顶端，其中阴极头伸入圆锥形扩张段内。阴极主体的材料为铜。为了利于放电电弧的产生，阴极头采用溢出功较小、电子发射系数较大的钨金属制作而成，钨阴极表面镀钍，受热后分解利于电子发射。阴极头通过可拆卸连接的方式(如螺纹连接)连接在阴极主体的顶端，这样便于控制阴极头伸入圆锥形扩张段内的长度，实现放电过程中的电极参数的调节。

本实用新型通过设计分段式阳极结构与扩张型放电隔离结构，在相同的放电参数配置以及保证推力器稳定工作的情况下，充分利用放电电流产生的环向磁场对等离子体的加速作用，使自磁场磁等离子体推力器工作的电磁加速机制实现最大化。具体地，与现有技术相比，本实用新型能够产生以下技术效果：

(1)对于传统准稳态磁等离子体推力器，其电磁加速机制依靠的是放电等离子体中电流与其自生磁场的相互作用。本实用新型通过一种扩张型放电结构，除了等离子体电流外，充分利用了放电过程中阳极传输导线中电流产生的磁场对等离子体的加速作用，有效解决了传统自磁场磁等离子体推力器难以提供足够的自生磁场电磁加速机制的缺点。

(2)通过设计一种分段式扩张阳极，一方面可以提高推力器工作过程阳极的散热效率，通过降低阳极质量在一定程度上减小推力器总质量。另一方面，可以通过分段式扩张阳极与陶瓷隔离体的紧固联接延长推力器的使用寿命。

(3)阴极头通过可拆卸连接的方式(如螺纹连接)连接在阴极主体的顶端，这样便于控制阴极头伸入圆锥形扩张段内的长度，实现放电电极的可调节性，从而快速达到不同气体流量与放电电压等参数下的放电电极最佳配合。

(4)密封垫片由石墨材料制成，具有耐高温、高弹性且低延展性的特点，既可以保证推力器的气密性又能固定阴极与陶瓷结构的相对位置关系，从而简化了推力器的结构。

(5)采用气体工质，能够从进气接口进入阴极与陶瓷隔离体之间的环形通道，在阴极外围圆周上均匀注入到扩张型放电腔，可以实现气体工质的均匀供给，实现了阴极环状稳定放电，保证了锥形放电腔中的放电均匀性，继而避免了因气体供给不均匀造成的推力器放电周向不稳定问题。

(6)本实用新型中的阳极放电环的轴向长度远远短于传统磁等离子体推力器中所采用的桶状阳极的轴向长度，这样可以有效降低传统推力器桶状阳极较大的功率沉积问题而造成的推力器效率较低的缺点。

(7)推力器整体结构简单，易于实现，通过各部件的合理紧固配合延长使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型一种扩张型自磁场磁等离子体推力器装配剖视图。

图2为本实用新型一种扩张型自磁场磁等离子体推力器爆炸结构图。

图3为本实用新型分段式扩张阳极的结构图。

图4为本实用新型陶瓷隔离体的结构图。

图5为本实用新型密封垫片的结构图。

图6为本实用新型阴极的结构图。

图中：1为阳极放电环，2为阳极电流传输线，3为阳极固定环；4为进气接口；5为密封垫片，6为陶瓷隔离体；7为阴极主体，8为阴极头。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的实施方式进行进一步的详细说明。

参照图1至图6，本实用新型提供一种扩张型自磁场磁等离子体推力器，包括陶瓷隔离体6、分段式扩张阳极、阴极、进气接口4和密封垫片5。

参照图1、图2和图4，陶瓷隔离体6是一体成型的陶瓷结构，采用氮化硼材料制成。陶瓷隔离体6整体呈漏斗形状，陶瓷隔离体6包括空心圆柱段和圆锥形扩张段。

参照图1、2和3，分段式扩张阳极包括阳极固定环3、阳极放电环1以及阳极电流传输线2，阳极固定环3套装在陶瓷隔离体6的空心圆柱段上，阳极放电环1固定在圆锥形扩张段的外端。多根阳极电流传输线2径向连接在阳极固定环3和阳极放电环1之间。阳极电流传输线2为导电性能较强的铜导线，铜导线直径为1～2mm。各阳极电流传输线2紧贴在圆锥形扩张段的外侧壁上，各阳极电流传输线2的两端通过焊接或螺钉紧固的方式分别与阳极放电环1、阳极固定环3的侧面连接。并且所有阳极电流传输线2呈圆周均匀分布，阳极电流传输线2的数量可根据推力器的整体尺寸调整。其中，阳极电流传输线2与阳极放电环1的联接位置为阳极放电环1的端面外侧，阳极电流传输线2与阳极固定环3的联接位置为阳极固定环3的端面内侧，从而使阳极电流传输线紧贴在圆锥形扩张段的外侧壁，从而达到推力器整体结构紧凑的效果。阳极电流传输线2主要作用是作为放电过程中电流从阳极固定环3流向阳极放电环1的中间传输导线，同时能够在扩张型放电腔内部形成环状切向磁场，最大程度提供等离子体的电磁加速效果。

阴极同轴置于空心圆柱段内且阴极顶端伸入圆锥形扩张段内，圆锥形扩张段内的空腔形成阴极和分段式扩张阳极之间的扩张型放电腔。本实施例中：参照图6，阴极包括阴极主体7以及阴极头8，阴极主体7和阴极头8均为圆柱形结构。阴极头8通过可拆卸连接的方式(如螺纹连接)连接在阴极主体7的顶端，其中阴极头8伸入圆锥形扩张段内。阴极主体7的材料为铜。为了利于放电电弧的产生，阴极头8采用溢出功较小、电子发射系数较大的钨金属制作而成，钨阴极表面镀钍，受热后分解利于电子发射。阴极头8通过可拆卸连接的方式(如螺纹连接)连接在阴极主体的顶端，这样便于控制阴极头伸入圆锥形扩张段内的长度，实现放电过程中的电极参数的调节。

参照图1、图2、图4和图5，陶瓷隔离体6的空心圆柱段上设置有进气接口4，进气接口4与陶瓷隔离体6的连接处实现过盈配合，保证接触部位的密封性，必要时可以在接触处设置密封件。气体工质能够从进气接口4进入阴极与陶瓷隔离体6之间的环形通道，在阴极外围圆周上均匀注入到扩张型放电腔。阳极固定环3和阴极主体7分别连接电源的正、负极。推力器工作时等离子体电流从阳极环流向阴极。进一步地，进气接口4与扩张型放电腔存在一定距离，允许气体工质在进入扩张型放电腔之前，在阴极与陶瓷隔离体6之间的环形通道内得到充分均匀发展，可以从一定程度上降低因气体分布不均匀造成的放电不稳定。

阴极主体7与空心圆柱段的自由端之间设置有密封垫片5。密封垫片5为耐高温且不易发生形变的固体材料，如由石墨材料制作而成。密封垫片5的长度不超出空心圆柱段上设置进气接口4的位置，确保密封垫片5不会堵塞进气接口。密封垫片5主要具备两种主要功能，一是保证推力器其进气接口的气密性，确保从进气接口进入的气体只能进入扩张型放电腔。二是，密封垫片、阴极主体与空心圆柱段之间实现同轴与过盈配合，保证推力器各部件相对位置的固定。

本实施例中，阳极固定环3套装在陶瓷隔离体6的空心圆柱段上，且空心圆柱段与阳极固定环3过盈配合实现紧固联接，空心圆柱段将阳极固定环3与阴极隔离。圆锥形扩张段将阳极传输电流与推力器放电电流隔离，各阳极电流传输线紧贴在圆锥形扩张段的外侧壁上，阳极放电环固定在圆锥形扩张段的外端，使得分段式扩张阳极与陶瓷隔离体位置的相对固定，能够有效防止推力器连续工作后分段式扩张阳极的松动，从而延长了推力器的使用寿命。

本实用新型工作过程如下：气体工质从进气接口4进入，进入阴极与陶瓷隔离体6之间的环形通道，在阴极外围圆周上均匀注入到扩张型放电腔中。在阴、阳极之间的高电压作用下，击穿气体，随后在毫秒时间尺度内放电，致使推力器产生推力。放电过程中，圆锥形扩张段的外侧壁上的阳极电流传输线2内的电流流向为由收缩段指向扩张段。由于外部施加的电能较高，阳极电流传输线中的电流较大(电流范围在几千安培至几十千安培之间)，在扩张型放电腔中感生出较强的切向环形磁场。此时在扩张型放电腔内部阳极放电环与阴极头之间形成等离子体放电电弧，等离子体电流与切向环形磁场相互作用，电弧等离子体受到强的指向放电腔出口的洛伦兹力作用，从推力器出口喷出，速度达到几十千米每秒。本实用新型中，通过将传统自磁场磁等离子体推力器圆柱形放电腔结构改进为扩张型放电腔，并且通过增加陶瓷隔离体将等离子体电流与阳极传输线电流隔离，充分利用了放电过程中阳极传输导线中电流产生的磁场对等离子体的加速作用，有效解决了传统磁等离子体推力器难以提供足够的自生磁场导致的电磁加速机制较弱的缺点。

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

Claims (10)

1.一种扩张型自磁场磁等离子体推力器，包括陶瓷隔离体、分段式扩张阳极、阴极和进气接口；陶瓷隔离体整体呈漏斗形状，陶瓷隔离体包括空心圆柱段和圆锥形扩张段；分段式扩张阳极包括阳极固定环、阳极放电环以及阳极电流传输线，阳极固定环套装在陶瓷隔离体的空心圆柱段上，阳极放电环固定在圆锥形扩张段的外端，多根阳极电流传输线径向连接在阳极固定环和阳极放电环之间；阴极同轴置于空心圆柱段内且阴极顶端伸入圆锥形扩张段内，圆锥形扩张段内的空腔形成阴极和分段式扩张阳极之间的扩张型放电腔；陶瓷隔离体的空心圆柱段上设置有进气接口，气体工质能够从进气接口进入阴极与陶瓷隔离体之间的环形通道，在阴极外围圆周上均匀注入到扩张型放电腔；阳极固定环和阴极分别连接电源的正、负极。

2.根据权利要求1所述的扩张型自磁场磁等离子体推力器，其特征在于：阴极与空心圆柱段的自由端之间设置有密封垫片，密封垫片的长度不超出空心圆柱段上设置进气接口的位置，确保密封垫片不会堵塞进气接口。

3.根据权利要求1所述的扩张型自磁场磁等离子体推力器，其特征在于：密封垫片由石墨材料制成。

4.根据权利要求1所述的扩张型自磁场磁等离子体推力器，其特征在于：阳极电流传输线为铜导线，各阳极电流传输线紧贴在圆锥形扩张段的外侧壁上，且所有阳极电流传输线呈圆周均匀分布。

5.根据权利要求4所述的扩张型自磁场磁等离子体推力器，其特征在于：各阳极电流传输线的两端通过焊接或螺钉紧固的方式分别与阳极放电环、阳极固定环的侧面连接。

6.根据权利要求1所述的扩张型自磁场磁等离子体推力器，其特征在于：陶瓷隔离体是一体成型的陶瓷结构。

7.根据权利要求1所述的扩张型自磁场磁等离子体推力器，其特征在于：阴极包括阴极主体以及阴极头，阴极主体和阴极头均为为圆柱形结构。

8.根据权利要求7所述的扩张型自磁场磁等离子体推力器，其特征在于：阴极头通过可拆卸连接的方式连接在阴极主体的顶端，其中阴极头伸入圆锥形扩张段内。

9.根据权利要求8所述的扩张型自磁场磁等离子体推力器，其特征在于：阴极主体的材料为铜；阴极头采用钨金属制作而成且阴极头表面镀钍。

10.根据权利要求1所述的扩张型自磁场磁等离子体推力器，其特征在于：气体工质从进气接口进入，进入阴极与陶瓷隔离体之间的环形通道，在阴极外围圆周上均匀注入到扩张型放电腔中；在阴、阳极之间的高电压作用下，击穿气体，随后在毫秒时间尺度内放电，致使推力器产生推力；放电过程中，圆锥形扩张段的外侧壁上的阳极电流传输线内的电流流向为由阳极固定环指向阳极放电环；由于外部施加的电能较高，阳极电流传输线中的电流较大，在扩张型放电腔中感生出较强的切向环形磁场，此时在扩张型放电腔内部阳极放电环与阴极头之间形成等离子体放电电弧，等离子体电流与切向环形磁场相互作用，电弧等离子体受到强的指向放电腔出口的洛伦兹力作用，从推力器出口喷出。

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