一种磁等离子体推力器的阴极水冷结构的制作方法

所属技术领域

本发明属于电推进推力器设计领域，涉及一种用带内冷却通道的夹持器对阴极进行冷却的水冷结构。

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。

磁等离子体推力器是电推进的一种，利用磁场和电场产生的洛伦兹力对推进剂电离气体进行加速，又被称为洛伦兹力加速器。磁等离子体推力器容易实现与高的核电功率结合、小型化以及能够提供比其他电推力器更大量级的推力，被认为是未来深空探测的最佳推进方案之一。

磁等离子体推力器在工作过程中，会有5％～10％的能量损失在阴极，这些能量最终会转化成热能，虽然能量占比不大，但是考虑到磁等离子体推力器通常工作于大功率条件下、阴极受热面积很小等不利因素，阴极的热环境其实非常恶劣。在这种情况下，被动的辐射散热已经很难有效冷却电极，冷却效率更高的水冷就显示出巨大的优势。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于设计一种水冷结构，对磁等离子体发动机热沉降严重的阴极进行冷却，保证发动机工作安全可靠、延长发动机的工作时间和使用寿命，并尽可能减小对发动机径向布置的影响。

本发明所述的磁等离子体发动机的阴极水冷结构主要由阴极连接件、阴极水冷外壳、冷却水进水管和冷却水出水管构成。阴极连接件和阴极水冷外壳共同构成阴极夹持器。阴极连接件的一端开有一个与圆柱空心阴极外径大小相等的孔，可以将圆柱形空心阴极嵌入里面，并通过孔壁进行导热，将阴极上的热量通过热传导的方式导出阴极。同时阴极连接件与阴极水冷外壳一起构成阴极水冷腔，用焊接的方式可靠连接并保证密封，水冷腔壁远离阴极的那端上下均匀的分布着两个冷却水进/出口。冷却水从下口进入，环绕阴极连接件流到水冷腔上部，再从上口流出，水流通过与阴极连接件外表面的强烈对流，带走从阴极传导过来的大量热量。水冷腔接近阴极的端面适当采用圆角以减小冷却水的流动阻力，同时也有利于减小因此处温度梯度较大而引起的应力集中。

本发明的优点在于

1.冷却效果好：相比于将阴极套在冷却套前端的方式，夹持器和阴极能够有更大的接触表面积，换热效率更高，冷却效果更好。

2.便于更换阴极：磁等离子体推力器的阴极是消耗品，采用夹持器的方式冷却便于更换阴极。

3.成本低廉：磁等离子体推力器的阴极通常采用钼、钨等加工性能不好的材料，相比于将水冷通道直接加工与阴极内部，采用夹持器方式能够极大地降低成本。

4.进水方式的设计：阳极水冷腔道没有采用常用的“前端进水，后端出水”形式，而是同时从夹持器前端的两个孔进出水，增大了冷却水的滞留时间，提高了冷却水的利用效率。采用轴向进出水方式，减少对推力器径向设计的干扰。

5.密封设计：多处利用了焊接的方式进行可靠连接，能够有效防止漏水的发生，同时也使得设计更加简洁美观。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为使用本专利所述阴极水冷结构的磁等离子体推力器的三维剖视图，从中可以看到阴极水冷结构是如何布置到推力器中的。

图中，

1.导流板2.螺母3.空心阴极4.阴极入水管5.阴极连接件

6.阴极出水管7.阴极水冷外壳8.螺栓9.绝缘套筒

10.外部固定件11.中间连接件12.阳极推进剂入口13.螺钉

14.绝缘陶瓷15.阳极水冷外壳16.阳极

图2为阴极水冷结构的剖视图。

图中，

201.空心阴极202.阴极连接件203.阴极入水管204.阴极出水管

205.阴极水冷外壳

具体实施方式

下面通过具体实例结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

请参照图1，本发明所公开的磁等离子体发动机的装配图，包括：1.导流板2.螺母3.空心阴极

4.阴极入水管5.阴极连接件6.阴极出水管7.阴极水冷外壳8,13.螺栓9.绝缘套筒10.外部固定件11.中间连接件12.阳极推进剂入口14.绝缘陶瓷15.阳极水冷外壳16.阳极。所述中间连接件11通过螺栓8、螺母2、绝缘套筒9与外部固定件10相固定，其中外部固定件10与推力器支撑结构固定。所述绝缘套筒9的目的是将外部固定件与推力器绝缘，防止推力器的电力传导至外部导致触电事故。所述阴极连接件5与阴极水冷外壳7、阴极入水管4、阴极出水管6均采用焊接方式连接固定，它们共同构成了阴极水冷结构，并作为一个整体套入绝缘陶瓷14中与发动机固定。所述阳极16通过螺钉13与中间连接件固定。所述阳极冷却外壳15与阳极16通过焊接方式连接并固定。磁等离子体推力器工作时，所述阴极3和阳极16之间通过电弧放电，将从阴极连接件5和阳极推进剂入口12进入的气体推进剂电离，产生炽热的等离子体，再电磁场的作用之下加速并向后喷射出去。

请参照图2，本发明所公开的磁等离子体发动机的阴极水冷结构图。所述阴极水冷结构包括图2中的空心阴极201、阴极连接件202、阴极如水管203、阴极出水管204、阴极水冷外壳205。阴极连接件202和阴极水冷外壳205的内表面共同围成了水冷通道。阴极201受到粒子的轰击、溅射，产生大量的热量，热量传导至温度较低的阴极连接件202上，冷却水在水冷通道中往复流动，通过强制对流换热导出大量的热量，有效降低阴极201的温度，延长阴极使用寿命和磁等离子体推力器的工作时间。

技术特征：

技术总结
该发明属于电推进推力器设计领域，是一种用于磁等离子体推力器的阴极水冷结构。主要用于解决磁等离子体推力器的阴极热防护问题。所述水冷结构利用阴极连接件和阴极水冷外壳构成的阴极夹持器夹持阴极，通过热传导带走阴极的热量，夹持器内部利用往复流动的冷却水进行对流换热，带走从阴极传来的热量。所述水冷结构带走了集中沉降在推力器阴极上的大量热量，防止电极结构由于过热而失效，减轻阴极的烧蚀，显著提高磁等离子体推力器的单次工作时间和寿命。

技术研发人员：汤海滨;陈志远;杨文将;王宝军;李泽峰;王一白
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2017.06.12
技术公布日：2018.02.13