一种水冷结构附加场磁等离子体推力器的制作方法

本发明属于电推进领域，涉及一种利用附加电磁场进行能量转化获得动力的磁等离子体推力器。

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(mpdt)是电推进技术的典型代表，因其具有高比冲、大推力、易与高功率电源结合实现大功率、小型化等技术特点，被认为是用于深空探测的最佳候选推进方案之一。

磁等离子体推力器主要通过电极间电流放电，使得通入的气体工质电离产生等离子体，等离子体在附加电磁场和气动力加速作用下高速喷出，产生推力。由于mpdt功率较大时将产生几百安培的大电流，内部产生的高温等离子体，对暴露在等离子体中的电极产生严重烧蚀。采用传统的辐射冷却方式无法使推力器稳定工作，因此需要设计水冷结构mpdt。同时，推力器的整体装配结构、密封、绝缘同样是推力器实现性能、可靠工作的设计关键。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于设计一种采用水冷结构的磁等离子体推力器，使用氩气作为推进剂，在10kw～20kw功率范围内能提供毫牛级推力的电推力器，对磁等离子体推力器结构设计、实验研究以及稳定工作研究具有重要意义。

本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器，一种水冷结构磁等离子体推力器，其特征在于，所述的推力器整体为圆柱状，具有三层结构。其中，外层从外到内依次为：磁线圈、安装绝缘件、阳极水冷外套、阳极供电块、阳极供水管、阳极供气管和扩张阳极。中间层为从左到右依次为：陶瓷套、中间连接件、阴极供水管、阴极连接件a、阴极水冷外套、绝缘筒。内层从左到右依次为：阴极连接件b、阴极供电块、空心阴极。

所述安装绝缘件通过间隙配合插入磁线圈内并固定；阳极水冷外套固定套接于阳极的外围，和阳极共同形成阳极水冷腔。阳极液体管安装在阳极上，通过阳极上设计的阳极液体通道与阳极水冷腔连通。阳极供气管焊接在阳极上设计的阳极液体通道提供气孔中，并通过三通接头实现分流。

上述阳极与阳极水冷套作为整体插入安装绝缘件的内孔中，通过阳极外圆面与安装绝缘件的内圆面的间隙配合实现径向定。

所述绝缘筒为阶梯轴状，内部有通孔，绝缘筒插入阳极内孔中，通过外圆面与阳极内圆面的间隙配合实现径向定位，通过端面压缩石墨垫片实现轴向定位，并保证与阳极之间的密封。

阴极水冷外套固定套接于阴极连接件a的外围，和阴极连接件a共同形成阴极水冷腔。阴极液体管安装在阴极连接件a上，通过阴极上设计的阴极液体通道与阴极水冷腔连通。阴极插入阴极连接件a内孔中，通过阴极的外锥面与阴极连接件a的内锥面配合实现径向和轴向定位。阴极连接件b插入阴极连接件a的内孔中，通过压缩石墨垫片实现轴向定位，并保证和阴极端面之间的密封；阴极连接件a作为整体插入绝缘体内孔中，阴极水冷外套的凸缘端面通过压缩石墨垫片实现轴向定位，并保证和绝缘体端面的密封。

阳极供电块安装在阳极外侧；阴极供电块通过内孔夹持在阴极连接件b上。

上述推力器阳极部分与推力器阴极部分上分别安装有阳极供电模块与阴极供电模块，用来接通高压点火电源。

本发明的优点在于

1、本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器，使用氩气作为推进剂，在10～20kw功率范围内能提供毫牛级推力。

2、本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器，在阴极与阳极间设计绝缘筒，保证阴极和阳极之间进行绝缘连接，采用氮化硼陶瓷材料，具有耐高温高压的特点；且通过设计绝缘筒合适的轴向尺寸，保证阴极和阳极间绝缘可靠性。

3、本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器，阴极与阳极间的绝缘筒设计为阶梯轴状，通过阶梯轴和内孔，保证阴极和阳极的同轴性。

4、本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器，通过在关键部位安装柔性石墨垫片实现气路密封，水墨垫片耐高温，密封好，可靠性高，同时由于其较好的压缩率和回弹率，可以实现对绝缘筒的保护，防止被压坏，提高绝缘设计的可靠性。

5、本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器，采用推力器与磁线圈轴向配合的方式，直接将推力器安装在磁线圈上，保证推力器和磁线圈的同轴性，从而保证附加磁场的位型精度，有利于对推力器性能的研究。

6、本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器，使用锁紧螺钉和锁紧柱通过摩擦力实现推力器与磁线圈间的定位，且可使推力器相对于磁线圈轴向位置的任意可调，从而能够更精确的研究磁场位置对推力器性能的影响。

7、本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器，设计水冷结构对推力器进行冷却，保证推力器工作过程不受热量沉积影响而产生工作不稳定；且设计水冷结构，对磁等离子体推力器结构设计和实验研究以及稳定工作研究有重要的意义。

8、本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器，设计的水冷结构中，液体管和气体管分布合理，保证在复杂要求下不发生空间干涉，有效工作。

9、本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器，各部件间基本上是采用螺钉连接，可重复自由拆装,零件更换和调整均非常方便，同时保证推力器整体美观整洁。

附图说明

图1为本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器整体结构剖视图正视示意图；

图2为本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器整体结构a-a剖视图。

图中：

1-推力器阳极部分2-推力器阴极部分3-绝缘筒

4-磁线圈5-中间连接件6-陶瓷套

7-安装绝缘件101-阳极102-阳极水冷套

103-阳极气体管104-阳极液体管105-阳极供电模块

106-阳极水冷腔107-阳极进气管108-三通接头

201-阴极202-阴极水冷套203-阴极连接件a

204-阴极连接件b205-阳极液体管206-阴极供电模块

207-阴极水冷腔

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器，整体为圆柱结构，包括推力器阳极部分1、推力器阴极部分2、绝缘筒3与磁线圈4，如图1、图2所示。

所述推力器阳极部分1包括阳极101、阳极水冷套102、阳极气体管103、阳极液体管104与阳极供电模块105。

其中，阳极101为筒状结构，后端为出口端，设计为扩张口。阳极101周向上设计有环形槽，同时外围套有阳极水冷套102，阳极水冷套102与阳极101外围间通过焊接固定，且通过阳极水冷套102将环形槽密封，使得阳极水冷套102与阳极101间形成阳极水冷腔106。

上述阳极101内周向设计有四个通道，其中上下相对的两条通道为阳极气体通道，左右相对的两条通道为阳极液体通道；两条阳极气体通道出口端与阳极101内部连通，两条阳极进气管107出口端分别与两条阳极气体通道入口端相接，两条阳极气体通道入口端间通过三通接头108连通，三通接头108的另一个接头连接推进剂供气设备。由此催化剂在三通接头108处分为两路进气，经两条阳极进气管107-阳极气体通道后，通入阳极101内部，由左右两个对称位置向阳极101内部供气。两条阳极液体通道的末端与阳极水冷腔106连通；两条阳极液体管104分别与两条阳极液体通道前端相接。两条阳极液体管104分别作为阳极进水管与阳极出水管，由阳极进水管通入冷却水，经一侧阳极液体通道进入阳极水冷腔106，冷却阳极101，随后经另一侧阳极液体通道，由阳极排水管排出。阳极供电模块105用来将阳极101接通高压点火电源；阳极供电模块105通过螺钉固定安装在阳极101前端面上设计的供电安装槽105内，使阳极供电模块105不凸出阳极外壁，减小推进器阳极部分1的径向空间。

所述推力器阴极部分2包括阴极201、阴极水冷套202、阴极连接件a203、阴极连接件b204、阳极液体管205与阴极供电模块206。

其中，阴极201为筒状结构，内部作为阴极气体通道。阴极201同轴安装于阴极连接件a203内部后半段，阴极201后端由阴极连接件a203后端伸出；阴极201通过其外壁上设计的外锥面与阴极连接件a203内壁设计的内锥面配合，实现阴极201径向和轴向定位。阴极连接件a203内部前半段内同轴安装筒状阴极连接件b204，阴极连接件b204与阴极201之间设置有石墨垫片，石墨垫片套在阴极连接件b204后端端部设计的环形凸台上，通过阴极连接件b204压缩石墨垫片后，通过螺钉将阴极连接件b204与阴极连接件a203间固定；由此实现阴极201的轴向固定，并保证阴极连接件b204与阴极201之间的密封。

上述阴极连接件a203周向上设计有环形槽，且在外围通过焊接的方式套接有阴极水冷套202，将环形槽密封，使阴极水冷套202与阴极连接件a201间形成阴极水冷腔207。阴极连接件a203上相对位置设计两条阴极液体通道，两条阴极液体通道的末端与阴极水冷腔207连通；两条阴极液体管205分别与两条阴极液体通道前端相接，两条阴极液体管205分别作为阴极进水管与阴极出水管，由阴极进水管通入冷却水，经一侧阴极液体通道进入阴极水冷腔207，冷却阴极201后，经另一侧阴极液体通道205，由阴极出水管排出。阴极供电模块206用来将阴极101接通高压点火电源；阳极供电模块105套在阴极连接件b204的前端，两者间通过螺钉紧固。

上述推力器阳极部分1与推力器阴极部分2之间设置有绝缘筒3，三者间同轴，通过绝缘筒3实现推力器阳极部分1与推力器阴极部分2间绝缘。绝缘筒3后端设计为内锥面，采用氮化硼陶瓷材料制成。绝缘筒3后端插入阳极101进口端内，与进口端间台阶配合轴向定位，通过绝缘筒3外壁与阳极101内壁的间隙配合实现两者间的径向定位。阳极101与绝缘筒3间的配合台阶面间安装有柔性石墨垫片，通过绝缘筒3的台阶面压缩石墨垫片，实现绝缘筒3的轴向定位以及绝缘筒3与阳极101之间的气路密封。阴极水冷套202后端周向上设计有定位台肩，且套有石墨垫片15。阴极连接件a203连同阴极水冷套202、阴极201以及阴极连接件b204一同插入绝缘筒3的前端内，通过压缩阴极外套轴向台肩和绝缘筒前端面之间的石墨垫片15，实现轴向定位和两者之间的气路密封，通过阴极连接件b204外壁面与绝缘筒3内壁面的间隙配合实现两者间的径向定位。阴极水冷套202上套有环形中间连接件5，并通过阴极水冷套202外壁周向上设计的定位台肩实现中间连接件5的轴向定位；中间连接件5周向均布设计有四个内孔，每个内孔中安装有一个陶瓷套6，陶瓷套6通过螺钉拧紧于阳极101前端面上开设的螺孔内，实现推力器阳极部分1与推力器阴极部分2与绝缘筒3三者间的轴向紧固。

所述磁线圈4缠绕于线圈骨架上，线圈骨架套于推力器阳极部分1中阳极101上，且在阳极101与线圈骨架4之间设置有环形安装绝缘件7，实现阳极101和磁线圈4间的绝缘。安装绝缘件7一端周向上设计有台肩，与线圈骨架端面间配合，实现安装绝缘件7与线圈骨架间的定位，并通过锁紧螺钉穿过台肩与线圈骨架上的螺孔固定，实现安装绝缘件7与线圈骨架间的固定。上述阳极101外壁周向均布锁紧孔，内部插入锁紧柱；同时阳极前端端面周向上开有螺钉孔，内部安装锁紧螺钉，通过拧紧锁紧螺钉，使锁紧螺钉的锥形端部与锁紧柱的锥形端部配合压紧，使锁紧柱产生向外的位移，进而由锁紧柱顶紧安装绝缘件7内壁，通过摩擦力实现阳极101在安装绝缘件7内的固定；通过松开锁紧螺钉，可以任意调整磁线圈4与推力器阳极部分1间的轴向相对位置。

本发明水冷结构附加场磁等离子体推力器工作过程为：

阳极101与阴极201将阳极供电模块105与阴极供电模块206接通高压点火电源，阳极气体管103与阴极气体通道，向阳极与阴极内部通入氩气推进剂，推进剂到达放电室(阳极、阴极以及绝缘筒后端的内锥面围成的空腔区域)时被击穿产生放电，形成等离子体；等离子体在电场和磁线圈4产生的磁场共同作用下，加速喷出由阳极1后端扩张口喷出推力器，产生推力。因推力器工作时会产生大量热量，为保证推力器稳定工作，通过向阳极液体管与阴极液体管内通入冷却水，对阳极101和阴极102进行水冷。