一种空心阴极加热丝临近空间填充方法

本发明属于航天电推进，特别涉及到空心阴极加热丝部分的防护技术。

背景技术：

1、随着商业航天及各种卫星的发展，霍尔推力器因其具有结构简单、体积小、总冲高、推功比大的优点，成为在轨应用数量最多的电推进装置。霍尔推力器需要使用一个空心阴极作为电子源与中和器，这是霍尔推力器的核心部件之一。长寿命和高可靠性是现阶段空心阴极主要的发展方向。目前的空心阴极的启动大都利用欧姆效应以恒定电流对加热丝通电，将发射体从常温加热到1600℃，使发射体具有热电子发射能力。并且，加热丝属于单点失效部件，在空心阴极内部狭小的空间内又难以设置备份。因此，加热器是空心阴极的关键部件，也是制约空心阴极寿命的主要部件，空心阴极的加热丝防护的重要性便凸显出来。

2、目前所用加热丝大多为钨丝，其工作环境如图2所示，在加热丝表面没有保护，因此影响钨丝寿命的主要有逸散的等离子体轰击钨丝表面和长期处于高温下钨丝的升华，前者会使得钨丝表面变得粗糙，后者使得钨丝直径变细。在以上两种作用下，钨丝的某些位置直径变细，由欧姆定律：恒定电流下，电阻越大的地方加热效果越明显，因此该处钨丝热负荷增大，升华进一步加剧，直径进一步变小，直到局部达到钨丝的熔点，发生钨丝的熔断。

3、加热丝与导热陶瓷的贴合程度也与传热特性有关，两者贴合越紧密，导热特性越好，热量就会及时传递到发射体上，加热丝的温度就相对较低，热蒸发速率小。但是在现实中由于加工精度的影响，加热与导热陶瓷贴合的总会不紧，如图4所示，在加热丝(2)与导热陶瓷(3)之间总会存在缝隙(6)，加热丝仅能依靠辐射传热，低的传热效率需要高温来实现热平衡，大幅增加了加热丝的热蒸发速率，寿命大幅缩短。

4、因此，对于钨丝的防护非常关键，想要在不苛求工艺的基础上进一步延长加热丝的寿命，就需要在加热丝上设置一种阻隔方式，抑或是缝隙的填充方式，将加热丝的临近空间填充完全，隔绝外部空间减小升华的同时强化传热。

5、目前空心阴极加热丝大都采用螺旋缠丝的方式，当然不乏其他缠绕方式，如专利cn 109599309 a所述的缠丝方式，可以减小空心阴极点火瞬间电流产生磁场的影响，但是其没能解决加热丝受热升华的影响，在这种缠绕方式下不存在径向的、使加热丝与导热陶瓷表面贴合的力，因此也很难保证加热丝和导热陶瓷的贴合性。在螺旋缠丝方式下虽然可以在一定限度上使得加热丝与导热陶瓷更加贴合，但是很难保证其中是否存在缝隙。专利cn 113025800 a所述的空心阴极去应力方法也可以使加热丝与导热陶瓷贴合更加紧密，但是仍然是两个刚性原件直接接触，只要两者形状存在任何一点差异，就会存在缝隙，难以从较小的尺度上减小缝隙的存在，并且对于升华问题也没能给出解决的办法，对于两者之间配合的工艺的要求也较高。

6、由于阴极管与导热陶瓷材料不同，在生产过程中需要使用不同厂家分别加工这两种零件，因此两者之间的配合很难掌握，在导热陶瓷3和阴极管4之间必定会存在缝隙，此处也需要增强导热能力。

技术实现思路

1、现在亟待隔绝外界的等离子体、降低加热丝升华影响和减小加热丝与导热陶瓷之间的缝隙的办法，并且降低整个系统对工艺的严格要求。

2、本发明提供了一种空心阴极加热丝临近空间填充方法，可以同时解决上述技术问题。

3、在本填充方法中，需要先制备填充液：将尽可能细的陶瓷粉末以混合于95％浓度的酒精中，搅拌后形成悬浊液。

4、随后，将已经在导热陶瓷上缠好的加热丝-导热陶瓷装配体(图3所示的2-3装配体)浸没于填充液中，浸没数秒后取出，在液体表面张力的作用下，会有填充液附着在加热丝表面和导热陶瓷上，由于液体的流动性，填充液也会进入到加热丝与导热陶瓷的缝隙中，而具体能进入到缝隙的尺度则由陶瓷粉末的粒径决定。随后将沾有填充液的加热丝-导热陶瓷装配体在空气中静置，填充液中酒精逐渐挥发，被酒精携带到加热丝表面和间隙中的陶瓷粉末则会仍然留存，这些陶瓷粉末就会隔绝加热丝与外界、填充加热丝与导热陶瓷的间隙，具体能够填充的缝隙下限由陶瓷粉末最小粒径决定。仅有一层陶瓷粉末是不够的，随后需要继续进行多次浸没操作，直至在加热丝表面形成一层白色的陶瓷粉末覆盖层。值得注意的是，在每次使用填充液前都需要进行搅拌，保证附着的填充液中含有足够的陶瓷粉末。

5、随后，将填充好的加热丝-导热陶瓷装配体装配到阴极管(4)上，使用滴管吸取少量填充液后，滴于导热陶瓷(3)与阴极管(4)之间的缝隙中，等待其中酒精挥发后检查缝隙是否填充完全，若未填充完全则继续滴加填充液。

6、上述过程完成之后，在陶瓷粉末外箍一层钽箔，钽箔的作用是强化保温并且可以对陶瓷粉末进行限位，防止其由于过强的震动而脱落，最后形成如附图1中所示的结构，即在原有的阴极管(4)、导热陶瓷(3)和加热丝(2)的基础上，在缝隙中形成了陶瓷粉末填充(5)，并在最后使用固定钽箔(1)包裹在外侧，增强系统的可靠性。

7、本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

8、经过上述操作，加热丝表面会存在陶瓷粉末形成的固体壁面，陶瓷粉末可以在极大限度上的隔绝外界的等离子体，并且固体壁面与加热丝表面贴合，加热丝升华后的凝华位置还是与原来位置相去不远，甚至在原位凝华，因而降低了加热丝升华带来的影响，最后，陶瓷粉末可以填充加热丝与导热陶瓷之间的缝隙，从粉末粒径的尺度上最大限度减小了缝隙的存在，使加热丝和导热陶瓷间的热量传递方式能够在很大程度上以热传导的形式进行，防止加热丝传热恶化导致的过热。

技术特征：

1.一种空心阴极加热丝临近空间填充方法，其特征在于，包括步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝临近空间填充方法，其特征在于：在步骤一中，将2000目的陶瓷粉末以体积比1：1混合于95％浓度的酒精中，搅拌后形成悬浊液。

3.根据权利要求1或2所述的一种空心阴极加热丝临近空间填充方法，其特征在于：酒精浓度或者为75％的酒精，或者用蒸馏水代替酒精。

4.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝临近空间填充方法，其特征在于：在每次使用填充液前都需要进行搅拌，保证附着的填充液中含有足够的陶瓷粉末。

5.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝临近空间填充方法，其特征在于：具体能够填充的缝隙下限由陶瓷粉末最小粒径决定。

6.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝临近空间填充方法，其特征在于：在步骤七中，实际为即在原有的阴极管(4)、导热陶瓷(3)和加热丝(2)的基础上，在缝隙中形成了陶瓷粉末填充(5)，并在最后使用固定钽箔(1)包裹在外侧，增强可靠性。

7.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝临近空间填充方法，其特征在于：若空心阴极加热丝-导热陶瓷不能拆卸，则使用滴管吸取填充液，随后将几滴填充液滴到缠好的加热丝表面，等待酒精蒸发后再次滴入填充液；使用滴管进行填充的时候必须要控制每次滴出填充液的量，由于液体表面张力的限制，过多的填充液并不会全部附着在加热丝表面，反而会滴落，效果变差。

8.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝临近空间填充方法，其特征在于：所述钽箔或者用钼箔代替，或者用陶瓷套筒代替。

9.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝临近空间填充方法，其特征在于：所述陶瓷粉末优选为氮化硼粉末，或者为耐高温粉末材料。

10.根据权利要求1所述的一种空心阴极加热丝临近空间填充方法，其特征在于：步骤六和步骤七并无顺序要求，能调换两者顺序。

技术总结
本发明提出一种空心阴极加热丝临近空间填充方法，包括步骤如下：步骤一：先制备填充液，将陶瓷粉末混合于酒精中，搅拌后形成悬浊液；步骤二：搅拌填充液，使其分散均匀；步骤三：将加热丝‑导热陶瓷装配体，浸没于填充液中，浸没数秒后取出；步骤四：将沾有填充液的加热丝‑导热陶瓷装配体在空气中静置挥发；步骤五：重复上述步骤二至步骤四，直至在加热丝表面形成一层白色的陶瓷粉末覆盖层；步骤六：将填充好的加热丝‑导热陶瓷装配体装配到阴极管上，使用滴管吸取少量填充液后，滴于导热陶瓷与阴极管之间的缝隙中，等待其中酒精挥发后检查缝隙是否填充完全，若未填充完全则继续滴加填充液；步骤七：在陶瓷粉末外箍一层钽箔。

技术研发人员：王伟宗,柳然,刘伟,李亦非,薛舒文
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11