[发明专利]一种磁等离子体推力器

说明书

技术领域

本发明涉及空间电磁式电推力器技术领域，具体来说，是一种磁等离子体推力器。

背景技术

曾经存在于科幻小说当中的磁等离子体推力器（MPDT）因其容易实现与高的核电功率结合及小型化，被认为是探索深空奥秘的最佳候选推进方案之一。它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，等离子体在电磁场和气动力加速作用下高速喷出，产生推力。近年来，随着大功率空间推进的提出和空间任务的需求，能与大功率空间电源对接的MPDT再次成为国际上研究的热点。磁等离子体发动机具有高的排气速度、大推力和高效率，较轻的重量，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。

自上世纪60年代开始，美国，欧洲，俄罗斯和日本等国的科研机构相继开展了MPDT的研究。但由于MPDT的工作过程涉及复杂的电磁和热力耦合作用，理论分析非常困难，到目前为止，实验研究是主要的手段。实验研究的基础是推力器的设计，由于缺乏理论上的指导，发动机工作参数和结构参数对推力器性能的影响均缺乏统一系统的认识。实验研究表明，推力器性能与推进剂流量、工作电流、阴阳极结构尺寸和磁场形态息息相关，因此结构设计中的难点是电极结构等关键尺寸的确定，以及密封结缘等问题的处理。

国内对于磁场中等离子体行为的研究多是基于磁约束技术，如托卡马克装置等，中科院等离子体研究所、核工业西南物理研究院、中国科技大学、大连理工大学和北京大学等单位开展了细致的研究工作，而对于MPDT的研究基本为零，未见到相关文献报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种磁等离子体推力器，使用氩气作为推进剂，在30-50kW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的设计和实验研究有重要的意义。

本发明一种磁等离子体推力器，其特征在于：包括阳极、阴极、阴极安装件、端盖、支撑体、中部连接件、绝缘筒、阳极衬套、阳极外壳、阳极挡环以及进气管道。

其中，阴极安装件为直管结构；阴极安装件后部外壁周向上设计有环状凸缘A；端盖、支撑体与绝缘筒均同轴套接在阴极安装件上，端盖后端面与环形凸缘A前端面贴合，通过螺钉A与环形凸缘A固连；支撑体与端盖台阶配合定位，支撑体、端盖与阴极安装件间通过石墨材料密封圈A密封；绝缘筒后端端面与支撑体前端面贴合，绝缘筒前端封闭，绝缘筒前端面中心处开有通孔A与通孔B；绝缘筒前端周向上外凸，且绝缘筒前端长于阴极安装件前端，由此在绝缘筒前端面与阴极安装件前端面间形成放电腔；绝缘筒7侧壁上开有两个向后倾斜的斜向导气孔，位于放电腔处。

上述绝缘筒外侧壁上同轴套接有中部连接件，中部连接件位于整个阴极安装件中部，是固定推力器中定位各部件的主体；中部连接件后端与支撑体前端台阶配合，且中部连接件与端盖间通过螺钉B固定连接；支撑体与中部连接件间通过石墨材料密封圈B密封；绝缘筒外侧壁上还套接有筒状阳极衬套，阳极衬套内壁与绝缘筒前端外凸部分周向外侧壁贴合；阳极衬套后端与中部连接件前端台阶配合定位。阳极衬套后端与中部连接件间通过密封圈C密封；上述中部连接件后部的内径大于前部的内径，使中部连接件内部形成大内经段与小内径段，在中部连接件与支撑体定位后，使中部连接件的大内经段与阴极安装件间形成环形进气腔，且中部连接件的小内径段、阳极衬套内侧壁均与绝缘筒外侧壁间具有一定间隙，作为气体供给通道；中部连接件外侧壁上安装有进气管道，进气管道与进气腔连通。

所述阳极内部具有阳极内孔，外侧壁周向上具有凸边；阳极与阴极安装件同轴设置，阳极后端与阳极衬套前端台阶配合；阳极后端与绝缘体前端贴合；阳极与阳极衬套间通过石墨材料密封圈D密封。

所述阴极为管状结构，位于阴极安装件前端内部，与阴极安装件间过盈配合连接；阴极前端伸出阴极安装件前端并穿过绝缘筒7前端面上的的通孔A，位于阳极2的阳极内孔处；阴极安装件中部内经小于左部与右部内径，由此在阴极安装件中部形成台肩结构，通过台肩结构对阴极进行轴向限位。

阳极外壳采用筒状结构，后端周向上具有环形凸缘B，另一端封闭，封闭端上开有阳极伸出口；阳极外壳套接在阳极衬套与阳极的外部，阳极前端由阳极伸出口伸出外露，通过阳极外壳封闭端的端面与阳极外侧壁周向上的凸边配合；通过阳极挡环与阳极外壳后端周向上的环形凸缘B配合，并通过螺钉C将阳极挡环与中部连接件固定。