[发明专利]一种大功率电推进器用电极的冷却装置及冷却方法

说明书

一种大功率电推进器用电极的冷却装置及冷却方法，所述装置包括制冷部，介质循环部和控制部；所述控制部根据感知的温度与设定温度的差值对制冷部进行调节和控制，所述介质循环部对电极进行冷却。现如今大功率电推进器工作过程中缺乏对电极的主动冷却保护措施，本发明的电极冷却装置改变空间惯性冷却模式，与大功率电推进器结合安装，利用低温冷却剂循环主动冷却方式，解决了原有电极因工作温度过高导致的熔断问题，有效降低大功率电推进器电极工作时的温度，有效提高了电极的使用寿命，间接延长了电推进器的工作寿命，降低其使用成本。

技术领域

本发明涉及一种电极冷却方法，尤其是一种用于电推进器的电极冷却方法。

背景技术

磁等离子体是中性气体分子在外部放电条件下形成等离子体状态，并在附加电磁场作用下形成的一种物理状态。目前用于空间大型飞行器平台的推进器均为小功率类型，而空间大型飞行器平台(如空间站)的姿态机动和变轨，这是小功率电推进器很难实现的，因此以磁等离子体电推进器为代表的大功率电推进器将是未来深空探测飞行器推进系统的首选，在满足外部大功率供电条件的基础上，较容易实现大推力、高比冲的推进性能。大功率电推进器在工作过程中会通过电极间的大电流放电电离推进剂，从而产生所需要的离子，离子在附加电磁场的作用下喷出，产生所需的推力。由于大功率电推进器多数是通过电极放电实现推进剂电离的，电推进器的工作寿命主要取决于电极的寿命，在大功率条件下，影响电极寿命的主要因素是放电产生的高温和离子运动对电极的烧蚀作用。在放电过程中将会产生很大的热量，这些热量主要集中在放电电极的位置，会严重影响电极的工作寿命。

目前空间已应用的电推进器均为小功率类型，其产生的热量仅通过传统辐射散热即可满足要求，但当电推进器功率增大后，传统的风冷、空冷和辐射散热无法满足大功率电推进器电极处产生的高温冷却需求，同时如果缺乏有效的电极冷却装置，将导致电极在高温下熔断和烧蚀，在空间环境中对电极进行更换几乎是不可能的，因此必须采用新的有效的冷却装置来解决这一问题。

现有技术方案主要是针对离子运动对电极的烧蚀作用设计的，通过对离子运动状态的测试和计算，得出离子的运动特性，以此为基础开展对电极结构、电磁场位形和磁场强度的研究，而针对高温对电极寿命的影响问题，现阶段主要采用的是惯性辐射散热形式，此种被动散热方式在真空环境中效果并不显著，严重制约了大功率电推进器电极的使用寿命，除此之外暂未提出专门针对电极的冷却装置。

发明内容

鉴于以上分析，针对大功率电推进器电极寿命受工作温度影响的问题，本发明提出了一种大功率电推进器电极冷却方法及实现所述方法的冷却装置，所述冷却装置与大功率电推进器结合安装，利用低温冷却剂循环主动冷却方式，解决原有电极因工作温度过高导致的熔断问题，有效降低电极工作时的温度，延长电极的寿命。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种大功率电推进器用电极的冷却方法，该冷却方法应用于深空探测飞行器推进系统的磁等离子体大功率电推进器中，用两组冷却装置分别对阴极和阳极进行单独冷却；冷却过程中，将所述冷却装置中冷却剂温度和预先设定温度的差值与预设温差进行比较判断，根据判断结果控制调节所述冷却装置的转速，保持电极温度的动态平衡，所述阳极为中空结构，内置与阳极形状贴合的冷却剂流通通道，所述阴极包括具有中空结构的阴极冷却导热块，所述阴极冷却导热块的外壁与阴极紧密接触。

阳极设计成中空结构，内置与阳极结构一致的且尽可能与阳极结构贴合的冷却剂流通通道，便于冷却剂从阳极内部流通，增加冷却剂流通通道与阳极贴合的面积，使冷却效果达到最大，实现了与阳极结构体直接进行热交换的目的，达到对阳极的冷却效果。

进一步地，在制冷剂循环回路中：低温低压的制冷剂在所述压缩机的作用下变成高温高压的制冷剂，风机和冷凝器对高温高压的制冷剂进行冷却，冷却后的制冷剂进入钛管式换热器对冷却剂进行冷却；