[发明专利]大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构

说明书

大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构，属于空间飞行器电推进动力装置技术领域。本发明的阳极高效换热结构，内部安置用于增加冷却剂流动路线和湍流度的导流板；阳极内壁面为圆柱体，并增加导流板构建内流道，阳极水冷套为薄壁圆柱台，通过角接焊接完成冷却通道的外侧密封以及与内壁面的配合，最终构成整个冷却腔体；进出口管路通过焊接与阳极连接。本发明通过阳极内壁面、阳极水冷套和导流板之间的配合，实现阳极内部冷却通道的密封。这种阳极换热结构设计能在高温、高压下，保证阳极表面的温度较低，冷却剂温升较大，减小了整体推力器的尺寸和复杂度，易于拆装，解决了传统的阳极设计尺寸较大且换热效率较低的问题。

技术领域

本发明涉及一种大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构，尤其适用于50～100kW级附加场磁动力等离子体推进器，属于空间飞行器电推进动力装置技术领域。

背景技术

随着航天器应用电推进平台和深空探测任务的需求，我国已开展多种电推进技术研究，并取得了长足的进步，但鉴于我国大功率空间电源技术仍处于研制阶段，国内对大功率MPDT的研究起步较晚。

MPD发动机的大部分功率损失在阳极，阳极的热环境较恶劣且阳极的结构形式和尺寸直接决定了推力器放电室的形状和尺寸，因此阳极设计对于推力器性能具有至关重要的作用。我国适用于大功率MPDT的阳极还没有成熟的产品应用记录。MPD工作的一个重要特点是电弧对阴极尖端和阳极产生烧蚀，阳极功率沉降是MPD的主要性能限制因素，50％-70％的输入功率损失在了阳极。对于中、大功率的MPD阳极受热问题则更为严重。由升高的功率带来的巨大功率沉降作用在电极上，此时辐射冷却排向环境的热量远远小于功率沉降产生的热量，电极温度急剧升高，可能因此而损坏。因此较大功率MPD的阳极水冷设计必不可少。

国际上用于MPD推力器的阳极结构大部分采用辐射冷却结构，少数采取水冷方式。德国斯图加特大学推力器采用多路进水的方式对阳极进行冷却，试验结果较好。

现有的电推力器采用的阳极难以在高电压、高热环境下长期运作，在MPD推力器内部放电、热辐射和离子轰击的耦合作用下难以保证可靠性和寿命。因此，研制适用于大功率MPDT的新型阳极高效换热结构，降低阳极表面温度，是目前大功率MPDT的发展需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构，通过阳极内壁面、阳极水冷套、导流板、冷却腔体以及进出口管路的焊接装配，确保阳极在高温高压下可靠工作，同时通过引入导流板设计冷却流道，弥补了传统直通式阳极换热结构换热效率低、尺寸大、寿命短的缺陷。

本发明的技术解决方案是：大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构，包括阳极、阳极水冷套、导流板以及进出口管路；所述阳极包括圆柱部分和台阶部分，所述台阶部分为圆柱部分一端向外开口的直径逐渐增大的锥状体；所述阳极水冷套为空心圆柱体，套接在所述台阶部分外侧，并与所述台阶部分外壁面共同构成密封的冷却腔体，进出口管路与冷却腔体连通，与冷却剂提供设备共同构成闭环通路；所述台阶部分外壁面固定连接有用于引导冷却剂流动的导流板。

进一步地，所述导流板包括一块密封板和若干缺口板，所述密封板将冷却腔体隔断，其一侧为冷却剂进口，另一侧为冷却剂出口；所述缺口板置于冷却腔体内冷却剂流经的通路上，所述缺口板上设有至少供冷却剂流经的缺口。

进一步地，所述缺口板按缺口侧交错布置，且沿周向均匀布置在所述台阶部分外壁面。

进一步地，所述导流板的宽度为相对于所述台阶部分的中心轴线成3～5°的弧长。

进一步地，所述台阶部分外壁面在与阳极水冷套配合的区域设有1～2mm平直段，用于与阳极水冷套的固定连接。

进一步地，所述阳极水冷套和所述台阶部分外壁面固定连接，连接处为角接焊缝，焊接方法为氩弧焊、真空电子束焊或钎焊。