[发明专利]分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极及其制备方法

说明书

本发明涉及分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极及其制备方法。所述阴极包括导热段、过渡段、发射段、进气缓冲腔体、多孔导流通道，导流通道均匀分布并贯穿导热段、过渡段和发射段，与进气缓冲腔体相通，等离子体通过进气缓冲腔体进入阴极并使气体均匀的进入多孔导流通道进行工质输送，阴极由铜或铜合金制成的导热段、连接导热段和发射段的过渡段与钨基复合氧化物复合材料制成的发射段组成，实现了促进发射段的导热，增加温度梯度，从而增加钨基阴极的散热，降低阴极表面温度，减轻阴极的烧蚀。

技术领域

本发明涉及分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极及其制备方法，属于磁动力领域。

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。磁动力等离子体推力器的工作原理是通过在阴阳极之间放电形成电弧，由推进剂形成的高温等离子体中有高电流通过，电流感生磁场和附加磁场与电流相互作用，产生轴向的洛伦兹力，使推进剂加速排出产生推力。大功率MPD推力器的阴极寿命问题一直是制约其广泛应用的瓶颈。MPD推力器稳态工作时，阴极发射面温度可达3000℃，由于传统MPD推力器的阴极均为钨氧化物材料，钨氧化物复合材料的导热系数较低，导热系数仅为150W/mK，极大的限制了工作过程中热量的传输。

现有的MPD推力器阴极多采用一体化钨氧化物复合材料，由于导热系数仅为150W/mK，阴极处于工质电离区的热量无法快速排放，造成了阴极熔融烧蚀速率较高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术中的传统MPD推力器因阴极本身热传导性能差导致的阴极熔融烧蚀的问题，提出了分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极及其制备方法，保证了阴极的散热能力和抗烧蚀能力。

本发明的技术解决方案是：一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极，该推力器阴极包括导热段、过渡段和发射段；

阴极的导热段与环绕在推力器外部的阴极水冷筒套采用锥面密封连接，过渡段用于连接发射段和导热段，导热段内部设有进气缓冲腔体，过渡段和发射段内部设有相互贯通的多孔导流通道，进气缓冲腔体与多孔导流通道连通，等离子体通过进气缓冲腔体进入多孔导流通道，经过多孔导流通道传输至发射段，发射段发射电子将工质电离成等离子体；发射段发射电子时会产生大量的多余热量，通过过渡段将发射段产生热量传导至导热段，再通过阴极水冷套筒散热，降低发射段的表面温度，防止发射段的烧蚀。

所述导热段的采用与阴极水冷套筒材料一致的金属材料制成，例如：铜合金或铜。

所述导热段的长度与环绕的阴极水冷筒套锥面长度一致，以便进行充分的热交换，将阴极发射电子时产生的热量传送出去，长度为30mm。

所述发射段长度为10～20mm。

所述过渡段的长度满足如下关系：过渡段长度＝阴极长度-发射段长度-导热段长度，阴极长度为60～68mm。

所述过渡段由骨架和镀层组成，骨架采用与发射段材料，镀层采用与导热段相同材料制成。

所述导热段和过渡段采用一体化熔渗成型工艺或焊接方式连接。

所述过渡段和发射段采用焊接方式连接。

所述发射段材料为钨基氧化物复合材料，例如，氧化钇、氧化镧、氧化铈。

所述阴极导热段的外表面为锥型面，与阴极水冷筒套结构进行锥形连接。

本发明的另一个技术解决方案是：一种分段式复合结构磁等离子体动力推力器阴极制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)、制备发射段粗胚；

(2)、采用与发射段粗胚相同的材料制成多孔骨架，作为过渡段的骨架；