[发明专利]大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构

说明书

本发明公开了一种大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，包括：阴极套筒内壁、阴极套筒外水冷套、进口管路和出口管路；其中，阴极套筒内壁与阴极套筒外水冷套通过焊接实现密封配合，阴极套筒内壁与阴极套筒外水冷套之间的区域构成冷却腔体；进口管路与阴极套筒内壁焊接，并且进口管路与冷却腔体相连通；出口管路与阴极套筒内壁焊接，并且出口管路与冷却腔体相连通；阴极套筒内壁的外表面上设有导流板，导流板在冷却腔体内引导冷却剂的流动。本发明确保阴极在高温大电流下可靠工作，同时通过引入导流板设计冷却流道，弥补了传统直通式阴极换热结构换热效率低、尺寸大、寿命短的缺陷。

技术领域

本发明属于空间飞行器电推进动力装置技术领域，尤其涉及一种大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构。

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。

在MPD中，阴极的热环境比阳极更加恶劣。调查研究以及试验结构都表明，MPD的阴极在高电流放电的恶劣热环境中承受着最严重的侵蚀，因此阴极可以认为是限制整个MPD推力器寿命的关键部件。因此，较大功率MPD推力器阴极的水冷结构设计必不可少。

现有的电推力器采用的阴极难以在大电流、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的新型阴极螺旋换热结构，降低阴极后端表面温度，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阴极螺旋换热结构，通过阴极套筒内壁、阴极套筒外水冷套、导流板、冷却腔体以及进出口管路的焊接装配，确保阴极在高温大电流下可靠工作，同时通过引入导流板设计冷却流道，弥补了传统直通式阴极换热结构换热效率低、尺寸大、寿命短的缺陷。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构，包括：阴极套筒内壁、阴极套筒外水冷套、进口管路和出口管路；其中，所述阴极套筒内壁与所述阴极套筒外水冷套通过焊接实现密封配合，所述阴极套筒内壁与所述阴极套筒外水冷套之间的区域构成冷却腔体；所述进口管路与所述阴极套筒内壁焊接，并且所述进口管路与所述冷却腔体相连通；所述出口管路与所述阴极套筒内壁焊接，并且所述出口管路与所述冷却腔体相连通；所述阴极套筒内壁的外表面上设有导流板，所述导流板在冷却腔体内引导冷却剂的流动。

上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，所述阴极套筒内壁为空心圆柱体，所述阴极套筒内壁的一端设有向外凸起的阶梯，所述阴极套筒内壁的表面温度沿轴向梯度变化，温度变化范围为300～400K。

上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，所述阴极套筒外水冷套为空心薄壁圆柱体，所述阴极套筒外水冷套的一端设置有第一平直段，所述阴极套筒内壁设置有第二平直段，第一平直段和第二平直段焊接。

上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，阴极套筒外水冷套和阴极套筒内壁的焊接位置为角接焊缝，采用氩弧焊、真空电子束焊和钎焊进行焊接。

上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，进口管路和阴极套筒内壁的焊接位置为管路与板角焊缝，采用电子束焊和钎焊；出口管路和阴极套筒内壁的焊接位置为管路与板角焊缝，采用电子束焊和钎焊。

上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，阴极套筒外水冷套和阴极套筒内壁最薄处厚度为3～5mm，以保证整体焊接后的耐压性，最大可承受内压大于4MPa。

上述大功率附加场磁动力等离子体推力器阴极螺旋换热结构中，阴极套筒内壁及导流板无尖端，减小流阻，冷却腔体内部的冷却剂的流速为0.5～2kg/s。