大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构制造技术

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。本发明专利技术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。本发明专利技术通过阳极内壁面、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。

【技术实现步骤摘要】
大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术的技术解决方案是：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。进一步地，所述进出口管路和所述台阶部分外壁面固定连接，连接处为板角焊缝，焊接方法为电子束焊或钎焊。进一步地，所述阳极水冷套和所述台阶部分外壁面的厚度为3～5mm。进一步地，所述圆柱部分内壁面、台阶部分外壁面和导流板表面平滑，所述冷却腔体内部冷却剂的流速为0.5～2kg/s。进一步地，所述所述圆柱部分、台阶部分、阳极水冷套以及进出口管路均采用同种材料；所述冷却剂为液氮、液氦或去离子水。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术的阳极高效换热结构采用内部流道迂回型设计，保证较长的换热路径，具备较好的导热能力，流阻较小，同时保证导流板连接处的热应力较低，整体换热效果较高。(2)本专利技术的阳极高效换热结构配合简单可靠，采用焊接连接方案，形成耐高温高压的密封冷却腔体，具备通用性强，适用范围广的特点，市场应用前景非常广阔。(3)本专利技术的阳极高效换热设计结构紧凑，在保证可靠性和导热能力的前提下保持了较小的包络尺寸。(4)本专利技术的阳极高效换热结构焊接工艺可靠且耐高压，内壁面与水冷套、进出口管路与内壁面的焊接充分考虑了工艺、结构强度、热应力等问题，避免高压下出现泄漏。(5)本专利技术的阳极高效换热结构采用易加工、导热性好的材料，在高温条件下可实现高效换热。附图说明图1为本专利技术的剖视图；图2为本专利技术阳极内壁面的左视图；图3为本专利技术阳极内壁面的正视图；图4为本专利技术阳极水冷套的左视图。具体实施方式大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构主要由阳极1、阳极水冷套2、导流板3、冷却腔体4以及进出口管路5组成。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3；阳极1为圆柱体，并增加导流板3构建内流道，阳极水冷套2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4；进出口管路5通过焊接与阳极连接。通过阳极1、阳极水冷套2和导流板3之间的焊接连接，实现阳极内部冷却通道的密封。下面结合附图说明和具体实施例，对本专利技术作进一步描述。如图1所示，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，其特征在于包括：阳极1、阳极水冷套2以及进出口管路5；阳极1与阳极水冷套2通过焊接实现密封配合，两者之间的区域构成冷却腔体4，进出口管路5通过与阳极1相应位置的端面焊接实现冷却剂进出，同时保证冷却腔体4内不泄漏冷却剂；阳极1上设有导流板3，在冷却腔体4内引导冷却剂的流动；进出口管路5内设有冷却剂通道，与阳极1和阳极水冷套2之间构成的冷却腔体4连通，实现闭环通路；推力器测试时对阳极换热结构的功能指标进行了验证，可满足冷却腔体内部通入流率为2kg/s、压力4MPa的去离子水时换热结构焊接处不出现泄露，壁面无破裂和变形。推力器工作时，阳极内表面温度达到500～600K，阳极换热结构未出现烧蚀、涨裂、熔化等受热集中现象，出入口温升达到10～20K。为使本专利技术的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本专利技术作进一步描述：如图1所示，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，包括阳极1、阳极水冷套2、导流板3、冷却腔体4以及进出口管路5。阳极1与阳极水冷套2通过焊接实现密封配合，两者之间的区域构成冷却腔体4，进出口管路5通过与阳极1相应位置的端面焊接实现冷却剂进出，同时保证冷却腔体4内不泄漏冷却剂；阳极1上设有导流板3，在冷却腔体4内引导冷却剂的流动；进出口管路5内设有冷却剂通道，与阳极1和阳极水冷套2之间构成的冷却腔体4连通，实现闭环通路。优选的，如图2和图3所示，阳极1为异型面空心圆柱体，圆柱体的一端设有向外凸起的阶梯，内部空心区域为高温区域，温度范围为500～700K。优选的，如图4所示，阳极水冷套2为空心薄壁圆台，阳极水冷套2和阳极1在两端配合的区域均设有1～2mm平直段，用于焊接连接。优选的，如图1所示，阳极水冷套2和阳极1在两侧的焊接位置为a和b，均为角接焊缝，采用氩弧焊、真空电子束焊和钎焊进行焊接。优选的，如图1所示，进出口管路5和阳极1的焊接位置为c，为管路与板角焊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构，其特征在于：包括阳极(1)、阳极水冷套(2)、导流板(3)以及进出口管路(5)；所述阳极(1)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(2)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(4)，进出口管路(5)与冷却腔体(4)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(3)。

【技术特征摘要】
1.大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构，其特征在于：包括阳极(1)、阳极水冷套(2)、导流板(3)以及进出口管路(5)；所述阳极(1)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(2)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(4)，进出口管路(5)与冷却腔体(4)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(3)。2.根据权利要求1所述的大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构，其特征在于：所述导流板(3)包括一块密封板和若干缺口板，所述密封板将冷却腔体(4)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(4)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。3.根据权利要求2所述的大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构，其特征在于：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。4.根据权利要求3所述的大功率附加场磁动力等离子体推力器阳极高效换热结构，其特征在于：所述导流板(3)的宽度为相对于所述台阶部分的中心轴线成3～5°的弧长。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛云天，周成，王戈，李永，汤海滨，刘磊，魏延明，丁凤林，王宝军，叶玉龙，郭盼，袁化宇，孙鲲，田海龙，徐晓东，兰赛赛，薛有，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11