一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统技术方案

本发明专利技术公开了一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，包括阴阳极组件、高温超导磁体系统、支撑调节平台、电源和供气系统及冷却系统以及采集控制系统。所述的阴阳极组件采用螺旋式多通道换热设计，减少烧蚀现象发生；所述高温超导磁体提供高场高均匀度的中心磁场，优化磁场位型抑制束流发散角度；所述支撑调节平台用于阴阳极组件和高温超导磁体系统空间位置匹配；所述电源和供气系统及冷却系统用于为相应系统供电、供电和冷却；所述采集控制系统用于系统的采集控制、联锁预警以及人机交互。本发明专利技术能够降低推进器重量和尺寸，提升磁场、电流和电压的耦合，增加比推力和比冲，提高推进器性能和生命周期，实现小型化紧凑型航天器目标。航天器目标。航天器目标。

【技术实现步骤摘要】
一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统


[0001]本专利技术涉及等离子体推进器领域，具体涉及一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统。

技术介绍

[0002]大型航天器轨道转移、载人登月、深空探测等空间任务对推进系统的比冲、推力、寿命等提出了更高的需求。传统的化学推进和霍尔推进推力大、但是比冲小、有效载荷低，离子推进比冲高、但是推力小，均已无法满足未来空间任务的需求。磁等离子体推进器原理是通过高温电弧电离工质产生的等离子体在磁场和电场的综合作用下加速从而对推力器产生反向推力，加速机理涉及自身场加速、涡旋加速、霍尔加速、气动加速四种相互耦合的加速模式被NASA誉为最强电推进技术。在大型航天器轨道转移、载人登月、深空探测等方面有诸多优势。
[0003]目前20K
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77K已经成为高温超导高场磁体最为经济的运行温区。要将高温超导磁体冷却到这一温区主要有两类方式。方式一是低温气体对流制冷，例如冷氦气制冷，氦气通过G
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M制冷机制冷后通过高温超导磁体表面进行热量交换。对流制冷的优势在于制冷速度快，磁体温度梯度小；缺点在于杜瓦结构复杂，设备成本高。另一种方式是传导制冷，其基本原理是利用真空技术来消除磁体与外界环境之间的对流换热，利用热辐射屏蔽技术来大幅削弱外界的热辐射，之后，通过导冷结构将G
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M制冷机的冷量传导到高温超导磁体表面，实现磁体的冷却。主要缺点为降温速度较慢，温度梯度较大。
[0004]空间用高温超导等离子体推进器系统的功率损失主要在阳极，推力器热损耗的80％发生在阳极，阳极的热环境较恶劣，因此如何高效将阳极的热量排出尤为重要。然而在空间环境中，冷却液由于失重导致阳极冷却效率严重降低，传统换热结构难以满足阳极的制冷需求。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，包括阴阳极组件、高温超导磁体系统、支撑调节平台、电源和供气系统及冷却系统以及采集控制系统，以解决现有技术中阴阳极组件冷却效率低，推进器工作时多孔阴极喷管温度较高，容易发生腐蚀损耗的问题，进一步改善高温超导磁体系统冷却方式，降低磁体尺寸和重量，优化磁场强度和位型。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，包括阴阳极组件，高温超导磁体系统，支撑调节平台，电源和供气及冷却系统以及采集控制系统。所述阴阳极组件位于高温超导磁体系统的环形中心位置，两者由支撑调节平台进行空间位置匹配，构成推进器系统主体；所述电源和供气及冷却系统以及采集控制系统位于推进器系统主体外部，与阴阳极组件和高温超导磁体系统相连。
[0008]所述阴阳极组件包括阴阳极冷却换热组件，阴阳极耐压绝缘组件和等离子体高压电离组件，所述阴阳极冷却换热组件包含包括阳极本体、螺旋式管路换热单元和多通道进出口管路，所述阴阳极耐压绝缘组件包括嵌套式陶瓷和G10定位法兰板，所述等离子体高压电离组件包括，阴极本体、阴极进气管、固定环件、内腔体、喷嘴固定座和阴极喷嘴。
[0009]所述阴阳极系统的具体结构如下：阴极进气管垂直于内腔体，内腔体的其中一端密封的，而另外一段则与喷嘴固定座相连接。
[0010]具体的，内腔体与阴极进气管通过焊接的方式连接固定，再通过螺纹连接的方式与喷管固定架进行连接，而喷管固定架则是通过高温焊接的方式与阴极喷嘴固定，上述结构共同构成了推进器进气通道结构。
[0011]具体的，在推进器工作时，阴极喷嘴和推进器阳极之间产生高电场，从阴极喷管主体喷出的推进剂在放电腔室内电离，产生高温等离子体，在空间超导磁体产生的强磁场作用下沿轴线加速喷出，从而产生反向推力作用于推进空间航天器。
[0012]进一步的，外腔体与固定环件和内腔体通过焊接方式进行固定，保证了进气管道的气密性。并且固定环件和内腔体之间留有冷却液通道，通过进液口和出液口进行冷却液流通。
[0013]所述阴阳极冷却换热组件起到冷却推进器部件的功效。
[0014]由于工作期间，阴阳极之间高温等离子体持续放电侵蚀、溅射，产生大量的热量，热量会迅速传导至温度较低的内腔体上，冷却液在冷却通道中流动，冷却液的流通可以带走工作时产生的大部分热量，通过强制对流换热导出大量的热量，延长空间超导型磁等离子体推进器寿命，从而保证推进器在阴极喷管尖端位置进行稳定的放电，保证整体结构的稳定运行，进而提高推进器的工作使用寿命。
[0015]推进器阴极通过其内部留有的冷却通道使其工作运行时保证温度不至于过高，影响整体系统可靠性。外腔体远离多孔阴极喷管的端部上下均匀的分布着两个连接冷却液通道的进液口和出液口。
[0016]所述螺旋式管路换热单元包括换热外壳、换热内衬、第一进液管、第一出液管以及位于换热外壳和换热内衬之间的螺旋通道，所述换热内衬固定在所述阳极本体外侧一周，所述螺旋通道位于所述换热内衬中，且环绕所述阳极本体一周。
[0017]进一步，螺旋式管路换热单元嵌套在推进器阳极外侧。推进器阳极一端固定连接绝缘管件，绝缘管件和推进器阳极均嵌套在外腔体外侧。
[0018]所述螺旋通道由换热内衬经过机加工后形成。换热外壳与换热内衬装配后经焊接形成密封的冷却通道。
[0019]所述第一进液管与第一出液管均与换热外壳焊接，保证结构密封，冷却液不泄露。冷却液经第一进液管进入螺旋通道，最后经第一出液管流出。螺旋通道显著增加冷却液的流动路径，具有较好的导热能力，提高阳极换热能力。第一进液管与第一出液管布置在对角位置。
[0020]所述推进器阳极包括多通道换热单元，多通道换热单元包括端部外壳、端部冷却槽、第二进液管、第二出液管和端部冷却通道，端部外壳固定在推进器阳极后端，推进器阳极前端连接绝缘管件；端部外壳的外侧设置端部冷却槽，端部冷却通道设置在推进器阳极周围，且端部冷却通道的一端连接端部冷却槽，另一端连接第二进液管或第二出液管。
[0021]所述第二进液管和第二出液管的数量相等，且对称分布推进器阳极外侧。端部外壳、推进器阳极和绝缘管件一起嵌套在外腔体外侧。
[0022]所述端部外壳与阳极本体通过焊接形成端部冷却槽。第二进液管、第二出液管与阳极本体焊接密封，保证冷却液不泄露。多通道换热结构中第二进液管和第二出液管交替排列，实现阳极端部均匀换热。
[0023]进一步的，阴阳极耐压绝缘组件位于阳极本体与所述阴极本体之间，嵌套式陶瓷用于绝缘，G10定位法兰板用于调节三者相对位置。
[0024]所述高温超导磁体系统包括高温超导线圈组件，高温超导低温冷却系统，低温绝热系统、斯特林制冷机，高真空外杜瓦以及高温羽流防护板，所述高温超导线圈组件包括YBCO超导双饼线圈、VPI线圈绝缘锯齿套筒单面安装线圈骨架，所述高温超导低温冷却系统包括一体式线圈骨架蓄冷安装块、U型可调节铜箔压接式导冷板、制冷机冷头安装座和电流引线安全传输段固定座，所述低温绝热系统包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，其特征在于：包括阴阳极组件(1)、高温超导磁体系统(2)、支撑调节平台(3)、电源和供气及冷却系统(4)以及采集控制系统(5)；所述阴阳极组件(1)位于高温超导磁体系统(2)的环形中心位置，两者由支撑调节平台(3)进行空间位置匹配，构成推进器系统主体；所述电源和供气及冷却系统以及采集控制系统位于推进器系统主体外部，与阴阳极组件(1)和高温超导磁体系统(2)相连。2.如权利要求1所述的一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，其特征在于：所述阴阳极组件(1)包括阴阳极冷却换热组件(6)，阴阳极耐压绝缘组件(7)和阴阳极等离子体高压电离组件(8)，所述阴阳极冷却换热组件(6)包括阳极本体(61)、螺旋式管路换热单元(62)和多通道进出口管路(63)，所述阴阳极耐压绝缘组件(7)包括嵌套式陶瓷(71)和G10定位法兰板(72)，所述阴阳极等离子体高压电离组件(8)包括阴极进气管(81)、固定环件(82)、内腔体(83)、喷嘴固定座(84)和阴极喷嘴(85)。3.如权利要求1所述的一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，其特征在于：所述高温超导磁体系统(2)包括高温超导线圈组件(21)、高温超导低温冷却系统(22)、低温绝热系统(23)、斯特林制冷机(24)，高真空外杜瓦(25)以及高温羽流防护板(26)，所述高温超导线圈组件(21)包括YBCO超导双饼线圈(211)、VPI线圈绝缘(212)、锯齿套筒单面安装线圈骨架(213)，所述高温超导低温冷却系统(22)包括对称翼面可绝缘导冷蓄冷块(221)、U型可调节铜箔压接式导冷板(222)、制冷机冷头安装座(223)和电流引线安全传输段(224)，所述低温绝热系统(23)包括横向拉杆(231)和径向拉杆(232)。4.如权利要求1所述的一种空间用可变温区高温超导等离子体推进器系统，其特征在于：所述支撑调节平台(3)包括斯特林制冷机分置电机调节底板(31)、阴阳极组件固定法兰组件(32)和L型底座(33)，其中，阴阳极组件固定法兰组件(32)包括套筒式连接座(321)和可旋转固定法兰(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑金星，刘海洋，朱小亮，陆玉东，李明，杜宜凡，朱雷，唐卓尧，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：