一种电推进用长寿命阴极结构制造技术

本发明专利技术公开了一种电推进用长寿命阴极结构，可以成倍延长阴极寿命，通过不同熔点的材料将阴极拼接成多段式结构。所述多段式结构由第一阴极材料组件和第二阴极连接组件组成，所述第一阴极材料组件由各段阴极材料组成，所述第二阴极连接组件由不同材料组成。本发明专利技术可以使得阴极在使用原先材料和原先推进系统的情况下，寿命延长几倍。寿命延长几倍。寿命延长几倍。

【技术实现步骤摘要】
一种电推进用长寿命阴极结构


[0001]本专利技术属于空间电推进领域，具体涉及一种电推进用长寿命阴极结构。

技术介绍

[0002]随着航天技术与空间探测的发展，传统的化学推进器已不能满足人们对深空探测的需求，各种高性能平台对电推进技术的应用需求越发迫切。电推进相比化学推进器具有质量低、比冲高和可重复启动等特点而得到广泛的应用，其中离子推进器相较于其它类型的电推进器比冲更高，是一种被各国重点研发的电推进器。离子推进器的性能、寿命和可靠性是高质量飞行器及其负载设计的重要一环。
[0003]传统的离子推进器比冲高，但是推力小，依然无法满足需求。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。
[0004]一般采用的离子推进，是在静电场的作用下，将工质电离生成的离子加速喷出，产生推力。附加磁场由超导磁体取代常规铜线圈提供不但可以获得较高的磁场强度，整体部件的尺寸大幅降低，而且超导磁体的均匀磁场使得阴极等离子体放电也更加均匀。
[0005]在电推进系统中，一个长久困扰研究人员的问题就是其服役寿命，而直接影响其服役寿命的就是阴极的使用寿命，因为推进器工作时，高温等离子体聚集在阴极前段，对阴极材料产生非常严重的烧灼，长时间的工作使其几近溶解，目前唯一的提升寿命的手段就是开发新型材料。r/>[0006]目前的阴极都是单一构造，只能使用一次，而且考虑到气密性等性能，在太空运行过程中难以更换部件，所以其寿命直接取决于材料的属性，为解决阴极寿命问题，研究人员们不断开发新型材料。但新材料开发周期长，且造价高昂。
[0007]为了在材料属性发挥到极致的情况下，进一步延长寿命，需要从结构的角度设计一种新型阴极结构。

技术实现思路

[0008]针对现有阴极寿命难以进一步提高的问题，本专利技术提供一种电推进用长寿命阴极结构，在阴极材料不改变的情况下，通过结构的改变进一步延长阴极使用寿命。
[0009]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]一种电推进用长寿命阴极结构，包括加热丝、阴极材料组件和阴极连接组件；所述阴极材料组件由同轴连接的第一段阴极材料、第二段阴极材料、第三段阴极材料、阴极喷管主体组成；所述第一段阴极材料、第二段阴极材料、第三段阴极材料、阴极喷管主体的材料成分相同，利用阴极连接组件隔开；所述阴极连接组件由材料A1、材料A2、材料A3组成；所述第一段阴极材料通过材料A1连接第二段阴极材料，第二段阴极材料通过材料A2连接第三段
阴极材料，第三段阴极材料通过材料A3连接阴极喷管主体。所述加热丝用于加热阴极喷管主体至热电子发射温度，并使得第一段阴极材料、第二段阴极材料、第三段阴极材料达到各自的熔点。
[0011]进一步地，还包括阴极进气管、固定环件、内腔体、外腔体和喷管固定座，阴极进气管固定连接在内腔体前端，内腔体的后端通过螺纹连接喷管固定座，喷管固定座与阴极喷管主体固定连接；内腔体、喷管固定座和阴极喷管主体均为中空结构，共同构成阴极进气通道；固定环件和外腔体固定嵌套在内腔体外侧；在推进器启动前，即预加热阶段，将加热丝通电，加热丝中的电流通过产生焦耳热，加热阴极喷管主体至热电子发射温度，此时阴极开始发射热电子，热电子与推进剂气体发生碰撞产生若电离，电子密度持续上升至稳态，此时即进入自持放电状态，撤去加热丝的电源，开启阳极电源，利用电场维持等离子体生成；在工作到第一段阴极材料的使用寿命以后，将加热丝加热至材料A1的熔点T1，材料A1溶解，开始消耗第二段阴极材料，阴极寿命重新开始计算，同样至第二段阴极材料到达使用寿命，将加热器加热至材料A2的熔点T2，材料A2溶解，开始消耗第三段阴极材料，在不改变阴极材料和不添加机械结构的情况下，延长阴极寿命。
[0012]进一步地，所述材料A1、材料A2、材料A3的熔点分别满足：阴极工作温度<T1<T2<T3<阴极熔点，T1为材料A1的熔点，T2为材料A2的熔点，T3为材料A3的熔点；同时，材料A1、材料A2、材料A3的电子发射率低于阴极材料组件的材料，导电性能良好，且具备一定的耐烧蚀能力。
[0013]进一步地，相邻的阴极连接组件的材料的熔点数值之间相差50℃以上，考虑到加热丝温控的精度范围，通过增加T1、T2、T3间差距的方式避免出现提前溶解下一段阴极材料的情况。
[0014]进一步地，各段阴极材料的长度满足在前一段阴极材料寿命结束前，下一段阴极材料没有损伤，从而避免下一段阴极材料提前参与放电，从而提前缩短下一段阴极材料的寿命，每段阴极材料的长度根据阴极的半径、材料、孔径以及实验结果而定。
[0015]进一步地，所述加热丝的熔点高于材料A1、材料A2、材料A3的熔点T1、T2、T3500℃，以避免在后段阴极材料开始使用之前，加热丝提前熔断或是到达使用寿命。
[0016]进一步地，还包括陶瓷外壳，用于保证加热丝与阴极材料之间的绝缘。
[0017]进一步地，所述陶瓷外壳用于避免加热丝对推进器的加热。
[0018]本专利技术的有益效果在于：
[0019]推进器工作时，阴极喷口处于极端高温环境，被大量高能粒子轰击，非常容易发生腐蚀损耗，但是通常腐蚀损耗都发生于阴极的前端部位，通过多段式结构，使得阴极分成多段使用，在不更换阴极的情况下，达到了更换多根阴极的使用效果。
[0020]本专利技术提出的新型阴极结构可以在原有材料不变以及整体系统不改变的情况下，进一步大幅提升阴极有效工作寿命，以极低的制造成本将阴极原先的寿命提升至现有几倍，保证设备能够长时间有效运行。本专利技术对于电推进技术的更广泛应用，具有重要意义。
附图说明
[0021]图1为本专利技术分段式阴极的单体结构示意图；
[0022]图2为包含本专利技术分段式阴极的阴极整体系统示意图；
[0023]图3为本专利技术的推进器的结构示意图；
[0024]图4为推进器的俯视图；
[0025]图1附图标记说明：
[0026]1、材料A1，2、材料A2，3、材料A3，4、第一段阴极材料，5、第二段阴极材料，6、第三段阴极材料，7、阴极喷管主体。
[0027]图2附图标记说明：
[0028]8、喷管固定座，9、内腔体，10、外腔体，11、固定环件，12、进液口，13、出液口，14、阴极进气管。
[0029]其余附图标记说明：
[0030]15、加热丝，16、陶瓷外壳，21、绝缘管件，22、阳极本体，23、螺旋式换热单元，24、多通道换热单元。
具体实施方式
[0031]下面，结合附图以及具体实施方式，对本专利技术做进一步说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电推进用长寿命阴极结构，其特征在于，包括加热丝、阴极材料组件和阴极连接组件；所述阴极材料组件由同轴连接的第一段阴极材料、第二段阴极材料、第三段阴极材料、阴极喷管主体组成；所述第一段阴极材料、第二段阴极材料、第三段阴极材料、阴极喷管主体的材料成分相同，利用阴极连接组件隔开；所述阴极连接组件由材料A1、材料A2、材料A3组成；所述第一段阴极材料通过材料A1连接第二段阴极材料，第二段阴极材料通过材料A2连接第三段阴极材料，第三段阴极材料通过材料A3连接阴极喷管主体；所述加热丝用于加热阴极喷管主体至热电子发射温度，并使得第一段阴极材料、第二段阴极材料、第三段阴极材料达到各自的熔点。2.根据权利要求1所述的一种电推进用长寿命阴极结构，其特征在于，还包括阴极进气管、固定环件、内腔体、外腔体和喷管固定座，阴极进气管固定连接在内腔体前端，内腔体的后端通过螺纹连接喷管固定座，喷管固定座与阴极喷管主体固定连接；内腔体、喷管固定座和阴极喷管主体均为中空结构，共同构成阴极进气通道；固定环件和外腔体固定嵌套在内腔体外侧；在推进器启动前，即预加热阶段，将加热丝通电，加热丝中的电流通过产生焦耳热，加热阴极喷管主体至热电子发射温度，此时阴极开始发射热电子，热电子与推进剂气体发生碰撞产生若电离，电子密度持续上升至稳态，此时即进入自持放电状态，撤去加热丝的电源，开启阳极电源，利用电场维持等离子体生成；在工作到第一段阴极材料的使用寿命以后，将加热丝加热至材料A1的熔点T1，材料A1溶解，开始消耗第二段阴极材料，阴极寿命重新开始计算，同样至第二段阴极材料到达使用寿命，将加热器加热至材料A2的熔点T2，材料A2溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑金星，杜宜凡，刘海洋，陆玉东，唐卓尧，王洛麒，吴涛，
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：