多級會切磁場等離子體推力器用輻射散熱裝置制造方法
【專利摘要】多級會切磁場等離子體推力器用輻射散熱裝置，它涉及一種輻射散熱裝置，以解決多級會切磁場等離子體推力器的陽極溫度較高，以及出口處的高溫和陶瓷內(nèi)壁由于粒子的碰撞引起的磁分界面處高溫，這些造成推力器通道內(nèi)壁和陽極受熱短時間內(nèi)急劇增強，這些熱量傳導(dǎo)嚴(yán)重影響了永磁鐵的磁性，以及推力器工作穩(wěn)定性和可靠性差、使用壽命短的問題，它包括散熱圓筒、散熱板、兩個散熱錐筒和兩個散熱器，推力器殼體布置在兩個散熱錐筒之間，推力器殼體的上部和下部分別套裝有一個所述散熱器，推力器殼體上套裝有散熱板，散熱板位于兩個散熱器之間，散熱圓筒的封閉端與推力器殼體固接。本發(fā)明用于多級會切磁場等離子體推力器。
【專利說明】多級會切磁場等離子體推力器用輻射散熱裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種輻射散熱裝置，具體涉及一種多級會切磁場等離子體推力器用輻射散熱裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]多級會切磁場等離子體推力器是目前國際涌現(xiàn)出的一類新型電推進(jìn)概念，推力器內(nèi)部由多級永磁鐵包圍著陶瓷通道，相鄰的兩個永磁鐵極性相反，在會切磁場的作用下陰極釋放的電子被束縛沿磁力線做螺旋線運動并通過碰撞產(chǎn)生傳導(dǎo)向陽極運動以形成放電回路，由電子電離氙原子產(chǎn)生的離子在軸向電場的作用下加速噴出，以產(chǎn)生推力。會切磁場等離子體推力器相對于其他電推進(jìn)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、效率和可靠性更高等優(yōu)點，經(jīng)過十年時間的研究，歷經(jīng)方案論證、原理樣機(jī)、工程樣機(jī)設(shè)計等階段，已經(jīng)確定做為歐空局新一代航天器的動力裝置，然而，目前我國的多級會切磁場等離子體推力器設(shè)計還很不成熟，對多級會切磁場等離子體推力器的探索仍需加快步伐，在此僅對其散熱設(shè)計進(jìn)行說明，該發(fā)明也可適用于其他以輻射散熱為主的結(jié)構(gòu)中。多級會切磁場等離子體推力器的主要特點在于以永磁鐵代替了磁場強度相對較弱的電磁鐵，而永磁鐵的溫度要求不能太高，由于推力器陽極溫度較高，以及出口處(通道的出口，即最后一級磁鐵的最末端)的高溫和陶瓷內(nèi)壁由于粒子的碰撞引起的磁分界面處(磁分界面就是兩級磁鐵的交界處)高溫，這些造成推力器通道內(nèi)壁和陽極受熱短時間內(nèi)急劇增強，這些熱量傳導(dǎo)嚴(yán)重影響了永磁體的磁性，也造成了推力器工作穩(wěn)定性和可靠性差，使用壽命縮短。
[0003]此外推力器的密封設(shè)計、絕緣設(shè)計等都對最高溫度有限制，因此對其進(jìn)行散熱設(shè)計尤其是陽極散熱設(shè)計是至關(guān)重要的。而且在其他航天、通信應(yīng)用上，比如衛(wèi)星、載人航天、探月工程以及雷達(dá)等，應(yīng)用較為廣泛的行波管也對散熱有較為嚴(yán)格的要求，行波管如果不能及時將收集極熱量排出，也會嚴(yán)重影響行波管的使用壽命和工作特性，因此散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計是至關(guān)重要的。在太空散熱過程中，由于處于真空狀態(tài)，靠對流傳熱方式散熱是不可能實現(xiàn)的，水冷散熱由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不宜采用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為解決多級會切磁場等離子體推力器的陽極溫度較高，以及出口處的高溫和陶瓷內(nèi)壁由于粒子的碰撞引起的磁分界面處高溫，這些造成推力器通道內(nèi)壁和陽極受熱短時間內(nèi)急劇增強，這些熱量傳導(dǎo)嚴(yán)重影響了永磁鐵的磁性，以及推力器工作穩(wěn)定性和可靠性差、使用壽命短的問題，進(jìn)而提供一種多級會切磁場等離子體推力器用輻射散熱裝置。
[0005]本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明的多級會切磁場等離子體推力器用輻射散熱裝置包括散熱圓筒、散熱板、兩個散熱錐筒和兩個散熱器，所述散熱圓筒為一端封閉而另一端敞口的散熱圓筒，兩個散熱錐筒的小直徑端正對布置，推力器殼體布置在兩個散熱錐筒之間，推力器殼體的兩端分別固裝在兩個散熱錐筒的小直徑端內(nèi)，推力器殼體的上部和下部各套裝有一個所述散熱器，每個散熱器的外表面為由多個半圓弧面構(gòu)成的曲面，推力器殼體上套裝有散熱板，散熱板位于兩個散熱器之間，散熱板通過兩個散熱器夾緊，位于下端的散熱錐筒內(nèi)布置有散熱圓筒，散熱圓筒的封閉端與推力器殼體的下端面固接，推力器陽極穿過散熱圓筒的封閉端并伸出敞口端，散熱板的厚度由中心向邊緣逐漸減小，散熱圓筒與推力器殼體同軸設(shè)置，所述散熱圓筒、散熱板、兩個散熱錐筒及兩個散熱器均由導(dǎo)熱材料制成。
[0006]本發(fā)明的有益效果是:一、由于在陽極處溫度最高，散熱應(yīng)該最強，因此采用散熱錐筒，在出口處的磁分界面處實驗中可觀察到已出現(xiàn)赤紅狀態(tài)，溫度也較高，因此，采用散熱錐筒散熱。陽極處和出口處散熱錐錐向相背，以避免相互輻射，散熱錐筒與推力器殼體接觸部位面積較大，以增強熱傳導(dǎo)作用，在外圈厚度較小，保證了足夠大的散熱面積和重量較低。二、陽極后面加散熱圓筒，通過熱傳導(dǎo)對陽極進(jìn)行進(jìn)一步的散熱，散熱圓筒重量較輕且散熱面積較大，散熱效果很好，散熱效率提高了 30%以上，同時散熱圓筒外加軸向散熱器，加速了散熱，散熱器的半圓弧面(開口朝外)的設(shè)計(也可以設(shè)計為半圓弧形板，開口朝外)，一個弧面的垂直輻射熱量不會落到相鄰弧面上，便于熱量的傳導(dǎo)，散熱器可打孔或開槽，便于提高散熱面積。三、在中間的磁分界面處加變厚度徑向散熱板，在其余距高溫?zé)嵩聪鄬^遠(yuǎn)的外殼部分采用軸向散熱器，并可在散熱器上打孔或開槽，以滿足足夠散熱面積同時減小重量。四、本發(fā)明采用不同散熱結(jié)構(gòu)，包括徑向散熱板、軸向散熱器、散熱圓筒以及散熱錐筒，對不同溫度部位進(jìn)行散熱，溫度降低了 40%-60%，達(dá)到了隨溫度分布變化的不同散熱結(jié)構(gòu)的合理搭配，節(jié)省了材料，保證了溫度可靠性，同時滿足了重量相對較低性，實現(xiàn)了散熱效果最好、材料最省、重量最輕的一體化。五、本發(fā)明可以在熱量較為集中的陽極通過導(dǎo)熱系數(shù)較好的金屬材料將推力器內(nèi)部熱量引至推力器外面殼體上，然后通過與殼體緊密接觸的輻射率較高的散熱結(jié)構(gòu)及時將熱量排至太空。關(guān)于殼體的散熱結(jié)構(gòu)有多種設(shè)計方式，不同的結(jié)構(gòu)及不同結(jié)構(gòu)的搭配對散熱有很大影響。通過較為優(yōu)化的輻射散熱裝置設(shè)計，解決了推力器工作穩(wěn)定可靠的問題，并能延長推力器使用壽命，推力器的使用壽命延長了 3-4倍，使用壽命提高了 35%-50%。本發(fā)明有效地降低了推力器熱量從而保證推力器溫度可靠性。保證了會切磁場等離子體推力器內(nèi)部永磁鐵的溫度可靠性，以實現(xiàn)多級會切磁場等離子體推力器的安全、穩(wěn)定和長壽命工作，避免了永磁鐵的磁性減弱。本發(fā)明多級會切磁場等離子體推力器的散熱設(shè)計也可廣泛應(yīng)用于其他類似的以輻射散熱為主的結(jié)構(gòu)上。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，相比水冷散熱結(jié)構(gòu)，運行成本降低了 35%以上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)立體圖，圖2是本發(fā)明的A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是散熱圓筒的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是散熱板的主視結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是散熱器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0008]【具體實施方式】一:結(jié)合圖1-圖5說明，本實施方式的多級會切磁場等離子體推力器用輻射散熱裝置包括散熱圓筒1、散熱板2、兩個散熱錐筒3和兩個散熱器4，所述散熱圓筒I為一端封閉而另一端敞口的散熱圓筒，兩個散熱錐筒3的小直徑端正對布置,推力器殼體5布置在兩個散熱錐筒3之間，推力器殼體5的兩端分別固裝在兩個散熱錐筒3的小直徑端內(nèi)，推力器殼體5的上部和下部各套裝有一個所述散熱器4，每個散熱器4的外表面為由多個半圓弧面4-1構(gòu)成的曲面,推力器殼體5上套裝有散熱板2,散熱板2位于兩個散熱器4之間，散熱板2通過兩個散熱器4夾緊，位于下端的散熱錐筒3內(nèi)布置有散熱圓筒1，散熱圓筒I的封閉端與推力器殼體5的下端面固接，推力器陽極6穿過散熱圓筒I的封閉端并伸出敞口端，散熱板2的厚度由中心向邊緣逐漸減小，散熱圓筒I與推力器殼體5同軸設(shè)置，所述散熱圓筒1、散熱板2、兩個散熱錐筒3及兩個散熱器4均由導(dǎo)熱材料制成。
[0009]本實施方式在溫度不同部位安裝不同散熱結(jié)構(gòu)，在溫度較高區(qū)通過散熱較強且集中的徑向散熱板和散熱錐加強散熱，在溫度較低區(qū)采用散熱相對較均勻的軸向散熱器散熱，多個半圓弧面呈齒輪形狀，每個半圓弧面的開口朝外，實現(xiàn)了散熱的合理搭配。散熱板越遠(yuǎn)離殼體，其厚度越薄，避免熱應(yīng)力集中，接觸部位采用圓角過渡。散熱板可進(jìn)行打孔或開槽，便于熱量的進(jìn)一步傳導(dǎo)。散熱圓筒的封閉端的底面與會切磁場推力器陽極緊密接觸，便于熱量的向外傳導(dǎo)。本發(fā)明主要用于太空輻射散熱的散熱設(shè)計，該設(shè)計也可廣泛用于各種以輻射散熱方式為主的散熱結(jié)構(gòu)上。
[0010]【具體實施方式】二:結(jié)合圖1-圖3說明，本實施方式所述散熱圓筒I由鋁制成。如此設(shè)置，陽極后端加散熱筒，散熱筒與陽極緊密接觸，可通過螺栓連接散熱筒與陽極或焊接。散熱筒采用導(dǎo)熱系數(shù)較好且密度小的鋁制，散熱效果好。其它與【具體實施方式】一相同。
[0011]【具體實施方式】三:結(jié)合圖1和圖2說明，本實施方式所述散熱錐筒3由紫銅制成。如此設(shè)置，散熱錐筒采用紫銅為材料，導(dǎo)熱效果好，可通過螺栓與推力器殼體連接固定。其它與【具體實施方式】一或二相同。
[0012]【具體實施方式】四:結(jié)合圖1、圖2和圖4說明，本實施方式所述散熱板2由紫銅制成。如此設(shè)置，采用導(dǎo)熱系數(shù)較好的紫銅為材料，大大地提高了導(dǎo)熱效果，散熱板的兩端面靠軸向散熱器壓緊固定，連接方便可靠。其它與【具體實施方式】三相同。
[0013]【具體實施方式】五:結(jié)合圖1、圖2和圖5說明，本實施方式所述散熱器4由鋁制成。如此設(shè)置，加速散熱，便于熱量導(dǎo)出至太空。其它與【具體實施方式】一、二或四相同。
[0014]【具體實施方式】六:結(jié)合圖1和圖2說明，本實施方式的每個散熱錐筒3的錐心角為120°。如此設(shè)置，散熱錐筒與推力器殼體的接觸部位面積較大，增強了熱傳導(dǎo)。其它與【具體實施方式】五相同。
[0015]工作過程
[0016]將本發(fā)明輻射散熱裝置固定在推力器上后，將整個推力器系統(tǒng)包括輻射散熱裝置置于真空罐中，對推力器陰極點火，陰極發(fā)出電子，電子向通道內(nèi)部運動，通過陽極入口向推力器通道內(nèi)通入氙氣并逐步提高陽極電壓至點火成功，推力器開始工作，推力器溫度逐漸上升，輻射散熱裝置開始進(jìn)行輻射散熱，從而保證推力器及時排出熱量并正常工作。
【權(quán)利要求】
1.多級會切磁場等離子體推力器用輻射散熱裝置，其特征在于:它包括散熱圓筒(I)、散熱板(2 )、兩個散熱錐筒(3 )和兩個散熱器(4 )，所述散熱圓筒(I)為一端封閉而另一端敞口的散熱圓筒，兩個散熱錐筒(3)的小直徑端正對布置，推力器殼體(5)布置在兩個散熱錐筒(3)之間，推力器殼體(5)的兩端分別固裝在兩個散熱錐筒(3)的小直徑端內(nèi)，推力器殼體(5)的上部和下部各套裝有一個所述散熱器(4)，每個散熱器(4)的外表面為由多個半圓弧面(4-1)構(gòu)成的曲面，推力器殼體(5)上套裝有散熱板(2)，散熱板(2)位于兩個散熱器(4)之間，散熱板(2)通過兩個散熱器(4)夾緊，位于下端的散熱錐筒(3)內(nèi)布置有散熱圓筒(1)，散熱圓筒(I)的封閉端與推力器殼體(5)的下端面固接，推力器陽極(6)穿過散熱圓筒(I)的封閉端并伸出敞口端，散熱板(2)的厚度由中心向邊緣逐漸減小，散熱圓筒(I)與推力器殼體(5)同軸設(shè)置，所述散熱圓筒(I)、散熱板(2)、兩個散熱錐筒(3)及兩個散熱器(4)均由導(dǎo)熱材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級會切磁場等離子體推力器用輻射散熱裝置，其特征在于:所述散熱圓筒(I)由鋁制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多級會切磁場等離子體推力器用輻射散熱裝置，其特征在于:所述散熱錐筒(3)由紫銅制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多級會切磁場等離子體推力器用輻射散熱裝置，其特征在于:所述散熱板(2)由紫銅制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的多級會切磁場等離子體推力器用輻射散熱裝置，其特征在于:所述散熱器(4)由鋁制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多級會切磁場等離子體推力器用輻射散熱裝置，其特征在于:每個散熱錐筒(3)的錐心角為120°。
【文檔編號】F03H1/00GK103790794SQ201410074568
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月3日
【發(fā)明者】劉輝, 陳蓬勃, 于達(dá)仁, 馬成毓, 孫國順, 趙隱劍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)