[发明专利]一种磁等离子体推力器的阳极水冷结构

说明书

该发明属于电推进推力器设计领域，是一种用于磁等离子体推力器的阳极水冷结构。主要用于解决磁等离子体推力器的阳极热防护问题。所述阳极水冷结构由阳极和阳极水冷外壳构成环形冷却通道，利用焊接在通道内部的隔板和导流板迫使冷却水在环形的冷却通道内“S形”流动，既增加了冷却水的滞留时间又增强了涡流，提高了冷却水的利用效率和换热的均匀性。所述水冷结构带走了集中沉降在推力器阳极上的大量热量，防止电极结构由于过热而失效，减轻电极烧蚀现象，显著提高磁等离子体推力器的单次工作时间和寿命。

所属技术领域

本发明属于电推进推力器设计领域，涉及一种用内冷却通道方式对阳极进行冷却的水冷结构。

背景技术

电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。

磁等离子体推力器是电推进的一种，利用磁场和电场产生的洛伦兹力对推进剂电离气体进行加速，又被称为洛伦兹力加速器。磁等离子体推力器容易实现与高的核电功率结合、小型化以及能够提供比其他电推力器更大量级的推力，被认为是未来深空探测的最佳推进方案之一。

磁等离子体推力器在工作过程中，会有50％～70％的能量损失在阳极上，这些能量最终会转化成热能。在推力器功率低的情况下，通过辐射冷却可以有效散热，然而在高功率的情况下，冷却效率更高的水冷就显示出巨大的优势。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于设计一种水冷结构，对磁等离子体发动机热沉降最为严重的阳极进行冷却，保证发动机工作安全可靠，延长发动机的工作时间和使用寿命，并尽可能减小对发动机径向布置的影响。

本发明所述的磁等离子体发动机阳极水冷结构由阳极、阳极水冷外壳、导流板、隔板组成。所述阳极是水冷结构的主要冷却对象，同时也与阳极水冷外壳一起作为水冷腔体的内壁，两者之间在周向采用焊接形成可靠连接并起到密封作用。阳极和阳极水冷外壳围成的环形空腔形成了水冷腔的主要轮廓。所述导流板共有七块，用焊接方式与阳极连接，与隔板一起将水冷腔体分为八部分，每两块板之间的夹角为45度。位于阳极冷却水入水口和出水口正中间的隔板将水冷腔完全隔开。其余7块导流板前后交错地留出空隙，迫使冷却水进出水冷腔后以“S形”路径通过环形的水冷腔道，增加冷却水的驻留时间和流经长度，达到更好的换热效果。所述导流板中，空隙位于推力器出口方向的4块导流板与阳极水冷外壳相接触的那端被削去了一个角，保证端部不会因为热变形而产生强烈的应力集中，避免结构失效。空隙位于推力器入口方向的3块导流板没有采取类似措施的原因是它们的端部距离推力器出口相对较远，温度较低，热应力较小。

本发明的优点在于

1.导流板的设计：导流板引导水流在阳极的环形腔体中做“S形”流动，增加了冷却水的行程和滞留时间，提高了冷却水的利用效率。同时这种“S形”流动能够诱发冷却水中产生涡流，使得换热更加均匀，同时增强对流换热效果。

2.进水方式的设计：阳极水冷腔道没有采用常用的“下方进水、上方出水”形式，而是同时从阳极上方进出水。两个水口之间用隔板完全隔开，形成环形腔体，增大了冷却水的滞留时间，提高了冷却水的利用效率。采用轴向进出水方式，减小对推力器径向设计的干扰。

3.密封设计：多处利用了焊接的方式进行可靠连接，能够有效防止漏水的发生，同时也使得设计更加简洁美观。

4.减小应力以提高可靠性：阳极的导流板削去一角，将应力集中的部位转移至原本应力较小的区域，平衡了各区域的应力，有效减轻了应力集中。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：