多級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器用輻射散熱裝置制造方法
【專利摘要】多級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)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(jí)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器的陽(yáng)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(yáng)極受熱短時(shí)間內(nèi)急劇增強(qiáng)，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(wèn)題，它包括散熱圓筒、散熱板、兩個(gè)散熱錐筒和兩個(gè)散熱器，推力器殼體布置在兩個(gè)散熱錐筒之間，推力器殼體的上部和下部分別套裝有一個(gè)所述散熱器，推力器殼體上套裝有散熱板，散熱板位于兩個(gè)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(jí)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器。
【專利說(shuō)明】多級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)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(jí)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器用輻射散熱裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]多級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器是目前國(guó)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(jí)永磁鐵包圍著陶瓷通道，相鄰的兩個(gè)永磁鐵極性相反，在會(huì)切磁場(chǎng)的作用下陰極釋放的電子被束縛沿磁力線做螺旋線運(yùn)動(dòng)并通過(guò)碰撞產(chǎn)生傳導(dǎo)向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)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(chǎng)的作用下加速噴出，以產(chǎn)生推力。會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器相對(duì)于其他電推進(jìn)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率和可靠性更高等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)十年時(shí)間的研究，歷經(jīng)方案論證、原理樣機(jī)、工程樣機(jī)設(shè)計(jì)等階段，已經(jīng)確定做為歐空局新一代航天器的動(dòng)力裝置，然而，目前我國(guó)的多級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器設(shè)計(jì)還很不成熟，對(duì)多級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器的探索仍需加快步伐，在此僅對(duì)其散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)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(jí)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器的主要特點(diǎn)在于以永磁鐵代替了磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)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(yáng)極溫度較高，以及出口處(通道的出口，即最后一級(jí)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(jí)磁鐵的交界處)高溫，這些造成推力器通道內(nèi)壁和陽(yáng)極受熱短時(shí)間內(nèi)急劇增強(qiáng)，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(jì)、絕緣設(shè)計(jì)等都對(duì)最高溫度有限制，因此對(duì)其進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)尤其是陽(yáng)極散熱設(shè)計(jì)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(duì)散熱有較為嚴(yán)格的要求，行波管如果不能及時(shí)將收集極熱量排出，也會(huì)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(jì)是至關(guān)重要的。在太空散熱過(guò)程中，由于處于真空狀態(tài)，靠對(duì)流傳熱方式散熱是不可能實(shí)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(jí)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器的陽(yáng)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(yáng)極受熱短時(shí)間內(nèi)急劇增強(qiáng)，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(wèn)題，進(jìn)而提供一種多級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)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(wèn)題采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明的多級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)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(gè)散熱錐筒和兩個(gè)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(gè)散熱錐筒的小直徑端正對(duì)布置，推力器殼體布置在兩個(gè)散熱錐筒之間，推力器殼體的兩端分別固裝在兩個(gè)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(gè)所述散熱器，每個(gè)散熱器的外表面為由多個(gè)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(gè)散熱器之間，散熱板通過(guò)兩個(gè)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(yáng)極穿過(guò)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(gè)散熱錐筒及兩個(gè)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(yáng)極處溫度最高，散熱應(yīng)該最強(qiáng)，因此采用散熱錐筒，在出口處的磁分界面處實(shí)驗(yàn)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(yáng)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(qiáng)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(yáng)極后面加散熱圓筒，通過(guò)熱傳導(dǎo)對(duì)陽(yáng)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(shí)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(kāi)口朝外)的設(shè)計(jì)(也可以設(shè)計(jì)為半圓弧形板，開(kāi)口朝外)，一個(gè)弧面的垂直輻射熱量不會(huì)落到相鄰弧面上，便于熱量的傳導(dǎo)，散熱器可打孔或開(kāi)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?duì)較遠(yuǎn)的外殼部分采用軸向散熱器，并可在散熱器上打孔或開(kāi)槽，以滿足足夠散熱面積同時(shí)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(duì)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(shí)滿足了重量相對(duì)較低性，實(shí)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(yáng)極通過(guò)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(guò)與殼體緊密接觸的輻射率較高的散熱結(jié)構(gòu)及時(shí)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(jì)方式，不同的結(jié)構(gòu)及不同結(jié)構(gòu)的搭配對(duì)散熱有很大影響。通過(guò)較為優(yōu)化的輻射散熱裝置設(shè)計(jì)，解決了推力器工作穩(wěn)定可靠的問(wèn)題，并能延長(zhǎng)推力器使用壽命，推力器的使用壽命延長(zhǎng)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(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器內(nèi)部永磁鐵的溫度可靠性，以實(shí)現(xiàn)多級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器的安全、穩(wěn)定和長(zhǎng)壽命工作，避免了永磁鐵的磁性減弱。本發(fā)明多級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器的散熱設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，相比水冷散熱結(jié)構(gòu)，運(yùn)行成本降低了 35%以上。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)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(shí)施方式】
[0008]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1-圖5說(shuō)明，本實(shí)施方式的多級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)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(gè)散熱錐筒3和兩個(gè)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(gè)散熱錐筒3的小直徑端正對(duì)布置,推力器殼體5布置在兩個(gè)散熱錐筒3之間，推力器殼體5的兩端分別固裝在兩個(gè)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(gè)所述散熱器4，每個(gè)散熱器4的外表面為由多個(gè)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(gè)散熱器4之間，散熱板2通過(guò)兩個(gè)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(yáng)極6穿過(guò)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(gè)散熱錐筒3及兩個(gè)散熱器4均由導(dǎo)熱材料制成。
[0009]本實(shí)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(guò)散熱較強(qiáng)且集中的徑向散熱板和散熱錐加強(qiáng)散熱，在溫度較低區(qū)采用散熱相對(duì)較均勻的軸向散熱器散熱，多個(gè)半圓弧面呈齒輪形狀，每個(gè)半圓弧面的開(kāi)口朝外，實(shí)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(guò)渡。散熱板可進(jìn)行打孔或開(kāi)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(huì)切磁場(chǎng)推力器陽(yáng)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(jì)，該設(shè)計(jì)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(shí)施方式】二:結(jié)合圖1-圖3說(shuō)明，本實(shí)施方式所述散熱圓筒I由鋁制成。如此設(shè)置，陽(yáng)極后端加散熱筒，散熱筒與陽(yáng)極緊密接觸，可通過(guò)螺栓連接散熱筒與陽(yáng)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(shí)施方式】一相同。
[0011]【具體實(shí)施方式】三:結(jié)合圖1和圖2說(shuō)明，本實(shí)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(guò)螺栓與推力器殼體連接固定。其它與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0012]【具體實(shí)施方式】四:結(jié)合圖1、圖2和圖4說(shuō)明，本實(shí)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(shí)施方式】三相同。
[0013]【具體實(shí)施方式】五:結(jié)合圖1、圖2和圖5說(shuō)明，本實(shí)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(shí)施方式】一、二或四相同。
[0014]【具體實(shí)施方式】六:結(jié)合圖1和圖2說(shuō)明，本實(shí)施方式的每個(gè)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(qiáng)了熱傳導(dǎo)。其它與【具體實(shí)施方式】五相同。
[0015]工作過(guò)程
[0016]將本發(fā)明輻射散熱裝置固定在推力器上后，將整個(gè)推力器系統(tǒng)包括輻射散熱裝置置于真空罐中，對(duì)推力器陰極點(diǎn)火，陰極發(fā)出電子，電子向通道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，通過(guò)陽(yáng)極入口向推力器通道內(nèi)通入氙氣并逐步提高陽(yáng)極電壓至點(diǎn)火成功，推力器開(kāi)始工作，推力器溫度逐漸上升，輻射散熱裝置開(kāi)始進(jìn)行輻射散熱，從而保證推力器及時(shí)排出熱量并正常工作。
【權(quán)利要求】
1.多級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)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(gè)散熱錐筒(3 )和兩個(gè)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(gè)散熱錐筒(3)的小直徑端正對(duì)布置，推力器殼體(5)布置在兩個(gè)散熱錐筒(3)之間，推力器殼體(5)的兩端分別固裝在兩個(gè)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(gè)所述散熱器(4)，每個(gè)散熱器(4)的外表面為由多個(gè)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(gè)散熱器(4)之間，散熱板(2)通過(guò)兩個(gè)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(yáng)極(6)穿過(guò)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(gè)散熱錐筒(3)及兩個(gè)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(jí)會(huì)切磁場(chǎng)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(jí)會(huì)切磁場(chǎng)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(jí)會(huì)切磁場(chǎng)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(jí)會(huì)切磁場(chǎng)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(jí)會(huì)切磁場(chǎng)等離子體推力器用輻射散熱裝置，其特征在于:每個(gè)散熱錐筒(3)的錐心角為120°。
【文檔編號(hào)】F03H1/00GK103790794SQ201410074568
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)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(guó)順, 趙隱劍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)