一種可提高運(yùn)行穩(wěn)定性的電弧加熱發(fā)動(dòng)的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，包括依次相連的陰極、密封件、絕緣件、金屬套、陽(yáng)極噴管；所述陰極、密封件及絕緣件依次套接固定，所述金屬套一端與所述絕緣件套接，另一端與所述陽(yáng)極噴管卡接；還包括與所述陽(yáng)極噴管相適應(yīng)的水冷套，所述水冷套加裝在所述陽(yáng)極噴管外壁面；所述水冷套內(nèi)設(shè)置有可供冷卻水通過的通路。本發(fā)明提供的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)通過在電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)陽(yáng)極噴管外壁面附近加裝水冷套，避免陽(yáng)極噴管溫度過高，從而減少陽(yáng)極噴管內(nèi)壁面燒蝕，提高電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。
【專利說(shuō)明】一種可提高運(yùn)行穩(wěn)定性的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種可提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著以空間資源探測(cè)及利用為目標(biāo)的航天活動(dòng)日益增加，商業(yè)通訊、科學(xué)探索、國(guó)防任務(wù)等方面的發(fā)展，對(duì)用于衛(wèi)星姿態(tài)和軌道調(diào)整的推進(jìn)系統(tǒng)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)受推進(jìn)劑燃燒溫度的限制，比沖已經(jīng)接近于極限，并且用于衛(wèi)星定位的控制精度較低。電推進(jìn)系統(tǒng)可產(chǎn)生比化學(xué)推進(jìn)高得多的比沖，因而在完成同樣航天任務(wù)的前提下，能減少衛(wèi)星所需攜帶的推進(jìn)劑重量，增加衛(wèi)星的有效載荷或延長(zhǎng)在軌壽命，并提高對(duì)衛(wèi)星的定位和姿態(tài)控制精度。世界眾多國(guó)家為發(fā)展高性能的空間電推進(jìn)系統(tǒng)，投入了大量的人力和物力，使之成為當(dāng)前國(guó)際范圍的一個(gè)研宄熱點(diǎn)。
[0003]空間電推進(jìn)技術(shù)大致可以分為:1)電熱型，包括電阻加熱射流方式和電弧加熱等離子體射流方式；2)靜電加速型，如離子發(fā)動(dòng)機(jī)；3)等離子體推進(jìn)型，包括霍爾發(fā)動(dòng)機(jī)、脈沖等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)、磁等離子體動(dòng)力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)和可變比沖磁等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)。電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)通常由陰極、兼做噴管的陽(yáng)極、以及固定陰極陽(yáng)極的卡件、絕緣件等組成，其基本工作原理是:供給發(fā)動(dòng)機(jī)的氣態(tài)推進(jìn)劑經(jīng)過陰極和兼做噴管的陽(yáng)極間放電所產(chǎn)生的直流電弧加熱，形成最高溫度超過萬(wàn)度的高溫部分電離氣體，進(jìn)而在噴管的擴(kuò)張段膨脹、降溫、加速，以超聲速射流的形式從噴管噴出，產(chǎn)生較高的推力和比沖。電弧加熱推力器系統(tǒng)重量輕，推力/功率比值高，與現(xiàn)有衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)兼容性好，羽流污染小，在技術(shù)難度、系統(tǒng)復(fù)雜性、可靠性等方面都具有優(yōu)勢(shì)。因此，雖然電弧加熱推力器的比沖較霍爾和離子發(fā)動(dòng)機(jī)的低，但自1993年在國(guó)際上首次安裝在商業(yè)通訊衛(wèi)星Telstar IV上以來(lái)發(fā)展很快，在多種電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中有其獨(dú)特的地位。功率為千瓦量級(jí)的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)外已成為應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)及軌道控制的成熟技術(shù)。
[0004]我國(guó)電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中遇到諸如發(fā)動(dòng)機(jī)電極嚴(yán)重?zé)g、熱態(tài)條件下密封性差、發(fā)動(dòng)機(jī)性能不穩(wěn)定、可靠性差、持續(xù)穩(wěn)定工作時(shí)間不長(zhǎng)、效率不高等問題，而推進(jìn)系統(tǒng)的壽命在一定程度上決定著航天器的壽命，迄今為止，我國(guó)的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)還沒有成功應(yīng)用在自己的衛(wèi)星上。必須深入研宄其獨(dú)特的工作過程，系統(tǒng)掌握其運(yùn)行機(jī)理和規(guī)律，方能解決這些問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，克服上述已有技術(shù)的缺陷，提尚發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)彳丁穩(wěn)定性。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，包括依次相連的陰極、密封件、絕緣件、金屬套、陽(yáng)極噴管；
[0007]所述陰極、密封件及絕緣件依次套接固定，所述金屬套一端與所述絕緣件套接，另一端與所述陽(yáng)極噴管卡接；
[0008]還包括與所述陽(yáng)極噴管相適應(yīng)的水冷套，所述水冷套加裝在所述陽(yáng)極噴管外壁面；所述水冷套內(nèi)設(shè)置有可供冷卻水通過的通路。
[0009]優(yōu)選的，所述陽(yáng)極噴管外壁面與所述水冷套之間設(shè)置有間隙。
[0010]優(yōu)選的，所述陽(yáng)極噴管外壁面與所述水冷套之間的間隙根據(jù)陽(yáng)極噴管材料的膨脹系數(shù)及陽(yáng)極噴管溫度設(shè)置。
[0011]本發(fā)明提供的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)通過在電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)陽(yáng)極噴管外壁面附近加裝水冷套，避免陽(yáng)極噴管溫度過高，從而減少陽(yáng)極噴管內(nèi)壁面燒蝕，提高電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的剖面示意圖；
[0013]圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)工作系統(tǒng)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0015]本發(fā)明的主要思想是通過在電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的陽(yáng)極噴管外壁面加裝水冷套，陽(yáng)極噴管外壁面和水冷套間的間距，依據(jù)陽(yáng)極噴管材料的膨脹系數(shù)及預(yù)控制的陽(yáng)極噴管溫度而定，確保電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，陽(yáng)極噴管溫度升到預(yù)定值時(shí)，因陽(yáng)極噴管受熱膨脹接觸到水冷套，進(jìn)而通過水冷套的冷卻降溫作用降低陽(yáng)極噴管溫度，從而減少陽(yáng)極內(nèi)壁面燒蝕，提高電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。
[0016]參照?qǐng)D1所示，為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的剖面示意圖，本實(shí)施例中的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)包括:陰極9、陽(yáng)極噴管1、絕緣件7、密封件8、金屬套5和水冷套2，所述水冷套2與所述陽(yáng)極噴管I相適應(yīng)。圖中同時(shí)示出了進(jìn)氣口 6和水冷套2的冷卻水入口 4及冷卻水出口 3。其中，陰極9通過密封件8與絕緣件7固定，金屬套5 —端與絕緣件7相連，另一端與陽(yáng)極噴管I卡接；金屬套5上設(shè)有進(jìn)氣口 6 ;水冷套2加裝在陽(yáng)極噴管I外壁面，所述水冷套2內(nèi)設(shè)置有可供冷卻水通過的通路。所述水冷套2和陽(yáng)極噴管I的外壁面之間的間隙依據(jù)陽(yáng)極噴管I的材料的膨脹系數(shù)及預(yù)控制的陽(yáng)極噴管I的溫度設(shè)置。
[0017]參照?qǐng)D2所示，為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)工作系統(tǒng)示意圖。將圖1所示的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)連接電源、氣路及水路，引弧試驗(yàn)電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。本實(shí)施例搭建了在陽(yáng)極噴管I外壁面加裝水冷套2的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)工作系統(tǒng)。本實(shí)施例中真空室12的直徑為2米，長(zhǎng)為4米，極限真空為I X 10-4Pa。圖中示出了發(fā)動(dòng)機(jī)羽流10及推力測(cè)力器Ilo工作氣體13存儲(chǔ)于高壓氣罐，質(zhì)量流量計(jì)14選用精度為滿量程3%的質(zhì)量流量計(jì)，電流電壓傳感器15選用霍爾效應(yīng)原理的傳感器，工作電源16選用30千瓦級(jí)逆變等離子體電源。冷卻循環(huán)水系統(tǒng)17與圖1所示的冷卻水入口 4及冷卻水出口 3相連，為電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷套2提供恒溫循環(huán)冷卻水源。真空室排氣系統(tǒng)18可確保實(shí)現(xiàn)電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)工作的真空環(huán)境。電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)陽(yáng)極噴管I的外壁面和水冷套2之間的間隙為0.1_。選用氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w，在輸入功率8.5kW、總氣流量10L/min的工作參數(shù)條件下連續(xù)工作10分鐘以上。
[0018]本發(fā)明在電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)陽(yáng)極噴管外壁面加裝有一定間隙的水冷套，所述水冷套和陽(yáng)極噴管外壁面的間隙依據(jù)陽(yáng)極噴管材料的膨脹系數(shù)及預(yù)控制的陽(yáng)極噴管溫度而定。當(dāng)陽(yáng)極噴管壁面溫度升高到預(yù)定溫度時(shí)，陽(yáng)極噴管壁面與水冷套接觸降溫，避免陽(yáng)極噴管溫度過高，從而減少陽(yáng)極噴管內(nèi)壁面燒蝕，提高電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。
[0019]以上所述的【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，包括依次相連的陰極、密封件、絕緣件、金屬套、陽(yáng)極噴管； 所述陰極、密封件及絕緣件依次套接固定，所述金屬套一端與所述絕緣件套接，另一端與所述陽(yáng)極噴管卡接； 還包括與所述陽(yáng)極噴管相適應(yīng)的水冷套，所述水冷套加裝在所述陽(yáng)極噴管外壁面；所述水冷套內(nèi)設(shè)置有可供冷卻水通過的通路。
2.如權(quán)利要求1所述的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述陽(yáng)極噴管外壁面與所述水冷套之間設(shè)置有間隙。
3.如權(quán)利要求2所述的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，所述陽(yáng)極噴管外壁面與所述水冷套之間的間隙根據(jù)陽(yáng)極噴管材料的膨脹系數(shù)及陽(yáng)極噴管溫度設(shè)置。
【文檔編號(hào)】F01P3/00GK104454418SQ201410637302
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】潘文霞, 吳承康, 孟顯 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所