一种电推进用长寿命阴极结构

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.一般采用的离子推进，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。
5.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。
6.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。
7.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。


技术实现要素：

8.针对现有阴极寿命难以进一步提高的问题，本发明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。
9.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.一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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.进一步地，所述陶瓷外壳用于避免加热丝对推进器的加热。
18.本发明的有益效果在于：
19.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。
20.本发明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。本发明对于电推进技术的更广泛应用，具有重要意义。
附图说明
21.图1为本发明分段式阴极的单体结构示意图；
22.图2为包含本发明分段式阴极的阴极整体系统示意图；
23.图3为本发明的推进器的结构示意图；
24.图4为推进器的俯视图；
25.图1附图标记说明：
26.1、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。
27.图2附图标记说明：
28.8、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。
29.其余附图标记说明：
30.15、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
31.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步说明。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发明，并不用于限制本发明。
32.本发明提供了一种电推进用长寿命阴极结构，包括阴极材料组件和阴极连接组件，两者之间同轴相连。
33.如图1所示，阴极材料组件由第一段阴极材料4、第二段阴极材料5、第三段阴极材料6、阴极喷管主体7组成，上述材料成分相同，各段材料间用阴极连接组件隔开，第一段阴极材料4、第二段阴极材料5、第三段阴极材料6、阴极喷管主体7通过阴极连接组件采取摩擦焊接的方式进行连接，其成分为lab6；阴极连接组件由材料a11、材料a22、材料a33组成，材料a11、材料a22、材料a33采用熔点高于阴极工作温度的不同金属材料或合金材料。所述第一段阴极材料4通过材料a11连接第二段阴极材料5，第二段阴极材料5通过材料a22连接第三段阴极材料6，第三段阴极材料6通过材料a33连接阴极喷管主体7。
34.如图2所示，电推进用长寿命阴极结构的整体包括阴极进气管14、固定环件11、内腔体9、外腔体10、喷管固定座8和阴极喷管主体7，阴极进气管14固定连接在内腔体9前端，内腔体9的后端通过螺纹连接喷管固定座8，喷管固定座8与阴极喷管主体7固定连接；内腔体9、喷管固定座8和阴极喷管主体7均为中空结构，共同构成阴极进气通道；固定环件11和外腔体10固定嵌套在内腔体9外侧。本发明中阴极喷管主体7及第一段阴极材料4、第二段阴极材料5、第三段阴极材料6、材料a11、材料a22、材料a33均为多孔阴极喷管。
35.具体地，内腔体9与阴极进气管14通过焊接固定，通过螺纹与喷管固定座8连接，喷管固定座8则通过高温焊接与阴极喷管主体7固定，它们共同构成了磁等离子体推进器多孔阴极喷管的进气通道。推进器工作时，将推进剂从阴极喷管的进气通道通入，在阴极尖端完成电离成为等离子体，最后由电、磁场耦合加速。
36.如图3所示，陶瓷外壳16内设有环状凹槽，加热丝15布置在环状凹槽内部，以防止加热丝15对阴极以外的部件加热。在推进器启动前，即预加热阶段，将加热丝15通电，加热丝15中的电流通过产生焦耳热，加热阴极喷管主体7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，可撤去加热丝15的电源，开启阳极电源，利用电场维持等离子体生成。
37.在推进器工作到一定时间后，第一段阴极材料4电子发射率大幅下降，难以再次点
火，此时认为第一段阴极材料4失效，利用加热丝15将阴极温度加热至t1，此时材料a11溶解，开始消耗第二段阴极材料5，第二段阴极材料5由于尚未发射电子，其各方面性能接近于新材料，因此几乎可以认为其寿命重新开始计算。
38.同样在第二段阴极材料5工作至失效以后，利用加热丝15将阴极温度加热至t2，此时材料a22溶解，开始消耗第三段阴极材料6。
39.在第三段阴极材料6工作至失效以后，利用加热丝15将阴极温度加热至t3，此时材料a33溶解，开始消耗阴极喷管主体7。
40.至此阴极消耗至最后一段，在没有对其材料进行升级的情况下，其寿命几乎提高了4倍。
41.推进器阴极通过其内部留有的冷却液通道使其工作运行时保证温度不至于过高，影响整体系统可靠性。外腔体10远离多孔阴极喷管的端部上下均匀的分布着两个连接冷却液通道的进液口12和出液口13。工作时，冷却液从进液口12进入，通过内腔体壁流到外腔体10上部出液口13，从出液口流出，冷却液通过与内腔体9的外表面的热交换，带走推进器工作时阴极产生的过高热量，从而保证推进器系统能稳定运行。
42.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。只要熔点和电子发射率以及耐烧蚀性能和导电性能符合上述描述的金属材料均可作为阴极连接组件的材料，由于本发明描述的长寿命结构的段数可根据推进器寿命要求而改变，如需4段以上的阴极结构，则需更多的阴极连接组件的材料，因此不对上述三种材料做出明确要求。
43.如图4所示，绝缘管件21和推进器阳极与推进器阴极之间设置绝缘层。推进器阳极包括阳极本体22、螺旋式换热单元23和多通道换热单元24。
44.螺旋式换热单元23具有螺旋通道，显著增加冷却水的流动路径，具有较好的导热能力，提高阳极换热能力。
45.具体地，将阴极前段分割成几段材料，每段中间使用熔点介于阴极工作温度以及阴极自身熔点之间的材料，从前端开始，各中间材料依次命名为材料a11、材料a22、材料a33，其熔点分别为t1、t2、t3。
46.各材料熔点有以下关系：
47.阴极工作温度《t1《t2《t3《阴极熔点。
48.新型阴极工作方式如下：
49.当第一段阴极材料接近使用寿命时，通过提高工作电压，提升阴极自身温度至t1，这时材料a1会由于达到熔点而溶解，开始消耗第二段阴极材料。
50.当第二段阴极材料接近使用寿命时，继续提高工作电压，提升阴极自身温度至t2，这时材料a2会由于达到熔点而溶解，开始消耗第三段阴极材料。
51.当第三段阴极材料接近使用寿命时，继续提高工作电压，提升阴极自身温度至t3，这时材料a3会由于达到熔点而溶解，开始消耗阴极喷管主体7。
52.由于阴极的工作特点，被灼烧的部位均处于阴极前端，因此材料a11、材料a22、材料a33融化前，其后的阴极材料几乎处于全新的状态，因此阴极寿命几乎可以重新计算，其寿命提升达原先的几倍。
53.进一步地，由于采用金属材料衔接各段阴极的方式，避免了使用机械结构将阴极分段而导致的气密性问题。
54.进一步地，由于完全没有添加机械结构，可以完全使用原先的系统实现报废阴极的分离，降低了后期研发成本。
55.进一步地，由于结构简单，并且没有添加机械液压结构，在太空极端环境下，不需要考虑液体泄露问题。
56.进一步地，加热丝采用钨，其熔点为3410℃。
57.对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，例如阴极的段数，可根据所需的阴极寿命增加或减小阴极的段数以及各段阴极的长度，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
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。3.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，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。4.根据权利要求3所述的一种电推进用长寿命阴极结构，其特征在于，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。5.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，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。6.根据权利要求2所述的一种电推进用长寿命阴极结构，其特征在于，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。7.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，还包括陶瓷外壳，用于保证加热丝与阴极材料之间的绝缘。8.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，所述陶瓷外壳用于避免加热丝对推进器的加热。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：郑金星 杜宜凡 刘海洋 陆玉东 唐卓尧 王洛麒 吴涛
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/8/13