一种磁等离子体动力推力器阴极及其加工方法技术

本发明专利技术提供了一种磁等离子体动力推力器阴极及其加工方法，该阴极结构为钨阴极主体段与紫铜连接复合结构，钨阴极主体段为中孔棒状结构，中孔结构形成推力器阴极的导气孔，该导气孔按照功能划分为气流缓冲腔、气体初电离腔和气体再电离腔，从前至后直径逐级增大，从而逐级增加热等离子体运动受限程度；紫铜连接件套设于阴极后端，为中孔圆台结构，前端直径与钨阴极主体段外径一致，前端至后端直径逐渐增大。在无氧环境下，利用激光3D打印技术，将钨

【技术实现步骤摘要】
一种磁等离子体动力推力器阴极及其加工方法


[0001]本专利技术属于磁动力
，特别涉及一种磁等离子体动力推力器阴极及其加工方法。

技术介绍

[0002]随着我国深空探测发展战略的提出，未来大型航天任务需具备高效、大范围、快速轨道机动能力，电推进技术成为其中最为关键的一环，我国已开展多种电推进技术研究，并取得了长足的进步。磁等离子体动力推力器(MPDT)通过大电流产生高温电弧电离推进剂，并注入能量，利用磁场和电流的洛伦兹力来加速等离子体，产生推力，具有比冲高、推力大、重量轻、可长时间在轨工作等优点。然而，大功率MPDT阴极的寿命问题限制了其广泛应用。因此，亟需设计出烧蚀均匀、寿命长、电弧稳定的MPDT阴极。
[0003]为此本专利技术人对MPDT阴极进行了研究，MPDT阴极的烧蚀主要分为启动烧蚀与稳弧烧蚀，阴极启动方式为冷启动方式，即在外界输入高频高压信号下，阴极利用高电压实现工质气体击穿，产生的热等离子体轰击阴极内壁，使阴极温度逐渐升高，阴极表面形成鞘层，转入自主热电子发射模式，加速等离子的电离，从而逐渐进入稳弧状态。研究表明，此启动方式会伴随着严重的烧蚀现象，而进入稳弧状态时烧蚀速率大幅度降低，因此需缩短阴极启动的时间，使阴极加快进入稳弧状态。
[0004]当前的单孔阴极导气孔为通孔状态，热等离子体通过时不受限，轰击阴极内壁效率较低，阴极无法快速升温，进入稳弧状态的时间较长，烧蚀严重。且目前的常规加工方法中，阴极需浸水浸油，表面存在氧化问题，也会造成阴极的严重烧蚀。

技术实现思路
/>[0005]为了克服现有技术中的不足，本专利技术人进行了锐意研究，提供了一种磁等离子体动力推力器阴极及其加工方法，通过设计具有多级导气孔结构的MPDT阴极，解决了目前单孔阴极热等离子体轰击内壁效率低，启动时间较长，烧蚀严重的问题；并针对现有MPDT机加工困难、加工易引入氧化等问题，提出了利用激光3D打印技术，在无氧环境下，将钨
‑
钽
‑
氧化物混合粉末、紫铜粉末同时快速制备成型MPDT阴极的方法，从而完成本专利技术。
[0006]本专利技术提供的技术方案如下：
[0007]第一方面，一种磁等离子体动力推力器阴极，该阴极为钨阴极主体段与紫铜连接复合结构，钨阴极主体段为中孔棒状结构，中孔结构形成推力器阴极的导气孔，该导气孔按照功能划分为气流缓冲腔，气体初电离腔，气体再电离腔，从前至后直径逐级增大，从而逐级增加热等离子体运动受限程度；
[0008]紫铜连接件套设于阴极后端，为中孔圆台结构，前端直径与钨阴极主体段外径一致，前端至后端直径逐渐增大。
[0009]第二方面，一种磁等离子体动力推力器阴极的加工方法，包括如下步骤：
[0010]S1，按比例称取纳米级钨粉、纳米级钽粉、氧化物粉末，加入无水乙醇，采用高能球
磨法混合均匀，得到钨
‑
钽
‑
氧化物混合粉末与乙醇的悬浊液；
[0011]S2，将球磨后的钨
‑
钽
‑
氧化物混合粉末与乙醇的悬浊液用高速离心机进行固液分离，然后进行真空干燥与解吸脱氧处理；
[0012]S3，将处理后的钨
‑
钽
‑
氧化物混合粉末、紫铜粉末分别装入3D打印设备粉末罐中，并使待制备的粉末样品处于无氧环境中；3D打印设备采用同轴送粉系统，设置有两个及两个以上的粉末传输通道，用于同时送入钨
‑
钽
‑
氧化物混合粉末与紫铜粉末；通道前端设置粉末喷口，可进行三维移动与平面旋转操作；
[0013]S4，建立复合结构MPDT阴极的三维模型图，模型图为钨阴极主体段与紫铜连接复合结构的三维图；将模型图进行横向与纵向切片，生成激光器与送粉器的扫描路径，同时设置不同位置、不同时间的送粉比与激光器的功率。
[0014]S5，参数设置完毕，在惰性气氛下，送粉器喷头喷射粉末，激光束进行选择烧结，逐层打印出设计的三维复合结构MPDT阴极；
[0015]S6，真空高温处理3D打印成型的MPDT阴极，真空高温处理温度700～850℃，升温速率为10～25℃/min，保温1～2h。
[0016]根据本专利技术提供的一种磁等离子体动力推力器阴极及其加工方法，具有以下有益效果：
[0017](1)本专利技术提供的一种磁等离子体动力推力器阴极，该阴极结构具有分级的导气孔，可以提高热等离子对阴极内壁的轰击效率，缩短阴极的启动时间，降低阴极的启动烧蚀。
[0018](2)本专利技术提供的一种磁等离子体动力推力器阴极，该阴极结构后端为紫铜与钨合金的一体化圆台结构，具备优越的导电换热能力。
[0019](3)本专利技术提供的一种磁等离子体动力推力器阴极的加工方法，所使用的粉末添加了钽粉，相邻层之间激光扫描路径旋转一定角度，可有效减少常规钨激光熔化和快速凝固过程中产生微裂纹的趋势；
[0020](4)本专利技术提供的一种磁等离子体动力推力器阴极，设计的分级导气孔结构，可有效提高工质气体的电离程度，推力器的推力效率增加。
附图说明
[0021]图1为本专利技术一种磁等离子体动力推力器阴极的剖视图；
[0022]其中：1
‑
紫铜连接件；2
‑
气体缓冲腔；3
‑
气体初电离腔；4
‑
钨阴极主体段；5
‑
气体再电离腔。
[0023]图2为本专利技术一种磁等离子体动力推力器阴极的俯视图；
[0024]图3为本专利技术一种磁等离子体动力推力器阴极加工方法的流程图。
具体实施方式
[0025]下面通过对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
[0026]在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各
种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0027]根据本专利技术的第一方面，提供了一种磁等离子体动力推力器阴极，如图1和图2所示，其为钨阴极主体段与紫铜连接复合结构。紫铜连接件1与外围推力器结构相契合；钨阴极主体段4为中孔棒状结构，中孔结构形成推力器阴极的导气孔，该导气孔按照功能划分为气流缓冲腔2，气体初电离腔3，气体再电离腔5，从前至后直径逐级增大；外部输气管与气体缓冲腔2末端相连接并经由弹性垫片压紧，工质气体进入该腔中，主要起缓流作用，气体运动至前端台阶壁时，运动受阻，发生反弹，此区域可发生微量电离，但温度较低，电离的等离子体会重新结合成中性粒子；工质气体进入气体初电离腔3时，电离产生的热等离子体部分直接与腔壁相碰撞，并发生热量传递，而未直接碰撞的热等离子体运动至该腔前端台阶时受阻，发生反弹，运动回气体初电离腔3中，继续与腔壁相碰撞，热等离子体在该腔中的停留时间增加，碰撞效率增加，钨阴极主体段4温度升高，发射热电子，使该腔中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于，该阴极为钨阴极主体段与紫铜连接复合结构，钨阴极主体段(4)为中孔棒状结构，中孔结构形成推力器阴极的导气孔，该导气孔按照功能划分为气流缓冲腔(2)，气体初电离腔(3)，气体再电离腔(5)，从前至后直径逐级增大，从而逐级增加热等离子体运动受限程度；紫铜连接件(1)套设于阴极后端，为中孔圆台结构，前端直径与钨阴极主体段外径一致，前端至后端直径逐渐增大。2.根据权利要求1所述的磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于，所述钨阴极主体段(4)的外径为30～36mm，整体长度为60～80mm；气体缓冲腔(2)的直径为15～20mm，长度为10～15mm；气体初电离腔(3)的直径为10～14mm，长度为25～30mm；气体再电离腔(5)的直径为5～8mm，长度为25～35mm；所述紫铜连接件(1)的长度为10～20mm，锥角范围为10～25
°
，电导率为5.5～5.7(
×
107)S/m，导热系数为390～401W/(m
·
K)。3.根据权利要求1所述的磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于，所述钨阴极主体段(4)与紫铜连接件(1)一体化成型。4.根据权利要求1所述的磁等离子体动力推力器阴极，其特征在于，所述钨阴极主体段材料选用钨
‑
钽
‑
氧化物合金材料，所述钨
‑
钽
‑
氧化物合金材料通过钨粉、钽粉及氧化物粉末制成，所述钨粉的粒径50～200nm，氧含量≤40ppm；所述钽粉的粒径为50～100nm；所述氧化物粉末选自ZrO2、BaO、Y2O3中的一种或几种，粒径为100～300nm；所述钽粉在钨
‑
钽
‑
氧化物合金材料中的质量比不高于5％，氧化物粉末在钨
‑
钽
‑
氧化物合金材料中的质量比不超过1％。5.一种磁等离子体动力推力器阴极的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，按比例称取纳米级钨粉、纳米级钽粉、氧化物粉末，加入无水乙醇，采用高能球磨法混合均匀，得到钨
‑
钽
‑
氧化物混合粉末与乙醇的悬浊液；S2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王戈，周成，杨志懋，孔春才，李永，姚兆普，蔡坤，丛云天，王宝军，赵博强，孙鲲，韩道满，郑学程，李永平，王磊，吴延龙，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：