用于推进剂净化的空心阴极结构的制作方法

1.本发明涉及航天推进技术领域，具体地，涉及一种用于推进剂净化的空心阴极结构。


背景技术：

2.电推进具有很高的喷气速度，相对化学推进具有比冲高的特点，显著节省推进剂、增加航天器寿命或减小运载需求。为满足未来空间货运、载人飞行、深空探测等任务，各国致力于研制高比冲大功率电推进系统，要求大功率、长寿命，空心阴极作为电推进系统点火和羽流中和的核心组件，直接决定系统的寿命和可靠性，大功率电推进系统对空心阴极放电电流需求将达到数十安、数百安，且空心阴极寿命需求将达到数千小时、数万小时。
3.空心阴极内部使用了高温真空电子发射功能材料，极易受推进剂中的氧等有害杂质的污染，严重损伤空心阴极的电子发射能力，降低产品性能、寿命和可靠性。推力器功率的提升，要求阴极大电流大流量，对应着推进剂使用量相对于小功率推力器大幅提高。用气总量上升，长寿命过程中氧杂质累积，阴极发射体与氧杂质反应中毒，严重影响寿命。为保证电推进系统的性能和可靠性，一般的电推进系统对推进剂(氙、氪、氩)的纯度要求比较高，目前要求纯度≥99.9995％，且氧杂质含量低于0.1ppm。因此，提高推进剂纯度、降低杂质含量是保证电推进系统长寿命和高可靠性的关键技术之一。
4.航天产品推进剂必须通过专用的地面加注设备将高纯推进剂原料加注到空间飞行的专用高压气瓶中，加注后的高压推进剂需经过减压、流量控制、阀门、管路、过滤器等最终供给推进器和空心阴极使用。地面长寿命试验和空间飞行的推进剂输送的管路系统必须进行严格净化处理，以保证推进剂纯度。推进剂的高纯度要求导致加注难度大，需要大量高纯氙气推进剂置换，置换时间长、成本高，而且也无法完全除去工质中的氧杂质。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于推进剂净化的空心阴极结构。
6.根据本发明提供的一种用于推进剂净化的空心阴极结构，包括阴极管以及发射体；
7.所述发射体布置在所述阴极管下游的内部，推进剂从所述阴极管上游进入且在所述发射体朝向上游的方向上阴极管的内部被配置为布置有一组或多组过滤组件，所述过滤组件包括间隔布置的第一过滤件、第二过滤件以及布置在所述第一过滤件与第二过滤件之间的垫片。
8.优选地，所述第一过滤件、垫片、第二过滤件采用纯钛或钛合金材料。
9.优选地，所述第一过滤件上设置有第一通孔，所述第一通孔的数量为一个或多个，所述第二过滤件上设置有第二通孔，第二通孔的数量为一个或多个，其中，第一通孔和第二通孔的中心轴线错位布置。
10.优选地，多组所述过滤组件中的第一过滤件与第二过滤件交替布置。
11.优选地，空心阴极放电过程中，阴极管内温度呈现由阴极管上游到下游逐步增加的梯度分布。
12.优选地，所述第一过滤件、垫片、第二过滤件均布置在阴极管内温度500～700℃的位置。
13.优选地，所述第一过滤件、垫片、第二过滤件与推进剂中的氧杂质发生化学反应进而吸收推进剂中的氧杂质。
14.优选地，所述第一过滤件、垫片、第二过滤件与推进剂中氧杂质反应的高温环境由空心阴极结构自身提供。
15.优选地，所述第一过滤件、第二过滤件均采用片状结构。
16.优选地，所述阴极管与推进剂入口、推进剂出口采用金属气密性焊接方式。
17.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
18.1、本发明能够根据任务时间和工质气体中氧杂质含量、工质气体总用量计算得到过滤件数量和尺寸，可以适当降低工质气体氧杂质含量要求到0.5ppm～1ppm甚至更低，有利于降低加注难度减少置换时间，足量的金属钛有利于对推进剂气体工质的杂质净化，有利于延长空心阴极寿命，实现电推进系统的长寿命高可靠性。
19.2、本发明不改变原有产品外形和接口，结构简单，体积小，效率高，便于制作，成本低。
20.3、本发明利用空心阴极工作自身高温环境，无需增加功耗进行额外加热。
21.4、本发明高温下固溶反应吸收气体推进剂中的氧杂质，无二次污染。
22.5、本发明可用于航天电推进系统飞行产品，也可用于电推进系统的地面试验。
23.6、本发明可以适当降低对原始气体推进剂的氧杂质含量要求，降低加注难度减少置换时间。
24.7、本发明高效避免长寿命大电流空心阴极由于推进剂中的氧杂质造成发射体中毒的情况，延长空心阴极寿命，实现电推进系统的长寿命高可靠性。
附图说明
25.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
26.图1为本发明中空心阴极的结构示意图；
27.图2为第一过滤件的结构示意图；
28.图3为垫圈的结构示意图；
29.图4为第二过滤件的结构示意图，其中，包括4个第二通孔；
30.图5为第二过滤件的结构示意图，其中，包括8个第二通孔。
31.图中示出：
32.第一过滤件1发射体5
33.垫片2进气法兰6
34.第二过滤件3第一通孔7
35.阴极管4第二通孔8
具体实施方式
36.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
37.实施例1：
38.本发明提供了一种用于推进剂净化的空心阴极结构，适用于霍尔、离子、微波等电推进系统的推进剂氧杂质的净化吸收，可用于电推进任务的空间飞行系统和地面试验系统，可以有效延长空心阴极寿命。
39.如图1所示，用于推进剂净化的空心阴极结构包括阴极管4、发射体5，发射体5布置在所述阴极管4下游的内部，推进剂从阴极管4上游进入流入阴极管4的下游，且在发射体5朝向上游的方向上阴极管4的内部被配置为布置有一组或多组过滤组件，过滤组件包括间隔布置的第一过滤件1、第二过滤件3以及布置在所述第一过滤件1与第二过滤件3之间的垫片2，阴极管4上游安装有进气法兰6，通过进气法兰6与外部设备连接，本发明采用高温条件下氧钛发生固溶反应的原理，从而固化吸收推进剂中的氧杂质，达到减少杂质含量、净化推进剂的目的。
40.具体地，第一过滤件1与第二过滤件3之间设置有垫片2进而使得第一过滤件1与第二过滤件3之间具有间隙，使推进剂流动过程中产生一定的流阻，便于推进剂与过滤件、垫片表面的接触，有利于进行钛氧反应，第一过滤件1与第二过滤件3均优选采用片状结构，第一过滤件1、垫片2、第二过滤件3均可以采用纯钛制作的薄片，也可以采用钛合金材料制作的薄片，其中，纯钛和钛合金制作的薄片净化吸收的效果有差异。
41.需要说明的是，由于电推进系统中电推力器的空心阴极发射体5对推进剂中氧最为敏感，极易受推进剂中氧等有害杂质的污染，严重损伤空心阴极发射体5的电子发射能力，降低产品性能、寿命和可靠性，因此推进剂中的氧被定义为氧杂质，应尽可能的降低其含量或彻底去除。
42.进一步地，第一过滤件1、垫片2、第二过滤件3优选安装在空心阴极产品阴极管4内发射体5的上游位置，即保证推进剂先经过过滤组件对推进剂中的氧杂质净化吸收后再流到发射体5的位置，保证最佳的净化效果。
43.在实际应用中，气体推进剂从安装有进气法兰6的一侧流入，空心阴极放电工作过程中，阴极顶温度达到1050～1100℃。需要说明的是，根据实际的应用场景应选用不同功率的空心阴极结构进行匹配，因此，进气法兰6的温度也会存在差异，进气法兰6的温度一般在100～400℃之间，阴极管4内温度呈现由上游到下游逐步增加的梯度分布，由于温度500～700℃时氧杂质的吸收率达到最佳值80％～90％，因此，第一过滤件1、垫片2、第二过滤件3布置在阴极管4内温度500℃～700℃的位置为最佳。
44.过滤件安装在阴极管内温度为500～700℃的区域，推进剂流经第一通孔7、第二通孔8时，推进剂中的氧杂质与钛过滤件在500～700℃发生固溶反应生成氧化物，使推进剂中的微量氧杂质被吸收而使推进剂得到净化，该反应在温度降低后不可逆、无二次污染，其中，钛与氧杂质反应的高温环境由空心阴极自身提供，不需要额外加热，无需增加功耗。
45.第一过滤件1上设置有第一通孔7，第一通孔7的数量为一个或多个，第二过滤件3
上设置有第二通孔8，第二通孔8的数量为一个或多个。
46.在实际应用中，第一通孔7和第二通孔8的轴线错位布置。多组过滤组件中的第一过滤件1与第二过滤件3交替布置，并通过垫片2隔开，这样既增大气路流阻以延长流经两个过滤件的时间，又增加气体与过滤件的接触面积，提高氧杂质的吸收率。
47.应该说明的是，第一过滤件1、第二过滤件3的数量和尺寸需要根据电推进系统气体推进剂中氧杂质含量、推进剂流量和净化总量进行计算获得，阴极管4与推进剂入口和推进剂出口气密性相连，采用金属气密性焊接方式。
48.实施例2：
49.本实施例为实施例1的优选例。
50.本实施例中，第一过滤件1、垫片2、第二过滤件3的厚度均为0.5
㎜
，且均采用纯钛带制作，第一过滤件1、垫片2、第二过滤件3均与阴极管4的内径相匹配，第一过滤件1上设置有一个直径为0.5
㎜
的第一通孔7，第二过滤件3上设置有4-8个直径为0.5
㎜
的第二通孔8，第二通孔8均匀分布在第二过滤件3半径2/3左右的圆周上，空心阴极的阴极管内部按照次序装配第一过滤件1、垫片2、第二过滤件3，如此循环装配。过滤件数量和尺寸需要根据电推进系统气体推进剂中氧杂质含量、推进剂流量和净化总量进行估算。空心阴极工作时，此处的温度正好是过滤件与气体工质中的氧杂质反应的温度550～650℃的位置，可以有效去除推进剂中的氧杂质。充分利用空心阴极工作过程中自身的热量，可以节省额外的加热功率。
51.本发明的工作原理如下：
52.气体推进剂从进气法兰6的一侧流入，空心阴极自持放电过程中，等离子体轰击发射体4，使空心阴极内部维持高温，阴极的温度场呈现由下游阴极顶到上游进气法兰6递减的梯度分布。推进剂流经带小孔的过滤件时，推进剂中的氧杂质与钛发生固溶反应，过滤件温度及氧杂质浓度不同时，固溶反应形成的物质不同，其中，在500～700℃时生成五氧化三钛ti3o5或三氧化二钛ti2o3，当氧杂质浓度更高和温度更高时形成二氧化钛(tio2)。这种固溶反应是不可逆的，因此不会发生温度降低时氧被还原的二次污染问题。
53.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
54.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。