阅读说明：本技术 一种减少电弧推力器电极启动烧蚀的系统及方法 (System and method for reducing starting ablation of electrode of arc thruster ) 是由 仝颖刚 魏福智 姚兆普 胡大为 沈岩 吴耀武 李胜军 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：一种减少电弧推力器电极启动烧蚀的系统及方法,包括燃气发生器、冷却器和电弧放电装置。冷却器安装在燃气发生器与电弧放电装置之间；液体推进剂无水肼在燃气发生器内经过催化分解反应,变成高温燃气,燃气先流经冷却器,与冷却器进行换热,再流入电弧放电装置,经过电弧放电后喷出。一种减少电弧推力器电极启动烧蚀的方法,包括在冷却器处于较低温度时启动燃气发生器,冷却器冷却高温燃气受,使推进剂流量增大,在推进剂流量从峰值向下逐渐回落过程中的预设范围内启动电弧。本发明能够显著减少电弧推力器电极在启动过程的烧蚀。(A system and method for reducing arc thruster electrode start erosion includes a gas generator, a cooler, and an arc discharge device. The cooler is arranged between the gas generator and the arc discharge device; the liquid propellant anhydrous hydrazine is subjected to catalytic decomposition reaction in the gas generator to be changed into high-temperature gas, the gas firstly flows through the cooler to exchange heat with the cooler, then flows into the arc discharge device, and is sprayed out after arc discharge. A method for reducing starting ablation of an electrode of an electric arc thruster comprises the steps of starting a fuel gas generator when a cooler is at a lower temperature, cooling a high-temperature fuel gas receiver by the cooler to increase the flow rate of a propellant, and starting an electric arc within a preset range in the process that the flow rate of the propellant gradually falls back downwards from a peak value. The invention can obviously reduce the ablation of the electrode of the electric arc thruster in the starting process.)

一种减少电弧推力器电极启动烧蚀的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电弧放电装置，尤其是一种适用于卫星推进系统的电弧推力器。

背景技术

电弧推力器在启动过程中，电弧首先产生在阳极喷管喉道上游的收缩段，此时电弧以集聚形式贴附在收缩段壁面；随后，电弧贴附点向下游移动，穿过阳极喷管喉道，最终以发散形式贴附在喷管扩张段壁面。当电弧集聚贴附在阳极收缩段及喉道壁面时，热流密度很大，容易造成壁面烧蚀，制约电弧推力器的性能和寿命。为了解决这个问题，需要使电弧尽快从集聚贴附转变为发散贴附。现有技术主要采用并联专用的启动装置，在启动瞬间产生推进剂的压力脉冲，按照时序进行一系列主动控制，使电弧在压力脉冲期间启动。现有技术增加了系统的体积、重量和复杂程度，不利于卫星的工程应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种减少电弧推力器电极启动烧蚀的系统和方法，具有体积小、重量轻和简单方便的特点。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种减少电弧推力器电极启动烧蚀的系统，包括：燃气发生器、冷却器和电弧放电装置；

冷却器安装在燃气发生器与电弧放电装置之间；液体推进剂无水肼在燃气发生器内经过催化分解反应，变成高温燃气，燃气先流经冷却器，然后流入电弧放电装置，在电弧放电装置内参与电弧放电后喷出。

所述冷却器用于冷却燃气，通过冷却器内壁材料与燃气之间的温差进行热交换，降低燃气的总温，从而增大通过电弧放电装置的燃气质量流量。

所述电弧放电装置启动电弧时，冷却器出口的燃气总温最高值T₁为：

其中，T₀是冷却器入口的燃气总温，是燃气与冷却器温差为零时对应燃气的质量流量，

是防止电极启动烧蚀燃气的最小质量流量设计值， A是电弧推力器阳极喉道的最小横截面积，k是燃气的绝热指数，R是理想气体常数；M为燃气的摩尔质量，C是与电弧推力器阳极喉道尺寸相关的修正系数；P为冷却器2入口的燃气总压。

所述冷却器包括：入口接头、冷却段和出口接头；

入口接头、冷却段和出口接头串联密封连接，内部有贯通的通道，燃气从入口接头流入冷却器，从出口接头流出冷却器；燃气在通道内流动。

冷却段包括：多组前板和后板；

前板和后板均为圆板结构，前板的前端面和后板的前端面均开有凹槽结构，所述凹槽结构沿冷却段径向横截面为花瓣状；位于前板前端面的凹槽结构作为前板槽，位于后板前端面的凹槽结构作为后板槽；

前板的前端面和后板的前端面均朝向入口接头；

前板沿轴向开有前板孔，后板沿轴线开有后板孔，所述前板孔、后板孔均用于使前端面的凹槽结构与后端面连通，使前板槽和后板槽连通形成通道；

入口接头和出口接头之间包括多组依次设置的前板和后板组合。

所述冷却器的材料为与燃气化学相容的材料，包括不锈钢、高温合金、钛合金和钨钼合金等；所述入口接头和冷却段之间、冷却段和出口接头之间、燃气发生器和冷却器之间、冷却器和电弧放电装置之间，均采用电子束焊接、氩弧焊、钎焊或扩散焊密封连接。

一种利用上述减少电弧推力器电极启动烧蚀的系统减少电弧推力器电极启动烧蚀的方法，包括以下步骤：

1)使燃气发生器和电弧放电装置都处于关闭状态；

2)通过加热或冷却燃气发生器，使燃气发生器内催化床的温度达到正常启动范围，同时，使冷却器温度不高于T₂；其中，当冷却器入口处的燃气总温为T₀，冷却器出口处的燃气总温为T₁且电弧放电装置入口处燃气质量流量为

时，冷却器的温度为T₂；

3)启动燃气发生器，液体推进剂无水肼开始进入燃气发生器，经过催化分解反应变成高温燃气，高温燃气流经温度相对较低的冷却器时，被冷却器冷却，然后流入电弧放电装置；

燃气发生器启动初期，燃气与冷却器的温差最大，燃气被冷却后的总温最低，质量流量最大；随着时间推移，冷却器的温度逐渐上升，燃气的质量流量逐渐减小；在燃气质量流量最大时，电弧放电装置启动电弧；

4)维持燃气发生器和电弧放电装置工作到预定时间；

5)关闭燃气发生器和电弧放电装置。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

本发明显著降低了电弧推力器的体积、重量和复杂程度，有利于卫星的工程应用。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

图2为本发明的冷却器轴向剖面示意图。

图3为本发明的冷却器前板槽示意图。

图4为本发明的冷却器后板槽示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

本发明一种减少电弧推力器电极启动烧蚀的系统，如图1所示，包括：燃气发生器1、冷却器2和电弧放电装置3。冷却器2安装在燃气发生器1 与电弧放电装置3之间；液体推进剂无水肼在燃气发生器1内经过催化分解反应，变成高温燃气，燃气先流经冷却器2，然后流入电弧放电装置3，在电弧放电装置3内参与电弧放电后喷出，产生推力。

所述冷却器2用于冷却燃气，通过冷却器2内壁材料与燃气之间的温差进行热交换，降低燃气的总温，从而增大通过电弧放电装置3的燃气质量流量。

电弧放电装置3启动电弧时，冷却器2出口的燃气总温最高值T₁为：

其中，T₀是冷却器2入口的燃气总温即绝对温度，是燃气与冷却器 2温差为零时对应燃气的质量流量，

是防止电极启动烧蚀燃气的最小质量流量设计值，A是电弧推力器阳极喉道的最小横截面积，k是燃气的绝热指数，R是理想气体常数；M为燃气的摩尔质量，C是与电弧推力器阳极喉道尺寸相关的修正系数；P为冷却器2入口的燃气总压。

如图2所示，冷却器2包括：入口接头4、冷却段5和出口接头6。入口接头4、冷却段5和出口接头6串联密封连接，内部有贯通的通道7，燃气从入口接头4流入冷却器2，从出口接头6流出冷却器2；燃气在通道7 内流动，并与通道7的固壁换热，通道7的方向反复多次变化，提高了换热系数；冷却器2通过自身结构的热容吸纳燃气的热量。

冷却段5包括：多组前板8和后板9。前板8和后板9均为圆板结构，沿厚度方向交替串联叠加并密封。前板8的前端面和后板9的前端面均开有凹槽结构，所述凹槽结构沿冷却段5径向横截面为花瓣状；形成周向均布的花瓣结构；凹槽结构的厚度方向与冷却段5的轴线方向相同。如图3 所示，位于前板8前端面的凹槽结构作为前板槽10，如图4所示，位于后板9前端面的凹槽结构作为后板槽12；

前板8的前端面和后板9的前端面均朝向入口接头4；

前板8沿轴向开有前板孔11，后板9沿轴线开有后板孔13，所述前板孔11、后板孔13均用于使前端面的凹槽结构与后端面连通，使前板槽10 和后板槽12连通形成通道7。通道7是燃气流动和对流换热的区域，截面积优选使燃气流动达到湍流状态，在结构上均匀分布，以利于提高传热效率并充分利用结构热容。

入口接头4和出口接头6之间包括多组依次设置的前板8和后板9组合。

冷却器2的材料为与燃气化学相容的材料，包括不锈钢、高温合金、钛合金和钨钼合金等；所述入口接头4和冷却段5之间、冷却段5和出口接头6之间、燃气发生器1和冷却器2之间、冷却器2和电弧放电装置3 之间，均采用电子束焊接、氩弧焊、钎焊或扩散焊密封连接。

一种利用上述减少电弧推力器电极启动烧蚀的系统减少电弧推力器电极启动烧蚀的方法，包括以下步骤：

1)使燃气发生器1和电弧放电装置3都处于关闭状态；

2)通过加热或冷却燃气发生器1，使燃气发生器1内催化床的温度达到正常启动范围，同时，使冷却器2温度不高于T₂；其中，当冷却器2入口处的燃气总温为T₀，冷却器2出口处的燃气总温为T₁且电弧放电装置3 入口处燃气质量流量为时，冷却器2的温度为T₂；

3)按常规程序启动燃气发生器1，液体推进剂无水肼开始进入燃气发生器1，经过催化分解反应变成高温燃气，高温燃气的温度一般在 700-900℃，高温燃气流经温度相对较低的冷却器2时，被冷却器2冷却，然后流入电弧放电装置3；

燃气发生器1启动初期，燃气与冷却器2的温差最大，燃气被冷却后的总温最低，质量流量最大；随着时间推移，冷却器2的温度逐渐上升，燃气的质量流量逐渐减小；在燃气质量流量下降到之前，在燃气质量流量最大时，电弧放电装置3启动电弧。

4)维持燃气发生器1和电弧放电装置3工作到预定时间；

5)关闭燃气发生器1和电弧放电装置3。

本发明的一种减少电弧推力器电极启动烧蚀的系统，工作原理如下：冷却器2入口的燃气温度一般在700-900℃，冷却器2初始温度显著低于燃气总温。燃气经过冷却器后，总温显著下降，总压的变化很小，在电弧放电装置3内部结构尺寸已确定的情况下，流过电弧放电装置3的燃气质量流量与燃气总温T(绝对温度)近似满足以下公式：

通过冷却器2冷却燃气，可增大燃气的质量流量。燃气质量流量随时间的变化过程，与结构材料性能、重量，以及通道7的形状、长度和截面尺寸等相关，需要通过理论初步计算，然后通过试验测定。在大流量时启动电弧，可缩短电弧在阳极上从集聚贴附转换到发散贴附的时间，从而减少电极烧蚀。

实施例

一种减少电弧推力器电极启动烧蚀的方法，应用于本发明的系统，包括如下步骤：

1)使燃气发生器1和电弧放电装置3都处于关闭状态；

2)通过加热或冷却，使燃气发生器1温度达到正常启动范围，使冷却器2温度不高于T₂。其中，T₂是当冷却器2入口和出口的燃气总温分别为 T₀和T₁、燃气的质量流量为时冷却器2的温度。

3)按常规程序启动燃气发生器1，此时液体推进剂无水肼开始进入燃气发生器1，经过催化分解反应变成高温燃气，高温燃气的温度一般在700-900℃，高温燃气流经温度相对较低的冷却器2时，被冷却器2冷却，然后流入电弧放电装置3；

燃气发生器1启动初期，燃气与冷却器2的温差最大，燃气被冷却后的总温最低，质量流量最大；随着时间推移，冷却器2的温度逐渐上升，燃气的质量流量逐渐减小。当燃气与冷却器2之间温度达到平衡时，燃气质量流量达到最小值

。在燃气质量流量下降到之前，更优地，在燃气质量流量最大时，电弧放电装置3启动电弧。

4)维持燃气发生器1和电弧放电装置3工作到预定时间；

5)按常规程序关闭燃气发生器1和电弧放电装置3。

对于功率为1kW的肼电弧推力器样机，其工作参数为：冷却器2入口的燃气总温为700℃，燃气不与冷却器2换热时的质量流量为48mg/s，防止电极启动烧蚀的燃气最小质量流量为66mg/s；冷却器2采用高温合金 GH3128，通道7的截面尺寸为0.8mm×0.8mm，长度为200mm。在燃气发生器启动时，冷却器2温度低于240℃，燃气流量超过66mg/s。在燃气流量回落到66mg/s的过程中启动电弧，可减少电极的烧蚀。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。