×
27.02.2015
216.013.2d73

Результат интеллектуальной деятельности: ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Вид РИД

Изобретение

№ охранного документа
0002543103
Дата охранного документа
27.02.2015
Аннотация: Изобретение относится к энергетике. Ионный двигатель, содержащий корпус, закрепленные жестко на наружной поверхности корпуса газоразрядную камеру и ионно-оптическую систему и катод-нейтрализатор, установленный на корпусе, при этом корпус ионного двигателя имеет торообразную форму, причем катод-нейтрализатор установлен по центральной оси корпуса, электроды ионно-оптической системы и газоразрядная камера выполнены кольцеобразной формы, при этом их внутренние поверхности по периметру жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса ионного двигателя. Изобретение позволяет значительно повысить вибропрочность электродов, обеспечить стабильность межэлектродных зазоров, а также обеспечивает увеличение КПД. 1 ил.
Основные результаты: Ионный двигатель, содержащий корпус, закрепленные жестко на наружной поверхности корпуса газоразрядную камеру и ионно-оптическую систему и катод-нейтрализатор, установленный на корпусе, отличающийся тем, что корпус ионного двигателя имеет торообразную форму, при этом катод-нейтрализатор установлен по центральной оси корпуса, электроды ионно-оптической системы и газоразрядная камера выполнены кольцеобразной формы, причем их внутренние поверхности по периметру жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса ионного двигателя.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).

Среди различных типов электроракетных двигателей (ЭРД) в ионных двигателях (ИД) может быть достигнут максимальный удельный импульс тяги.

Принцип действия ИД основан на извлечении из ионизованной плазмы ионов и дальнейшем их электростатическом ускорении. В таком двигателе полностью разделены процессы ионизации и ускорения. По способу перевода рабочего тела (РТ) в ионизованное состояние ИД разделяют на 3 группы: на основе разряда постоянного тока, ВЧ-разряда или СВЧ-разряда.

ИД средней мощности широко используются за рубежом. К настоящему времени разработан широкий спектр таких двигателей. В США разрабатываются, производятся и эксплуатируются ИД с разрядом постоянного тока [1].

Особенностью германских двигателей является то, что ионизация РТ происходит в ВЧ-разряде.

В японских двигателях ионизация ксенона происходит в СВЧ-разряде.

Одним из основных узлов ИД является ионно-оптическая система (ИОС).

Известен ИД [1 - с.240], содержащий газоразрядную камеру (ГРК), имеющую форму цилиндра с конической задней стенкой. К стенкам ГРК через изоляторы крепятся аноды. Магнитное поле создается с помощью электромагнитов, расположенных снаружи ГРК. Конфигурация магнитного поля задается тремя полюсными наконечниками. Внутри катодного полюсного наконечника расположен полый катод. Эмиттер - из гексаборида лантана. Рабочее тело (ксенон) подается в ГРК через коллектор, расположенный в районе ИОС, которая состоит из плазменного, ускоряющего и замедляющего электродов. Замедляющий электрод выполнен в виде кольца, охватывающего весь ионный пучок. Плазменный и ускоряющий электроды толщиной 0,5 и 1,0 мм имеют форму сегмента сферы с большим радиусом и обладают начальным прогибом, направленным наружу ГРК. Снаружи ИОС расположен катод-нейтрализатор.

Недостатком ИД с разрядом постоянного тока является то, что под высоким потенциалом находятся: анод, стенка ГРК, катод с подключенными к нему источниками электропитания, экранная сетка ИОС и кабели. Обеспечить надежную электрическую изоляцию указанных цепей от корпуса и в системе питания и управления (СПУ) технически сложно. Кроме того, двигатель с разрядом постоянного тока конструктивно сложнее двух других типов. Для его работы необходим катод ГРК, ток которого должен в 7-10 раз превосходить ток катода-нейтрализатора. Для двигателя мощностью (30-70) кВт с ионным током (10-20) А потребуется катод на разрядный ток (70-150) А. Создание такого сильноточного катода представляет собой достаточно сложную инженерную задачу. Катоды и нейтрализаторы, в особенности сильноточные, имеют ограниченный ресурс. Так, наработка катодов-нейтрализаторов ОКБ «Факел» (для СПД-100 на 4,5 А) не превышает 9000 ч [1 - с.33]. Поэтому потребуется резервирование как катодов, так и катодов-нейтрализаторов, но поместить несколько катодов в ГРК практически невозможно, так как катод должен располагаться вдоль продольной оси двигателя.

Самым мощным ионным двигателем к настоящему времени является лабораторная модель двигателя NEXIS мощностью до 25 кВт. Для повышения его мощности в 2-3 раза (необходимой для маршевых задач дальнего космоса) требуется пропорционально увеличить площадь ИОС. В результате, на мощность 50 кВт, диаметр модели должен быть около 0,8 м, на 75 кВт - 1 м. Мембрана такого диаметра, закрепленная по периферии, обладает малой вибропрочностью.

За прототип принят ионный двигатель с ВЧ-разрядом, например, RIT-ИД с радиочастотной ионизацией [2]. В общем случае ионный двигатель, например, RIT-22, содержит: 2- или 3-сеточную ИОС (круглого сечения); катод-нейтрализатор, установленный снаружи корпуса ИД; ГРК из диэлектрического материала с малым косинусом потерь; индуктор в виде спирали из медного провода; узел подачи ксенона, с газоэлектрической развязкой; корпус и радиочастотный генератор.

В радиочастотном двигателе единственным элементом, находящимся под высоким потенциалом, является экранная сетка (с подключенным к ней проводом), которая расположена внутри диэлектрической ГРК, выполняющей, помимо всего, защитную функцию. Поэтому особых мер по обеспечению электрической прочности изоляции этой сетки не требуется. Остальные элементы двигателя имеют относительно низкие потенциалы.

В разрабатываемом крупногабаритном ИД RIT-45 мощностью 35 кВт диаметр ИОС будет порядка 500 мм, в крупногабаритном ИД ЭРД-50 мощностью 30 кВт характерный размер ИОС (круглого сечения) составляет 700 мм [1]. При этом электроды ИОС традиционно выполняются в виде тонких (толщиной 0,4…1,0 мм) пластин перфорированных до 35000 отверстий. Причем допуск на точность выполнения отверстий в двух электродах обычно составляет не более 0,02 мм. Вибропрочность таких электродов, представляющих собой заделанную по окружности тонкостенную мембрану большой площади, перфорированную десятками тысяч отверстий, достаточно мала. Кроме того, расчет термической деформации электродов ИОС в крупногабаритном ИД с учетом геометрии, температурных полей и теплофизических свойств материалов показывает, что обеспечение приемлемых тепловых деформаций сеток представляет собой достаточно сложную задачу. В этом смысле предпочтительней делать сетки из однородного материала - углерода, который имеет наименьший коэффициент линейного расширения - минус 0,3·10-6 °C-1. Так как электроды являются практически изотермичными, они будут повторять форму друг друга. При использовании разнородных материалов сеток добиться стабильности межэлектродных зазоров в диапазоне (0,5-1,0) мм крайне сложно.

Недостатком такого крупногабаритного ИД является значительное снижение вибропрочности ИОС, представляющей собой огромную перфорированную мембрану. Кроме того, несимметричная установка катода-нейтрализатора снаружи ИОС, приводит к уменьшению КПД ИД на 5-7% [3].

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение вибропрочности и надежности эксплуатации за счет обеспечения стабильности межэлектродных зазоров ИОС, а также повышение КПД крупногабаритного ИД.

Эта задача решается следующим образом.

В крупногабаритном ионном двигателе, содержащем корпус, закрепленные жестко на наружной поверхности корпуса газоразрядную камеру и ионно-оптическую систему и катод-нейтрализатор, установленный на корпусе, при этом корпус ионного двигателя имеет горообразную форму, причем катод-нейтрализатор установлен по центральной оси корпуса, электроды ионно-оптической системы и газоразрядная камера выполнены кольцеобразной формы, при этом их внутренние поверхности по периметру жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса ионного двигателя.

На фиг.1 представлен общий вид ИД, который состоит из заключенных в кольцевой корпус 6 кольцевой 3-сеточной ИОС 1, расположенного вдоль центральной оси катода-нейтрализатора 2 и кольцевой ГРК 3, выполненной из диэлектрического материала с малым косинусом потерь. Индуктор 4 выполнен в виде спирали из медного провода и кольцевого узла подачи ксенона 5 с газоэлектрической развязкой. При этом ИОС 1 состоит из кольцевых: экранного электрода 7 с токоподводом 8, ускоряющего электрода 9 с токоподводом 10 и замедляющего электрода 11, электроразделенных изоляторами 12 и заделанных в корпус с наружной и внутренней стороны. Корпус 6 перфорирован отверстиями 13.

Для запуска двигателя подают расход ксенона в катод-нейтрализатор 2 и кольцевой узел подачи ксенона 5 ГРК 3. После стартового разогрева катода-нейтрализатора 2 инициируют в нем разряд и включают ВЧ-генератор, питающий индуктор 4. Электроны через ИОС 1 проникают в полость ГРК 3, где инициируют высокочастотный разряд. Затем подают напряжение на электроды 7, 9, 11 ИОС 1 и двигатель переходит в номинальный режим работы. Особенностью двигателя такой схемы является то, что только экранный электрод 7 ИОС 1 находится под высоким потенциалом, так как разряд в ГРК 3 является безэлектродным.

Рассмотрим две мембраны из одного и того же материала, одинаковой толщины, отличающиеся только диаметром.

Круговая частота собственных колебаний мембраны рассчитывается по формуле

,

где λ - круговая частота;

Р - цилиндрическая жесткость мембраны;

m - масса единицы площади мембраны;

R - радиус мембраны.

Цилиндрическая жесткость мембраны описывается следующим образом:

,

где Е - модуль Юнга;

h - толщина мембраны;

µ - коэффициент Пуассона.

В результате получаем: . То есть собственная частота колебаний мембраны обратно пропорциональна ее площади. Сетки ИОС ионного двигателя в упрощенном виде можно представить в виде мембран. В ионном двигателе, в котором площадь оптики в два раза больше, чем у другого ИД, собственная частота сеток в два раза ниже. При одинаковом уровне перегрузок вдвое возрастет амплитуда перемещений, что увеличивает риск повреждения (поломок) сеток.

Таким образом, при необходимости значительного увеличения мощности двигателя (площади его ИОС) предпочтительно использовать предложенный ИД. В нем электроды ИОС закреплены по наружной и по внутренней поверхностям корпуса. Такая конструкция ИД позволит значительно повысить вибропрочность электродов и обеспечить стабильность межэлектродных зазоров в диапазоне (0,5-1,0) мм при их термическом расширении во время работы ИД.

Кроме того, центральное расположение катода-нейтрализатора обеспечит увеличение КПД на несколько (5-7) процентов, особенно при значительном увеличении диаметра ИОС.

Литература

1. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. акад. РАН А.С. Коротева. - М.: Машиностроение. - 2008.

2. H.W. Loeb, D. Feili, G.A. Popov, V.A. Obukhov, V.V. Balashov, A.I. Mogulkin, V.M. Murashko, A.N. Nesterenko, and S.A. Khartov: "Design of High-Power High-Specific Impulse RF-Ion Thruster", 32 nd IEPC, Wiesbaden, Sept. 11-15, 2011.

3. Исследование и разработка катодов нового поколения для стационарных плазменных двигателей. Архипов Б.А. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Калининград, 1998 г. С.21.

Ионный двигатель, содержащий корпус, закрепленные жестко на наружной поверхности корпуса газоразрядную камеру и ионно-оптическую систему и катод-нейтрализатор, установленный на корпусе, отличающийся тем, что корпус ионного двигателя имеет торообразную форму, при этом катод-нейтрализатор установлен по центральной оси корпуса, электроды ионно-оптической системы и газоразрядная камера выполнены кольцеобразной формы, причем их внутренние поверхности по периметру жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса ионного двигателя.
ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 171-180 of 370 items.
20.11.2015
№216.013.8f53

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение точности коммутации в условиях изменения температуры при снижении массы и габаритов коммутатора. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току содержит элемент И, последовательно соединенные электронный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568307
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.11.2015
№216.013.8f6f

Способ измерения дальности до объектов по их изображениям преимущественно в космосе

Изобретение относится к способам измерения дальности и линейных размеров объектов по их изображениям. Согласно способу измеряют размеры и координаты центра изображения объекта до и после перемещения средства наблюдения под углом к оптической оси. Определение дальности производят в зависимости...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568335
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.11.2015
№216.013.8f86

Центробежное рабочее колесо

Изобретение может быть использовано в малорасходных насосах изделий ракетно-космической техники. Центробежное рабочее колесо содержит выполненный заодно со ступицей (1) ведущий диск (2) с лопатками (3) и покрывной диск (4) с центральным входным отверстием (5). Диск (4) контактирует с торцовыми...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568358
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.01.2016
№216.013.a3cd

Способ эксплуатации электролизной системы, работающей при высоком давлении

Изобретение относится к «водородной» энергетике и может быть использовано на станциях заправки перспективного автотранспорта на топливных элементах. Способ эксплуатации электролизной системы, работающей при высоком давлении, включает процесс разложения воды электрическим током с раздельным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002573575
Дата охранного документа: 20.01.2016
27.01.2016
№216.014.bdc2

Многослойная трансформируемая герметичная оболочка

Изобретение относится к трансформируемым космическим структурам. Многослойная трансформируемая герметичная оболочка (МТГО) включает ЭВТИ с защитой от атомарного кислорода, противометеороидную защиту в виде защитных противометеороидных экранов с межэкранными разделителями, армирующий слой,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002573684
Дата охранного документа: 27.01.2016
20.06.2016
№217.015.042a

Устройство для определения параметров двухполюсника

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к измерению электрических параметров двухполюсников. Устройство содержит первый блок задания схемы замещения, преобразователь ток-напряжение, масштабный усилитель, аналогово-цифровой преобразователь, блок управления измерением,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002587647
Дата охранного документа: 20.06.2016
20.06.2016
№217.015.0500

Способ определения тензора инерции космического аппарата

Изобретение относится к определению массово-инерционных характеристик космических аппаратов (КА). Способ включает измерение острого угла между направлением на Солнце и плоскостью орбиты КА. При достижении этим углом максимального значения выставляют строительную ось КА, отвечающую максимальному...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002587663
Дата охранного документа: 20.06.2016
10.05.2016
№216.015.2b0c

Способ тарировки датчика микроускорений в космическом полете

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при определении погрешности датчика микроускорений на космическом аппарате (КА). Технический результат - обеспечение тарировки датчика микроускорений в космическом полете. Способ тарировки датчика микроускорений в космическом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583882
Дата охранного документа: 10.05.2016
10.05.2016
№216.015.2b0d

Способ определения параметров двухполюсника

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах и транспортных средствах. Техническим...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583879
Дата охранного документа: 10.05.2016
20.07.2016
№216.015.2b21

Космическая двухрежимная ядерно-энергетическая установка транспортно-энергетического модуля

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании энергетических и двигательных установок для решения двух задач: для доставки космических аппаратов (КА) на орбиту и последующего длительного энергообеспечения аппаратуры КА. Космическая двухрежимная...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002592071
Дата охранного документа: 20.07.2016
Showing 171-180 of 294 items.
27.10.2015
№216.013.87cf

Космический приемник-преобразователь лазерного излучения

Изобретение относится к области создания приемников-преобразователей на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения высокой плотности. Заявлена конструкция космического приемника-преобразователя лазерного излучения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002566370
Дата охранного документа: 27.10.2015
27.10.2015
№216.013.87d8

Способ определения величины атмосферной рефракции в условиях космического полета

Заявляемое изобретение относится к навигационной технике, а именно к способу навигации космического аппарата (КА). Способ основан на измерении отклонения истинного и измеренного положения звезды, наблюдаемой сквозь земную атмосферу. Отклонение связано с атмосферной рефракцией. Для этого с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002566379
Дата охранного документа: 27.10.2015
10.11.2015
№216.013.8e25

Способ зондирования верхней атмосферы

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для зондирования верхней атмосферы. Способ зондирования верхней атмосферы основан на измерении и прогнозировании орбиты космического аппарата (КА) и измерении физических параметров атмосферы. Прогнозируется время...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002567998
Дата охранного документа: 10.11.2015
10.11.2015
№216.013.8e49

Способ электролиза воды под давлением в электролизной системе

Изобретение относится к способу электролиза воды под давлением в электролизной системе, входящей в состав накопителей электроэнергии, работающих с замкнутым по воде рабочим циклом. Способ включает подачу постоянного напряжения от источника питания и воды, частичное разложение воды током в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568034
Дата охранного документа: 10.11.2015
10.11.2015
№216.013.8ebf

Способ определения скорости движения фронтальной части ледника с космического аппарата

Изобретение относится к области дистанционного мониторинга опасных природных процессов и может быть использовано для определения скорости движения фронтальной части ледника. Сущность: определяют неподвижные характерные точки на склонах ледника. Осуществляют с космического аппарата съемку...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568152
Дата охранного документа: 10.11.2015
10.11.2015
№216.013.8f12

Способ управления движением космического объекта после отделения от другого космического объекта

Изобретение относится к управлению движением космического объекта (КО), например пилотируемого КО, после его отделения от другого КО, например ракеты-носителя (РН). Разворот КО в требуемую ориентацию начинают в момент Δt, отсчитываемый от момента его отделения от другого КО (далее - РН)....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568235
Дата охранного документа: 10.11.2015
20.11.2015
№216.013.8f53

Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение точности коммутации в условиях изменения температуры при снижении массы и габаритов коммутатора. Коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току содержит элемент И, последовательно соединенные электронный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568307
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.11.2015
№216.013.8f6f

Способ измерения дальности до объектов по их изображениям преимущественно в космосе

Изобретение относится к способам измерения дальности и линейных размеров объектов по их изображениям. Согласно способу измеряют размеры и координаты центра изображения объекта до и после перемещения средства наблюдения под углом к оптической оси. Определение дальности производят в зависимости...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568335
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.11.2015
№216.013.8f86

Центробежное рабочее колесо

Изобретение может быть использовано в малорасходных насосах изделий ракетно-космической техники. Центробежное рабочее колесо содержит выполненный заодно со ступицей (1) ведущий диск (2) с лопатками (3) и покрывной диск (4) с центральным входным отверстием (5). Диск (4) контактирует с торцовыми...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568358
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.01.2016
№216.013.a3cd

Способ эксплуатации электролизной системы, работающей при высоком давлении

Изобретение относится к «водородной» энергетике и может быть использовано на станциях заправки перспективного автотранспорта на топливных элементах. Способ эксплуатации электролизной системы, работающей при высоком давлении, включает процесс разложения воды электрическим током с раздельным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002573575
Дата охранного документа: 20.01.2016
+ добавить свой РИД