ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).

Известен двигатель с замкнутым дрейфом электронов, например, двухступенчатый двигатель с анодным слоем (ДАС) (С.Д. Гришин, B.C. Ерофеев и др. Характеристики двухступенчатого ионного ускорителя с анодным слоем. ПМТФ, 1978, №2, с.28), содержащий кольцевые катоды и анод-газораспределитель. Причем указанные кольцевые катоды разрядной ступени одновременно являются анодами ускорительной ступени. Обе ступени размещаются в кольцевом зазоре магнитной системы, состоящей из электромагнита и магнитопровода с полюсами. Катоды и аноды изготовлены из молибдена.

Недостатком такого ДАС является сравнительно небольшой ресурс работы вследствие катодного распыления электродов. Так четырехсотчасовые испытания ДАС на висмуте показали, что скорость уноса молибденовых катодов составляла ~(1,7-1,9)10⁵ г/К (Г.Д. Гришин, Л.В. Лесков, Н.П. Козлов. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975 г., с.164). Это означает, что даже при токе 5 А длина кольцевых катодов за каждые 1000 часов уменьшается на 10-15 мм. Из предлагаемых в (Г.Д. Гришин, Л.В. Лесков, Н.П. Козлов. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975 г., с.164) путей увеличения ресурса ДАС наиболее существенным является замена материала катодов на графит.

В работе (А.В. Семенкин, А.Е. Солодухин. Исследование эрозии в разрядном канале многорежимного двигателя с анодным слоем. Теоретические и экспериментальные исследования вопросов общей физики. ЦНИИМаш, 2006 г. С.114-117), посвященной исследованию эрозии разрядного канала ДАС, показано, что при испытаниях двухступенчатого ДАС общей продолжительностью до 1200 часов эрозии катодов первой ступени не наблюдалось. Приведены пути обеспечения ресурса двигателя:

1. изготовление распыляющихся деталей из стойких к распылению материалов;

2. увеличение толщины распыляемых электродов;

3. сокращение глубины канала.

Благодаря оптимизации конструкции ЭРД второй и третий пути практически исчерпали свои возможности в современных конструкциях ДАС. В ДАС (А.В. Семенкин, А.Е. Солодухин. Исследование эрозии в разрядном канале многорежимного двигателя с анодным слоем. Теоретические и экспериментальные исследования вопросов общей физики. ЦНИИМаш, 2006 г. С.114-117), в котором электроды выполнены из графита, коэффициент катодного распыления даже при больших энергиях ионов (при напряжении в ускорительной ступени 2,5 кВ) снижается в ~(2-3) раза. Однако длительные испытания (продолжительностью ~1000 часов) такого ДАС на висмуте показали, что скорость уноса графита катода ускорительной ступени двигателя при токе 6 А такова, что длина катода за это время уменьшилась на ~1 мм. Использование таких двигателей для современных КА (при требуемом ресурсе работы более 10000 часов) привело бы к уменьшению длины катода ускорительной ступени, образующего разрядную камеру, на величину более 10 мм и, следовательно, к значительной эрозии магнитных полюсов, сопровождаемой деградацией характеристик двигателя.

Известен двухступенчатый двигатель с анодным слоем (RU 2406873 C2, МПК F03H 1/00, опубл. 20.12.2010), содержащий электромагнит, магнитопровод с полюсами; жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и выполненные из графита кольцевые катоды разрядной и ускорительной ступеней. В нем катод ускорительной ступени, образующий разрядную камеру, выполнен составным и содержит кольцевой корпус и подпружиненные в направлении выхода из двигателя наружное и внутреннее кольца из графита, выполненные с возможностью перемещения по наружной цилиндрической поверхности корпуса вдоль оси двигателя и упирающиеся в систему радиально расположенных на полюсах магнитопровода штифтов. При этом радиальные штифты, смещенные в осевом направлении, упираются или в наружные поверхности колец катода ускорительной ступени, выполненные коническими, или в продольные пазы различной длины, расположенные на выходном участке колец. Причем штифты выполнены из немагнитного материала, коэффициент катодного распыления которого близок к коэффициенту катодного распыления материала колец.

В этом двухступенчатом ДАС одновременно с катодным распылением рабочего участка, подпружиненного в сторону выхода из двигателя катода ускорительной ступени, происходит распыление упоров, ограничивающих перемещение последнего. При полном распылении упоров первого уровня происходит ступенчатое перемещение катода ускорительной ступени (разрядной камеры) до упоров второго уровня, а затем после распыления последних осуществляется его ступенчатое перемещение до упоров третьего уровня. Таким образом, ступенчато восстанавливая рабочий участок ускорительной ступени в несколько раз, повышается ресурс двигателя.

Однако при этом происходит ступенчатое изменение параметров двигателя из-за изменения осевого расположения рабочего участка катода ускорительной ступени.

Аналогичный недостаток характеризовал и двигатель с замкнутым дрейфом электронов - стационарный плазменный двигатель (СПД) ОКБ «Факел» (Островский В.Г., Сухов Ю.И. «Разработка, создание и эксплуатация ЭРД и ЭРДУ в ОКБ-1 - ЦКБЭМ - НПО «Энергия» - РКК «Энергия» (1958-2011)» под редакцией и при участии Соколова Б.А. Ракетно-космическая техника. Труды РКК "Энергия". Сер. XII. Вып.3-4, 2011 г. С.69-70), принятый за прототип. В нем магнитная система двигателя состоит из магнитопровода, содержащего подвижный наружный фланец и неподвижную часть магнитопровода с магнитными экранами, внутренних катушек намагничивания, четырех наружных катушек намагничивания, каждая из которых состоит из двух частей, наружного и внутреннего магнитных полюсов. В полость, образованную магнитными экранами, помещена обойма разрядной камеры. Обойма выполнена из магнитомягкого металла и имеет возможность перемещаться по магнитным экранам. Обе части наружных катушек намагничивания расположены на общем сердечнике, причем одна часть (неподвижная) закреплена на наружном фланце магнитной системы. Обойма разрядной камеры взаимодействует с подвижным наружным фланцем и неподвижной частью магнитопровода через стопорно-дозирующее устройство храпового типа. Подвижные части магнитной системы подпружинены пружинами. Изолятор разрядной камеры выполнен из материала АБН-1.

Работает устройство перемещения следующим образом. При возникновении перемещения разрядной камеры (для компенсации эрозии диэлектрика) на обе части каждой наружной катушки подается электропитание, создающее силу отталкивания, под действием которой подвижная часть катушек переместит наружный фланец, сжав при этом пружины. Наружное стопорно-дозирующее устройство сработает на один шаг, т.к. перемещение обоймы будет ограничено внутренним храповиком. После отключения питания катушек пружины переместят наружный фланец, а вместе с ним и обойму на один шаг вперед. При этом внутренний храповик перейдет в следующее положение. Данная операция может многократно повторяться в соответствии с числом ходов стопорно-дозирующего устройства.

Квалификационные ресурсные испытания показали, что в течение первых 2000-3000 часов происходит непрерывное изменение тяги СПД, составляющее до ±10% от номинальной величины, после чего она стабилизируется. Из этого следует, что при каждом скачкообразном перемещении разрядной камеры, восстанавливающим ее первоначальную геометрию, тяга двигателя длительное время будет отличаться от номинального значения.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение ресурса двигателей с замкнутым дрейфом электронов (двухступенчатого двигателя с анодным слоем и стационарного плазменного двигателя) при сохранении их характеристик в течение всего времени работы.

Эта задача решается следующим образом.

В двигателе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем электромагнит, магнитопровод с полюсами, анод и катод-нейтрализатор, жестко связанные с магнитопроводом, и расположенную внутри него кольцевую разрядную камеру, закрепленную на фланце, подпружиненном относительно магнитопровода, фланец с закрепленной на нем кольцевой разрядной камерой соединен со стержнем, другой конец которого прикреплен к магнитопроводу, причем стержень выполнен из материала, обладающего скоростью ползучести, равной линейной скорости эрозии стенок разрядной камеры.

На фиг.1 представлен общий вид двигателя с замкнутым дрейфом электронов (двухступенчатого двигателя с анодным слоем), в котором магнитопровод 1 с полюсами 2 снабжен центральным и периферийными электромагнитами 3. Кольцевой катод разрядной ступени 4 и расположенный внутри него анод-газораспределитель 5 неподвижно установлены на магнитопроводе 1. Кольцевой катод ускорительной ступени 6, образующий разрядную камеру, жестко связанный с фланцем 7, подпружинен относительно магнитопровода 1 пружиной 8. Фланец 7 с помощью штифтов 9 и втулки 10 соединен со стержнем 11, второй конец которого закреплен на магнитопроводе 1. При этом стержень 11 выполнен из материала, обладающего скоростью ползучести, равной линейной скорости эрозии стенок кольцевого катода ускорительной ступени 6. Катод-нейтрализатор 12 установлен на задней стенке магнитопровода 1.

Предложенный двигатель работает следующим образом. Разогревают катод-нейтрализатор 12, подают рабочее тело в катод-нейтрализатор 12 и анод-газораспределитель 5 и производят запуск двигателя. При работе двухступенчатого двигателя с анодным слоем (например, ДАС-200) на номинальном режиме при мощности 25 кВт температура в районе расположения стержня 11 составляет примерно 600°C. Ресурсные испытания ДАС с катодом ускорительной ступени 6, выполненным из графита В1, показали, что линейная скорость уноса графита составила 1 мм за 1000 часов работы двигателя. Для обеспечения ресурса 10000 часов стержень 11 должен удлиниться на 10 мм. Принимая длину стержня 180 мм, его относительное удлинение составит ε=0,055555.

Расчет ползучести материалов стержня в соответствии с работой (Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. С.241-253) проводится по следующим формулам: ε=ε_min·t; εmin=k·σⁿ.

Представленные в таблице (фиг.3) коэффициенты k, n для каждого материала зависят от температуры. Используя исходные данные (потребный ресурс, температуру в районе стержня и его длину) и выбрав материал стержня из таблицы, находим величину напряжения пластической деформации σ, определяющую диаметр стержня и жесткость пружины.

Исходя из представленных в таблице (фиг.3) величин напряжения σ, можно выбрать площадь сечения стержня и жесткость пружины. Например, при использовании в качестве материала стержня углеродистой стали с рабочей температурой 650°C и радиусе стержня 2 мм сила, которая должна действовать на стержень со стороны пружины (или другого элемента, заменяющего пружину, например поршня), равна f=σ·S=12,6·8,3=104,3 H.

По полученной силе выбираем нужную жесткость пружины.

Таким образом, при функционировании ДАС нагретый до рабочей температуры подпружиненный стержень 11 будет удлиняться со скоростью, равной линейной скорости эрозии стенок кольцевого катода ускорительной ступени 6. Под действием пружины 8 с помощью штифтов 9 и втулки 10 стержень 11 перемещает фланец 7 и установленный на нем катод ускорительной ступени 6, представляющий собой разрядную камеру, непрерывно восстанавливая его геометрию на выходе из двигателя.

На фиг.2 представлен общий вид стационарного плазменного двигателя, в котором магнитопровод 1 с полюсами 2 снабжен центральным и периферийными электромагнитами 3. Анод-газораспределитель 5 неподвижно установлен на магнитопроводе 1. Разрядная камера 13, жестко связанная с фланцем 7, подпружинена относительно магнитопровода 1 пружиной 8. Фланец 7 с помощью штифтов 9 и втулки 10 соединен со стержнем 11, второй конец которого закреплен на магнитопроводе 1. При этом стержень 11 выполнен из материала, обладающего скоростью ползучести, равной линейной скорости эрозии стенок разрядной камеры 13. Катод-нейтрализатор 12 установлен на задней стенке магнитопровода 1. Выбор материала и размеров стержня 11 может быть осуществлен аналогично выбору, произведенному для варианта ДАС.

Таким образом, предложенное исполнение двигателей с замкнутым дрейфом электронов позволяет непрерывно восстанавливать геометрию подверженной катодному распылению разрядной камеры, многократно увеличивая ресурс и при этом сохраняя характеристики двигателей во все время эксплуатации.