ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ

Изобретение относится к области космической техники, а именно к электрореактивным двигательным установкам, и может быть использовано в стационарных плазменных двигателях и двигателях с анодным слоем, а также в области прикладного применения плазменных ускорителей.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий катодный блок с катодами-компенсаторами, анодный блок с анодом, причем катоды-компенсаторы размещены по одну строну анодного блока [1].

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий основной и резервный катод-компенсатор, каждый из которых содержит поджигной электрод, анодный блок с анодом, причем основной и резервный катоды-компенсаторы размещены по одну строну анодного блока [2].

Конструкция известных двигателей имеет существенные недостатки:
- пониженные ресурс и надежность из-за повышенной эрозии резервного катода-компенсатора при функционировании основного катода-компенсатора;
- загрязнение продуктами эрозии элементов катода-компенсатора поверхностей космического аппарата (КА) в процессе выработки ресурса.

В стационарных плазменных двигателях снижение вероятности отказа при работе и повышение его надежности достигается путем резервирования наиболее критичных элементов, в частности катода-компенсатора. Для этого в состав двигателя вводят дополнительный катод-компенсатор, который находится в резерве при работе основного катода-компенсатора. По завершении выработки ресурса или в случае отказа основного катода-компенсатора подключается резервный.

При работе стационарных плазменных двигателей струя ускоренного ионного потока за срезом разрядной камеры представляет собой конус с полууглом 40... 45^o, в котором сосредоточено около 90% всех ускоренных ионов [3]. Истечение ускоренного ионного потока происходит с одновременной закруткой его в азимутальном направлении. Эффект закрутки при этом зависит от направления протекания электрического тока в источниках намагничивающей силы магнитной системы. В известных двигателях резервный катод-компенсатор расположен первым в направлении азимутальной закрутки ускоренных ионов, а основной катод-компенсатор - вторым. Такое размещение катодов-компенсаторов приводит к тому, что в процессе функционирования двигателя с основным катодом-компенсатором резервный катод-компенсатор подвержен эрозии более высокой, чем эрозия основного катода-компенсатора в процессе выработки ресурса [4]. В первую очередь ионной бомбардировке подвергается резервный катод-компенсатор, как катод, размещенный первым в направлении азимутальной закрутки ускоренного потока плазмы. При таком размещении катодов резервирование является слабо эффективным, так как неработающий резервный катод подвергается сильной эрозии, при работе двигателя на основном катоде, с последующим разрушением деталей, причем еще до своего начала функционирования с двигателем.

Кроме того, дополнительными факторами повышенной эрозии неработающего резервного катода-компенсатора могут быть наличие расхода рабочего тела в резервный катод и потенциала на нем при работе двигателя на основном катоде, например, при существовании электрической и пневматической связях с основным катодом-компенсатором. Электрическая связь обоих катодов-компенсаторов обусловлена объединением электрических цепей поджигных электродов и собственно катодов. Пневматическая связь в известных двигателях обусловлена наличием перетекания рабочего газа из магистрали подачи рабочего газа к основному катоду-компенсатору в магистраль питания резервного катода-компенсатора через анодные дроссельные устройства за счет наличия противотока. При условиях, когда в резервный катод-компенсатор поступает малый расход рабочего газа и имеется плазма от работающего двигателя, на выходе резервного катода-компенсатора образуется слабый тлеющий разряд. В результате этого поджигающие электроды обоих катодов-компенсаторов оказываются в зонах с различными потенциалами плазмы. Совокупность перечисленных факторов вовлекает резервный катод-компенсатор, при неоптимальных режимах его функционирования, во взаимодействие с ускоренным потоком ионов, усиливая тем самым собственную скорость эрозии по сравнению со скоростью эрозии основного катода-компенсатора.

Образовавшиеся продукты эрозии элементов катодов-компенсаторов распыляются струей ускоренного плазменного потока, а затем осаждаются на различных поверхностях как двигателя, так и самого КА. При этом происходит деградация основных свойств материалов и поверхностей. Так, например, для некоторых элементов будет изменяться степень черноты поверхности, а значит будет изменяться тепловой баланс работы данных узлов и блоков по сравнению с заложенным при их разработке и наземной отработке. Попадая же на изоляционные поверхности продукты эрозии (в основном металлы) будут образовывать токопроводящие пленочные покрытия, приводящие к снижению электрической изоляции между различными электрическими цепями. А при осаждении металлических компонентов на поверхностях солнечных батарей КА приведет к ухудшению оптических свойств и, как следствие, снижению кпд солнечных батарей.

Задачей изобретения является снижение эрозии резервного катода-компенсатора и повышение эффективности его использования при длительном ресурсе и, как следствие, повышение надежности и ресурса работы двигателя в процессе его эксплуатации.

Это достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, включающим по меньшей мере один основной и один резервный катод-компенсатор, каждый из которых содержит поджигной электрод, анодный блок с анодом, причем основной и резервный катоды-компенсаторы размещены по одну строну анодного блока, согласно изобретению основной катод-компенсатор расположен первым в направлении азимутальной закрутки ускоренных ионов, а резервный катод-компенсатор - вторым. Геометрическая ось каждого катода-компенсатора расположена в одной плоскости с геометрической осью двигателя. Поджигные электроды и собственно катоды основного и резервного катодов-компенсаторов электрически изолированы друг от друга. Основной и резервный катоды-компенсаторы пневматически изолированы друг от друга.

Задача по повышению надежности и ресурса двигателя решена за счет снижения эрозии резервного катода-компенсатора и повышения эффективности его использования в процессе работы двигателя при помощи оптимального расположения катодов-компенсаторов относительно азимутальной закрутки ускоренного потока плазмы. Оптимальное расположение катодов-компенсаторов достигается за счет их определенного размещения в зависимости от направления азимутальной закрутки ионов, а именно: основной катод-компенсатор, работающий с начала ресурсной наработки двигателя, располагается первым в направлении азимутальной закрутки ускоренного ионного потока; резервный катод-компенсатор, подключаемый при потере работоспособности основного, располагается вторым. Таким образом одновременно снижаются скорости эрозии как самого основного катода-компенсатора во время его работы, так и резервного катода-компенсатора до начала его применения по назначению.

Задача по дополнительному снижению эрозии резервного катода-компенсатора решена за счет расположения геометрических осей каждого катода-компенсатора в одной плоскости с геометрической осью двигателя. В таком положении торцевая поверхность катода-компенсатора оказывается касательной к конусообразной поверхности ускоренного ионного потока. При этом вся торцевая поверхность оказывается вне прямого воздействия бомбардировки ионами и скорость эрозии будет минимальна.

Задача по снижению загрязняющего воздействия на окружающие элементы КА решена за счет снижения массы продуктов распыления (в основном металлов) в ускоренном потоке плазмы и последующего их осаждения на различных поверхностях. Существенное снижение скорости эрозии при этом достигается при помощи рационального размещения катодов-компенсаторов с ориентацией их геометрических осей на геометрическую ось двигателя.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен предлагаемый плазменный двигатель со стороны ускоренного потока плазмы, на котором условно показаны направление азимутальной закрутки ускоренных ионов и "плазменный мост", который образуется при взаимодействии работающего катода-компенсатора с анодом двигателя при его работе; на фиг.2 изображен предлагаемый плазменный двигатель со стороны ускоренного потока плазмы, на котором геометрические оси соответствующих катодов-компенсаторов сориентированы на геометрическую ось двигателя.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит основной 1 и резервный 2 катоды-компенсаторы с соответствующими поджигными электродами и геометрическими осями 5 и 6, анодный блок 3 с анодом 4 с геометрической осью двигателя 8.

Двигатель работает следующим образом.

Запуск двигателя осуществляется путем электрического запитывания анодного блока 3 и подачи импульса на поджигной электрод основного катода-компенсатора 1. Одновременно с этим производится подача рабочего газа в основной катод-компенсатор 1 и анод 4. В анодном блоке 3 газ ионизируется и ускоряется в скрещенных полях. Ускоренный ионный поток на выходе из анодного блока компенсируется при помощи основного катода-компенсатора 1. В процессе функционирования между основным катодом-компенсатором 1 и анодом 4 образуется "плазменный мост", который под влиянием азимутальной закрутки ионного потока огибает резервный катод-компенсатор 2 и устремляется к аноду 4. Такая сложная пространственная конфигурация "плазменного моста" при работе двигателя играет функцию рассеивателя, расположенного на пути воздействующего ускоренного потока ионов на оба катода, который за счет столкновительных процессов плазмы рассеивает большую часть ионного потока, тем самым ослабляя его бомбардирующее воздействие. После выработки ресурса основного катода-компенсатора 1 или его отказа в работу двигателя подключается резервный катод-компенсатор 2. На его поджигной электрод подают импульс поджига, а во внутренний тракт подают рабочий газ. Дальнейшее функционирование двигателя аналогично работе с основным катодом-компенсатором 1.

Источники информации
1. Патент РФ 2024785, кл. 5 Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00.

2. Day, M., et. al., "SPT-100 Life Test with Single Cathode up to Total Impulse Two Million N*Sec", AIAA-98-3790, 34^th Joint Propulsion Conference, Cleveland, 1998, Fig. 2, 18, 20 - прототип.

3. Kozubsky, К. , et al, "Plume Study of Multimode Thruster SPT-140", IEPC-99-073, 26^th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999, Fig. 5-8.

4. Garner, С., et. al., "Cyclic Endurance Test of a SPT-100 Stationary Plasma Thruster", 3^rd Russian-German Conference on Electric Propulsion Engines and Their Technical applications, Stuttgart, Germany, 1994, Fig. 17-22.