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 кольцеобразную разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней и наружной кольцеобразными стенками, в полости которой установлен анод-газораспределитель кольцеобразной формы с каналом подвода рабочего тела в разрядную камеру, магнитную систему с внутренним и наружным магнитными полюсами, образующими рабочий магнитный зазор в области среза разрядной камеры, магнитопроводом и по меньшей мере одним источником магнитодвижущей силы, и катод-компенсатор, включающий рабочий торец с защитным покрытием и выходным отверстием, размещенный сбоку магнитной системы и развернутый к ускоренному потоку плазмы [1].

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий анодный блок, содержащий кольцеобразную разрядную камеру, образованную внутренней и наружной кольцеобразными стенками, магнитную систему с внутренним и наружным магнитными полюсами, и катод-компенсатор с выходным отверстием, развернутый к ускоренному потоку плазмы [2].

Конструкция известных двигателей имеет существенные недостатки:
- расположение катода-компенсатора относительно ускоренного плазменного потока не является оптимальным, так как выходная часть катода-компенсатора подвержена разрушающему воздействию периферийной части ускоренного потока и, соответственно, значительному износу выходной части и потере формы выходного отверстия, через которое электроны поступают в основной разряд с поверхности эмиттера в результате термоэмиссии;
- ограничение ресурса двигателя из-за низкого срока службы катода-компенсатора;
- высокая вероятность осаждения распыленных металлических материалов, образующихся в результате эрозии различных элементов катода-компенсатора, на ответственные поверхности двигателя и космического аппарата (КА);
- большой габарит связки анодного блока и катода-компенсатора.

В известных двигателях выбор местоположения катода-компенсатора выполняется по следующим критериям: во-первых, продольная ось симметрии должна быть направлена по касательной к опорным силовым линиям магнитного поля в точке их пересечения с эмиссионной поверхностью катода; во-вторых, катод-компенсатор располагается около конусообразного плазменного потока, граница которого проходит под углом 50^o с плоскостью наружного магнитного полюса. При размещении катода-компенсатора по данным критериям возможны два случая. В первом случае катод-компенсатор оказывается расположенным с боковой стороны анодного блока, при этом он не выступает над плоскостью наружного полюса, но оказывается излишне удаленным от анодного блока. Вследствие этого эффективность использования катода будет низкой, так как происходит повышение энергетических затрат на транспортировку электронов к аноду по довольно протяженным силовым линиям магнитного поля. Во втором случае катод-компенсатор займет положение перед магнитным полюсом и будет расположен около границы ускоренного потока плазмы с углом 50^o. Исследования структуры ускоренного ионного потока, выходящего за пределы среза разрядной камеры, показывают, что около 90% ионов сосредоточено в полуугле ~42^o для двигателя SPT-100 мощностью 1350 Вт [3]. По результатам ресурсных испытаний такого типа двигателя видно, что разрушающей эрозии подверглись сразу несколько элементов конструкции катода-компенсатора: произошло разрушение защитного покрытия торца катода-компенсатора [4] , самого рабочего торца, частично держателя нагревателя и эмиссионного узла с эмиттером [5]. Одной из основных причин такого результата стало размещение катода-компенсатора на границе ~50^o, где он оказался в зоне прямого воздействия периферийной части ускоренного потока плазмы, которое при относительно небольших ресурсах мало, а при большом ресурсе начинает оказывать существенное влияние на элементы конструкции двигателя. То есть по результатам длительных ресурсных испытаний можно сделать вывод о существенности фактора, который представляет собой суммарное время воздействия периферийной части ускоренного потока плазмы на элементы двигателя и катода-компенсатора.

Образовавшиеся продукты эрозии, попадая в струю ускоренного плазменного потока, осаждаются на поверхностях катода-компенсатора и двигателя, изменяя основные свойства материалов и их поверхностей. Так, например, для некоторых элементов будет изменяться степень черноты поверхности, а значит, будет изменяться их теплонапряженность и тепловой баланс конструкции в целом по сравнению с проектным при наземной отработке. Попадая же на изоляционные поверхности, продукты распыления будут образовывать токопроводящие пленочные покрытия, приводящие к снижению электрической изоляции между разобщенными электрическими цепями. Все эти факторы в конечном итоге оказывают негативное влияние на ресурс двигателя в целом и ограничивают его.

Увеличение габаритов двигателя связано с разворотом катода на 45^o и более, при котором задняя часть катода оказывается значительно удаленной по сравнению с рабочим торцом катода-компенсатора. При таком развороте также усложняется конструктивная схема закрепления катода к анодному блоку и снижается ее механическая прочность.

Задачей изобретения является снижение эрозии катода-компенсатора и повышение эффективности его использования, стабилизации электрической прочности конструкции при длительном ресурсе, улучшение компактности двигателя и, как следствие, повышение надежности и ресурса работы двигателя в процессе его эксплуатации.

Это достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, включающем по меньшей мере один катод-компенсатор с выходным отверстием, развернутый к ускоренному потоку плазмы, и анодный блок, содержащий кольцеобразную разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней и наружной кольцеобразными стенками, магнитную систему с внутренним и наружным магнитными полюсами, согласно изобретению выходное отверстие катода-компенсатора расположено в зоне, ограниченной с одной стороны плоскостью наружного магнитного полюса, а с другой стороны - конусообразной поверхностью, проходящей через пересечение границы зон ионизации и ускорения с наружной кольцеобразной стенкой и образующей при этом с плоскостью наружного магнитного полюса угол по большей мере 30^o.

На наружном полюсе со стороны ускоренного потока плазмы может быть выполнен кольцеобразный выступ, торцевая поверхность которого выполнена в виде конуса.

Задача по повышению ресурса двигателя решена за счет снижения эрозии катода-компенсатора и повышения эффективности его использования при работе двигателя при помощи оптимального расположения катода относительно ускоренного потока плазмы. Более оптимальное размещение катода-компенсатора достигается за счет выведения его из зоны прямого воздействия периферийной части ускоренного потока плазмы. Такое расположение характеризуется следующим критерием: выходное отверстие катода-компенсатора расположено в зоне, ограниченной с одной стороны плоскостью наружного магнитного полюса, а с другой стороны - конусообразной поверхностью, проходящей через пересечение границы зон ионизации и ускорения с наружной кольцеобразной стенкой и образующей при этом с плоскостью наружного магнитного полюса угол по большей мере 30^o. При этом оптимальный разворот катода-компенсатора будет таким, когда площадь проекции выходного отверстия в направлении воздействия периферийной части ускоренного потока плазмы будет минимальной.

Для дополнительного снижения эрозии катода-компенсатора на наружном полюсе, со стороны ускоренного потока плазмы, выполнен кольцеобразный выступ, торцевая поверхность которого выполнена в виде конуса, поверхность которого расположена параллельно конусообразной поверхности, проходящей через пересечение границы зон ионизации и ускорения с наружной кольцеобразной стенкой. Конусность такого выступа выбирается из условия максимальной стойкости выступа при воздействии на него ускоренного потока плазмы в конечный период ресурса двигателя.

Задача по поддержанию требуемой электрической прочности конструкции двигателя при длительном ресурсе решена за счет снижения массы продуктов распыления (в основном металлы) в ускоренном потоке плазмы и последующего осаждения на различных поверхностях деталей двигателя.

Задача по повышению механической прочности конструкции схемы закрепления катода-компенсатора на анодном блоке решена за счет более компактного размещения катода на анодном блоке, что достигается при помощи приближения центра масс катода, а это ведет к снижению коэффициентов усиления, которые испытывают различные элементы катода-компенсатора при внешних механических возмущающих воздействиях.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где:
на фиг.1 изображен осевой разрез предлагаемого плазменного двигателя;
на фиг.2 изображена конфигурация наружного магнитного полюса, на котором выполнен кольцеобразный выступ с конусообразной торцевой поверхностью, выносной элемент А.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит катод-компенсатор 1 с выходным отверстием 2 и анодный блок 3, содержащий кольцеобразную разрядную камеру 4, образованную внутренней 5 и наружной 6 кольцеобразными стенками, магнитную систему 7 с внутренним 8 и наружным 9 магнитными полюсами. Выходное отверстие 2 катода-компенсатора расположено в зоне, ограниченной с одной стороны плоскостью наружного магнитного полюса 10, а с другой стороны - конусообразной поверхностью 11.

Наружный полюс может иметь кольцеобразный выступ 12, торцевая поверхность которого выполнена в виде конуса 13.

Двигатель работает следующим образом.

Запуск двигателя осуществляется путем запитывания магнитной системы 7 анодного блока 3 и подачи рабочего газа в катод-компенсатор 1 и разрядную камеру 4. В зоне, ограниченной внутренней 5 и наружной 6 стенками, ионизируется и ускоряется в скрещенных полях. Ускоренный ионный поток на выходе из разрядной камеры 4 проходит межполюсный зазор, образованный внутренним 8 и наружным 9 магнитными полюсами, и компенсируется при помощи катода-компенсатора 1. При работе двигателя катод-компенсатор 1 может быть дополнительно защищен от прямого воздействия периферийной части ускоренного потока плазмы при помощи дополнительного кольцеобразного выступа 12 с конусообразной торцевой поверхностью 13.

Источники информации
1. Патент РФ 2030134, кл. 6 Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00.

2. Патент РФ 2024785, кл. 5 Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00 - 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. Патент РФ 2022493, кл. 5 Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00.

5. Arkhipov В., et al, "The Results of 7000 Hour SPT-100 Life Testing", IEPC-95-039, 24^th International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995, Fig. 1,16.