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 большой мощности, а также в области прикладного применения плазменных ускорителей.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней и наружной стенками, в полости которой установлен кольцеобразный анод-газораспределитель, магнитную систему, включающую внутренний и наружный магнитные полюса, образующие рабочий магнитный зазор в области среза канала разрядной камеры, магнитопровод с внутренним и наружным магнитными экранами, установленные с зазором относительно противолежащих магнитных полюсов, внутренний и наружные источники намагничивающей силы и катод-компенсатор [1].

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, включающий разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную днищем, внутренней и наружной стенками, в полости которой установлен кольцеобразный анод-газораспределитель, содержащий токоподвод и газоподвод рабочего тела с газоэлектрической развязкой, включающую разделительную изоляционную втулку, магнитную систему, состоящую из внутреннего и наружного магнитных полюсов, образующих рабочий магнитный зазор в области среза канала разрядной камеры, магнитопровода, внутреннего и наружных источников намагничивающей силы, наружного цилиндрического ярма, обечайки, на которой размещена магнитная система, с посадочной поверхностью закрепления двигателя на космический аппарат (КА), и катод-компенсатор [2].

Конструкция известных двигателей имеет следующие недостатки:
- высокая теплонапряженность конструкции двигателя при работе на повышенной мощности, в частности магнитной системы, из-за низкой теплопередачи от внутренних элементов конструкции к наружным и низкой эффективности теплосброса излучением с внешних поверхностей двигателя;
- низкая вибропрочность конструкции и, как следствие, низкая надежность при повышенных механических воздействиях из-за больших коэффициентов усиления на основных узлах двигателя;
- недостаточная стойкость соединения типа "металл-керамика" при воздействии на него циклических знакопеременных температур в широком диапазоне;
- большие габариты двигателя из-за низкой компактности размещения внутренних элементов и узлов;
- низкая электрическая стойкость конструкции при работе на повышенных разрядных напряжениях и повышенном анодном расходе газа;
- критическое отклонение направления вектора тягового усилия от номинального положения в процессе ресурсной наработки двигателя из-за азимутальной неравномерности эрозии стенок разрядной камеры в результате азимутальной неоднородности рабочего тела в зоне его инжекции в канал разрядной камеры и локальных перегревов анода-газораспределителя.

Повышенная внутренняя теплонапряженность конструкции в известных двигателях обусловлена высокой температурой разрядной камеры, на днище которой закреплен анод-газораспределитель. С наружной стороны днище соединено с тонкостенной обечайкой, которая охватывает камеру по ее наружному диаметру и соединяется с наружным магнитным полюсом при помощи другого своего конца. Для термоизолирования узлов двигателя разрядная камера окружена тепловыми экранами, которые снижают излучающий тепловой поток с внешних поверхностей разрядной камеры. В таких условиях, при режимах работы двигателей на повышенной мощности, когда сброс тепла с разрядной камеры за счет излучения ограничен, а эффективность теплопередачи к наружному магнитному полюсу низкая из-за малого поперечного сечения тонкостенной обечайки, происходит резкое увеличение избытка тепла, которое приводит к повышению температуры на внутренних узлах и элементах конструкции выше допустимой. Это, в свою очередь, приводит к значительным температурным деформациям и росту внутренних напряжений, что вызывает потерю формоустойчивости с последующим разрушением узлов и элементов двигателя.

Кроме того, консольная схема закрепления разрядной камеры и использование большого количества промежуточных элементов приведет к значительным коэффициентам усиления, что снижает вибропрочность конструкции.

Низкая стойкость соединения керамической камеры с тонкостенной металлической обечайкой в известных двигателях обусловлена постепенным ослаблением их соединения в результате больших термических знакопеременных деформаций при работе двигателя на больших мощностях. Ослабление соединения керамической разрядной камеры может привести к провороту ее относительно тонкостенной обечайки, что может явиться причиной произвольных радиальных смещений и нарушения соосности взаимного расположения.

Большие габариты двигателя в продольном направлении обусловлены последовательным размещением различных элементов двигателя.

Недостаточная электрическая прочность газовых магистралей при работе на повышенных напряжениях разряда и больших анодных расходов возникает из-за наличия вблизи деталей с анодным потенциалом открытых металлических поверхностей других элементов и узлов или во внутренней полости электрической развязки из-за пробоев по газу.

Для двигателей увеличенного типоразмера увеличивается длина кольцеобразного анода и соответственно объем газораспределителя. При этом ограничение по количеству токоподводов и газоподводов, а также их асимметричное размещение в азимутальном направлении приводит к факторам различного рода неравномерностей. Первым фактором азимутальной неравномерности является неоднородность рабочего тела в полости разрядной камеры перед анодом, обусловленная низкой скоростью распространения рабочего тела по объему протяженного газораспределителя из одной точки инжекции газа. Другим фактором азимутальной неравномерности является переменная плотность тока на кольцеобразном аноде из-за асимметричного размещения одного токоподвода относительно асимметричного расположения катода-компенсатора. При работе двигателя устанавливается режим оптимального взаимодействия между катодом-компенсатором и анодом, удовлетворяющий условию минимальности энергетических потерь. В результате такого взаимодействия "плазменный мост" располагается асимметрично по контуру минимальной протяженности. Это приводит к неравномерности распределения плотности тока по аноду, что является причиной локальных перегревов отдельных участков анода-газораспределителя.

Целью изобретения является снижение теплонапряженности, повышение вибропрочности и электрической стойкости конструкции двигателя, снижение его габаритов.

Это достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную днищем, внутренней и наружной стенками, в полости которой установлен кольцеобразный анод-газораспределитель, включающий токоподвод и газоподвод рабочего тела с газоэлектрической развязкой, содержащей разделительную изоляционную втулку, магнитную систему, включающую внутренний и наружный магнитные полюса, образующие рабочий магнитный зазор в области среза канала разрядной камеры, магнитопровод с внутренним и наружным магнитными экранами, установленные с зазором относительно противолежащих магнитных полюсов, внутренний и наружный источники намагничивающей силы, наружное цилиндрическое ярмо, обечайку, на которой размещена магнитная система, с посадочной поверхностью закрепления двигателя и по меньшей мере один катод-компенсатор, согласно изобретению между магнитопроводом и посадочной поверхностью обечайки размещен с зазорами теплопровод с по меньшей мере двумя радиальными лепестками, который термически контактирует с магнитопроводом в месте размещения внутреннего источника намагничивающей силы, в обечайке со стороны посадочной поверхности закрепления двигателя выполнены по меньшей мере два паза, а с наружной стороны обечайки размещен с зазором радиатор, при этом лепестки теплопровода размещены в полости пазов обечайки и соединены с радиатором.

Кроме того, между днищем разрядной камеры и магнитопроводом введен кольцеобразный фланец с наружной и внутренней обечайками, который закреплен на магнитопроводе и соединен с днищем разрядной камеры при помощи наружной обечайки таким образом, что в продольном направлении между днищем и фланцем образован зазор.

При этом в наружной обечайке кольцеобразного фланца и днище разрядной камеры выполнены в радиальном направлении соосные отверстия, в которых установлены направляющие стержни.

Кроме того, кольцеобразный фланец с наружной и внутренней обечайками предпочтительно выполнять из материала с низкой теплопроводностью.

В магнитопроводе с фланцем в продольном направлении могут быть выполнены соосные сквозные отверстия, в которых установлена изоляционная трубка, внутри которой размещена газоэлектрическая развязка.

Кроме того, магнитопровод и обечайка предпочтительней выполнить в виде моноблока.

Наружная поверхность обечайки и наружная поверхность ярма расположены в одной плоскости.

При этом на наружном магнитном полюсе выполнен цилиндрический выступ, который охвачен по наружной поверхности ярмом, причем они соединены при помощи по меньшей мере двух фиксирующих стержней, расположенных в радиальном направлении.

Предпочтительней радиатор выполнять в виде усеченного конуса.

Кроме того, в газоэлектрическую развязку введены по меньшей мере одна дополнительная изоляционная втулка и проставка, причем проставка установлена между изоляционными втулками.

При этом в газоэлектрическую развязку введена по меньшей мере одна дроссельная шайба.

Кроме того, анод-газораспределитель снабжен по меньшей мере одним дополнительным газоподводом рабочего тела с газоэлектрической развязкой.

Также в магнитопроводе с фланцем в продольном направлении выполнены соосные сквозные отверстия, в которых установлена изоляционная трубка, внутри которой размещен токоподвод анода-газораспределителя.

При этом анод-газораспределитель снабжен по меньшей мере одним дополнительным токоподводом.

При этом на теплопроводе, ярме и обечайке, радиаторе и наружном магнитном полюсе может быть выполнено покрытие со степенью черноты не менее чем 0,8.

При этом во внутреннем источнике намагничивающей силы выполнена продольная полость, образованная по меньшей мере двумя соосными сквозными отверстиями различного диаметра.

Введение в двигатель теплопровода и внешнего радиатора позволяет значительно снизить теплонапряженность конструкции за счет оптимизации процесса теплопередачи от внутренних элементов к собственным внешним поверхностям элементов двигателя и дополнительному радиатору. Повышение эффективности теплосброса излучением достигается за счет дополнительного развития внешних поверхностей двигателя, снижения количества стыков между деталями и расположения радиатора с внешней стороны двигателя. Выполнение внутреннего источника намагничивающей силы полым также снижает его теплонапряженность за счет излучения с внутренних поверхностей по оси двигателя.

Выполнение фланца разрядной камеры из материала с низкой теплопроводностью (например, титан и его сплавы) позволяет снизить тепловой поток, идущий от разрядной камеры к магнитопроводу, и повысить эффективность теплосброса излучением с торцов стенок разрядной камеры.

Нанесение покрытия с высокой степенью черноты на внешние детали и узлы позволяет дополнительно повысить эффективность теплосброса излучением с наружных поверхностей двигателя и радиатора.

Закрепление разрядной камеры через фланец с обечайкой непосредственно на магнитопроводе позволяет снизить коэффициенты усиления на разрядной камере и аноде (с десятков до нескольких единиц), тем самым повысив механическую прочность конструкции двигателя. Повышение вибропрочности конструкции также достигается за счет снижения инерционных сил и моментов, действующих на различные узлы при механических нагрузках, за счет сокращения количества промежуточных деталей и количества стыков их соединений, а также за счет закрепления непосредственно на магнитопроводе, который приближен к центру гравитации двигателя по отношению к посадочной поверхности закрепления на КА.

Выполнение соединения керамической камеры с наружной тонкостенной обечайкой металлического фланца при помощи горячего прессования позволяет получить соединение без использования клеевых композиций. Выбор материалов выполняется из условия максимальной близости их коэффициентов термического линейного расширения (КТЛР). Посадка с натягом выбирается из условия обеспечения "нераскрытия" стыка при воздействии максимальной рабочей температуры. При этом задача по фиксации разрядной камеры в соосном положении решена за счет введения в соединение стержней из жаростойкой проволоки, равноудаленных друг от друга по диаметру и попарно противолежащих в радиальном направлении. В такой конструктивной схеме при максимальных расширениях деталей напряжения в соединении снижаются и фиксация керамической разрядной камеры в соосном положении относительно магнитной системы двигателя обеспечивается за счет двух пар взаимно перпендикулярных радиальных стержней. При этом одна пара противолежащих стержней является базой, относительно которой происходят термические линейные изменения размеров деталей вдоль другой пары стержней. Аналогично вторая пара стержней является базой, относительно которой происходят термические деформации в перпендикулярном направлении вдоль первой пары стержней. Таким образом, такое соединение оказывается стойким при воздействии широкого диапазона температур.

Размещение газоподводов и токоподводов вдоль оси двигателя, через сквозные отверстия в магнитопроводе и других сопрягаемых деталях, позволяет повысить компактность взаимного размещения элементов и уменьшить продольные габариты двигателя в целом.

Размещение газоэлектрической развязки газоподвода рабочего тела и токоподвода анода в соответствующих керамических трубках позволяет повысить электрическую прочность конструкции двигателя за счет защиты поверхностей деталей газоэлектрической развязки, находящихся под анодным потенциалом в условиях высоких температур.

Введение в газоэлектрическую развязку дополнительных керамических втулок и промежуточной проставки позволит повысить электрическую стойкость узла от пробоев вдоль внешних поверхностей деталей.

Снабжение проставки газоэлектрической развязки поперечной перегородкой с каналами прохождения рабочего тела, выполненных со смещением от геометрической оси газоподвода, и введение дроссельной шайбы на выходе позволяет выполнять подачу газа с понижением давления за газоэлектрической развязкой ниже минимума закона Пашена. В таких условиях воздействие анодного потенциала снижается и исключается электрический пробой по газу внутри газоподвода.

Снабжение газораспределителя двигателя увеличенного типоразмера дополнительными газоподводами, размещенными равномерно по окружности, позволяет снизить неравномерность подачи рабочего тела в области его инжекции в канал разрядной камеры.

Снабжение анода двигателя повышенной мощности дополнительными токоподводами, размещенными равномерно по окружности, позволяет более равномерно распределить токовую нагрузку электрического разряда по поверхности анода в азимутальном направлении в канале разрядной камеры в процессе работы двигателя, что, в свою очередь, снижает вероятность локальных перегревов отдельных участков анода-газораспределителя.

Равномерное распределение токовой нагрузки по аноду и повышение равномерности подачи газа позволяют понизить азимутальную неравномерность эрозий внутренней и наружной стенок разрядной камеры и, следовательно, уменьшить отклонение вектора тягового усилия от номинального положения.

Таким образом, плазменный двигатель, выполненный согласно изобретению, позволяет создать двигатель повышенной мощности от 2,5 кВт и выше, с электрическим КПД ~ 53-55%, со сроком службы по меньшей мере 7000-7500 ч.

Такой плазменный двигатель большой мощности, выполненный согласно изобретению, будет обеспечивать безотказную работу при работе с повышенными напряжениями разряда до 1000 В.

Кроме того, плазменный двигатель, выполненный согласно изобретению, будет обладать достаточной вибропрочностью при повышенных механических воздействиях и лучшей компактностью по сравнению с известными конструктивными схемами.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 изображен осевой разрез А-А предлагаемого плазменного двигателя.

На фиг. 2 представлен вид сзади Б на плазменный двигатель, выполненный согласно настоящему изобретению.

На фиг.3 изображен поперечный разрез В-В плазменного двигателя.

На фиг.4 показан в выносном элементе Г, в увеличенном масштабе продольный разрез газоэлектрической развязки 9.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит разрядную камеру 1 с зонами ионизации и ускорения, образованную днищем 2, внутренней 3 и наружной 4 стенками. В полости 5 разрядной камеры размещен кольцеобразный анод-газораспределитель 6, включающий основной 7 и дополнительный 51 токоподводы, а также основной 8 и дополнительный 47 газоподводы рабочего тела с соответствующими газоэлектрическими развязками 9, каждая из которых содержит разделительную изоляционную втулку 10. Магнитная система содержит внутренний 11 и наружный 12 магнитные полюса, образующие рабочий магнитный зазор 13 в области среза 14 канала разрядной камеры, магнитопровод 15 с внутренним 16 и наружным 17 магнитными экранами, установленные с зазором относительно противолежащих магнитных полюсов, внутренний 18 и наружный 19 источники намагничивающей силы. От периферийной части 37 магнитопровода 15 по одну сторону располагается наружное цилиндрическое ярмо 20, а по другую сторону расположена обечайка 21 с посадочной поверхностью 22 закрепления двигателя. Двигатель также имеет катод-компенсатор 23. Между магнитопроводом 15 и посадочной поверхностью 22 обечайки 21 размещен с зазорами теплопровод 24 с по меньшей мере двумя радиальными лепестками 25, который термически контактирует с магнитопроводом в месте размещения внутреннего источника намагничивающей силы 18. В обечайке 21 со стороны посадочной поверхности закрепления двигателя выполнены по меньшей мере два паза 26, а с наружной стороны 38 обечайки 21 размещен с зазором радиатор 27, при этом лепестки теплопровода размещены в полости пазов 26 обечайки и соединены с радиатором. Между днищем 2 разрядной камеры 1 и магнитопроводом расположен кольцеобразный фланец 28 с наружной 29 и внутренней 30 обечайками, который закреплен на магнитопроводе и соединен с днищем разрядной камеры при помощи наружной обечайки 29. Наружная обечайка кольцеобразного фланца 28 и днище разрядной камеры имеют отверстия 31 и 32, в которых установлены направляющие стержни 33. В магнитопроводе с фланцем выполнены соосные сквозные отверстия 34 и 35, в которых установлена изоляционная трубка 36, внутри которой размещена газоэлектрическая развязка. Наружный магнитный полюс 12 имеет цилиндрический выступ 40, который соединен с концевым участком 39 ярма 20 при помощи четырех фиксирующих стержней 41. Газоэлектрическая развязка содержит две изоляционные втулки 10 и 42, разделенные проставкой 43. В проставке выполнена поперечная перегородка 44, которая снабжена каналом для прохода рабочего тела 45. На выходе газоэлектрической развязки размещена дроссельная шайба 46. Магнитопровод с фланцем снабжены соосными сквозными отверстиями 48 и 49, в которых установлена изоляционная трубка 50, внутри которой размещен токоподвод анода-газораспределителя. Внутренний источник намагничивающей силы имеет полость 52.

Катод-компенсатор 23 электрически соединен с отрицательным полюсом источника напряжения, к положительному полюсу которого подсоединен при помощи основного 7 и дополнительного 51 токоподводов анод-газораспределитель 6.

Двигатель работает следующим образом.

Запуск двигателя осуществляется путем запитывания внутреннего 18 и наружного 19 источников намагничивающей силы магнитной системы, которая базируется на обечайке 21 с посадочной поверхностью 22 закрепления двигателя на КА. При этом в магнитном контуре возникает магнитный поток определенной полярности, проходящий через магнитопровод 15, внутренний 16 и наружный 17 магнитные экраны, внутренний 11 и наружный 12 магнитные полюса, наружное ярмо 20. Подача рабочего газа осуществляется: во-первых, через основной 8 и дополнительный 47 газоподводы с соответствующими газоэлектрическими развязками в анод-газораспределитель 6, а из него газ попадает в полость 5 разрядной камеры 1; во-вторых, в катод-компенсатор 23. В полости разрядной камеры 1, ограниченной днищем 2, внутренней 3 и наружной 4 стенками, газ ионизируется и ускоряется в скрещенных полях. Ускоренный ионный поток на выходе из разрядной камеры 1 проходит межполюсный зазор, образованный внутренним 11 и наружным 12 магнитными полюсами, и компенсируется при помощи катода-компенсатора 23.

При продолжительной работе двигателя максимальному разогреву подвергается разрядная камера 1, тепло от которой распространяется за счет теплопроводности через кольцеобразный фланец 28 и излучением на другие элементы конструкции двигателя, в том числе и на внутренний источник намагничивающей силы 18. Отвод тепла от него происходит по двум контурам конструкции: во-первых, через магнитопровод 15 к внешнему цилиндрическому ярму 20 и обечайке 21; во-вторых, через центральную часть магнитопровода 15, а затем через теплопровод 24 с лепесткам 25 к радиатору 27.

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

2. Патент ЕР 0781921, кл. 6 Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00 - прототип.