Плазмовий двигун із замкненою траєкторією дрейфу електронів

Є ще 4 сторінки.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Текст

1.Плазменный двигатель с замкнутой траек торией дрейфа электронов, содержащий главный кольцевой канал ионизации и ускорения, образо ванный элементами из изоляционного материала и открытый на своем выходном конце, по крайней мере, один полый катод, расположенный вне главного канала, на выходной стороне последне го, кольцевой анод, размещенный концентрично к кольцевому каналу и расположенный на расстоя нии от его открытого выходного конца, первый и второй трубопроводы для подачи ионизируемого газа, соответственно, связанные с полым катодом и кольцевым анодом, магнитопровод для созда ния магнитного поля в кольцевом канале и коль цевую буферную камеру, размер которой в ради альном направлении превышает соответствую щий размер канала и которая размешена на входе этого канала, за зоной расположения анода, вто рой трубопровод для подачи ионизируемого газа сообщается с кольцевой буферной камерой через кольцевой распределитель в зоне перед анодом, магнитная цепь состоит из отличающихся друг от друга элементов для генерации магнитного поля и радиальных полюсных елементов плоской формы, соответственно, внутреннего и наружного, распо ложенных на уровне выходного сечения главного канала, по разные стороны относительно послед него, и соединенных между собой центральным сердечником, а также ярма и периферического магнитопровода, расположенного снаружи главно го канала и буферной камеры, расположенных вдоль оси канала, причем элементы для генера ции магнитного поля в главном канале обеспечи вают в этом канале радиальное магнитное поле с определенным градиентом, соответствующим максимальной индукции на выходе канала, отличающийся тем, что в число элементов генерации магнитного поля входит первый элемент для генерации магнитного поля, охватывающий снаружи главный канал вблизи выхода последнего, второй элемент для генерации магнитного поля, размещенный вокруг центрального сердечника в зоне, противолежащей аноду и частично противолежащий также буферной камере, а также третий елемент для генерации магнитного поля, окружающий центральный сердечник и находящийся между вторым элементом для генерации магнитного поля и выходным концом главного канала так, что направление силовых линий магнитного поля параллельно плоскости выходного сечения, перпендикулярной оси двигателя на выходе канала, причем магнитное поле имеет минимальное значение индукции в зоне перехода между буферной камерой и главным каналом, вблизи анода, что создает оптимальные условия для ионизации газа. 2. Плазменный двигатель по п.1, отличающийся тем, что диаметр буферной камеры вдвое превы шает диаметр главного канала. 3. Плазменный двигатель по п.1 или 2, отличаю щийся тем, что размер буферной камеры в осе вом направлении составляет порядка 1,5 размера радиуса главного канала. 4. Плазменный двигатель по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что первый, второй и третий элементы для генерации магнитного поля имеют различные размеры. 5. Плазменный двигатель по одному из пп.1-4, от личающийся тем, что первый, второй и третий элементы для генерации магнитного поля выполнены в виде катушек индуктивности. 6. Плазменный двигатель по одному из пп.1-4, от личающийся тем, что первый, второй и третий элементы для генерации магнитного поля по меньшей мере частично выполнены в виде по стоянных магнитов с точки Кюри, лежащей выше рабочей температуры двигателя. 7. Плазменный двигатель по одному из пп.1-5, от личающийся тем, что периферический магнито провод образован набором соединительных штанг, расположенных между наружным радиаль ным полюсным елементом и ярмом. 8. Плазменный двигатель по пп. 5,7, отличаю см О о о О СМ 27909 щийся тем, что первая катушка индуктивности содержит несколько индивидуальных обмоток, окружающих штанги периферической магнитной цепи, 9. Плазменный двигатель по одному из пп. 1-6, отличающийся тем, что периферическая магнит ная цепь образована обечайкой. 10. Плазменный двигатель по п. 6, отличающий ся тем, что катушки индуктивности, образующие первый, второй и третий елементы для генерации магнитного поля, включены последовательно ме жду источником питания и полым катодом. 11. Плазменный двигатель по одному из пп. 1-10, отличающийся тем, что кольцевой распредели тель ионизируемого газа, расположенный в бу ферной камере, выполнен из электроизоляцион ного материала. 12. Плазменный двигатель по одному из пп. 1-10, отличающийся тем, что кольцевой распредели тель ионизируемого газа, расположенный в бу ферной камере, выполнен из металла, причем трубопровод подачи ионизируемого газа в кольце вой распределитель снабжен электроизлирующими элементами. 13. Плазменный двигатель по п. 12, отличаю щийся тем, что элементы электрической изоляции трубопровода для подачи ионизируемого газа расположены между яркой и буферной камерой. 14. Плазменный двигатель по п.12, отличающий ся тем, что трубопровод для подачи ионизируемо го газа и элементы электри-ческой изоляции этого трубопровода расположены вдоль главного кана ла, между буферной камерой и первой катушкой для создания магнитного поля. 15. Плазменный двигатель по п.5, отличающийся тем, что он содержит канал теплопередачи, раз мещенный вдоль оси центрального сердечника, поддерживающий обмотки, которые служат вто рыми и третьими элементами для создания маг нитного поля, и излучающий тепло в направлении внутреннего полюсного элемента и ярма. 16. Плазменный двигатель по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что элементы из изолирую щего материала, которые образуют главный канал и буферную камеру, имеют в своем составе пер вую часть, которая служит наружной стенкой камеры и главного канала, и вторую часть, которая образует внутреннюю стенку буферной камеры и главного канала, при этом кольцевой распределитель ионизируемого газа, размешенный в буферной камере, служит одновременно соединительным элементом между первой и второй частями. 17. Плазменный двигатель по одному из пп. 1-15, отличающийся тем, что элементы из изолирую щего материала, ограничивающие главный канал и буферную камеру, имеют в своем составе пер вую часть, которая является стенкой буферной камеры и внутренней стенкой главного канала и вторую часть, которая является наружной стенкой главного канала, причем анод встроен между первой и второй частями. 18. Плазменный двигатель по одному из пп. 1-16, отличающийся тем, что анод наложен на поверх ность элемента из изолирующего материала в зоне перехода от буферной камеры к главному каналу. 19. Плазменный двигатель по одному из пп.1-18, отличающийся тем, что анод имеет цилиндриче скую форму. 20. Плазменный двигатель по одному из пп.1-18, отличающийся тем, что анод имеет форму усе ченного конуса. 21. Плазменный двигатель по одному из пп. 1-20, отличающийся тем, что анод состоит из несколь ких электрических соединенных между собой эле ментов, расположенных в буферной камере или на входе главного канала. 22. Плазменный двигатель по одному из пп. 1-21, отличающийся тем, что изоляционные части, об разующие главный канал, закреплены на наруж ном радиальном полюсном элементе с помощью соединительного узла, содержащего заплечик и эластичную шайбу. 23. Плазменный двигатель по п. 10, отличающий ся тем, что наружная обечайка из магнитного ма териала образует несущую поверхность для под вески двигателя на конструкции летательного ап парата. Настоящее изобретение относится к области плазменных двигателей, главным образом предназначенных для установки на космических летательных аппаратах, в частности, плазменных двигателей с замкнутей траекторией дрейфа электронов, называемых также стационарными плазменными двигателями или /в США/ двигателями Холла. Известно применение ионных двигателей, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, такие установки могут быть также использованы в наземных условиях в качестве источников /генераторов/ ионов или плазмы, например при ионной обработке. Благодаря импульсному режиму работы /от 1500 до 6000 с/ они обеспечивают выигрыш в массе в применении на искусственных спутниках, который является значительным по отношению к двигателям химического типа. Одним из основных применений двигателей этого типа является система управления "север юг" для геостационарных спутников, при этом обеспечивается выигрыш в массе порядка 10 15%. Они могут быть использованы также для дополнительной компенсации лобового сопротивления при полете на низких орбитах, для стабилизации гелиосинхронной орбиты и в качестве двигателей первой ступени при межпланетных перелетах. Ионные двигатели делятся на несколько категорий. К первому типу относится ионные двигатели с ионизацией за счет бомбардировки электронами, известные как двигатели Кауфмана. Примеры такого типа двигателей приведены в документах ЕР-А-0 132 065, W 0 89/05404 и ЕР-А-0 468 706. В таких двигателях атомы газа, являющегося рабочим телом, вводятся под малым давлением в разрядную камеру, где они бомбардируются электронами, эмиттируемыми катодом полой структуры, и собираются на аноде. Процесс ионизации ускоряется в магнитном поле. При этом имеющие 27909 место столкновения электрон-атом способствуют генерации плазмы, ионы которой притягиваются ускоряющими электродами /выходные сеточные электроды, поддерживаемым под отрицательным потенциалом по отношению к потенциалу плазмы, эти электроды способствуют концентрации и ускорению ионов, выходящих из двигателя в виду достаточно широкого луча, при этом ионное излучение нейтрализуется потоком электронов, излучаемых наружным полым катодом, служащим нейтрализатором. Импульсы /Isp/, характерные для этого типа двигателей, характеризуются длительностью порядка 3000 с. Потребляемая мощность составляет порядка 30 Вт на мН тяги. К другим типам ионных двигателей относятся двигатели с ионизацией за счет воздействия радиочастотой, с контактной ионизацией или двигатели с эмиссией поля. Эти различные типы двигателей, в т. ч. с ионизацией за счет бомбардировки электронами, работают на принципе четкого разделения функций ионизации и ускорения ионов. Кроме того, все перечисленные типы двигателей характеризуются плотностью тока в ионной оптике, ограниченной прос-транственный зарядом, составляющей порядка 2 - 3 мА/см2 для двигателей с бомбардировкой электронами, что приводит к снижению мощности в пограничной зоне. Кроме того, использование этих двигателей, в частности, с ионизацией за счет бомбардировки, требует наличия источников электрического питания /от 4 до 10/, что приводит к необходимости использования достаточно сложных электронных систем преобразования и управлнния. Известна также описанная в статье Л.Арцимовича, опубликованная в 1974 г., программа развития стационарных плазменных двигателей /SPD/, в статье приведены также результаты испытаний, проведенных на спутнике "Метеор" , двигателей типа "с замкнутой траекторией дрейфа электронов" или стационарных плазменных двигателей, отличающихся от других двигателей этого типа отсутствием разделения функций ионизации и ускорения, а также тем, что в зоне ускорения находится одинаковое количество электронов и ионов, что позволяет исключить феномен создания пространственного заряда. Основная часть конструкции двигателя образует кольцевой канал, ограниченный двойной стенкой корпусной детали из изолирующего материала, этот канал размещен внутри структуры электромагнита с кольцевыми внешней и внутренней полюсными частями, размещенными, соответственно, снаружи и внутри корпусной детали. На входе в двигатель размещено магнитное ярмо, последовательно соединенные обмотки электромагнита расположены вдоль всей длины канала вокруг магнитных сердечников, соединяющих внешнюю полюсную часть с магнитным ярмом. Полый катод, замкнутый на массу, соединен с источником питания ксеноном для образования облака плазмы вблизи выходного отверстия канала. Кольцевая структура анода, соединенного с положительным полюсом источкина электрического питания, например 300 В, размещена в передней части канала, вблизи его закрытого конца. К кольцевой структуре анода непосредственно привыкает кольцевой распределительный канал, в который выходит трубопровод подачи ксенона, окруженный тепловой и электрической изоляцией. Полый катод является источником эмиссии электронов ионизации и нейтрализующих электронов, при этом электроны ионизации притягиваются в кольцевой канал под воздействием электрического поля между анодом и облаком плазмы, создаваемой катодом. Под действием электрического Е и магнитного В полей, создаваемых обмотками, электроны ионизации движутся по траекториям с дрейфом по азимуту, необходимым для поддержания электрического поля в канале. Таким образом электроны ионизации движутся по замкнутым дрейфующим траекториям внутри изоляционного канала, из чего вытекает название этого типа двигателей. Движение дрейфа электронов существенно увеличивает вероятность столкновений электронов с нейтральными атомами, следствием чего является образование ионов, в данном случае ксенона. - Характеристический импульс, развиваемый двигателем известного типа с замкнутой траекторией дрейфа электронов, работающий на ксеноне, составляет порядка 1000 - 2500 с. Кроме того, ионные двигатели известного типа с замкнутым дрейфом электронов характеризуются отсутствием конструкционно сформированной зоны ионизации, вследствие чего применение этих двигателей эффективно только при использовании ксенона в качестве рабочего тела, а также расходимостью пучка на выходе двигателя до ± 20° и кпд, практически не превышающим 50%. Такое расхождение пучка на выходе приводит к увеличению износа стенок изоляционного канала, для изготовления которого обычно используют смесь нитрида бора и оксида алюминия. Срок службы таких двигателей составляет не более 3000 час. В качестве источника использована также опубликованная в августе 1976 г. в журнале "Техническая физика") вып. 21, №8, стр. 987 - 988, статья "Открытый однолинзовый ускоритель", авт. В.Н.Демьяненко, Л.П.Зудков, А.И.Морозов, в которой приведено решение, предусматривающее разделение двух функций анода, для этой цели применен анод цилиндрической формы, в комбинации с кольцевым распределителем газа, такая комбинация обеспечивает равномерную подачу ионизируемого газа в зоне анода, этот же эффект достигается за счет введения между кольцевым распределителем газа и анодом буферной камеры. В то же время описанный в вышеуказанной статье плазменный двигатель работает исключительно в импульсном режиме с высоким напряжением разряда, вследствие чего применение этого двигателя в качестве силовой установки для космических аппаратов является весьма проблематичным. Целью настоящего изобретения является устранение недостатков, присущих плазменным 27909 двигателям известных типов, главным образом усовершенствование плазменных двигателей с замкнутой траекторией дрейфа электронов для улучшения их технических характеристик, главным образом для формирования зоны ионизации без создания пространственного заряда, как это имеет место, например, в ионных двигателях с бомбардировкой. Целью изобретения является также уменьшение расходимости пучка на выходе и увеличение плотности пучка ионов, а также увеличение электрического кпд, удельного импульса и срока службы Это достигается за счет того, что в плазменном двигателе с замкнутой траекторией дрейфа электронов, снабженном главным кольцевым каналом ускорения и ионизации, открытым на своем выходном конце, ограниченным конструкционными частями из изолирующего материала, содержащим по крайней мере один полый катод, расположенный снаружи главного кольцевого канала, на выходе последнего, концентричный с каналом кольцевой анод, расположенный на расстоянии от открытого конца канала, первый и второй трубопровод для подачи ионизируемого газа, связанные соответственно с полым катодом и кольцевым анодом, магнитную цепь для генерации магнитного поля в кольцевом канале и буферную камеру кольцевой формы, имеющую в поперечном сечении размер больший, чем размер кольцевого канала, расположенную на входе последнего, за зоной размещения анода, причем указанный второй трубопровод для подачи ионизируемого газа выходит в буферную камеру и сообщается с кольцевым распределителем, конструкционно разделенным с зоной расположеня анода, расположенным перед этой зоной, а магнитная цепь содержит не сколько различных элементов для генерации магнитного поля и радиальные полюсные внутренний и наружный элементы плоской формы, расположенные на уровне выходного сечения, по разные стороны главного канала, и соединенные друг с другом посредством центрального сердечника, а также магнитное ярмо и периферическую магнитную цепь, расположенную в осевом направлении, снаружи главного канала и буферной камеры,согласно изобретению, средства генерирования магнитного поля в главном канале обеспечивают создание радиального поля, характеризуемого градиентом, так чтобы получить максимальную индукцию на выходном срезе канала, а минимальную - в зоне перехода вблизи анода, между буферной камерой и кольцевым каналом, что способствует процессу ионизации ионизируемого газа, причем раздельные элементы генерации магнитного поля включают первую катушку, которая окружает наружную стенку канала в зоне выходного конца последнего, вторую катушку, окружающую центральный сердечник в зоне расположения анода и частично противолежащую буферной камере, и третью катушку, окружающую центральный сердечник в зоне между второй катушкой и выходным концам главного канала. Преимущественно, буферная камера имеет размер в радиальном направлении, вдвое пре вышающий радиальный размер главного канала. В осевом направлении эта камера может иметь размер порядка 1,5 радиального размера канала. Преимущественно, первые, вторые и третьи средства генерации магнитного поля имеют различные габаритные размеры. В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения первые, вторые и третьи элементы для создания магнитного поля представляют собой катушки индуктивности. В то же время по крайней мере для некоторых применений первые, вторые и третьи элементы для создания магнитного поля могут быть по крайней мере частично сформированы постоянными магнитами с точкой Кюри, превышающей рабочую температуру двигателя. Благодаря физическому разделению структуры анода и узла распределителя ионизируемого газа, а также наличию буферной камеры и реализации радиального магнитного поля, которое характеризуется некоторым градиентом, плазменный двигатель в соответствии с изобретением имеет следующие преимущества: а/ - более эффективный процесс ионизации и, соответственно, увеличенный кпд, Ы - возможность ионизации различных используемых в качестве рабочего тела газов ксенон , аргон и др./ за счет повышения эффективности процесса ионизации. с/ - формирование эквипотенциальных электростатических поверхностей, уменьшающих расходимость ионного пучка, следствием чего являются: с1/ упрощенный монтаж на космическом аппарате, с2/ уменьшение износа канала ускорителя, Путем видоизменения в различных вариантах двигателя в соответствии с изобретением профиля магнитного поля в канале ускорителя и на входе анода, а также в пределах буферной камеры, достигают: - большей однородности плазмы, уменьше ния нарушений эквипотенциальных электростати ческих поверхностей в зоне ускорения, что, в свою очередь, позволяет ограничить потери ионов на станках канала и повысить качество фокусиро вания пучка, - лучшей локализации зоны образования ио нов, что позволяет ограничить рассеяние энергии ионов, - эффективного удержания плазмы за счет эффекта магнитного зеркала. Существенным признаком изобретения является также тот факт, что минимум интенсивности магнитного поля находится в зоне анода, и эта интенсивность возрастает по абсолютной величине на входе анода. Наличие перехода между минимальным и максимальным полем на выходе канала ускорения /300 Ое/ позволяет получить зону, где вероятность ионизации максимальна. Геометрия буферной камеры выбирается таким образом, чтобы обеспечить выброс плазмы на входе анода и ее удержания за счет эффекта магнитного зеркала. Прочие существенные признаки и преимущества изобретения вытекают из нижеследующего 27909 описания некоторых вариантов реализации изобретения, приведенных в качестве примеров и не имеющих ограничительного характера, со ссылкой на чертежи, на которых1 - фиг. 1 изображает вид сбоку с частичным осевым разрезом плазменного двигателя с дрей фом электронов в соответствии с изобретением, - фиг. 2 - осевой разрез половины двигатель ного агрегата в соответствии с одним из вариан тов реализации изобретения, отличающимся кон струкцией средств ввода ионизируемого газа. - Фиг.З - 6 - вид в разрезе отдельных узлов плазменного двигателя в соответствии с изобре тением для различных вариантов выполнения частей двигателя, таких как буферная камера, главный кольцевой канал, структура анода, узел распределителя ионизируемого газа, - фиг.7 - в аксонометрии плазменный двига тель в соответствии с изобретением с частью конструкции ИС, на которой подвешен двигатель, - фиг.8 - детально узлы крепления изолирую щих частей главного канала плазменного двига теля в соответствии с изобретением Примерный вариант реализации плазменного двигателя 1 с замкнутой траекторией дрейфа электронов в соответствии с изобретением, приведенный на Фиг. 1, содержит набор частей из изолирующего материала, которые в собранном виде образуют главный кольцевой канал 2 с входной частью, образованной буферной камерой 4, и выходной частью, образованной каналом ускорителя 5 При этом размер в радиальном направлении кольцевой буферной камеры 4 вдвое превышает соответствующий размер канала ускорителя 5, в осевом направлении эта камера имеет меньшую длину по сравнению с каналом ускорителя, предпочтительно осевой размер ее составляет порядка 1,5 диаметра канала 5. Анод 6 , соединенный электрической линией 7 с источником постоянного напряжения 8, например 200 - 300 В, закреплен на изолирующей конструкции главного канала 3 в зоне непосредственно на выходе буферной камеры, в входной части канала ускорителя 5 . Кабель питания 7 анода 6 проложен в изолирующей оболочке 9, проходящей через донную стенку двигателя, которая образована плитой 10, одновременно являющейся магнитным ярмом, а также через стенки 11 , 12 из изолирующего материала, ограничивающие буферную камеру 4. Магистраль 13 подачи ионизируемого газа, например ксенона, также проходит через плиту 10 и дно 11 буферной камеры и выходит в кольцевой распределитель газа 14, выполненный в донной стенке буферной камеры. Главный канал 3, образованный частями 2 из изолирующего материала, размещен внутри магнитной цепи, образованной тремя обмотками 15, 16, 17 и полюсами 18, 19. Наружный 18 и внутренний 19 полюсные элементы плоской формы размещены на выходном срезе двигателя, снаружи канала ускорителя 5, и определяют направление силовых линий магнитного поля, которые вблизи открытой выходной части канала 5 расположены параллельно плоскости среза 20 на выходе двигателя 1 . Магнитная цепь, образованная полюсами 18, 19, замкнута на центральной осевой сердечник 21 и через периферические штанги 22, так чтобы ограничить цилиндрический контур, при этом центральный сердечник 21 и соединительные штанги 22, выполненные из ферромагнитного материала, контактируют с задним ярмом 10. Последнее представляет собой плиту из ферромагнитного материала, которая одновременно служит донной стенкой двигателя и имеет защиту в виде нескольких слоев 23 сверхтеплоизолятора, препятствующих прохождению теплового потока к частям конструкции ИС. Кроме того, между составными частями 2 канала 3 и соединительными штангами 22 может быть предусмотрен экран 24 для защиты от загрязнения и воздействия излучений. В одном из вариантов соединительные штанги и экран 24 заменены обечайкой цилиндрической или цилиндроионической формы, которая одновременно служит для замыкания магнитной цепи и в качестве экрана. В любом случае экран 24 не должен препятствовать эффективному охлаждению двигателя. Он может иметь внутреннее и внешнее излучающие покрытия, либо наносится таким образом, чтобы обеспечить прямое излучение в окружающее пространство. Источником необходимым для функционирования двигателя электронов является полый катод 25 обычно применяемого типа, электрически соединенный линией 26 с отрицательным полюсом источника напряжения 8, он сообщается с магистралью подачи ионизируемого газа /ксенон/ и размещен за выходным сечением канала ускорителя 5. Полый катод 25 генерирует плазму 27 под опорным потенциалом, являющуюся источником электронов, направляемых к аноду 6 под действием электростатического поля Е, наводимого за счет разности потенциалов между анодом и катодом. Эти электроны движутся по замкнутым траекториям с дрейфом по азимуту в канале ускорителя 5 под действием электрического Е и магнитного В полей. Интенсивность поля на выходе канала 5 может составлять порядка 150 - 200 эрстед. Первичные электроны, ускоряемые электростатическим полем Е, наталкиваются на изоляционную стенку 2 , порождая вторичные электроны с меньшей энергией. Электроны могут испытывать также соударения с нейтральными атомами ксенона, источником которых является буферная камера 4, при этом образуются ионы ксенона, ускоряемые полем Е в канале 5. В данном случае не происходит образования пространственного заряда в канале 5, вызванного присутствием электронов, вследствие нейтрализации пучка ионов частью электронов, эмиттируемых катодом 25. Наличие радиального градиента магнитного поля, вводимого обмотками 15- 17 и полюсами 18, 19, позволяет разделить функции ионизации и ускорения ионов, при этом ионизация имеет место в ближней к аноду зоне и может частично распространяться на буферную камеру 4 . 27909 Таким образом существенным признаком изобретения является наличие буферной камеры, позволяющей оптимизировать процесс ионизации. В двигателях известного типа с замкнутой траекторией дрейфа электронов ионизации, в основном, сосредоточена в средней части канала. За счет соударений образующихся ионов со стенками канала происходит быстрый износ стенок и уменьшается срок службы двигателя, буферная камера 4 способствует уменьшению градиента концентрации плазмы в радиальном направлении, а также охлаждению электронов на входе в канал ускорителя 5, вследствие чего уменьшается расходимость ионного пучка и ограничивается его взаимодействие со стенками, что исключает потери ионов вследствие соударений со стенками, позволяет увеличить кпд и уменьшить общее расхождение пучка на выходе двигателя. Другим существенным признаком изобретения является наличие трех обмоток 15-17, которые могут иметь различные размеры и расположены таким образом, чтобы обеспечить оптимальные характеристики магнитного поля. А именно, первая обмотка 15 окружает снаружи главный канал и расположена вблизи его выходного конца 28. Вторая обмотка 16 окружает центральный сердечник 21 системы электромагнита в зоне, противолежащей аноду 6, и частично противолежит буферной камере 4 . Третья обмотка 17 окружает центральный сердечник 21 в зоне между второй обмоткой 16 и выходным концом 28 канала ускорителя 5. Как показано на фиг. 1, обмотки 15, 16, 17 могут иметь различные габаритные размеры. Наличие трех отличающихся обмоток позволяет оптимизировать расположение силовых линий магнитного поля, что, в свою очередь, обеспечивает лучшее параметрирование пучка ионов на выходе двигателя, создает улучшенные условия направления /каналирования/ пучка для обеспечения его параллельности. Использование трех обмоток, одна из которых 16 частично расположена под буферной камерой 4, позволяет подучить эффект магнитного зеркала с максимальной интенсивностью поля /по абсолютной величине/ на выходе канала ускорителя, минимальной в зоне анода, с последующим увеличением на входе последнего. В другом варианте реализации обмотки 15-17 для создания магнитного поля могут быть по меньшей мере частично заменены постоянными магнитами с точкой Кюри, превышающей рабочую температуру в двигателе. Кольцевая обмотка 15 может быть заменена совокупностью отдельных обмоток, окружающих соединительные штанги 22, которые образуют периферический магнитопровод. Катушки индуктивности 15, 16, 17 могут быть последовательно соединены с источником электрического питания 8 и с катодом 25, таким образом, чтобы обеспечить эффект саморегулирования разрядного тока. Эти катушки могут быть изготовлены намоткой медной проволоки с изолирующим минеральным покрытием, устойчивым к воздействию высоких температур. Для намотки может быть использован также коаксиальный провод с минеральной изоляцией. В качестве магнитного материала для полюсов 18,19, центрального сердечника 21, штанг 22 и ярма 10 может быть использовано мягкое железо, ультрачистое железо или сплав железо-хром с высокой магнитной проницаемостью. Для охлаждения катушек индуктивности 15, 16, 17 может быть использован тепловой канал, размещенный вдоль оси сердечника 21 и направляющий тепловой поток на ярмо 10 и внутренний радиальный полюсный элемент 19 для теплоизлучения в окружающее пространство. Толщина полюсных элементов 18, 19 в осевом направлении составляет порядка 20 мм. Количество ампер-витков и соотношение между длиной и диаметром каждой из обмоток 15.16 ,17 определяются из условия создания ра диального магнитного поля с максимальной ин тенсивностью на уровне выходного сечения 20 двигателя и с обеспечением параллельности си ловых линий поля плоскости выходного сечения 20 на выходе 28 двигателя. Вблизи анода эти ли нии должны располагаться таким образом, чтобы обеспечить эффективную ионизацию газообраз ного рабочего тела в этой зоне. Варианты реализации ионных двигателей в соответствии с изобретением, сочетающие использование буферной камеры 4 и различающихся между собой катушек индуктивности 15, 16.17 , позволяют получить электрический кпд порядка 50 - 70%, что в среднем выше на 10 25% по сравнению с существующими моделями двигателей Преимуществом таких двигателей является также получение на выходе сопла квазицилиндрической струи с небольшой расходимостью ионного пучка, порядка ± 9°. Таким образом при наружном диаметре канала ускорителя 80 мм получают на расстоянии 80 мм наружу от выходного сечения 20 двигателя концентрацию до 90% энергии в пределах указанного диаметра канала. В общем случае двигатели в соответствии с изобретением обладают уменьшенными габаритами и весом по сравнению с известными моделями, обеспечивают равномерность распределения тягового усилия при увеличенной удельной тяге /например, порядка 1 - 2 мН/см2/ и -имеют повышенный кпд. В то время как срок службы двигателей известного типа составляет порядка 3000 час, плазменные двигатели в соответствии с изобретением позволяют увеличить срок службы не менее чем до 5000 - 6000 час, в частности, вследствие уменьшенной эрозии канала 5 за счет уменьшения расхождения пучка ионов. Плазменные двигатели в соответствии с изобретением могут применяться в различных вариантах. Так они могут отличаться видом используемого материала для изготовления изоляционных конструкционных частей 2 , образующих канал ускорителя 5 в буферную камеру 4, для этой цели могут быть использованы следующие составы: - керамика BN + В4С + AI2O3 - ультрачистый оксид алюминия - композит АЬОз 27909 - стеклокерамика на основе диоксида кремния в чистом виде или с нанесенным покрытием, например оксидом редкоземельного элемента. В местах стыка изоляторных частей 2 и магнитных полюсных элементов, например 18, могут быть предусмотрены эластичные прокладки 29 из металла с коэффициентом теплового расширения, близким к керамике /фиг. 8/. Это позволяет уменьшить тепловые напряжения, вызванные разностью коэффициентов расширения керамики и элементов магнитной цепи. В этом случае на соответствующем участке изоляторной части 2 , ограничивающей канал 5, может быть предусмотрен уступ или удерживающий заплечик 30, на который опирается эластичная прокладка 29, причем последняя может крепиться к полюсному элементу магнитопровода 18 при помощи винта 31. Соединение между изоляторными частями 2 из керамики и металлическими полюсами 18, 19 может также осуществляться пайкой, диффузионной сваркой, спеканием композиции металл керамика или изостатическим прессованием в нагретом состоянии. Рассеиваемая мощность вследствие тепловых потерь в зоне анода и в канале отводится путем теплоизлучения в окружающее пространство от выходной части канала и от частей магнитопровода. Для устранения воздействия плазмы 27, образующейся на катоде 25, на изоляторные части 2 последние могут быть окружены экраном 24, расположенным между полюсным элементом 18 и ярмом 10, как указано выше. Для охлаждения экрана путем теплоизлучения он выполнен перфорированным или снабжен покрытием с высокой эмиссионной способностью. В первом случае размеры отверстий должны быть достаточно малыми для того, чтобы не допустить проникновение плазмы. Узел распределителя ксенона 14 может быть выполнен из нержавеющей стали или ниобия, а также из керамики того же состава, что и материал изоляторных частей 2 . Структура анода может быть выполнена из нержавеющей стали, справа никеля, ниобия или графита. Предусмотрен герметизированный металлокерамический канал подвода электрического питания к аноду 6 . Подача ксенона к распределителю 14 осуществляется посредством изолированного трубопровода в том случае, если узел распределителя выполнен из металла, что позволяет исключить возможность возникновения разряда между анодом 6 и распределителем 14 в буферной камере 4 с выходом на массу при отсутствии изолированного трубопровода. На фиг. 2 приведена конструкция такого трубопровода 32 для варианта, в котором кольцевой распределитель 14 расположен не в донной части буферной камеры, а на выходе из этой камеры 4 и отделен от анода 6 , размещенного во входной части канала ускорителя 5 . При этом трубопровод 32 образует радиальный участок в периферической части камеры 4 . Изоляционный трубопровод 32 на фиг.2 содержит керамическую трубу 33 , на два конца ко торой напаяны металлические наконечники 34 , внутри трубки предусмотрена набивка, например из керамического фетра 35 либо в виде слоя изолирующего гранулята, сборки пластинок из изоляционного материала или металлических сеток. Трубопровод из изоляционного материала 32 на фиг.2 размещен вдоль канала ускорителя 5, между буферной камерой 4 и обмоткой 15, что отвечает требованиям минимизации габаритной длины двигателя. Изоляционный трубопровод 32 может быть также размещен между ярмом 10 и буферной камерой 4. Изоляционные части 2 , ограничивающие буферную камеру и канал ускорителя, могут иметь различную конфигурацию; анод 6 может иметь цилиндрическую /фиг. 1,3,6) либо конинескую /фиг.4 ,5/ форму. В конструкции, приведенной на фиг. 1, внутренняя кольцевая обечайка 36 в сборке с частями 37 , 11 , 12 формирует кольцевой канал 5 и буферную камеру, обеспечивая монтаж анода и узла распределителя. На фиг. 5 приведен конструктивный вариант, в котором главный канал сформирован первой изоляционной частью 38 , которая образует наружную стенку буферной камеры 4 и канала 5, и второй изоляционной частью 39 которая образует внутреннюю стенку буферной камеры и канала 5, при этом размещенный в буферной камере распределитель 14 ионизируемого газа служит соединительным элементом между первой и второй частями 38 , 39. Конический анод 6 в этом варианте установлен на входе переходного конического участка 57 между камерой 4 и каналом 5 . В варианте, приведенном на фиг.З, части из изоляционного материала, ограничивающие буферную камеру и канал ускорителя 5, содержат первую часть 40, которая образует стенку буферной камеры 4 и внутреннюю стенку канала 5, а также вторую часть 41, которая обрадует наружную стенку главного канала 5 в этом случае анод 6 зажат посредством фланцевых элементов 42, 43 между указанными частями 40, 41. На фиг.З показан также наружный обтекатель 44, форма которого может быть выбрана в соответствии с требованиями. Узел распределителя вводится при монтаже с выходной стороны камеры. Близкий к варианту, приведенному на фиг.З, вариант, иллюстрируемый фиг.4, отличается способом монтажа анода 45 ионической формы, встроенного между первой и второй частями 40 , 41 посредством профилированных бортов /фланцев/ 46, 47. В вариантах, приведенных на фиг. 1 и 5, структура анода 45 наложена на стенку детали 2 из изоляционного материала в месте стыка между буферной камерой 4 и главным каналом 5. В варианте на фиг. 6 структура анода 6 составлена из нескольких электрически соединенных элементов посредством соединительных участков 48, узел распределителя вводится с выходного конца камеры. В этом варианте предусмотрен герметизированный стык 49 керамикакерамика между двумя частями 40 , 50 из изоляционного материала, это позволяет получить разъемную конструкцию канала, состоящую из двух разделяемых частей. 27909 На фиг 7 показана наружная обечайка 51 двигателя, выполненная из магнитного материала и служащая также промежуточным конструктивным элементом узла подвески двигателя на элементе конструкции 52 космического аппарата. Механическая часть 53 узла подвески двигателя примыкает непосредственно к части обшивки 52 аппарата с ориентацией, параллельной направлению "север-юг" для геостационарного ИС. На фиг 7 угол а. является установочным углом двигателя по отношению к оси "север-юг" ИС. Угол р, меньший а, обозначает половину угла расходимости пучка ионов. Выполненные в обечайке 51 излучающие окна 55 закрыты перфорированными экранами 56, например металлическими сетками. Возможны также другие, кроме рассмотренных, варианты реализации плазменных двигателей в соответствии с изобретением, не нарушающие сущности изобретения. 606Z3 s to \ I\\\\\ \\ \" \\ YK \ \ \ V 606Z2 27909 Фиг.? 5-І Фигі ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Бульв. Лесі Українки, 26, Київ, 01133, Україна (044) 254-42-30, 295-61-97 Підписано до друку /о^ О

Дивитися

Додаткова інформація

Автори англійською

Morozov Aleksei, Buhrova Antonina

Автори російською

Морозов Алексей, Бугрова Антонина

МПК / Мітки

МПК: F03H 1/00

Мітки: дрейфу, електронів, двигун, замкненою, траєкторією, плазмовий

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/12-27909-plazmovijj-dvigun-iz-zamknenoyu-traehktoriehyu-drejjfu-elektroniv.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Плазмовий двигун із замкненою траєкторією дрейфу електронів</a>

Подібні патенти