стационарный плазменный двигатель малой мощности
Изобретение относится к плазменной технике. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит главный кольцевой канал ионизации и ускорения, ограниченный конструкционными элементами из изолирующего материала и открытый на своем выходном конце. По крайней мере один полый катод сообщен с линией для подачи ионизируемого газа. Кольцевой анод, концентричный главному каналу, расположен на расстоянии от его открытого конца. Во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер главного кольцевого канала. Трубы для подачи ионизируемого газа сообщаются в направлении к аноду через кольцевой распределитель с зоной, отличной от зоны расположения анода. Техническим результатом является повышение тяговой характеристики стационарного плазменного двигателя малой мощности и упрощение конструкции при обеспечении гарантированного времени непрерывной работы. 17 ил.
Формула изобретения
Стационарный плазменный двигатель малой мощности, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, кольцеобразный анод, соосно установленный каналу разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему из двух кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания магнитного поля в главном канале, обеспечивающих наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала, отличающийся тем, что кольцевой анод, концентричный кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, расположен на расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер кольцеобразного канала ионизации и ускорения, газовводы для подачи ионизируемого газа сообщены в направлении к аноду через кольцевой распределитель с зоной, отличной от зоны расположения анода, при этом со стороны заднего фланца закреплено кольцо из немагнитной нержавеющей стали для формирования симметричной конфигурации силовых линий магнитного поля с помощью двух разнесенных в поперечном направлении относительно разрядной камеры источников магнитного поля кольцеобразных магнитных устройств магнитной системы.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к плазменной технике и преимущественно предназначено для использования в космической технике в качестве исполнительного органа электрореактивной двигательной установки. Изобретение относится к плазменным двигателям, применяемым на космических аппаратах, в частности к плазменным двигателям с замкнутым дрейфом электронов, называемых двигателями со стационарной плазмой или "холловскими двигателями".
Такие двигатели предназначены в основном для применения при движении в условиях космоса. В качестве источников ионов или плазмы они также используются для наземного применения, в частности для ионной обработки. Благодаря их высокому удельному импульсу (от 1500 до 6000 с) они обеспечивают в спутниках значительный выигрыш по массе в сравнении с химическими реактивными двигателями.
Плазменные двигатели с замкнутым дрейфом электронов характеризуются низкой энергетической ценой тяги за счет создания условий, благоприятных для ионизации, при этом создаваемый ими ионный поток квазинейтрален, что снимает ограничения величины плотности ионного тока за счет действия объемного заряда. В связи с этим такой плазменный двигатель может работать в широком диапазоне ускоряющих напряжений. Ионный ток в хороших моделях плазменных ускорителей такого типа близок к разрядному и определяется лишь величиной массового расхода рабочего тела. Таким образом, в известных плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом электронов, в отличие от ионных, имеется возможность независимо изменять массовый расход и ускоряющее напряжение, то есть тягу и скорость истечения при высоком к.п.д двигателя.
В статье Л.А. Арцимовича и др. "Разработка стационарного плазменного двигателя и его испытание на ИСЗ "Метеор" ("Космические исследования", Москва, 1974 г., т. XII, вып. 3, стр. 451-468) описан общий принцип построения плазменного двигателя (ускорителя) с замкнутым дрейфом электронов. Он состоит из разрядной камеры с кольцевым каналом ионизации и ускорения с открытым выходом, выполненной из электроизоляционного материала, газоразрядного полого катода, установленного со стороны открытого выхода из кольцевого канала и подключенного к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения. К положительному полюсу источника напряжения подключен полый кольцевой анод-газораспределитель, установленный на входе в кольцевой канал, соосно с ним. Плазменный ускоритель содержит также средства для подвода ионизируемого газа к газоразрядному полому катоду и к полому кольцевому аноду-газораспределителю, имеющему отверстия для подвода к нему газа и для подачи ионизируемого газа в разрядную камеру. В состав ускорителя входит система для создания магнитного поля в полости разрядной камеры, включающая источник магнитного поля и магнитопровод, состоящий из центрального сердечника, торцевой части со стороны, противоположной выходу из кольцевого канала, и кольцевой части, размещенной снаружи кольцевого канала и образующей выходной торец ускорителя. Торцевые части магнитопровода скреплены с помощью периферийных магнитопроводящих стержневых элементов, равномерно расположенных вокруг разрядной камеры, соосно с ней. Источник магнитного поля известного ускорителя состоит из восьми последовательно соединенных и включенных в электрическую цепь электромагнитных катушек, намотанных на стержневых магнитопроводящих элементах.
Известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий магнитную систему с тремя парами магнитных полюсов (US 4703222, H05H 1/00, опубл. 1987). Известный плазменный ускоритель содержит разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразного канала, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала, и кольцеобразный анод, соосно установленный на входе в канал разрядной камеры. Кольцеобразное газораспределительное устройство размещено в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполнено с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру в радиальном направлении. Магнитная система известного плазменного ускорителя состоит из источников магнитного поля, магнитропровода и трех пар кольцеобразных магнитных полюсов, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры. Первая пара магнитных полюсов охватывает кольцеобразный канал со стороны его открытого выхода и образует торцевую часть ускорителя. В состав магнитопровода входит центральный цилиндрический сердечник, установленный коаксиально каналу разрядной камеры вместе с внутренними магнитными полюсами и источниками магнитного поля, которые размещаются между внутренними магнитными полюсами. Внешние элементы магнитопровода соединяют внешние магнитные полюса. Остальные источники магнитного поля расположены вокруг внешней стенки кольцеобразного канала между внешними магнитными полюсами.
Данное выполнение магнитной системы позволяет создать оптимальную для ионизации и ускорения ионов конфигурацию магнитного поля, что обеспечивает повышение газовой эффективности ускорителя и его к.п.д в целом. Кроме того, использование предионизации в буферной камере ускорителя наряду с повышением эффективности использования рабочего тела обеспечивает регулирование характеристик плазменного ускорителя в широких пределах.
Однако присущие решению преимущества не исключают недостатки, касающиеся, в первую очередь, расходимости ионного пучка, недостаточно высокого к.п.д, ограниченной надежности, сложности конструкции, достаточно большого веса и больших габаритов плазменного ускорителя, который должен использоваться в составе космической двигательной установки.
В известном решении применение буферной камеры позволило добиться однородности поступающего в канал потока нейтральных частиц, а следовательно, и ионов. При работе патентуемого плазменного ускорителя требуемая топология магнитного поля, близкая к идеальной, достигается простым и эффективным конструктивным решением, за счет чего появилась возможность использовать для решения этой задачи лишь два источника магнитного поля. Это было достигнуто путем оптимального расположения третьей пары магнитных полюсов, позволяющего наиболее простым способом создать выпуклые магнитные силовые линии у стенок канала разрядной камеры в его выходной части. В результате проведенных экспериментов было установлено, что требуемый профиль магнитного поля в буферной камере организуется путем оптимизации ее размеров согласно приведенным в этом патенте соотношениям. Наклон сепаратрис и выпуклость магнитных силовых линий корректируется положением внешнего и внутреннего магнитных полюсов третьей пары. Такое конструктивное выполнение определяет создание близкой к идеальной (для управления формой ускоряемого потока ионов) конфигурации магнитного поля, при этом из энергонапряженной зоны внутреннего магнитопровода исключаются излишние источники магнитного поля. Данные возможности позволяют упростить конструкцию плазменного ускорителя, снизить его вес и габариты, уменьшить полуугол расходимости пучка ионов до значения<±15 и повысить к.п.д. до 65-72%.
Стационарные плазменные двигатели (СПД) находят широкое применение на борту современных космических аппаратов. В настоящее время значительно вырос интерес к СПД малой мощности (меньше 200 Вт) как в России (Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов // О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. Академика РАН А.С. Коротеева. М.: Машиностроение, 2008, с. 31-42, 184-189; К.Н. Козубский, В.М. Мурашко, Ю.П. Рылов и др. СПД работают в космосе // Физика плазмы, 2003, т. 29, № 3, с. 277-292; Г.Э. Бугров, А.В. Десятсков, М.В. Козинцева, А.С. Липатов. Интегральные параметры стационарного плазменного двигателя АТОН малой мощности в стационарном и "пулеметном" режимах // Космонавтика и ракетостроение, 2008, 3(52), с. 69-74; М.Б. Беликов, О.А. Горшков, Е.Н. Дышлюк и др. Разработка холловского двигателя малой мощности с ресурсом до 3000 часов // Космонавтика и ракетостроение, 2008, 3(52), с. 131-141; Bugrova A.I., Desiatskov A.V., Kaufman H.R. et al. "Design and experimental investigation of a small closed drift thruster", 27 th International Electronic Propulsion Conference, 2001. -IEPC-2001-344), так и за рубежом (Polk J. "Electric propulsion in the USA", 30 th International Electronic Propulsion Conference, Florence, Italy, 2007, -IEPC-2007-368; Polzin K.A., Markusie Т.Е., Stanoev B.J. et al. "Performance of a low power cylindrical Holl thruster", 29 th International Electronic Propulsion Conference, 2005, -IEPC-2005-011; Biagioni L., Cesari U., Saverdi M., "Development status of the HT-100 miniaturized hall effect thruster system", 41 th Join Propulsion Conference, 2005, -AIAA-2005-3875; Tahara H., Fujioka Т., Kitano Т. et al., "Optimization on magnetic field and acceleration channel for low power hall thrusters", 28 th International Electronic Propulsion Conference, 2003, -IEPC-2003-015).
Это связано, в основном, с расширением работ по созданию малых космических аппаратов нового поколения, которые могут быть использованы для решения задач телекоммуникации и дистанционного зондирования Земли. Функции, которые выполняет СПД на борту космического аппарата - это коррекция орбит космических аппаратов, удержание его на заданной орбите, сохранение нужной ориентации аппарата в пространстве.
Создание современных стационарных плазменных двигателей малой мощности идет как по пути масштабирования двигателей классической схемы, так и на основе модификации их магнитной системы. В первом случае работы выполняются в кооперации ОКБ "Факел" с Исследовательским центром им. М.В. Келдыша (Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов // О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. Академика РАН А.С. Коротеева.- М.: Машиностроение, 2008, с. 31-42, 184-189; М.Б. Беликов, О.А. Горшков, Е.Н. Дышлюк и др. Разработка холловского двигателя малой мощности с ресурсом до 3000 часов // Космонавтика и ракетостроение, 2008, 3(52), с. 131-141). Во втором случае работы выполняются ОКБ "Факел" совместно с НИИ прикладной механики и электродинамики (К.Н. Козубский, В.М. Мурашко, Ю.П. Рылов и др. СПД работают в космосе // Физика плазмы, 2003, т. 29, № 3, с. 277-292). Многочисленные экспериментальные данные в приведенных публикациях показывают, что с уменьшением потребляемой СПД мощности анодный тяговый к.п.д. классических СПД снижается и при мощностях 100-200 Вт не превышает 30.
Однако прямое использование метода масштабирования для получения действующей модели, уменьшенной по габаритам по отношению к аналогу, не обеспечивает получение требуемого результата.
Как показывают оценки, при мощности, потребляемой СПД, равной 140-160 Вт, необходим расход ксенона через анод
0.7-0.9 мг/с. Разрядное напряжение должно быть порядка 170-200B. При таких входных параметрах снижение эффективности классических двигателей, потребляющих малую мощность по сравнению с СПД средней мощности (1-1.5 кВт) с 50%до 30% можно объяснить следующим образом. Из приведенных выше работ следует что, анодный к.п.д. двигателя связан с эффективностью процесса ионизации, который определяется коэффициентом использования газа и, потерями напряжения на ионизацию атомов ксенона AU и параметром обмена который определяет величину разрядного тока. К.п.д. двигателя с учетом мощности, потребляемой магнитными катушками равен:
где - расход газа через анод
Тяга развиваемая двигателем равна
где М - масса иона ксенона, U p - разрядное напряжение, коэффициент использования газа определяется как отношение ионного тока, выходящего из канала к массовому току: