ПОЛИКАНАЛЬНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1994 года по МПК F03H1/00 H05H1/54 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к электрореактивным двигательным установкам, и может быть использовано в стационарных плазменных двигателях (СПД) и двигателях с анодным слоем (ДАС).

Известны электрореактивные двигатели с замкнутым дрейфом электронов типа СПД и ДАС, содержащие разрядный канал с анодом-газораспределителем, магнитную систему с магнитопроводами, катушками намагничивания, наружным и внутренним полюсами, катод-компенсатор [1] .

Основным недостатком этих двигателей является сложность создания двигательных установок (ДУ) с большими тяговыми усилиями.

Известен поликанальный двигатель на базе ДАС, принятый в качестве прототипа, содержащий два (четыре) ускорительных канала, магнитную систему, в состав которой входит общий для каналов магнитопровод, магнитные катушки намагничивания, установленные на внутренних полюсах каждого ускорительного канала, и общий для каналов наружный магнитный полюс [2] .

По сравнению с аналогами повышено сечение потока плазмы по отношению к миделю двигателя. Кроме того, стало возможным изготовление магнитной системы с меньшей массой. Этого удалось достичь за счет того, что наружный полюс выполнен общим для всех каналов, что позволило демонтировать наружные катушки, а магнитный поток замкнуть между внутренними полюсами через два зазора разрядных каналов и общий наружный полюс. Однако при этом в поликанальном двигателе возникают дополнительные проблемы, связанные с возникновением "перекоса" магнитной линзы, так как отсутствие наружных катушек, связанных с внешним полюсом, привело к тому, что напряженность магнитного поля у общего наружного полюса стало ниже, чем у внутренних. Выдержать оптимальное значение напряженности по ширине разрядного канала стало невозможно. Это привело к снижению КПД двигателя, расфокусировке плазменного потока и, следовательно, уменьшению ресурса в результате ускоренного износа изолятора разрядной камеры. Кроме того, не удалось снизить теплонапряженность конструкции двигателя.

Другим недостатком является наличие фактора, снижающего КПД двигателя - азимутальной неоднородности x-разряда, вызванной соответствующей неоднородностью распределения магнитного поля в канале. Причина такой неоднородности заключается в том, что, замыкаясь с одного внутреннего полюса на другой, поток вектора магнитной индукции проходит различные по длине участки наружного полюса, имеющие соответственно различное магнитное сопротивление. Таким образом, вектор магнитной индукции имеет максимальное значение в зоне канала, соответствующей самому короткому участку, а наименьшее значение - в зоне, соответствующей самому длинному участку. Кроме того, наличие азимутальной неоднородности магнитного поля может привести к рассогласованию плотности ионного тока с азимутальным Холловским током, вызывая развитие неустойчивостей в разряде, что также приводит к дополнительным энергетическим потерям в двигателе.

Основной задачей является повышение КПД двигателя и ресурса путем выравнивания напряженности магнитного поля наружного и внутреннего полюсов, а также снижение теплонапряженности конструкции.

Это достигается тем, что в двигателе, содержащем по меньшей мере два ускорительных канала и магнитную систему, в состав которой входит общий для каналов магнитопровод, магнитные катушки намагничивания, установленные на внутренних полюсах каждого ускорительного канала, и общий для каналов наружный магнитный полюс, магнитная система дополнительно снабжена внутренними и наружными магнитными экранами, размещенными вокруг каждого ускорительного канала, при этом на наружных магнитных экранах установлены дополнительные магнитные катушки, включенные таким образом, чтобы создаваемый ими второй контур магнитного потока усиливал основной магнитный поток в ускорительных каналах, причем поперечное сечение наружных магнитных экранов выбрано из условия пропускания магнитного потока, величина которого равна потоку, создаваемому дополнительными катушками намагничивания. Таким образом, дополнительная катушка на наружном экране одного канала повышает напряженность магнитного поля у наружного полюса другого канала и наоборот. В результате этого оптимальное распределение напряженности магнитного поля по ширине разрядной камеры достигается выполнением необходимого числа витков дополнительных катушек.

Наличие общего наружного магнитного полюса, не связанного магнитопроводами с магнитными катушками и задним фланцем двигателя, позволило использовать его в качестве радиатора. Самый теплонапряженный элемент двигателя - разрядная камера - конструктивно закреплен на наружном полюсе и сбрасывает на него свое тепло за счет теплопроводности в местах крепления.

Задача по обеспечению азимутальной однородности магнитного поля в межполюсном зазоре решена путем выравнивания суммарного магнитного сопротивления элементов магнитной цепи наружный полюс-межполюсный зазор за счет введения дополнительного магнитного сопротивления в виде приращения межполюсного зазора таким образом, что азимутальная неоднородность сопротивления в наружном полюсе компенсируется соответствующим сопротивлением вводимого приращения межполюсного зазора по всей окружности каналов.

Это приращение зазора обеспечивается профилированием наружного или внутреннего полюсов таким образом, что величина межполюсного зазора в каждой его точке обратно пропорциональна длине магнитного контура, проходящего через эту точку.

На фиг. 1 показан продольный разрез поликанального двигателя; на фиг. 2 изображен принцип профилирования магнитных полюсов.

Двигатель содержит несколько ускорительных каналов 1 и общую для них магнитную систему, образованную общим магнитопроводом 2, основными магнитными катушками 3, размещенными на внутренних полюсах каждого канала 4 и 5, общий наружный магнитный полюс 6, внутренние и наружные магнитные экраны 7 и 8, дополнительные магнитные катушки 9, размещенные на наружных магнитных экранах 8.

Устройство работает следующим образом.

При запитывании магнитных катушек в процессе запуска в магнитной системе каждого ускорительного канала 1 возникает два контура магнитных потоков, что обусловлено распределением требуемых ампер-витков между основной 3 и дополнительной 9 катушками. Первый проходит через внутренние магнитные полюса 4 и 5, зазоры ускорительных каналов 1, общий наружный полюс 6, магнитопровод 2 и основные катушки 3. Второй контур, созданный дополнительной катушкой 9 первого канала, проходит через общий наружный полюс 6, внутренний полюс второго канала 5 и магнитопровод 2. Аналогично проходит второй контур, созданный наружной катушкой второго канала. В результате суперпозиции этих контуров получается одинаковая напряженность магнитного поля в ускорительном канале у наружного и внутреннего магнитных полюсов. Тепловые потоки с разрядной камеры во время работы имеют выход только на наружный общий магнитный полюс 6, который выполняет функцию холодильника-излучателя.

При профилированных полюсах каждой силовой линии, проходящей по азимутальному углу ϕ ^о, в зависимости от ее длины на наружном полюсе 6 соответствует свое приращение межполюсного зазора Δ r, так что кратчайшая линия ' имеет максимальное значение Δ r, самая длинная линия '' - нулевое значение. Это создает азимутальное однородное поле в ускорительных каналах 1. Магнитные экраны 7 и 8 с катушками 9 обеспечивают радиальную симметричность поля с высоким градиентом его радиальной составляющей. Рабочее тело, подающееся в ускорительные каналы 1, ионизируется и ускоряется в скрещенных x полях. (56) 1. Морозов А. И. Физические основы космических электрореактивных двигателей. Т. 1, М. : Атомиздат, 1978.

2. Ерофеев В. С. и др. Поликанальный ускоритель с анодным слоем. Материалы II Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям. Минск, 1973, с. 140, 141.

Использование: в области космической техники, а именно в электрореактивных двигательных установках в качестве стационарных плазменных двигателей и двигателей с анодным слоем. Сущность изобретения: поликанальный плазменный двигатель содержит несколько ускорительных каналов 1 и общую для них магнитную систему, образованную общим магнитопроводом 2, основными магнитными катушками 3, размещенными на внутренних полюсах каждого канала 4 и 5, общий наружный магнитный полюс 6, внутренние и наружные магнитные экраны 7 и 8, дополнительные магнитные катушки 9, размещенные на наружных магнитных экранах 8. Полюса могут быть профилированными. Изобретение позволяет повысить КПД и ресурс двигателя. Технический эффект достигается за счет выравнивания напряженности магнитного поля и улучшения фокусировки плазменного потока, проходящего через симметричную магнитную линзу. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ПОЛИКАНАЛЬНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий по меньшей мере два ускорительных канала и магнитную систему, в состав которой входит общий для ускорительных каналов магнитопровод, электромагнитные катушки намагничивания, установленные на внутренних полюсах каждого ускорительного канала, и общий для каналов наружный магнитный полюс, отличающийся тем, что магнитная система дополнительно снабжена внутренними и наружными магнитными экранами, размещенными вокруг каждого ускорительного канала, при этом на наружных магнитных экранах установлены дополнительные электромагнитные катушки, включенные так, чтобы создаваемый ими второй контур магнитного потока усиливал основной магнитный поток в ускорительных каналах, причем поперечное сечение наружных магнитных экранов выбрано из условия пропускания магнитного потока, величина которого равна потоку, создаваемому дополнительными магнитными катушками. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере один из полюсов каждого канала спрофилирован так, чтобы величина межполюсного зазора канала изменялась в азимутальном направлении в обратно пропорциональной зависимости от длины магнитопроводящего контура, проходящего через наружный магнитный полюс между внутренними полюсами соседних каналов, для соответствующего азимутального элемента профилируемого полюса.