ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1994 года по МПК F03H1/00 H05H1/54 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для создания электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ), а также в технологических установках, где есть необходимость создания контролируемого потока плазмы.

Известна ЭРДУ, установленная на ИСЗ "Метеор". Двигательные блоки ЭРДУ закреплены на корпусе объекта на специальных кронштейнах. Система подачи и хранения рабочего тела (СПХ) также установлена с внешней стороны корпуса и закрыта экранно-вакуумной изоляцией для обеспечения нормального теплового режима. Соединение СПХ с двигательными блоками осуществляется с помощью трубопроводов, закрепленных на корпусе объекта (1).

Известна ЭРДУ принятая авторами за прототип, содержащая двигательный блок, в состав которой входят анодный и катодный блоки, систему хранения рабочего тела, обеспечивающая срабатывание перепада давления рабочего тела (РТ) с режима хранения до приемлемого на входе в блок подачи РТ (обычно достаточно высокое давление), блок подачи РТ для срабатывания перепада давления рабочего тела на входах в анодный и катодный блоки (обычно до 0,1 кгс/см²) и трубопроводы известной длины и сечения, соединяющие блоки по линии подачи РТ. Катодный блок консольно закреплен на анодном блоке таким образом, что ось катода расположена перпендикулярно силовым линиям магнитного поля в месте расположения рабочей поверхности катода, а элементы катода расположены в зоне прямого воздействия ускоренного плазменного потока, содержащего ионы энергией выше порога распыления материалов катода. Для установки на космическом аппарате (КА) двигательный блок, блок подачи РТ и система хранения расположены на отдельных силовых рамах (2).

Однако известная ЭРДУ обладает рядом недостатков. Размещение элементов катода в зоне прямого воздействия ускоренного плазменного потока значительно снижает ресурсные характеристики ЭРДУ. Расположение оси катода перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, замыкающимся по достаточно протяженным траекториям на торцевой поверхности анодного блока, повышает энергозатраты на транспортировку электронов в рабочую зону анодного блока и приводит к потерям электронов за счет изменения траекторий движения в противоположную сторону от рабочей зоны анодного блока и увеличивает частоту соударения электронов с другими частицами (например, частицы остаточной атмосферы КА, нейтральные атомы РТ) и тем самым снижает эффективность использования катода в составе ЭРДУ.

Конструкция ЭРДУ в виде отдельных блоков требует для каждого блока свою силовую раму и осуществление функциональной связи между ними по линии подачи РТ трубопроводами достаточно большой протяженности. Наличие таких трубопроводов при известной площади сечения определяет повышенную инерционность ЭРДУ в регулировании давления РТ на входах в анодный и катодный блоки для обеспечения динамических свойств ЭРДУ в поддержании выходных параметров. Наличие отдельных силовых рам для каждого блока увеличивает массу ЭРДУ и затраты на вывод КА в космос.

При создании изобретения решалась задача повышения ресурсных характеристик ЭРДУ, повышение эффективности использования катодов в составе ЭРДУ, снижение инерционности ЭРДУ в регулировании рабочего тела на входах в анодный и катодный блоки, оптимизация конструктивного исполнения ЭРДУ.

Поставленная задача решена за счет того, что в ЭРДУ, содержащей, по меньшей мере, один двигательный блок, состоящий из анодного блока стационарного плазменного двигателя и катодного блока, включающего, по крайней мере, один плазменный катод, размещенный за срезом ускорительного канала анодного блока, бок подачи рабочего тела в анодный и катодный блоки, силовые рамы крепления блоков к корпусу космического аппарата и межблочные трубопроводы подачи рабочего тела, катод расположен таким образом, чтобы его продольная ось симметрии была направлена по касательной к опорным силовым линиям магнитного поля в точке их пересечения с эмиссионной поверхностью катода, при этом в качестве опорных выбраны силовые линии магнитного поля, концы которых замыкаются на торцевой поверхности анодного блока, а их кривизна в области выходного среза ускорительного канала минимальна.

Размещение катодного блока относительно анодного определенным образом повышает эффективность использования катода в составе ЭРДУ не меньше, чем в 1,5 раза за счет снижения энергозатрат и потерь электронов при транспортировке их в рабочую зону анодного блока по соответствующим траекториям и с соответствующей начальной кинематической энергией выхода с рабочей поверхности катода.

Для снижения инерционности ЭРДУ в регулировании рабочего тела на входах в анодный и катодный блоки анодный блок и блок подачи рабочего тела установлены на единой силовой раме, выполненной в виде установочной плиты с закрепленными на одной из ее сторон двумя кронштейнами с развитой поверхностью и изготовленного из материала с низкой теплoпроводностью, причем анодный блок установлен на кронштейнах, а элементы блока подачи рабочего тела закреплены на противоположной стороне установочной плиты таким образом, что габаритные размеры блока подачи рабочего тела не превышают габаритных размеров посадочных мест установочной плиты на корпусе космического аппарата.

Размещение анодного и катодного блоков, элементов блока подачи на единой силовой раме определяет применимость ЭРДУ и КА различных форм для создания необходимого уровня тягового импульса за счет набора нескольких ЭРДУ в связки "сотовой" конструкции при минимальных габаритных размерах.

Для повышения ресурсных характеристик ЭРДУ катодный блок расположен вне конусообразного плазменного потока, содержащего ионы с энергией выше порога распыления материала катодов, граница которого определяется из условия пересечения под углом не менее 50^о образующей конусообразной поверхности с плоскостью наружного магнитного полюса анодного блока.

На фиг. 1, 2 показана компоновка анодного и катодного блоков и блока подачи; на фиг.3 - установочная плита без анодного и катодного блоков; на фиг.4 - схема расположения катода относительно анодного блока.

Электрореактивная двигательная установка содержит анодный блок 1, катодный блок 2, систему хранения РТ 3, блок подачи РТ 4, трубопровод 5, соединяющий систему хранения РТ 3 с блоком подачи РТ 4, трубопровод 6, соединяющий блок подачи РТ 4 с анодным блоком 1, трубопроводы 7, соединяющие блок подачи РТ 4 с катодами катодного блока 2, установочную плиту 8.

На установочной плите 8 с помощью разъемного соединения закреплены кронштейны 9, выполненные, например, из титана. Анодный блок 1 установлен на посадочные места кронштейнов 9 через юстировочные элементы 10, а блок подачи Рт 4 закреплен с другой стороны установочной плиты 8. На установочной плите 8 со стороны размещения анодного блока 1 текстильными застежками типа "репейник" закреплен мат теплоизоляции 13, предназначенный для исключения воздействия теплового потока, излучаемого поверхностью теплонапряженного анодного блока 1 на установочную плиту 8, и, как следствие, снижение внешнего теплового воздействия на элементы блока подачи РТ, требующие термостатирования в узком диапазоне достаточно низких температур для точной дозировки рабочего тела в анодный 1 и катодный 2 блоки. На блоке подачи РТ 4 установлен штуцер 11, обеспечивающий подачу рабочего тепла от системы хранения РТ 3 в блок подачи Рт 4. На установочной плите 8 выполнены отверстия 12 для крепления установочной плиты 8 с установленными на ней блоками 1, 4 на КА.

Монтаж ЭРДУ на КА осуществляют следующим образом.

Установочная плита 8 с установленными на ней блоками 1, 4 закрепляется на силовой раме КА болтовыми соединениями через отверстия 12, показанные на фиг. 3, система хранения РТ 3 закрепляется на КА на своих посадочных местах автономно.

ЭРДУ работает следующим образом.

По сигналам от системы электропитания (в изобретение не рассматривается) рабочее тепло из системы хранения 3, проходя стадии срабатывания перепада давления РТ с режима хранения до приемлемого, по трубопроводам 5, 6, 7 поступает в анодный 1 и катодный 2 блоки, запитываются по алгоритму эксплуатации потребители электрической энергии анодного 1 и катодного 2 блоков, зажигается разряд между анодным 1 и катодным 2 блоками, образовавшиеся в рабочей зоне анодного блока 1 ионы рабочего тела ускоряются в электрическом поле, создавая тяговый импульс ЭРДУ.

Тепловой поток от анодного блока 1 как излучением с поверхности, так и непосредственно по кронштейнам 9 распределяется по установочной плите 8 и в дальнейшем частично поступает на конструкцию блока подачи РТ 4, а частично сбрасывается на конструкцию КА.

При необходимости регулирования параметров ЭРДУ как по требованию внешнего наблюдателя, например, оператора наземного комплекса управления КА, так и по внутренним причинам, например, программы бортового комплекса управления, по сигналам от системы электропитания происходит регулирование давления рабочего тела на входах в анодный 1 и катодный 2 блоки в требуемом диапазоне.

Использование: в космической технике, в частности, в электрореактивной двигательной установке. Сущность изобретения: установка содержит анодный блок 1, катодный блок 2, систему хранения рабочего тела (РТ) 3, блок подачи РТ 4, Трубопроводы 5, 6, 7, соединяющие систему хранения 3 с блоком подачи РТ 4, с анодным блоком 1 и катодами катодного блока 2. Анодный блок 1 установлен на кронштейнах 9, расположенных на установочной плите 8. На другой стороне установочной плиты 8 закреплен блок подачи РТ 4. Катодный блок 2 расположен относительно анодного блока 1 таким образом, чтобы ось симметрии катода была направлена по касательной к силовым линиям магнитного поля в точке их пересечения с эмиссионной поверхностью катода. В качестве опорных силовых линий магнитного поля выбраны силовые линии, пересекающие рабочую поверхность катода, концы которых замыкаются на торцевой поверхности анодного блока по траекториям, кривизна которых в зоне выходного среза ускорительного начала анодного блока минимальна. Это повышает ресурсные характеристики установки, снижает инерционность при регулировании РТ на входах в анодный и катодный блоки, оптимизирует конструкцию. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА, содержащая по меньшей мере один двигательный блок, состоящий из анодного блока стационарного плазменного двигателя и катодного блока, включающего по крайней мере один плазменный катод, размещенный за срезом ускорительного канала анодного блока, блок подачи рабочего тела в анодный и катодный блоки, силовые рамы крепления блоков к корпусу космического аппарата и межблочные трубопроводы подачи рабочего тела, отличающаяся тем, что катод расположен так, что его продольная ось симметрии направлена по касательной к опорным силовым линиям магнитного поля в точке их пересечения с эмиссионной поверхностью катода, при этом в качестве опорных выбраны силовые линии магнитного поля, концы которых замыкаются на торцевой поверхности анодного блока, а их кривизна в области выходного среза ускорительного канала минимальна. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что анодный блок и блок подачи рабочего тела установлены на единой силовой раме, выполненной в виде установочной плиты с закрепленными на одной из ее сторон двумя кронштейнами с развитой поверхностью, изготовленными из материала с низкой теплопроводностью, при этом анодный блок установлен на кронштейнах, а элементы блока подачи рабочего тела закреплены на противоположной стороне установочной плиты, причем габаритные размеры блока подачи рабочего тела выбраны не большими, чем габаритные размеры посадочных мест установочной плиты на корпусе космического аппарата. 3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что габаритные размеры блока подачи совместно с установочной плитой выбраны не большими, чем габаритные размеры двигательного блока. 4. Установка по пп.1, 2 и 3, отличающаяся тем, что катодный блок расположен вне конусообразного плазменного потока, содержащего ионы с энергией выше порога распыления материала катодов, граница которого выбрана из условия пересечения под углом 50^o образующей косунообразной поверхности с плоскостью наружного магнитного полюса анодного блока.