УСКОРИТЕЛЬ ПЛАЗМЫ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1997 года по МПК H05H1/54 F03H1/00 

Предлагаемый ускоритель плазмы относится к космической технике и применяется в качестве реактивного двигателя, а также может использоваться для технологических целей.

Известны ускорители плазмы с замкнутым дрейфом электронов двух типов: стационарные плазменные двигатели (СПД) и двигатели с анодным слоем (ДАС) [1,2,3] Известны также плазмооптические фокусирующие системы с точечными источниками плазмы [4]
Недостатком ПД и ДАС является большой угол расходимости плазменной струи, малый ресурс работы и неуправляемость направлением вектора тяги [5,6]
За прототип принят ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов [7] основными отличительными признаками которого является наличие внутренних и внешних магнитных экранов, устанавливаемых, соответственно, между разрядной камерой и внутренними и внешними источниками магнитного поля, а также наличие симметрии в конструкции разрядной камеры, анода и магнитной системы относительно двух взаимно перпендикулярных продольных плоскостей, по которым разделены внешний полюс, внешний магнитный экран и внешние источники магнитного поля на четыре части.

Недостатками прототипа [7] являются большой угол расходимости струи и неуправляемость положения оси струи.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков.

Сущность изобретения состоит в том, что для снижения угловой расходимости плазменной струи с кольцевым источником плазмы и управления направлением тяги добавляется плазмооптическая электромагнитная камера. Эта камера устанавливается на выходе плазмы из канала ускорения и формирует поток ускоренной плазмы путем воздействия на него управляемых магнитных и электрических полей.

Технический результат, который достигается в предлагаемом ускорителе - это ограничение области влияния плазменной струи на элементы конструкции космического аппарата (солнечные батареи, антенны и др.); создание управляемых по координатам компонент тяги и моментов сил одним двигателем, повышение плотности плазмы на выходе и, соответственно, плотности тяги.

Указанный результат достигается тем, что ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов, включающий разрядную камеру, образующую кольцевой канал ускорения, ограниченный внутренней и внешней цилиндрическими стенками и имеющий внутри кольцеобразный анодный газораспределитель с одной стороны и выходную часть с другой стороны, за пределами которой расположен газоразрядный полый катод; магнитную систему, имеющую внутренний и внешние источники магнитных полей с соответствующими внутренними и внешними полюсами, между которыми образован кольцевой рабочий зазор в выходной части разрядной камеры, а также внутренний и внешний магнитные экраны, установленные, соответственно, между внутренним источником магнитного поля и внутренней стенкой разрядной камеры, и между внешним источником магнитного поля и внешней стенкой разрядной камеры, кольцеобразный анодный газораспределитель и магнитная система симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных продольных плоскостей, а внешние полюс и внешний экран разделены продольными прорезями, соответственно, на четыре симметричные части, отличается тем, что в состав ускорителя включена электромагнитная камера формирования плазменного потока, в которую входят рабочая полость, ограниченная снаружи цилиндрической стенкой и имеющая вдоль продольной оси симметрии входную и выходную части; магнитная система, расположенная снаружи стенки и состоящая из двух или более входных и двух или более выходных секторных полюсных наконечников, между которыми расположены, соответственно, два или более источников магнитного поля, причем между соседними полюсами наконечниками имеются продольные зазоры, а сами входные и выходные наконечники, соответственно, соединены между собой кольцевыми мостами из немагнитного материала; электродная система в виде изолированных секторов, закрепленных симметрично относительно плоскостей симметрии полюсных наконечников, при этом выходная часть разрядной камеры совмещена с выходной частью рабочей полости; электромагнитная камера выполнена симметричной относительно указанных выше двух взаимно перпендикулярных плоскостей и диаметр цилиндрической стенки электромагнитной камеры должен быть равным или больше диаметра внешней цилиндрической стенки канала ускорения.

Входные полюсные наконечники могут быть совмещены с внешними полюсами ускорителя. Рабочая полость электромагнитной камеры может быть ограничена сектором цилиндрической стенки, снаружи которой находятся входной и выходной секторные полюсные наконечники, между которыми расположены источники магнитного поля и изолировано от них секторный электрод.

Кольцеобразный анодный газораспределитель может состоять из двух или более секторов, каждый из которых имеет каналы для подвода газа и каналы для подачи газа в ускорительный канал.

Физико-техническая сущность изобретения состоит в том, что на выходе плазмы из ускорителя, устанавливается электромагнитная плазмооптическая камера, которая формирует плазменную струю в соответствии с целевыми техническими задачами ускорителя, как двигателя или как технологической машины. Свойства электромагнитных плазмооптических камер базируются на эквипотенциальности магнитных силовых линий в плазме с низкой температурой электронов [3] В аксиально-симметричной электромагнитной камере с преимущественно осевым магнитным и радиальным электрическим полями создаются условия, которые позволяют воздействовать в радиальном направлении на форму и направление входящей в камеру плазменной струи, изменяя напряженности этих полей. При симметричном увеличении напряженности полей снижается расходимость струи, при управляемом радиальном перекосе напряженности полей ось струи отклоняется в сторону меньших значений напряженностей.

Единство изобретения заключается в том, что все элементы конструкции камеры: источники магнитного поля, полюсные наконечники служат одной цели - созданию магнитных и электрических полей заданной конфигурации и обеспечению эрозионно-тепловой стойкости конструкции. Исключение одного из элементов влечет невыполнение функций. Единство изобретения с ускорителем состоит в функциональном единстве: разрядная камера ионизации, канал ускорения и камера формирования плазменного потока на выходе. Конструктивно входные полюсные наконечники камеры объединены с внешними полюсами канала ускорения.

Для пояснения изобретения на фиг. 1 и фиг. 2 изображены конструктивные схемы плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов.

Здесь указанный ускоритель включает: разрядную камеру (1), образующую кольцевой канал ускорения, ограниченный внутренней (2) и внешней (3) цилиндрическими стенками и имеющий внутри кольцеобразный анодный газораспределитель (4) с одной стороны и выходную часть с другой стороны, за пределами которой расположен газоразрядный полый катод (5); магнитную систему, имеющую внутренний (6) и внешние (7) источники магнитных полей с соответствующими внутренним (8) и внешними (9) полюсами, между которыми образован рабочий зазор в выходной части разрядной камеры (1), где создается преимущественно радиальное магнитное поле, чему способствует установка внутренних (10)) и внешних (11) магнитных экранов, причем магнитная система и анодный газораспределитель симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных продольных плоскостей и внешние полюсы, внешние экраны и внешние источники магнитного поля разделены, соответственно, на четыре симметричные части: I, II, III, IV согласно координатным осям X и Z.

Указанная электромагнитная камера включает: рабочую полость (12), ограниченную снаружи цилиндрической стенкой (13) и имеющую по оси входную и выходную части; магнитную систему, расположенную снаружи цилиндрической стенки (13) и состоящую из четырех входных (14) и четырех выходных (15) секторообразных полюсных наконечников, между которыми расположены, соответственно, четыре или более источников магнитного поля (16); источниками магнитного поля (16) могут быть управляющие катушки с сердечниками (17) или кольцевые постоянные магниты; между соседними полюсными наконечниками (14, 15) имеются зазоры (18), а сами выходные наконечники (15) соединены кольцевым мостом (19) из немагнитного материала; электродную систему, состоящую из четырех или более электродов (20) в виде изолированных секторов, закрепленных на цилиндрической стенке (13) симметрично расположению полюсных наконечников (14,15).

Диаметр цилиндрической стенки (13) равен или больше диаметра внешней цилиндрической стенки (3) ускорителя.

Выходная часть разрядной камеры (1) ускорителя соединяется с входной частью рабочей полости (12) электромагнитной камеры. Выходные полюсные наконечники (14) могут быть закреплены или совмещены с внешними полюсами (9).

Работа электромагнитной камеры происходит следующим образом. На отклоняющие электроды (20) подаются положительные потенциалы, а в управляющие катушки ()16) подается ток. Причем больший потенциал подается на электрод, от которого отклоняется плазменный поток, выходящий из разрядной камеры (1) ускорителя и меньший потенциал подается на электрод, в сторону которого необходимо отклонение. Также больший ток подается в управляющую катушку, от которой плазменный поток должен отклоняться, и меньший в сторону которой необходимо отклонение.

Работа плазмооптических систем с Е и Н полями основана на эквипотенциальности магнитных силовых линий в холодной плазме [4] Например, при одинаковых положительных потенциалах относительно катода (5) электродов (20) и одинаковых и однонаправленных магнитодвижущих силах, создаваемых катушками (16), во всех четырех секторах I, II, III, IV (фиг. 1) создается аксиально симметричная плазменная фокусирующая система с преимущественно радиальным электрическим полем Н и преимущественно осевым магнитным полем Е в рабочей полости (12). В этом случае электромагнитная камера уменьшает расходимость потока, выходящего из ускорителя. Если, например, в секторе III (фиг. 1) на электрод (20) и управляющую катушку (16) подается больший положительный потенциал и больший ток, соответственно, чем на те же элементы в секторе 1, то осесимметричность плазмооптической системы нарушается и плазменный поток отклонится в сторону оси Х.

Источники информации.

1. Morozov A. and al Demande de Brevet D'invention Moteur a'plasma a'derive ferme'e d'electrons. RF N 2693770.

2. Egorov V. and al Plasma accelerator with closed electron drift. U.S Patent N 5,218,271, Jnn.8.1993.

3 Гришин С.Д. Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М. Машиностроение, 1989-216 с.

4. Плазменные ускорители. Под общей редакцией акад. Арцимовича Л.А. М. Машиностроение, 1972-312с.

5. Асхабов С.Н. Бургасов М.П. Веселовзоров А.Н. и др. Исследование струи стационарного плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов (УЗДП). Физика плазмы. Том 7. Вып. 1 1981-255с.

6. Garner C. Semenkin S. Garkusha V. and al. Ekseperimental Evalu'atian of a Russian Anode Laner Thruster. 3rd Russian-German Conference on EPE. 1994.

7. Arkhipov et al. Plazma Accelerator with closed electron drift. U.S. Patent. N 5,359,258, oct. 25.1994.

Использование: в качестве ракетного двигателя и для технологических устройств. Сущность изобретения: ускоритель состоит из кольцевой разрядной камеры с кольцеобразным анодным газораспределителем и осевым полым катодом, магнитной системы и системы кольцевых электродов. Все элементы проектируются симметричными относительно двух взаимно перпендикулярных продольных плоскостей. Между этими плоскостями в кольцеобразном анодном газораспределителе и в системе кольцевых электродов имеются зазоры, электрически изолирующие их друг от друга и образующие четыре изолированных сектора. В этих секторах закреплены секторообразные внешние полюсы и полюсные наконечники, каждые со своими источниками магнитного поля. Между внешними полюсами и полюсными наконечниками образуется преимущественно осевое магнитное поле, а между внешними полюсами и осевым внутренним полюсом создается преимущественно радиальное магнитное поле. Перпендикулярно магнитным полям создаются электрические поля, соответственно, преимущественно радиальное - между катодом и электродами и осевое - между катодом и анодом. Управляя величинами напряженности этих полей посекторно, управляют формой и направлением оси ускоренного плазменного потока. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ускоритель плазмы с замкнутым дрейфом электронов, включающий разрядную камеру, образующую кольцевой канал ускорения, ограниченный внутренней и внешней цилиндрическими стенками и имеющий внутри кольцеобразный анодный газораспределитель с одной стороны и выходную часть с другой стороны, за пределами которой расположен газоразрядный полый катод, магнитную систему, имеющую внутренний и внешние источники магнитных полей с соответствующими внутренними и внешними полюсами, между которыми образован кольцевой рабочий зазор в выходной части разрядной камеры, а также внутренний и внешний магнитные экраны, установленные соответственно между внутренним источником магнитного поля и внутренней стенкой разрядной камеры и между внешним источником магнитного поля и внешней стенкой разрядной камеры, кольцеобразный анодный газораспределитель и магнитная система симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных продольных плоскостей, а внешний полюс и внешний экран разделены продольными прорезями соответственно на четыре симметричные части, отличающийся тем, что в состав ускорителя включены электромагнитная камера формирования плазменного потока, в которую входят рабочая полость, ограниченная снаружи цилиндрической стенкой и имеющая вдоль продольной оси симметрии входную и выходную части, магнитная система, расположенная снаружи цилиндрической стенки и состоящая из двух или более входных и двух или более выходных секторных полюсных наконечников, между которыми расположены соответственно два или более источников магнитного поля, причем между соседними полюсными наконечниками имеются продольные зазоры, а сами входные и выходные наконечники соответственно между собой соединены кольцевыми мостами из немагнитного материала, электродная система в виде изолированных секторов, закрепленных симметрично относительно плоскостей симметрии полюсных наконечников, при этом выходная часть разрядной камеры совмещена с входной частью рабочей полости, электромагнитная камера выполнена симметричной относительно указанных двух взаимно перпендикулярных плоскостей и диаметр цилиндрической стенки электромагнитной камеры должен быть равен или больше диаметра внешней цилиндрической стенки канала ускорителя. 2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что входные полюсные наконечники совмещены с внешними полюсами. 3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что рабочая полость электромагнитной камеры ограничена сектором цилиндрической стенки, снаружи которой находятся по одному входному и выходному секторному полюсному наконечнику, между которыми расположены источники магнитного поля и изолированный от них секторный электрод. 4. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что кольцеобразный анодный газораспределитель состоит из двух или более секторов, каждый из которых имеет каналы для подвода газа и каналы для подачи газа в ускорительный канал.