ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1998 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 и двигателях с анодным слоем, а также в области прикладного применения плазменных ускорителей.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий катод-компенсатор, магнитную систему, анод-газораспределитель, размещенный в днище разрядной камеры, и фиксирующие элементы [1].

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий катод-компенсатор, магнитную систему и анод-газораспределитель, установленный в разрядной камере с помощью узлов крепления, состоящих каждый, в свою очередь, из стержня, расположенного в отверстии днища разрядной камеры, причем один конец стержня жестко соединен с анодом, и фиксирующих элементов [2].

Конструкция известных двигателей имеет существенные недостатки:
узел закрепления анода к днищу разрядной камеры не обеспечивает стойкое механическое соединение к внешним нагрузкам при вибрациях;
во время работы двигателя анод подвергается термическим деформациям и возникающие напряжения в анодных узлах крепления оказывают разрушающее воздействие на керамическую камеру.

Температура анода в горячем состоянии может достигать 500... 550^oC, что приводит к большим деформациям анода, чем деформация разрядной камеры, из-за различных коэффициентов термического расширения используемых материалов. Вследствие термических деформаций, обусловленных расширением анода, в месте соединения стержня с разрядной камерой возникают напряжения, которые могут приводить к разрушению днища разрядной камеры, изготовленной из керамики.

Зазоры между элементами закрепления и отверстиями в днище разрядной камеры обусловлены различным термическим расширением. Это приводит к снижению механической стойкости узлов креплений анода к перегрузкам от внешних воздействий. Эти зазоры позволяют смещаться аноду относительно разрядной камеры, что, в свою очередь, оказывает влияние на положение вектора тяги двигателя и приводит к ослаблению закрепления или полному разрушению узлов крепления анода.

Целью изобретения является повышение механической прочности соединения анода-газораспределителя с разрядной камерой с одновременным улучшением податливости узла крепления анода как компенсатора термических деформаций.

Это достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем катод-компенсатор, магнитную систему и анод-газораспределитель, установленный в разрядной камере с помощью как минимум двух узлов крепления, состоящих каждый, в свою очередь, из стержня, расположенного в отверстии днища разрядной камеры, причем один конец стержня жестко соединен с анодом, и фиксирующего элемента, согласно изобретению в каждый узел крепления дополнительно введена соединительная муфта с наружной резьбой, на торце которой, обращенном к аноду, выполнен выступ, сквозное внутреннее отверстие муфты образовано из двух участков, причем диаметр участка, обращенного к аноду, выбран из расчета того, что он превышает диаметр второго участка как минимум на половину величины термической деформации анода, а второй участок внутреннего отверстия муфты снабжен резьбой для сопряжения с вторым концом стержня. Участок стержня, обращенный к аноду, сопряжен с первым участком сквозного внутреннего отверстия муфты, в соединительной муфте дополнительно выполнено отверстие, ось которого размещена эксцентрично относительно оси сквозного внутреннего отверстия муфты, причем глубина дополнительного отверстия выбрана из условия охвата участка стержня, обращенного к аноду. Оси основного и дополнительного отверстий размещены в одной плоскости с продольной осью двигателя. Между днищем разрядной камеры и фиксирующим элементом установлен по меньшей мере один упругий элемент. Участок стержня, обращенный к аноду, и первый участок внутреннего отверстия муфты могут быть сопряжены по конусообразной поверхности.

Введение в узел крепления соединительной муфты позволит решить задачу по закреплению анода за счет внутренней опоры на выступ, выполненный на муфте, с одной стороны, и размещения на резьбе муфты фиксирующих элементов, с другой стороны. Такая конструкция узла закрепления позволяет установить анод с достаточно большими моментами затяжки, исключив при этом опору анода непосредственно на разрядную камеру. Необходимость зазора между анодом и днищем разрядной камеры обусловлена эффектом передачи воздействия от термических напряжений на керамическую камеру, который приведет к разрушению последней при расширении анода во время работы двигателя. Соединительная муфта также позволяет варьировать необходимой длиной и диаметром стержня, не оказывая влияния на размеры разрядной камеры, так как место размещения фиксирующих элементов и место сопряжения стержня с муфтой независимы друг от друга. Выполнение внутреннего сквозного отверстия муфты в виде двух участков, когда диаметр участка, обращенного к аноду, превышает диаметр второго участка как минимум на половину величины термической деформации анода, позволяет реализовать консольность расположения стержня с тем, чтобы обеспечить свободу перемещения стержня в радиальном направлении при его изгибе. Длина и диаметр стержня, работающего на изгиб при термических деформациях, определяются из условия работы его в области упругих деформаций, избегая при этом достижения напряжений, соответствующих пластической деформации.

Из-за того, что анод имеет относительно большую массу, необходимо решение задачи по повышению прочности его закрепления. С этой целью участок стержня в зоне соединения с анодом сопряжен с участком сквозного внутреннего отверстия муфты, что позволит ограничить свободу перемещений анода в направлении к продольной оси двигателя. В таком варианте соединительной муфты предусмотрено эксцентричное отверстие, ось которого размещена в одной плоскости с осью сквозного внутреннего отверстия муфты и продольной осью двигателя. Такая конструкция позволяет обеспечить достаточную свободу перемещений стержней всех узлов закреплений и при этом достичь равномерного нагружения их.

Глубина дополнительного отверстия выбирается из условия охвата участка стержня, обращенного к аноду, сопряженного с муфтой для избежания случаев упора в муфту, когда происходит изгиб стержня во время термических деформаций.

Обеспечение постоянного усилия поджатия закрепления анода достигается за счет того, что между днищем разрядной камеры и фиксирующим элементом установлен по меньшей мере один упругий элемент. В этом случае независимо от температурных расширений анода и элементов узла крепления, а также разрядной камеры упругий элемент будет обеспечивать необходимое и достаточное усилие поджатия.

При операциях сборки двух соосных сопрягаемых цилиндрических поверхностей будет присутствовать минимально допустимый зазор. Чтобы исключить такого рода минимальный зазор участок стержня, обращенный к аноду, и первый участок внутреннего отверстия муфты выполнены в виде конусообразной поверхности, по которой и происходит сопряжение.

На фиг. 1 изображен предлагаемый плазменный двигатель, осевой разрез.

На фиг. 2 изображен узел крепления анода с разрядной камерой, выносной элемент А.

На фиг. 3 изображен узел крепления, в котором выполнено одностороннее сопряжение между соединительной муфтой и стержнем, выносной элемент А.

На фиг. 4 изображено сечение Б-Б узла крепления, в котором выполнено одностороннее сопряжение между соединительной муфтой и стержнем, а в муфте выполнено дополнительно эксцентричное отверстие относительно основного отверстия.

На фиг. 5 изображен узел крепления, в котором поверхность сопряжения между соединительной муфтой и стержнем выполнена в виде конуса.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит катод-компенсатор 1, магнитную систему 2 и анод-газораспределитель 3, установленный в разрядной камере 4 с помощью как минимум двух узлов крепления 5, состоящих каждый, в свою очередь, из стержня 6, расположенного в отверстии 7 днища 8 разрядной камеры 4, причем один конец стержня 6 жестко соединен с анодом 3, и фиксирующего элемента 9. Узел крепления 5 также содержит соединительную муфту 10 с наружной резьбой 11, на торце 12 которой, обращенном к аноду 3, выполнен выступ 13, сквозное внутреннее отверстие 14 муфты 10, участок 15 которого сопряжен с вторым концом 16 стержня 6.

Соединительная муфта 10 может содержать эксцентричное отверстие 17 относительно оси сквозного внутреннего отверстия 14 муфты 10, причем глубина h эксцентричного отверстия выбрана из условия охвата участка стержня, обращенного к аноду.

Оси внутреннего 14 и эксцентричного 17 отверстий размещены в одной плоскости с продольной осью двигателя 18.

Между днищем 8 разрядной камеры 4 и фиксирующим элементом 9 может быть установлен упругий элемент 19.

Участок стержня 6, обращенный к аноду, и первый участок сквозного внутреннего отверстия 14 муфты 10 могут быть сопряжены по конусообразной поверхности 20.

Двигатель работает следующим образом.

Запуск двигателя осуществляется путем запитывания магнитной системы 2 и подачи рабочего газа в катод-компенсатор 1 и анод- газораспределитель 3. Затем газ из анода 3 попадает в разрядную камеру 4, там ионизируется и ускоряется в скрещенных полях. Ускоренный ионный поток на выходе из разрядной камеры 4 компенсируется при помощи катода-компенсатора 1. Во время работы происходит прогрев всей конструкции двигателя, и самой горячей зоной является зона расположения анода 3 около днища 8 разрядной камеры 4. При этом происходит тепловое расширение анода в сторону увеличения его геометрических размеров. Возникающие термические напряжения в месте жесткого соединения анода со стержнем 6 приводят к деформации последнего на его свободном участке, что приводит к прогибу стержня. Точкой, относительно которой происходит прогиб стержня, является место соединения участка 15 сквозного внутреннего отверстия 14 муфты с вторым концом 16 стержня.

Узлы крепления 5 размещены внутри отверстий 7 при помощи фиксирующих элементов 9, размещаемых на резьбе 11. Затяжка элементов 9 производится до посадки соединительной муфты 10 на выступ 12, при этом происходит сопряжение участка 15 внутреннего отверстия 14 с вторым концом 16 стержня 6.

Для компенсации более значительных деформаций анода в соединительной муфте 10 может быть выполнено эксцентричное отверстие 17 глубиной h, обеспечивающее большую свободу радиальных перемещений стержня 6. Азимутальная равномерность нагружения нескольких узлов крепления 5 обеспечивается за счет совмещения в одной плоскости 18 осей внутреннего 14, эксцентричного 17 отверстий и оси двигателя.

Во время работы двигателя и его прогрева происходит также увеличение продольных размеров конструкции, а именно стержня 6. При этом упругий элемент 19 обеспечивает постоянное усилие поджатия анода к разрядной камере.

В другом варианте сопряжение участка стержня 6, обращенного к аноду, с первым участком сквозного внутреннего отверстия 14 муфты 10 осуществляется по конусообразной поверхности 20.

Источники информации
1. Гришин С. Д. и Лесков Л.П. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов.-М.: Машиностроение, 1989, с. 143.

2. B. Arkhipov, A. Bober at с., "Extending the Range of SPT Operation: Development status of 300 and 4500 W Thrusters", AIAA 96-2708, July 1996, Fig.10.

Изобретение относится к космической технике, а именно к электрореактивным двигательным установкам, в состав которых входят стационарные плазменные двигатели и двигатели с анодным слоем. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит катод-компенсатор 1, магнитную систему 2 и анод-газораспределитель 3, установленный в разрядной камере 4 с помощью узлов крепления 5. Стержень 6 узла крепления 5 расположен в отверстии 7 днища 8 разрядной камеры 4. Один конец стержня 6 жестко соединен с анодом 3, а другой - с фиксирующим элементом 9. Узел крепления 5 содержит соединительную муфту 10 с наружной резьбой 11, на торце 12 которой, обращенном к аноду 3, выполнен выступ 13. Участок сквозного внутреннего отверстия муфты сопряжен с вторым концом стержня. Соединительная муфта может содержать эксцентричное отверстие относительно оси сквозного внутреннего отверстия муфты. Ось внутреннего и эксцентричного отверстий размещены в одной плоскости с продольной осью двигателя 18. Между днищем 8 разрядной камеры 4 и фиксирующим элементом 9 может быть установлен упругий элемент. Участок стержня 6, обращенный к аноду, и первый участок сквозного внутреннего отверстия муфты 10 могут быть сопряжены по конусообразной поверхности. Изобретение позволяет повысить механическую прочность соединения анода с разрядной камерой с одновременным улучшением податливости узла крепления как компенсатора термических деформаций. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий катод-компенсатор, магнитную систему и анод-газораспределитель, установленный в разрядной камере с помощью как минимум двух узлов крепления, состоящих каждый, в свою очередь, из стержня, расположенного в отверстии днища разрядной камеры, причем один конец стержня жестко соединен с анодом, и фиксирующего элемента, отличающийся тем, что в каждый узел крепления дополнительно введена соединительная муфта с наружной резьбой, на торце которой, обращенной к аноду, выполнен выступ, сквозное внутреннее отверстие муфты образовано из двух участков, причем диаметр участка, обращенного к аноду, выбран из расчета того, что он превышает диаметр второго участка как минимум на половину величины термической деформации анода, а второй участок внутреннего отверстия муфты снабжен резьбой для сопряжения со вторым концом стержня. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что участок стержня, обращенный к аноду, сопряжен с первым участком сквозного внутреннего отверстия муфты, в соединительной муфте дополнительно выполнено отверстие, ось которого размещена эксцентрично относительно оси сквозного внутреннего отверстия муфты, причем глубина дополнительного отверстия выбрана из условия охвата участка стержня, обращенного к аноду. 3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что оси основного и дополнительного отверстий размещены в одной плоскости с продольной осью двигателя. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что между днищем разрядной камеры и фиксирующим элементом установлен по меньшей мере один упругий элемент. 5. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что участок стержня, обращенный к аноду, и первый участок сквозного внутреннего отверстия муфты сопряжены по конусообразной поверхности.