ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТОЙ ТРАЕКТОРИЕЙ ДРЕЙФА ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1998 года по МПК F03H1/00 H05H1/54 

Изобретение относится к области плазменных двигателей, главным образом предназначенных для установки на космических летательных аппаратах, в частности плазменных двигателей с замкнутой траекторией дрейфа электронов, называемых также стационарными плазменными двигателями или (в США) двигателями Холла.

Предшествующий уровень техники.

Известно применение ионных двигателей, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, такие установки могут быть также использованы в наземных условиях в качестве источников (генераторов) ионов или плазмы, например при ионной обработке. Благодаря импульсному режиму работы (от 1500 до 6000 с) они обеспечивают выигрыш в массе в применении на искусственных спутниках, который является значительным по отношению к двигателям химического типа.

Одним из основных применений двигателей этого типа является система управления "север-юг" для геостационарных спутников, при этом обеспечивается выигрыш в массе порядка 10 - 15%. Они могут быть использованы также для дополнительной компенсации лобового сопротивления при полете на низких орбитах, для стабилизации гелиосинхронной орбиты и в качестве двигателей первой ступени при межпланетных перелетах.

Ионные двигатели делятся на несколько категорий.

К первому типу относятся ионные двигатели с ионизацией за счет бомбардировки электронами, известные как двигатели Кауфмана. Примеры такого типа двигателей приведены в документах EP-A-0 132 065, WO 89/05404 и EP-A-0 468 706.

В таких двигателях атомы газа, являющегося рабочим телом, вводятся под малым давлением в разрядную камеру, где они бомбардируются электронами, эмитируемыми катодом полой структуры, и собираются на аноде. Процесс ионизации ускоряется в магнитном поле. При этом имеющие место столкновения электрон-атом способствуют генерации плазмы, ионы которой притягиваются ускоряющими электродами (выходные сеточные электроды), поддерживаемыми под отрицательным потенциалом по отношению к потенциалу плазмы. Эти электроды способствуют концентрации и ускорению ионов, выходящих из двигателя ввиду достаточно широкого луча, при этом ионное излучение нейтрализуется потоком электронов, излучаемых наружным полым катодом, служащим нейтрализатором.

Импульсы (I_sp), характерные для этого типа двигателей, характеризуются длительностью порядка 3000 с.

Потребляемая мощность составляет порядка 30 Вт на мН тяги.

К другим типам ионных двигателей относятся двигатели с ионизацией за счет воздействия радиочастотой, с контактной ионизацией или двигатели с эмиссией поля.

Эти различные типы двигателей, в т.ч. с ионизацией за счет бомбардировки электронами, работают на принципе четкого разделения функций ионизации и ускорения ионов.

Кроме того, все перечисленные типы двигателей характеризуются плотностью тока в ионной оптике, ограниченной пространственным зарядом, составляющей порядка 2 - 3 мА/см² для двигателей с бомбардировкой электронами, что приводит к снижению мощности в пограничной зоне.

Кроме того, использование этих двигателей, в частности с ионизацией за счет бомбардировки, требует наличия источников электрического питания (от 4 до 10), что приводит к необходимости необходимости использования достаточно сложных электронных систем преобразования и управления.

Известна также описанная в статье Л.Арцимовича, опубликованной в 1974 г. , программа развития стационарных плазменных двигателей (SPD), в статье приведены также результаты испытаний, проведенных на спутнике "Метеор", двигателей типа "с замкнутой траекторией дрейфа электронов" или стационарных плазменных двигателей, отличающихся от других двигателей этого типа отсутствием разделения функций ионизации и ускорения, а также тем, что в зоне ускорения находится одинаковое количество электронов и ионов, что позволяет исключить феномен создания пространственного заряда.

На фиг. 2 приведена схема двигателя с замкнутым дрейфом электронов в соответствии с вышеуказанной статьей Л.Арцимовича и др.

Основная часть конструкции двигателя образует кольцевой канал 1, ограниченный двойной стенкой корпусной детали 2 из изолирующего материала, этот канал размещен внутри структуры электромагнита с кольцевыми внешней 3 и внутренней 4 полюсными частями, размещенными соответственно снаружи и внутри корпусной детали 2. На входе в двигатель размещено магнитное ярмо 12, последовательно соединенные обмотки электромагнита 11 расположены вдоль всей длины канала 1 вокруг магнитных сердечников 10, соединяющих внешнюю полюсную часть 3 с магнитным ярмом 12. Полый катод 7, замкнутый на массу, соединен с источником питания ксеноном для образования облака плазмы вблизи выходного отверстия канала 1. Кольцевая структура анода 5, соединенного с положительным полюсом источника электрического питания, например 300 В, размещена в передней части канала 1, вблизи его закрытого конца. К кольцевой структуре анода непосредственно примыкает кольцевой распределительный канал 9, в который выходит трубопровод 6 подачи ксенона, окруженный тепловой и электрической изоляцией 8.

Полый катод 7 является источником эмиссии электронов ионизации и нейтрализующих электронов, при этом электроны ионизации притягиваются в кольцевой канал 1 под воздействием электрического поля между анодом 5 и облаком плазмы, создаваемой катодом 7.

Под действием электрического E и магнитного B полей, создаваемых обмотками 11, электроны ионизации движутся по траекториям с дрейфом по азимуту, необходимым для поддержания электрического поля в канале.

Таким образом электроны ионизации движутся по замкнутым дрейфующим траекториям внутри изоляционного канала, из чего вытекает название этого типа двигателей.

Движение дрейфа электронов существенно увеличивает вероятность столкновений электронов с нейтральными атомами, следствием чего является образование ионов, в данном случае ксенона.

Характеристический импульс, развиваемый двигателем известного типа с замкнутой траекторией дрейфа электронов, работающий на ксеноне, составляет порядка 1000 - 2500 с.

Кроме того, ионные двигатели известного типа с замкнутым дрейфом электронов характеризуются отсутствием конструкционно сформированной зоны ионизации, вследствие чего применение этих двигателей эффективно только при использовании ксенона в качестве рабочего тела, а также расходимостью пучка на выходе двигателя до ± 20^o и КПД, практически не превышающим 50%.

Такое расхождение пучка на выходе приводит к увеличению износа стенок изоляционного канала, для изготовления которого обычно используют смесь нитрида бора и оксида алюминия.

Срок службы таких двигателей составляет не более 3000 час.

Наиболее близким заявленному решению является плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, раскрытый в статье В.Н.Демьяненко, Л.П.Зудкова и А.И.Морозова "Исследование однолинзового ускорителя открытого типа с замкнутым дрейфом электронов" из журнала "Техническая физика", том 46, вып. 8, 1976, Ленинград, "Наука", стр. 1712-1715, рис. 1 и 2 "б".

Решение по указанной публикации предусматривает разделение двух функций анода. С этой целью применен анод цилиндрической формы в комбинации с кольцевым распределителем газа. Такая комбинация обеспечивает равномерную подачу ионизируемого газа в зону анода, этот же эффект достигается за счет введения между кольцевым распределителем газа и анодом буферной камеры.

Кроме того, в указанном плазменном ускорителе предусмотрены две катушки намагничивания, формирующие магнитное поле, близкое к радиальному в середине зазора с максимальным значением индукции на выходе канала.

Однако описанный в вышеуказанной статье плазменный двигатель работает исключительно в импульсном режиме с высоким напряжением разряда, вследствие чего применение этого двигателя в качестве силовой установки для космических аппаратов является весьма проблематичным.

В основу настоящего изобретения поставлена задача устранения недостатков, присущих плазменным двигателям известных типов, усовершенствования плазменных двигателей с замкнутой траекторией дрейфа электронов для улучшения их технических характеристик в плане формирования зоны ионизации без создания пространственного заряда, как это имеет место, например, в ионных двигателях с бомбардировкой, уменьшения расходимости пучка на выходе, увеличения плотности пучка ионов, увеличения электрического КПД, удельного импульса и срока службы.

Поставленная задача решается тем, что в плазменном двигателе с замкнутой траекторией дрейфа электронов, содержащем главный кольцевой канал ионизации и ускорения, образованный элементами из изоляционного материала и открытый на своем выходном конце, по меньшей мере один полый катод, расположенный вне главного канала, на выходной стороне последнего, кольцевой анод, размещенный концентрично к кольцевому каналу и расположенный на расстоянии от его открытого выходного конца, первый и второй трубопроводы для подачи ионизируемого газа, соответственно связанные с полым катодом и кольцевым анодом, магнитопровод для создания магнитного поля в кольцевом канале и кольцевую буферную камеру, размер которой в радиальном направлении превышает соответствующей размер канала и которая размещена входе этого канала, за зоной расположения анода, причем второй трубопровод для подачи ионизируемого газа сообщается с кольцевой буферной камерой через кольцевой распределитель в зоне перед анодом, а магнитная цепь состоит из отличающихся друг от друга элементов для генерации магнитного поля и радиальных полюсных элементов плоской формы, соответственно внутреннего и наружного, расположенных на уровне выходного сечения главного канала, по разные стороны относительно последнего и соединенных между собой центральным сердечником, а также ярма и периферического магнитопровода, расположенного снаружи главного канала и буферной камеры, расположенных вдоль оси канала, причем элементы для генерации магнитного поля в главном канале обеспечивают в этом канале радиальное магнитное поле с определенным градиентом, соответствующим максимальной индукции на выходе канала, согласно изобретению элементы для генерации магнитного поля включают в себя первый элемент для генерации магнитного поля, охватывающий снаружи главный канал вблизи выхода последнего, второй элемент для генерации магнитного поля, размещенный вокруг центрального сердечника в зоне, противолежащей аноду, и частично противолежащий также буферной камере; а также третий элемент для генерации магнитного поля, окружающий центральный сердечник и находящийся между вторым элементом для генерации магнитного поля и выходным концом главного канала так, что направление силовых линий магнитного поля параллельно плоскости выходного сечения, перпендикулярной оси двигателя на выходе канала, причем магнитное поле имеет минимальное значение индукции в зоне перехода между буферной камерой и главным каналом, вблизи анода, что создает оптимальные условия для ионизации газа.

Целесообразно, чтобы в плазменном двигателе диаметр буферной камеры был вдвое больше диаметра главного канала.

Целесообразно также, чтобы в плазменном двигателе размер буферной камеры в осевом направлении составлял порядка 1,5 размера радиуса главного канала.

Полезно, чтобы в плазменном двигателе первый, второй и третий элементы для создания магнитного поля имели различные размеры.

Также полезно, чтобы в плазменном двигателе первый, второй и третий элементы для генерации магнитного поля были выполнены в виде катушек индуктивности.

Целесообразно также, чтобы в плазменном двигателе первый, второй и третий элементы для генерации магнитного поля по меньшей мере частично были выполнены в виде постоянных магнитов с точкой Кюри, лежащей выше рабочей температуры двигателя.

Целесообразно, чтобы в плазменном двигателе периферический магнитопровод был образован набором соединительных штанг, расположенных между наружным радиальным полюсным элементом и ярмом.

Полезно, чтобы в плазменном двигателе первая катушка индуктивности содержала несколько индивидуальных обмоток, окружающих штанги периферической магнитной цепи.

Полезно, также чтобы в плазменном двигателе периферическая магнитная цепь была образована обечайкой.

Предпочтительно, чтобы в плазменном двигателе катушки индуктивности, образующие первый, второй и третий элементы для генерации магнитного поля, были включены последовательно между источником питания и полым катодом.

Предпочтительно также, чтобы в плазменном двигателе кольцевой распределитель ионизируемого газа, расположенный в буферной камере, был выполнен из электроизоляционного материала.

Целесообразно, чтобы в плазменном двигателе кольцевой распределитель ионизируемого газа, расположенный в буферной камере, был выполнен из металла, а трубопровод подачи ионизируемого газа в кольцевой распределитель был снабжен электроизолирующими элементами.

Целесообразно также, чтобы в плазменном двигателе элементы электрическо изоляции трубопровода для подачи ионизируемого газа были расположены между ярмом и буферной камерой.

Полезно, чтобы в плазменном двигателе трубопровод для подачи ионизируемого газа и элементы электрической изоляции этого трубопровода были расположены вдоль главного канала, между буферной камерой и первой катушкой для создания магнитного поля.

Полезно также, чтобы плазменный двигатель содержал канал теплопередачи, размещенный вдоль оси центрального сердечника, поддерживающий обмотки, которые служат вторыми и третьими элементами для создания магнитного поля, излучающий тепло в направлении внутреннего полюсного элемента и ярма.

Целесообразно, чтобы в плазменном двигателе элементы из изолирующего материала, образующие главный канал и буферную камеру, имели в своем составе первую часть, служащую наружной стенкой камеры и главного канала, и вторую часть, образующую внутреннюю стенку буферной камеры и главного канала, а кольцевой распределитель ионизируемого газа, размещенный в буферной камере, служил одновременно соединительным элементом между первой и второй частями.

Целесообразно также, чтобы в плазменном двигателе элементы из изолирующего материала, ограничивающие главный канал и буферную камеру, имели в своем составе первую часть, являющуюся стенкой буферной камеры и внутренней стенкой главного канала, и вторую часть, являющуюся наружной стенкой главного канала, а анод 25 был встроен между первой и второй частями.

Предпочтительно, чтобы в плазменном двигателе анод был наложен на поверхность элемента из изолирующего материала в зоне перехода от буферной камеры к главному каналу.

Предпочтительно также, чтобы в плазменном двигателе анод имел цилиндрическую форму.

Полезно, чтобы в плазменном двигателе анод имел форму усеченного конуса.

Полезно также, чтобы в плазменном двигателе анод состоял из нескольких электрически соединенных между собой элементов, расположенных в буферной камере или на входе главного канала.

Целесообразно, чтобы в плазменном двигателе изоляционные части, образующие главный канал, были закреплены на наружном радиальном полюсным элементе с помощью соединительного узла, содержащего заплечик и эластичную шайбу.

Целесообразно также, чтобы в плазменном двигателе наружная обечайка из магнитного материала образовывала несущую поверхность для подвески двигателя на конструкции летательного аппарата.

В то же время по крайней мере для некоторых применений первые, вторые и третьи элементы для создания магнитного поля могут быть по крайней мере частично сформированы постоянными магнитами с точкой Кюри, превышающей рабочую температуру двигателя.

Благодаря физическому разделению структуры анода и узла распределителя ионизируемого газа, а также наличию буферной камеры и реализации радиального магнитного поля, которое характеризуется некоторым градиентом, плазменный двигатель в соответствии с изобретением имеет следующие преимущества:
a) более эффективный процесс ионизации и соответственно увеличенный КПД,
b) возможность ионизации различных используемых в качестве рабочего тела газов (ксенон, аргон и др.) за счет повышения эффективности процесса ионизации,
c) формирование эквипотенциальных электростатических поверхностей, уменьшающих расходимость ионного пучка, следствием чего являются:
c1) упрощенный монтаж на космическом аппарате,
c2) уменьшение износа канала ускорителя.

Путем видоизменения в различных вариантах двигателя в соответствии с изобретением профиля магнитного поля в канале ускорителя и на входе анода, а также в пределах буферной камеры, достигают:
- большей однородности плазмы, уменьшения нарушений эквипотенциальных электростатических поверхностей в зоне ускорения, что, в свою очередь, позволяет ограничить потери ионов на стенках канала и повысить качество фокусирования пучка,
- лучшей локализации зоны образования ионов, что позволяет ограничить рассеяние энергии ионов,
- эффективного удержания плазмы за счет эффекта магнитного зеркала.

Существенным признаком изобретения является также тот факт, что минимум интенсивности магнитного поля находится в зоне анода и эта интенсивность возрастает по абсолютной величине на входе анода.

Наличие перехода между минимальным и максимальным полем на выходе канала ускорения (3000 e) позволяет получить зону, где вероятность ионизации максимальна.

Геометрия буферной камеры выбирается таким образом, чтобы обеспечить выброс плазмы на входе анода и ее удержание за счет эффекта магнитного зеркала.

Краткое описание чертежей.

Прочие существенные признаки и преимущества изобретения вытекают из нижеследующего описания некоторых вариантов реализации изобретения, приведенных в качестве примеров и не имеющих ограничительного характера, со ссылкой на чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает вид сбоку с частичным осевым разрезом плазменного двигателя с дрейфом электронов в соответствии с изобретением; на фиг. 2 - осевой разрез плазменного двигателя с замкнутой траекторией дрейфа электронов известного типа; фиг. 3 - осевой разрез половины двигательного агрегата в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения, отличающимся конструкцией средств ввода ионизируемого газа; фиг. 4 - 7 вид в разрезе отдельных узлов плазменного двигателя в соответствии с изобретением для различных вариантов выполнения частей двигателя, таких как буферная камера, главный кольцевой канал, структура анода, узел распределителя ионизируемого газа; фиг. 8 - в аксонометрии плазменный двигатель в соответствии с изобретением с частью конструкции ИС, на которой подвешен двигатель; фиг. 9 - детали узлы крепления изолирующих частей главного канала плазменного двигателя в соответствии с изобретением.

Лучший вариант осуществления изобретения
Примерный вариант реализации плазменного двигателя 20 с замкнутой траекторией дрейфа электронов в соответствии с изобретением, приведенный на фиг. 1, содержит набор частей 22 из изолирующего материала, которые в собранном виде образуют главный кольцевой канал 21 с входной частью, образованной буферной камерой 23, и выходной частью, образованной каналом ускорителя 24.

При этом размер в радиальном направлении кольцевой буферной камеры 23 вдвое превышает соответствующий размер канала ускорителя 24, в осевом направлении эта камера имеет меньшую длину по сравнению с каналом ускорителя, предпочтительно осевой размер ее составляет порядка 1,5 диаметра канала 24.

Анод 25, соединенный электрической линией 43 с источником постоянного напряжения 44, например 200 - 300 В, закреплен на изолирующей конструкции главного канала 21 в зоне непосредственно на выходе буферной камеры, в входной части канала ускорителя 24. Кабель питания 43 анода 25 проложен в изолирующей оболочке 45, проходящей через донную стенку двигателя, которая образована плитой 36, одновременно являющейся магнитным ярмом, а также через стенки 223, 224 из изолирующего материала, ограничивающие буферную камеру 23.

Магистраль 26 подачи ионизируемого газа, например ксенона, также проходит через плиту 36 и дно 223 буферной камеры и выходит в кольцевой распределитель газа 27, выполненный в донной стенке буферной камеры.

Главный канал 21, образованный частями 22 из изолирующего материала, размещен внутри магнитной цепи, образованной тремя обмотками 31, 32, 33 и полюсами 34, 35.

Наружный 34 и внутренний 35 полюсные элементы плоской формы размещены на выходном срезе двигателя, снаружи канала ускорителя 24 и определяют направление силовых линий магнитного поля, которые вблизи открытой выходной части канала 24 расположены параллельно плоскости среза 59 на выходе двигателя 20.

Магнитная цепь, образованная полюсами 34, 35, замкнута на центральный осевой сердечник 38 и через периферические штанги 37 так, чтобы ограничить цилиндрический контур, при этом центральный сердечник 38 и соединительные штанги 37, выполненные из ферромагнитного материала, контактируют с задним ярмом 36. Последнее представляет собой плиту из ферромагнитного материала, которая одновременно служит донной стенкой двигателя и имеет защиту в виде нескольких слоев 30 сверхтеплоизолятора, препятствующих прохождению теплового потока к частям конструкции ИС.

Кроме того, между составными частями 22 канала 21 и соединительными штангами 37 может быть предусмотрен экран 39 для защиты от загрязнения и воздействия излучений. В одном из вариантов соединительные штанги и экран 39 заменены обечайкой цилиндрической или цилиндро-конической формы, которая одновременно служит для замыкания магнитной цепи и в качестве экрана. В любом случае экран 39 не должен препятствовать эффективному охлаждению двигателя. Он может иметь внутреннее и внешнее излучающие покрытия, либо наносится таким образом, чтобы обеспечить прямое излучение в окружающее пространство.

Источником необходимых для функционирования двигателя электронов является полый катод 40 обычно применяемого типа, электрически соединенный линией 42 с отрицательным полюсом источника напряжения 44, он сообщается с магистралью подачи ионизируемого газа (ксенона) и размещен за выходным сечением канала ускорителя 24.

Полый катод 40 генерирует плазму 29 под опорным потенциалом, являющуюся источником электронов, направляемых к аноду 25 под действием электростатического поля E, наводимого за счет разности потенциалов между анодом и катодом.

Эти электроды движутся по замкнутым траекториям с дрейфом по азимуту в канале ускорителя 24 под действием электрического E и магнитного B полей. Интенсивность поля на выходе канала 24 может составлять порядка 150 - 200 эрстед.

Первичные электроны, ускоряемые электростатическим полем E, наталкиваются на изоляционную стенку 22, порождая вторичные электроны с меньшей энергией.

Электроны могут испытывать также соударения с нейтральными атомами ксенона, источником которых является буферная камера 23, при этом образуются ионы ксенона, ускоряемые полем E в канале 24.

В данном случае не происходит образования пространственного заряда в канале 24, вызванного присутствием электронов, вследствие нейтрализации пучка ионов частью электронов, эмитируемых катодом 40.

Наличие радиального градиента магнитного поля, вводимого обмотками 31 - 33 и полюсами 34, 35, позволяет разделить функции ионизации и ускорения ионов, при этом ионизация имеет место в ближней к аноду зоне и может частично распространяться на буферную камеру 23.

Таким образом, существенным признаком изобретения является наличие буферной камеры, позволяющей оптимизировать процесс ионизации.

В двигателях известного типа с замкнутой траекторией дрейфа электронов ионизация в основном сосредоточена в средней части канала. За счет соударений образующихся ионов со стенками канала происходит быстрый износ стенок и уменьшается срок службы двигателя. Буферная камера 23 способствует уменьшению градиента концентрации плазмы в радиальном направлении, а также охлаждению электронов на входе в канал ускорителя 24, вследствие чего уменьшается расходимость ионного пучка и ограничивается его взаимодействие со стенками, что исключает потери ионов вследствие соударений со стенками, позволяет увеличить КПД и уменьшить общее расхождение пучка на выходе двигателя.

Другим существенным признаком изобретения является наличие трех обмоток 31 - 33, которые могут иметь различные размеры и расположены таким образом, чтобы обеспечить оптимальные характеристики магнитного поля.

А именно, первая обмотка 31 окружает снаружи главный канал и расположена вблизи его выходного конца 225. Вторая обмотка 32 окружает центральный сердечник 38 системы электромагнита в зоне, противолежащей аноду 25, и частично противолежит буферной камере 23. Третья обмотка 33 окружает центральный сердечник 38 в зоне между второй обмоткой 32 и выходным концом 225 канала ускорителя 24. Как показано на фиг. 1, обмотки 31, 32, 33 могут иметь различные габаритные размеры. Наличие трех отличающихся обмоток позволяет оптимизировать расположение силовых линий магнитного поля, что, в свою очередь, обеспечивает лучшее параметрирование пучка ионов на выходе двигателя, создает улучшенные условия направления (каналирования) пучка для обеспечения его параллельности. Использование трех обмоток, одна из которых 32 частично расположена под буферной камерой 23, позволяет получить эффект магнитного зеркала с максимальной интенсивностью поля (по абсолютной величине) на выходе канала ускорителя, минимальной в зоне анода, с последующим увеличением на входе последнего.

В другом варианте реализации обмотки 31 - 33 для создания магнитного поля могут быть по меньшей мере частично заменены постоянными магнитами с точкой Кюри, превышающей рабочую температуру в двигателе.

Кольцевая обмотка 31 может быть заменена совокупностью отдельных обмоток, окружающих соединительные штанги 37, которые образуют периферический магнитопровод.

Катушки индуктивности 31, 32, 33 могут быть последовательно соединены с источником электрического питания 44 и с катодом 40 таким образом, чтобы обеспечить эффект саморегулирования разрядного тока.

Эти катушки могут быть изготовлены намоткой медной проволоки с изолирующим минеральным покрытием, устойчивым к воздействию высоких температур. Для намотки может быть использован также коаксиальный провод с минеральной изоляцией.

В качестве магнитного материала для полюсов 34, 35, центрального сердечника 38, штанг 37 и ярма 36 может быть использовано мягкое железо, ультрачистое железо или сплав железо-хром с высокой магнитной проницаемостью.

Для охлаждения катушек индуктивности 31, 32, 33 может быть использован тепловой канал, размещенный вдоль оси сердечника 38 и направляющий тепловой поток на ярмо 36 и внутренний радиальный полюсный элемент 35 для теплоизлучения в окружающее пространство.

Толщина полюсных элементов 34, 35 в осевом направлении составляет порядка 20 мм.

Количество ампер-витков и соотношение между длиной и диаметром каждой из обмоток 31, 32, 33 определяются из условия создание радиального магнитного поля с максимальной интенсивностью на уровне выходного сечения 59 двигателя и с обеспечением параллельности силовых линий поля плоскости выходного сечения 59 на выходе 225 двигателя. Вблизи анода эти линии должны располагаться таким образом, чтобы обеспечить эффективную ионизацию газообразного рабочего тела в этой зоне.

Варианты реализации ионных двигателей в соответствии с изобретением, сочетающие использование буферной камеры 23 и различающихся между собой катушек индуктивности 31, 32, 33, позволяют получить электрический КПД порядка 50 - 70%, что в среднем выше на 10 - 25% по сравнению с существующими моделями двигателей.

Преимуществом таких двигателей является также получение на выходе сопла квазицилиндрической струи с небольшой расходимостью ионного пучка, порядка ± 9^o. Таким образом, при наружном диаметре канала ускорителя 80 мм получают на расстоянии 80 мм наружу от выходного сечения 59 двигателя концентрацию до 90% энергии в пределах указанного диаметра канала.

В общем случае двигатели в соответствии с изобретением обладают уменьшенными габаритами и весом по сравнению с известными моделями, обеспечивают равномерность распределения тягового усилия при увеличенной удельной тяге (например, порядка 1 - 2 мН/см²) и имеют повышенный КПД.

В то время как срок службы двигателей известного типа составляет порядка 3000 час, плазменные двигатели в соответствии с изобретением позволяют увеличить срок службы не менее чем до 5000 - 6000 час, в частности вследствие уменьшенной энергии канала 24 за счет уменьшения расхождения пучка ионов.

Плазменные двигатели в соответствии с изобретением могут применяться в различных вариантах.

Так они могут отличаться видом используемого материала для изготовления изоляционных конструкционных частей 22, образующих канал ускорителя 24 и буферную камеру 23, для этой цели могут быть использованы следующие составы: керамика BN + B₄C + Al₂O₃; ультрачистый оксид алюминия; композит Al₂O₃ - Al₂O₃; стеклокерамика на основе диоксида кремния в чистом виде или с нанесенным покрытием, например оксидом редкоземельного элемента.

В местах стыка изоляторных частей 22 и магнитных полюсных элементов, например 34, могут быть предусмотрены эластичные прокладки 62 из металла с коэффициентом теплового расширения, близким к керамике (фиг. 9).

Это позволяет уменьшить тепловые напряжения, вызванные разностью коэффициентов расширения керамики и элементов магнитной цепи. В этом случае на соответствующем участке изоляторной части 22, ограничивающей канал 24, может быть предусмотрен уступ или удерживающий заплечик 61, на который опирается эластичная прокладка 62, причем последняя может крепиться к полюсному элементу магнитопровода 34 при помощи винта 63.

Соединение между изоляторными частями 22 из керамики и металлическими полюсами 34, 35 может также осуществляться пайкой, диффузионной сваркой, спеканием композиции металл-керамика или изостатическим прессованием в нагретом состоянии.

Рассеиваемая мощность вследствие тепловых потерь в зоне анода и в канале 24 отводится путем теплоизлучения в окружающее пространство от выходной части канала и от частей магнитопровода. Для устранения воздействия плазмы 29, образующейся на катоде 40, на изоляторные части 22 последние могут быть окружены экраном 39, расположенным между полюсным элементом 34 и ярмом 36, как указано выше. Для охлаждения экрана путем теплоизлучения он выполнен перфорированным или снабжен покрытием с высокой эмиссионной способностью. В первом случае размеры отверстий должны быть достаточно малыми для того, чтобы не допустить проникновение плазмы.

Узел распределителя ксенона 27 может быть выполнен из нержавеющей стали или ниобия, а также из керамики того же состава, что и материал изоляторных частей 22.

Структура анода может быть выполнена из нержавеющей стали, сплава никеля, ниобия или графита.

Предусмотрен герметизированный металлокерамический канал подвода электрического питания к аноду 25.

Подача ксенона к распределению 27 осуществляется посредством изолированного трубопровода в том случае, если узел распределителя выполнен из металла, что позволяет исключить возможность возникновения разряда между анодом 25 и распределителем 27 в буферной камере 23 с выходом на массу при отсутствии изолированного трубопровода.

На фиг. 3 приведена конструкция такого трубопровода 300 для варианта, в котором кольцевой распределитель 27 расположен не в донной части буферной камеры, а на выходе из этой камеры 23 и отделен от анода 25, размещенного во входной части канала ускорителя 24. При этом трубопровод 300 образует радиальный участок в периферической части камеры 23.

Использованный трубопровод 300 на фиг. 3 содержит керамическую трубу 301, на два конца которой напаяны металлические наконечники 302, внутри трубы предусмотрена набивка, например из керамического фетра 303, либо в виде слоя изолирующего гранулята, сборки пластинок из изоляционного материала или металлических сеток.

Трубопровод из изоляционного материала 300 на фиг. 3 размещен вдоль канала ускорителя 24, между буферной камерой 23 и обмоткой 31, что отвечает требованиям минимизации габаритной длины двигателя.

Изоляционный трубопровод 300 может быть также размещен между ярмом 36 и буферной камерой 23.

Изоляционные части 22, ограничивающие буферную камеру и канал ускорителя, могут иметь различную конфигурацию; анод 25 может иметь цилиндрическую (фиг. 1, 4, 7), либо коническую (фиг. 5, 6) форму.

В конструкции, приведенной на фиг. 1, внутренняя кольцевая обечайка 221 в сборке с частями 222, 223, 224 формирует кольцевой канал 24 и буферную камеру, обеспечивая монтаж анода и узла распределителя.

На фиг. 6 приведен конструктивный вариант, в котором главный канал сформирован первой изоляционной частью 22c, которая образует наружную стенку буферной камеры 23 и канала 24, и второй изоляционной частью 22d, которая образует внутреннюю стенку буферной камеры и канала 24, при этом размещенный в буферной камере распределитель 27 ионизируемого газа служит соединительным элементом между первой и второй частями 22c, 22d. Конический анод 25 в этом варианте установлен на входе переходного конического участка 56 между камерой 23 и каналом 24.

В варианте, приведенном на фиг. 4, части из изоляционного материала, ограничивающие буферную камеру и канал ускорителя 24, содержат первую часть 22a, которая образует стенку буферной камеры 23 и внутреннюю стенку канала 24, а также вторую часть 22b, которая образует наружную стенку главного канала 24, в этом случае анод 25 зажат посредством фланцевых элементов 51, 52 между указанными частями 22a, 22b. На фиг. 4 показан также наружный обтекатель 53, форма которого может быть выбрана в соответствии с требованиями. Узел распределителя вводится при монтаже с выходной стороны камеры. Близкий к варианту, приведенному на фиг. 4, вариант, иллюстрируемый фиг. 5, отличается способом монтажа анода 50 конической формы, встроенного между первой и второй частями 22a, 22b посредством профилированных бортов (фланцев) 54, 55.

В вариантах, приведенных на фиг. 1 и 6, структура анода 50 наложена на стенку детали 22 из изоляционного материала в месте стыка между буферной камерой 23 и главным каналом 24.

В варианте на фиг. 7 структура анода 25 составлена из нескольких электрически соединенных элементов посредством соединительных участков 57, узел распределителя вводится с выходного конца камеры. В этом варианте предусмотрен герметизированный стык 58 керамика-керамика между двумя частями 22a, 22f из изоляционного материала, это позволяет получить разъемную конструкцию канала, состоящую из двух разделяемых частей.

На фиг. 8 показана наружная обечайка 75 двигателя, выполненная из магнитного материала и служащая также промежуточным конструктивным элементом узла подвески двигателя на элементе конструкции 72 космического аппарата. Механическая часть 71 узла подвески двигателя примыкает непосредственно к части обшивки 72 аппарата с ориентацией, параллельной направлению "север-юг" для геостационарного ИС.

На фиг. 8 угол α является установочным углом двигателя по отношению к оси "север-юг" 73 ИС.

Угол β, меньший α, обозначает половину угла расходимости пучка ионов.

Выполненные в обечайке 75 излучающие окна 74 закрыты перфорированными экранами 76, например металлическими сетками.

Возможны также другие, кроме рассмотренных, варианты реализации плазменных двигателей в соответствии с изобретением, не нарушающие сущности изобретения.

Изобретение относится к области плазменных двигателей, предназначенных для установки на космических летательных аппаратах, в частности к плазменным двигателям с замкнутой траекторией дрейфа электронов, называемых также стационарными плазменными двигателями. Плазменный двигатель содержит главный кольцевой канал 24 ионизации и ускорения, ограниченный конструкционными элементами 22 из изолирующего материала и открытый на своем выходном конце 225, по крайней мере один полый катод 40, сообщающийся с линией 41 для подачи ионизирующего газа, кольцевой анод 25, концентричный главному каналу 24 и расположенный на расстоянии от его открытого конца 225. Во входной части главного канала 24 за зоной расположения анода 25 размещена кольцевая буферная камера 23, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер главного канала 24. Трубы 26 для подачи ионизируемого газа к аноду 25 сообщаются через кольцевой распределитель 27 с зоной, размещенной вне зоны расположения анода. Средства 31 - 33, 34 - 438 для создания магнитного поля в главном канале 24 обеспечивают создание в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе 225 главного канала 24. 22 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Плазменный двигатель с замкнутой траекторией дрейфа электронов, содержащий главный кольцевой канал ионизации и ускорения, образованный элементами из изоляционного материала и открытый на своем выходном конце, по крайней мере один полый катод, расположенный вне главного канала, на выходной стороне последнего, кольцевой анод, размещенный концентрично к кольцевому каналу и расположенный на расстоянии от его открытого выходного конца, первый и второй трубопроводы для подачи ионизируемого газа, соответственно связанные с полым катодом и кольцевым анодом, магнитопровод для создания магнитного поля в кольцевом канале и кольцевую буферную камеру, размер которой в радиальном направлении превышает соответствующий размер канала и которая размещена на входе этого канала, за зоной расположения анода, второй трубопровод для подачи ионизируемого газа сообщается с кольцевой буферной камерой через кольцевой распределитель в зоне перед анодом, магнитная цепь состоит из отличающихся друг от друга элементов для генерации магнитного поля и радиальных полюсных элементов плоской формы, соответственно внутреннего и наружного, расположенных на уровне выходного сечения главного канала, по разные стороны относительно последнего, и соединенных между собой центральным сердечником, а также ярма и периферического магнитопровода, расположенного снаружи главного канала и буферной камеры, расположенных вдоль оси канала, причем элементы для генерации магнитного поля в главном канале обеспечивают в этом канале радиальное магнитное поле с определенным градиентом, соответствующим максимальной индукции на выходе канала, отличающийся тем, что в число элементов генерации магнитного поля входит первый элемент для генерации магнитного поля, охватывающий снаружи главный канал вблизи выхода последнего, второй элемент для генерации магнитного поля, размещенный вокруг центрального сердечника в зоне, противолежащей аноду, и частично противолежащий также буферной камере, а также третий элемент для генерации магнитного поля, окружающий центральный сердечник и находящийся между вторым элементом для генерации магнитного поля и выходным концом главного канала так, что направлению силовых линий магнитного поля параллельно плоскости выходного сечения, перпендикулярной оси двигателя на выходе канала, причем магнитное поле имеет минимальное значение индукции в зоне перехода между буферной камерой и главным каналом, вблизи анода, что создает оптимальные условия для ионизации газа. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что диаметр буферной камеры вдвое превышает диаметр главного канала. 3. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что размер буферной камеры в осевом направлении составляет порядка 1,5 размера радиуса главного канала. 4. Двигатель по одному из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что первый, второй и третий элементы для генерации магнитного поля имеют различные размеры. 5. Двигатель по одному из пп. 1 - 4, отличающийся тем, что первый, второй и третий элементы для генерации магнитного поля выполнены в виде катушек индуктивности. 6. Двигатель по одному из пп. 1 - 4, отличающийся тем, что первый, второй и третий элементы для генерации магнитного поля по меньшей мере частично выполнены в виде постоянных магнитов с точки Кюри, лежащей выше рабочей температуры двигателя. 7. Двигатель по одному из пп. 1 - 5, отличающийся тем, что периферический магнитопровод образован набором соединительных штанг, расположенных между наружным радиальным полюсным элементом и ярмом. 8. Двигатель по пп. 5 и 7, отличающийся тем, что первая катушка индуктивности содержит несколько индивидуальных обмоток, окружающих штанги периферической магнитной цепи. 9. Двигатель по одному из пп. 1 - 6, отличающийся тем, что периферическая магнитная цепь образована обечайкой. 10. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что катушки индуктивности, образующие первый, второй и третий элементы для генерации магнитного поля, включены последовательно между источником питания и полым катодом. 11. Двигатель по одному из пп. 1 - 10, отличающийся тем, что кольцевой распределитель ионизируемого газа, расположенный в буферной камере, выполнен из электроизоляционного материала. 12. Двигатель по одному из пп. 1 - 10, отличающийся тем, что кольцевой распределитель ионизируемого газа, расположенный в буферной камере, выполнен из металла, причем трубопровод подачи ионизируемого газа в кольцевой распределитель снабжен электроизолирующими элементами. 13. Двигатель по п. 12, отличающийся тем, что элементы электрической изоляции трубопровода для подачи ионизируемого газа расположены между ярмом и буферной камерой. 14. Двигатель по п. 12, отличающийся тем, что трубопровод для подачи ионизируемого газа и элементы электрической изоляции этого трубопровода расположены вдоль главного канала, между буферной камерой и первой катушкой для создания магнитного поля. 15. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что он содержит канал теплопередачи, размещенный вдоль оси центрального сердечника, поддерживающий обмотки, которые служат вторыми и третьими элементами для создания магнитного поля, и излучающий тепло в направлении внутреннего полюсного элемента и ярма. 16. Двигатель по одному из пп. 1 - 15, отличающийся тем, что элементы из изолирующего материала, которые образуют главный канал и буферную камеру, имеют в своем составе первую часть, которая служит наружной стенкой камеры и главного канала, и вторую часть, которая образует внутреннюю стенку буферной камеры и главного канала, при этом кольцевой распределитель ионизируемого газа, размещенный в буферной камере, служит одновременно соединительным элементом между первой и второй частями. 17. Двигатель по одному из пп. 1 - 15, отличающийся тем, что элементы из изолирующего материала, ограничивающие главный канал и буферную камеру, имеют в своем составе первую часть, которая является стенкой буферной камеры и внутренней стенкой главного канала, и вторую часть, которая является наружной стенкой главного канала, причем анод встроен между первой и второй частями. 18. Двигатель по одному из пп. 1 - 16, отличающийся тем, что анод наложен на поверхность элемента из изолирующего материала в зоне перехода от буферной камеры к главному каналу. 19. Двигатель по одному из пп. 1 - 18, отличающийся тем, что анод имеет цилиндрическую форму. 20. Двигатель по одному из пп. 1 - 18, отличающийся тем, что анод имеет форму усеченного конуса. 21. Двигатель по одному из пп. 1 - 20, отличающийся тем, что анод состоит из нескольких электрических соединенных между собой элементов, расположенных в буферной камере или на входе главного канала. 22. Двигатель по одному из пп. 1 - 21, отличающийся тем, что изоляционные части, образующие главный канал, закреплены на наружном радиальном полюсном элементе с помощью соединительного узла, содержащего заплечик и эластичную шайбу. 23. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что наружная обечайка из магнитного материала образует несущую поверхность для подвески двигателя на конструкции летательного аппарата.