ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2000 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, 2].

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 (RU 2119090 C1, H 05 H 1/54, 20.09.98) - прототип.

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

Элементы конструкции двигателя в период его нахождения в условиях окружающей среды космического пространства подвергаются воздействию как положительных, так и отрицательных температур. Во время работы плазменного двигателя температура анода может достигать 500...550^oC и выше, что приводит к большим деформациям металлического анода, чем деформация керамической разрядной камеры из-за различных коэффициентов термического расширения используемых материалов. Вследствие изменения размеров анода, обусловленного термическими деформациями, в месте соединения стержня с разрядной камерой возникают напряжения, которые могут приводить к разрушению днища разрядной камеры, изготовленной из керамики.

Наличие зазоров между элементами закрепления и отверстий в днище разрядной камеры обусловлено различными термическими расширениями металлических и керамических элементов конструкции. Это приводит к снижению механической стойкости узлов креплений анода к перегрузкам от внешних воздействий на этапе изготовления и стендовых испытаний, а затем и на этапе запуска и выведения космических аппаратов в космос. Эти зазоры позволяют смещаться аноду в радиальном направлении относительно разрядной камеры, что, в свою очередь, приводит к ослаблению закрепления анода или полному их разрушению. Ослабление закрепления анода по нескольким узлам креплений может быть различным, что приведет к перекосу и одностороннему смещению анода относительно разрядной камеры и, как следствие, к увеличению несоосности их, что окажет отрицательное влияние на положение вектора тяги двигателя.

Целью изобретения является повышение механической прочности соединения анода-газораспределителя с разрядной камерой с одновременным улучшением компенсаторных качеств узла крепления анода при воздействии 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, обращенной к аноду, выполнены радиальный выступ и осевое внутреннее отверстие, в котором с радиальным зазором размещен стержень, причем муфта и стержень соединены при помощи штифта, который расположен перпендикулярно оси стержня и в одной плоскости с осью двигателя. Стержень может быть размещен в осевом внутреннем отверстии муфты так, что внешний зазор между ними превышает внутренний зазор. Между анодом и торцем соединительной муфты может быть установлен по меньшей мере один упругий элемент. Между фиксирующим элементом и днищем разрядной камеры может быть установлен по меньшей мере один упругий элемент. Также между торцем соединительной муфты и днищем разрядной камеры могут быть установлены юстировочные шайбы.

Введение в узел крепления соединительной муфты, в качестве переходного элемента, позволит решить задачу по закреплению металлического анода в отверстии днища керамической разрядной камеры. Это достигается за счет соединения их между собой с зазорами при помощи цилиндрического штифта, ось которого расположена в радиальном направлении и проходит через геометрическую ось двигателя. Такой штифт выполняет роль направляющего элемента при расширениях или сужениях анода относительно керамической разрядной камеры, который образует неподвижное соединение с соединительной муфтой и подвижное соединение со стержнем анода. В подвижном соединении относительные перемещения стержня анода вдоль штифта будут происходить за счет силы трения скольжения между сопрягаемыми поверхностями. Наиболее оптимальным размещением штифта является близлежащая к аноду зона в отверстии днища разрядной камеры, так как в этом случае снижается вероятность перекосов и заклинивания сопрягаемых поверхностей. Сама соединительная муфта установлена в разрядной камере за счет опоры на радиальный выступ, выполненный на муфте, с одной стороны, и размещения на резьбе муфты фиксирующих элементов, с другой стороны. Такая конструкция узла закрепления позволяет разместить анод без непосредственной опоры на днище разрядной камеры, обеспечив при этом высокие требования по соосности расположения относительно разрядной камеры. Необходимость зазора между анодом и днищем разрядной камеры в осевом направлении обусловлена необходимостью снижения теплового потока, идущего от горячего анода, а также исключение разрушающего воздействия при термических деформациях на керамическую камеру в осевом направлении, которое может приводить к разрушению последней при расширении анода во время работы двигателя или к ослаблению соединения при циклических воздействиях температуры.

Соединение муфты со стержнем анода при помощи радиально направляющего штифта позволяет реализовать компенсаторную схему закрепления, которая обеспечивает ограниченную степень свободы изменений геометрии анода под воздействием термических деформаций и при этом остается устойчивой к механическим нагрузкам. Компенсаторные свойства такой схемы закрепления достигаются за счет введения в конструкцию радиальных зазоров между стержнем и муфтой, превышающих расчетные значения величин термических деформаций анода. Величина деформации элементов конструкции при положительных значениях температуры больше, чем величина деформации при отрицательных значениях температуры, поэтому наиболее рациональным решением является введение в конструкцию различных зазоров, удовлетворяющих достаточным граничным условиям. Это позволит выбрать оптимальные зазоры: Δ₁ - внешний зазор, уменьшающийся при воздействии положительных температур и Δ₂ - внутренний зазор, уменьшающийся при воздействии отрицательных температур. Значительное увеличение зазоров может привести к снижению механической прочности конструкции узлов закрепления анода, поэтому наиболее оптимальным является вариант конструкции с различными внешним и внутренним зазорами (Δ₁>Δ₂).
Такое соединение позволяет исключить элементы конструкции узла закрепления, наиболее подверженные действию циклических изгибов, что также является более предпочтительным, так как это ограничивает ресурс работы двигателя по максимально возможному количеству включений. В такой схеме закрепления анода нагрузка от термических деформаций будет более равномерно распределяться между всеми узлами закреплений, что также является более предпочтительным для точности взаимного расположения анода и разрядной камеры между собой.

С целью компенсации минимально допустимых осевых зазоров по посадке штифта в муфте и стержне, а также для обеспечения осевого усилия поджатия между анодом и торцем соединительной муфты устанавливается пакет упругих шайб, обеспечивающих постоянное усилие поджатия во всем диапазоне рабочих температур двигателя.

Обеспечение постоянного усилия поджатия закрепления муфты на разрядной камере достигается за счет того, что между днищем разрядной камеры и фиксирующим элементом установлен пакет упругих шайб. В этом случае, независимо от температурных расширений анода и элементов узла крепления, а также разрядной камеры, пакет упругих шайб будет обеспечивать необходимое и достаточное усилие поджатия, что также исключает ослабление соединения между ними.

В том случае, если анод имеет в своем составе, например, четыре узла закрепления, для обеспечения требований параллельности расположения анода относительно среза разрядной камеры могут быть использованы юстировочные шайбы (по меньшей мере одна шайба, компенсирующая неплоскостность расположения нескольких муфт одного анода), позволяющие сориентировать анод требуемым образом при одновременном плотном прилегании всех выступов на муфтах к поверхности днища разрядной камеры, чтобы избежать различных по величине напряжений от моментов затяжки крепежных элементов конструкции в процессе изготовления, и тем самым исключить разрушение керамической разрядной камеры и деформаций тонкостенной металлической конструкции анода.

На фиг. 1 изображен осевой разрез предлагаемого плазменного двигателя;
на фиг. 2 изображен узел крепления анода с разрядной камерой, выносной элемент А;
на фиг. 3 изображен узел крепления анода с разрядной камерой с внешним Δ₁ и внутренним Δ₂ зазорами, выносной элемент А;
на фиг. 4 изображен узел крепления с упругими элементами между анодом и торцем соединительной муфты и между фиксирующим элементом и днищем разрядной камеры, выносной элемент А;
на фиг. 5 изображен узел крепления, в состав которого введена юстировочная шайба, выносной элемент А.

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, состоящих каждый, в свою очередь, из стержня 5, расположенного в отверстии 6 днища разрядной камеры 4, причем один конец стержня 5 жестко соединен с анодом 3, и фиксирующего элемента 7. Узел крепления также содержит соединительную муфту 8 с наружной резьбой 9, на торце 12 которой, обращенной к аноду 3, выполнены радиальный выступ 10 и внутреннее отверстие 11, в котором с радиальным зазором 12 размещен стержень 5 муфты 8, а муфта и стержень соединены при помощи штифта 13.

Между анодом 3 и торцем 12 соединительной муфты 8 может быть установлен упругий элемент 14.

Также между фиксирующим элементом 7 и днищем разрядной камеры 4 может быть установлен упругий элемент 15.

Между торцем 12 соединительной муфты 8 и днищем разрядной камеры 4 может быть установлена юстировочная шайба 16.

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 разогрев всей конструкции двигателя и самой горячей зоной является зона расположения анода 3 около днища разрядной камеры 4. При этом происходит тепловое расширение анода под действием термических деформаций в сторону увеличения его геометрических размеров. При этом происходит увеличение диаметра, по которому расположены стержни 5, которые под действием термической деформации смещаются в радиальном направлении по направляющему штифту 13. В этот момент происходит уменьшение внешнего зазора 12 (Δ₁) между внутренним отверстием 8 соединительной муфты 11 и наружным диаметром стержня 5, что обеспечивает свободу перемещений в заданном направлении. Соединительная муфта 11 при этом остается неподвижной в отверстии 6 днища разрядной камеры 4, которая установлена при помощи радиального выступа 10, выполненного на торце 12, и закреплена с другой стороны при помощи фиксирующего элемента 7, установленного на резьбе 9 муфты. Узлы закрепления анода также подвержены и деформациям в осевом направлении. Для обеспечения постоянного усилия поджатия элементов конструкции служат упругие элементы 14 и 15, а юстировочные шайбы 16 обеспечивают требуемую параллельность расположения анода 3 относительно среза разрядной камеры 4. После выключения двигателя происходит постепенное охлаждение элементов конструкции и анод уменьшается в геометрических размерах, при этом стержни 6 совершают обратное перемещение в радиальном направлении при помощи штифта 11 в свое исходное состояние. Влияние термической деформации на конструкцию при этом также исключено.

При длительных паузах между включениями, двигатель может находиться под воздействием на него низких отрицательных температур. В этих условиях происходит уменьшение геометрических размеров анода 3 под действием отрицательных термических деформаций. При этом происходит уменьшение диаметра, по которому расположены стержни 5, которые под действием термической деформации смещаются в радиальном направлении к центру по направляющему штифту 13. В этот момент происходит уменьшение внутреннего зазора 12 (Δ₂) между внутренним отверстием 8 соединительной муфты 11 и наружным диаметром стержня 5, что обеспечивает свободу перемещений к геометрической оси двигателя.

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 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. Техническим результатом изобретения является повышение механической прочности соединения анода-газораспределителя с разрядной камерой с одновременным улучшением компенсаторных качеств узла крепления анода при воздействии термических деформаций. 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, в каждый узел крепления дополнительно введена соединительная муфта с наружной резьбой, на торце которой, обращенной к аноду, выполнены радиальный выступ и осевое внутреннее отверстие, в котором с радиальным зазором размещен стержень, причем муфта и стержень соединены при помощи штифта, который расположен перпендикулярно оси стержня и в одной плоскости с осью двигателя. Стержень может быть размещен в осевом внутреннем отверстии муфты так, что внешний зазор между ними превышает внутренний зазор. Между анодом и торцем соединительной муфты может быть установлен по меньшей мере один упругий элемент. Между фиксирующим элементом и днищем разрядной камеры может быть установлен по меньшей мере один упругий элемент. Также между торцем соединительной муфты и днищем разрядной камеры могут быть установлены юстировочные шайбы. 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, выполнены радиальный выступ и осевое внутреннее отверстие, в котором с радиальным зазором размещен стержень, причем муфта и стержень соединены при помощи штифта, который расположен перпендикулярно оси стержня и в одной плоскости с осью двигателя. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что стержень размещен в осевом внутреннем отверстии муфты таким образом, что внешний зазор превышает внутренний зазор. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что между анодом и торцем соединительной муфты установлен по меньшей мере один упругий элемент. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что между фиксирующим элементом и днищем разрядной камеры установлен по меньшей мере один упругий элемент. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что между торцем соединительной муфты и днищем разрядной камеры установлена по меньшей мере одна юстировочная шайба.