СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ИОНОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при конструировании электрических ракетных двигателей, в частности плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов, предназначенных для работы в космических условиях для выполнения транспортных задач, а также коррекции орбиты и ориентации космических аппаратов, и может найти применение в других областях техники, например в электронике для ионной очистки, фрезеровки, получения покрытий различного функционального назначения, в вакуумной металлургии для совершенствования и модификации поверхностных характеристик металлов, а также и других областях техники.

Известен способ ускорения ионов в плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом электронов, включающий наложение электрического поля вдоль направления ускорения и магнитного поля, обеспечивающего замагниченность электронов, в перпендикулярном направлении и зажигание разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях (Плазменные ускорители. М., "Машиностроение", 1973, стр. 5-15).

Недостатком известного способа является его однорежимность, т.е. невозможность изменения направления ускорения ионов и невозможность эффективного (т. е. без потерь качества) изменения мощности ускоренного пучка ионов, что сужает область применения способа.

Известно устройство, представляющее собой плазменный ускоритель (двигатель) с замкнутым дрейфом электронов (или ускоритель холловского типа), который в зависимости от токопроводящих свойств материала стенок ускорительного канала может иметь две разновидности: стационарный плазменный двигатель (СПД) - материал стенок диэлектрик, и двигатель с анодным слоем (ДАС) - материал стенок проводник (Плазменные ускорители и ионные инжекторы. М" "Наука", 1984, стр. 107-138).

Недостатки известного устройства связаны с его однорежимностью, т.к., во-первых, двигатель эффективно работает лишь на номинальном режиме по мощности (т.е. при номинальных значениях тока и напряжения, а следовательно, и тяги) и, во-вторых, создает тягу только в фиксированном направлении, и для управления космическим аппаратом необходимо использовать или, как минимум, два двигателя, или дополнительный механизм поворота двигателя относительно аппарата. Использование двух двигателей дорого и увеличивает вес аппарата, а поворачивающий (шарнирный) механизм тяжел, сложен и ненадежен. Кроме того, невозможность изменения вектора тяги по величине и направлению затрудняет отработку двигателя и не позволяет осуществлять компенсацию неточностей изготовления, а потому ужесточает требования при его изготовлении и тем самым увеличивает стоимость изделия.

Ближайшим техническим решением является способ и устройство для ускорения ионов в азимутально замкнутых осесимметричных кольцевых каналах плазменных ускорителей холловского типа (Патент РФ N2088802, МПК F 03 H 1/00, H 05 H 1/54 от 09.12.1995), включающий подачу рабочего тела в зону ионизации, наложение продольного электрического поля в зоне ускорения путем подачи разности потенциалов на электроды, наложение поперечного электрическому, направленного преимущественно по радиусу, магнитного поля с максимумом в зоне ускорения в области выходного среза и величиной максимума, обеспечивающей замагниченность электронов, зажигание разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, создание азимутальной неоднородности параметров в ускорительном канале, а устройство, реализующее способ, выполнено в виде плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, содержащего азимутально замкнутый канал для ионизации и ускорения рабочего тела, образованный в направлении оси плазменного ускорителя двумя соосными с ним внутренней и внешней стенками и открытый с одного конца, азимутально замкнутый анод и коллектор для подачи рабочего тела в канал, расположенные в нем у конца, противоположного открытому, по крайней мере один катод, размещенный вне канала у его открытого конца, магнитную систему, создающую в канале азимутально однородное относительно оси плазменного ускорителя поле, направленное преимущественно по радиусу, и состоящую из внутренней и внешней подсистем, расположенных по разные стороны канала и включающих источники магнитодвижущей силы, полюса и магнитопроводы.

В этом способе и реализующем его устройстве поворот вектора тяги осуществляется созданием азимутальной неоднородности параметров в ускорительном канале путем совместного воздействия трех факторов - геометрического (переменное по азимуту расстояние между внутренней и внешней стенками канала), электрического (дополнительные электроды, установленные у выходного среза последовательно один за другим по азимуту) и магнитного (внешняя магнитная подсистема содержит независимые секции, размещенные последовательно одна за другой по азимуту).

Изменение величины вектора тяги (что связано с изменением потребляемой мощности и/или соотношения тока и напряжения - так можно изменять удельный импульс) осуществляется либо изменением напряжения питания двигателя, либо изменением тока разряда (путем изменения расхода рабочего тела). В первом случае ток разряда (а значит, и ток в магнитных катушках) почти не меняется, а потому магнитное поле остается постоянным. Это объясняется тем, что в этом устройстве источники магнитодвижущей силы обоих магнитных подсистем, обеспечивающих номинальный режим работы, как правило, выполнены в виде магнитных катушек, включенных последовательно с разрядом. Независимое питание катушек возможно, однако оно затрудняет запуск двигателя или создает опасность перехода разряда в дуговой в случае запоздалого включения катушек при запуске, а потому и не используется. Во втором случае величина магнитного поля изменяется пропорционально разрядному току. Очевидно, что допустима и комбинация этих возможностей.

Недостатками данного способа и реализующего его устройства является малая регулируемость или узкие возможности по изменению режима работы двигателя. Это касается и поворота вектора тяги, и изменения его величины. Увеличение угла поворота вектора тяги больше чем на три градуса приводит к резкому ухудшению характеристик двигателя (возникновение колебаний, снижение КПД). В случае перехода на новый режим по мощности, необходимого для изменения величины вектора тяги, магнитное поле отклоняется от оптимального, т.е. от соответствующего новому уровню мощности (и/или новому соотношению между током и напряжением), а потому эффективность двигателя падает - снижается КПД, возрастают колебания, изменяется угол расходимости струи, может возрасти скорость эрозии стенок канала и т.д. Кроме того, схема этого двигателя такова, что оптимизация его параметров при отработке затруднена, а также невозможна простая коррекция двигателя при обнаружении неточностей производства (изготовления).

Техническим результатом предлагаемого технического решения является значительное расширение возможностей по эффективному регулированию режима работы двигателя для обеспечения необходимых характеристик вектора тяги (направления и абсолютной величины), а именно - увеличение диапазона отклонения вектора тяги при сохранении остальных параметров ускорителя на прежнем уровне за счет получения потоков, не имеющих круговую симметрию, и/или потоков, ось которых не совпадает с геометрической осью плазменного ускорителя, а также повышение эффективности работы плазменного ускорителя (увеличение КПД, снижение колебаний, оптимизация угла расходимости струи и скорости эрозии стенок канала и т.д.) в широком диапазоне мощностей (т.е. величин вектора тяги и удельного импульса), при этом обеспечивается расширение возможностей по оптимизации параметров при отработке устройства и компенсации неточностей изготовления двигателя.

Технический результат достигается тем, что в способе ускорения ионов в азимутально замкнутых осесимметричных кольцевых каналах плазменных ускорителей холловского типа, включающем подачу рабочего тела в зону ионизации, наложение продольного электрического поля в зоне ускорения путем подачи разности потенциалов на электроды, наложение поперечного электрическому, направленного преимущественно по радиусу, магнитного поля с максимумом в зоне ускорения в области выходного среза и величиной максимума, обеспечивающей замагниченность электронов, зажигание разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, создание азимутальной неоднородности параметров в ускорительном канале, рабочее тело подают в зону ионизации неравномерно по азимуту и/или в зоне ускорения накладывают азимутально неоднородное магнитное поле, при этом дополнительно в зоне ускорения накладывают азимутально однородное магнитное поле, отклоняющее направление силовых линий от радиального и/или изменяющее его величину и конфигурацию, причем преимущественное направление силовых линий азимутально однородного магнитного поля в зоне ускорения в области выходного среза образует с плоскостью, перпендикулярной оси плазменного ускорителя, угол, больший половины угла отклонения оси потока от оси плазменного ускорителя, а устройство выполнено в виде плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, содержащего азимутально замкнутый канал для ионизации и ускорения рабочего тела, образованный в направлении оси плазменного ускорителя двумя соосными с ним внутренней и внешней стенками и открытый с одного конца, азимутально замкнутый анод и коллектор для подачи рабочего тела в канал, расположенные в нем у конца, противоположного открытому, по крайней мере один катод, размещенный вне канала у его открытого конца, магнитную систему, создающую в канале азимутально однородное относительно оси плазменного ускорителя поле, направленное преимущественно по радиусу, и состоящую из внутренней и внешней магнитных подсистем, расположенных по разные стороны канала и включающих источники магнитодвижущей силы, полюса и магнитопроводы, в котором коллектор содержит по крайней мере две независимые разнесенные по азимуту секции коллектора с автономными подводами рабочего тела и/или по крайней мере одна из магнитных подсистем включает в себя независимые разнесенные по азимуту секции, причем секции этой магнитной подсистемы и секции коллектора расположены попарно на одном азимуте, и/или по крайней мере одна из магнитных подсистем содержит дополнительный источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде магнитной катушки, питающейся независимо от разряда; при этом внутренняя и внешняя магнитные подсистемы выполнены независимыми с отдельными источниками магнитодвижущей силы и разделенными магнитопроводами; при этом внутренняя и внешняя магнитные подсистемы выполнены соединенными магнитопроводом; при этом по крайней мере один катод и магнитная подсистема, выполненная в виде секций, размещены по разные стороны канала; при этом анод выполнен в виде коллектора.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 схематично показан плазменный ускоритель со стороны выходного среза (открытого конца канала) для случая трехсекционной внешней магнитной подсистемы и трехсекционного коллектора, на фиг.2 - разрез в плоскости его оси.

Плазменный ускоритель содержит ускорительный канал 1 (см. фиг.1 и фиг. 2), ограниченный внутренней 2 и внешней 3 стенками. Анод 4 расположен в канале в области его закрытого конца. Катод 5 расположен вне канала. Коллектор выполнен из трех независимых секций 6, 7, 8 коллектора с автономными подводами рабочего тела 9, 10, 11 соответственно. Магнитная система, состоящая из внутренней и трехсекционной внешней магнитных подсистем (см. фиг.1), содержит полюс 12 внутренней магнитной подсистемы и полюса секций 13, 14, 15 внешней магнитной подсистемы, а также источники магнитодвижущей силы 16 и 17, 18, 19, соответственно. Внутренняя и внешняя магнитные подсистемы соединяются магнитопроводом 20. Магнитная система создает магнитное поле с силовыми линиями 21, наклоненными к плоскости, перпендикулярной оси плазменного ускорителя, под углом α. Внутренняя и внешняя магнитные подсистемы содержат дополнительные источники магнитодвижущей силы, выполненные в виде осесимметричных магнитных катушек 22 и 23, соответственно, питающихся независимо от разряда.

Область пространства кольцевого канала 1, примыкающая к аноду 4 и секциям 6, 7, 8 коллектора, представляет собой зону ионизации, область вблизи выходного среза - зону ускорения.

Плазменный ускоритель, реализующий способ ускорения ионов, работает следующим образом.

Рабочее тело, например ксенон, через секции 6, 7, 8 коллектора, выполненные со множеством равномерно распределенных по азимуту отверстий, подают в канал 1, образованный внутренней 2 и внешней 3 стенками, выполненными, например, из керамики на основе нитрида бора. Между анодом 4, изготовленным из тугоплавкого металла, например молибдена, и катодом 5, выполненным, например, в виде полого катода с эффективным термоэмиттером, например из гексаборида лантана, в рабочем теле зажигают разряд. С помощью источников магнитодвижущей силы 16, 17, 18, 19, выполненных, например, в виде катушек, дополнительных магнитных катушек 22 и 23, полюсов 12, 13, 14, 15, магнитопровода 20 формируют в канале симметричное относительно оси плазменного ускорителя магнитное поле с максимумом в зоне ускорения в области выходного среза и с силовыми линиями 21, наклоненными к плоскости, перпендикулярной оси плазменного ускорителя, под углом α. Полюса 12, 13, 14, 15 и магнитопровод 20 выполнены из магнитомягкого материала. Величина максимума магнитного поля такова, что обеспечивает замагниченность электронов в зоне ускорения и затрудняет их свободное перемещение к аноду 4, поэтому основной ток разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях переносится ионами. Ускоренные в разряде ионы выходят из канала 1, их заряд нейтрализуется электронами, эмитируемыми катодом 5, и вместе они образуют плазменную струю, создающую тягу, вектор которой направлен по оси плазменного ускорителя.

При регулировании двигателя с целью изменения угловых характеристик вектора тяги, т.е. при изменении режима работы (осуществление поворота или бокового смещения, что может быть получено за счет создания потоков, не имеющих круговую симметрию, и/или потоков, ось которых не совпадает с геометрической осью плазменного ускорителя), по крайней мере в одной из секций 6, 7, 8 коллектора меняют величину расхода рабочего тела (например, увеличивают), используя автономные подводы рабочего тела 9, 10, 11, при этом суммарный расход рабочего тела может оставаться постоянным за счет соответствующего изменения (уменьшения) расхода рабочего тела в других секциях. Это создает неоднородность концентрации частиц по азимуту, а следовательно, неоднородный поток ионов, вытекающий из ускорителя, что приводит к боковому смещению вектора тяги.

Поскольку в плазменных ускорителях холловского типа силовые магнитные линии и эквипотенциали электрического поля приблизительно совпадают, а силовые магнитные линии 21 наклонены к плоскости, перпендикулярной оси плазменного ускорителя, под углом α, то и эквипотенциали наклонены к этой плоскости, следовательно, имеется радиальная составляющая электрического поля (если угол α не равен нулю), которая создает импульс ионов, перпендикулярный оси плазменного ускорителя. Наличие азимутальной неоднородности ионного потока приводит к тому, что суммарный импульс от всех ионов, перпендикулярный оси, будет отличным от нуля, т.е. реализуется поворот вектора тяги. Если же поток ионов азимутально однороден (расход во всех секциях - одинаков), то радиальные компоненты импульсов ионов при суммировании компенсируются, и вектор тяги будет ориентирован вдоль оси плазменного ускорителя.

Если поворот необходимо осуществлять только в одной плоскости, то достаточно иметь всего две независимые разнесенные по азимуту секции коллектора.

Очевидно, что для осуществления поворота вектора тяги в любом направлении достаточно трех (но может быть и больше) независимых разнесенных по азимуту секций коллектора.

Коллектор может также включать азимутально замкнутую секцию, которая может быть смещена вдоль оси плазменного ускорителя относительно разнесенных по азимуту секций.

Для того, чтобы поворот вектора тяги за счет перераспределения расхода рабочего тела по азимуту (т.е. путем создания азимутальной неоднородности концентрации частиц) был достаточно эффективен, угол наклона α силовых линий магнитного поля в области открытого конца канала должен быть не меньше половины максимального угла поворота вектора тяги. Для управления космическим аппаратом достаточно осуществлять поворот вектора тяги на 5...6 градусов, тогда угол α должен быть больше 3 градусов. Но α может быть и более 10 градусов, в этом случае поворот может быть осуществлен на больший угол.

Для усиления эффекта отклонения вектора тяги по крайней мере одну из магнитных подсистем магнитной системы выполняют в виде независимых разнесенных по азимуту секций, например внешнюю, как показано на фиг. 1, с полюсами 13, 14, 15 и источниками магнитодвижущей силы 17, 18, 19, причем секции магнитной подсистемы и секции коллектора располагают попарно на одном азимуте (13, 17 и 6; 14, 18 и 7; 15, 19 и 8 соответственно). Увеличение угла отклонения достигается тем, что поворот осуществляют одновременно созданием азимутальных неоднородностей потока ионов и магнитного поля. Однако осуществлять поворот можно и в случае использования только одного вида неоднородности (потока ионов или магнитного поля).

В режиме работы двигателя, когда поворот не нужен, угол α может быть минимальным (или равным нулю). При осуществлении поворота угол α увеличивают до необходимой величины. Изменение угла α легче всего осуществлять, если внутренняя и внешняя магнитные подсистемы выполнены полностью независимыми с отдельными источниками магнитодвижущей силы и разделенными магнитопроводами, т. к. картина силовых линий магнитного поля определяется суперпозицией полей от этих подсистем. Наиболее эффективно изменение угла α осуществляется с помощью дополнительных катушек 22 и 23, питающихся независимо от разряда.

При регулировании двигателя с целью изменения абсолютной величины вектора тяги или мощности, т.е. при изменении режима работы (при этом может меняться соотношение между током и напряжением, а потому и удельный импульс), изменяют разрядное напряжение, или ток, или одновременно оба параметра. Увеличивая (или уменьшая) ток в катушках 22 и 23, можно увеличивать (или уменьшать) величину напряженности магнитного поля в зоне ускорения, а также и изменять конфигурацию поля.

Таким образом, появляется возможность приводить в соответствие режим работы плазменного ускорителя (по мощности, соотношению тока и напряжения) с величиной и конфигурацией магнитного поля, тем самым получать оптимальные параметры двигателя не только на номинальном режиме.

Таким образом, дополнительные источники магнитодвижущей силы, выполненные в виде магнитных катушек 22 и 23, питаемых независимо от разряда, играют важную роль при регулировании двигателя; это относится и к повороту вектора тяги, и к изменению его абсолютной величины, и к изменению мощности истекающей струи, и к изменению соотношения между током и напряжением. Таких катушек может быть две (у внутренней и внешней магнитных подсистем, как показано на фиг. 2) или только одна (в одной из подсистем), при этом конструкция упрощается, но уменьшаются функциональные возможности.

Для снижения энергетических затрат на создание магнитного поля внешнюю и внутреннюю подсистемы магнитной системы выполняют соединенными магнитопроводом 20.

Для уменьшения влияния изменений магнитного поля на условия работы катода 5 при повороте вектора тяги по крайней мере один катод и магнитную подсистему, выполненную в виде секций, размещают по разные стороны канала.

Для упрощения конструкции анод выполняют в виде коллектора, т.е. в одном узле совмещают функции анода и коллектора.

Таким образом, в предложенном способе ускорения ионов и реализующем его устройстве изменение характеристик вектора тяги осуществляется благодаря использованию четырех факторов воздействия, а также их комбинаций: создание азимутальной неоднородности концентрации частиц в зоне ионизации, создание азимутальной неоднородности магнитного поля в зоне ускорения, изменение угла наклона силовых магнитных линий к оси двигателя при соблюдении азимутальной однородности магнитного поля, изменение абсолютной величины и конфигурации магнитного поля. Указанные воздействия позволяют целенаправленно изменять характеристики истекающей струи в широком диапазоне изменения параметров двигателя.

В результате предложенное техническое решение позволяет существенно повысить эффективность плазменного ускорителя при использовании его в широком диапазоне мощностей (в частности, токов и напряжений), при реализации процедуры поворота вектора тяги (увеличение угла поворота без ухудшения других характеристик). Плазменный ускоритель (двигатель) становится многорежимным при сохранении высоких качеств (максимальный КПД, низкий уровень колебаний, малая скорость эрозии, оптимальный угол расходимости струи и т.д.). Такой плазменный ускоритель (двигатель) может быть использован на космических аппаратах одновременно как для выполнения транспортных задач, так и в целях управления, стабилизации и коррекции, а также удобен для компенсации неточностей изготовления двигателя и в других целях. Двигатель может эффективно использоваться на сложных траекториях полета космического аппарата при оптимальном изменении параметров двигателя.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при конструировании электрических ракетных двигателей, в частности плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов, предназначенных для работы в космических условиях для выполнения транспортных задач, а также коррекции орбиты и ориентации космических аппаратов, и может найти применение в других областях техники, например в электронике для ионной очистки, фрезеровки, получения покрытий различного функционального назначения, в вакуумной металлургии. Плазменный ускоритель содержит ускорительный канал, ограниченный внутренней и внешней стенками. Анод расположен в канале в области его закрытого конца. Катод расположен вне канала. Коллектор выполнен из трех независимых секций коллектора, в которые подают рабочее тело неравномерно по азимуту по автономным подводам, при этом накладывая азимутально неоднородное магнитное поле. Дополнительно в зоне ускорения накладывают азимутально однородное магнитное поле, отклоняющее направление силовых линий от радиального и/или изменяющее его величину и конфигурацию. Магнитная система, состоящая из внутренней и трехсекционной внешней магнитных подсистем, содержит полюс внутренней магнитной подсистемы и полюса секций внешней магнитной подсистемы, а также источники магнитодвижущей силы, с помощью которых формируют в канале симметричное относительно оси плазменного ускорителя магнитное поле с максимумом в зоне ускорения в области выходного среза и силовыми линиями, наклоненными к плоскости, перпендикулярной оси плазменного ускорителя, под углом α. Внутренняя и внешняя магнитные подсистемы соединяются магнитопроводом. Внутренняя и внешняя магнитные подсистемы содержат дополнительные источники магнитодвижущей силы, выполненные в виде осесимметричных магнитных катушек, питающихся независимо от разряда. Техническим результатом изобретения является расширение возможности по эффективному регулированию режима работы двигателя для обеспечения необходимых характеристик вектора тяги. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ ускорения ионов в азимутально замкнутых осесимметричных кольцевых каналах плазменных ускорителей холловского типа, включающий подачу рабочего тела в зону ионизации, наложение продольного электрического поля в зоне ускорения путем подачи разности потенциалов на электроды, наложение поперечного электрическому, направленного преимущественно по радиусу, магнитного поля с максимумом в зоне ускорения в области выходного среза и величиной максимума, обеспечивающей замагниченность электронов, зажигание разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, создание азимутальной неоднородности параметров в ускорительном канале, отличающийся тем, что рабочее тело подают в зону ионизации неравномерно по азимуту и/или в зоне ускорения накладывают азимутально неоднородное магнитное поле, при этом дополнительно в зоне ускорения накладывают азимутально однородное магнитное поле, отклоняющее направление силовых линий от радиального и/или изменяющее его величину и конфигурацию. 2. Способ ускорения ионов по п.1, отличающийся тем, что преимущественное направление силовых линий азимутально однородного магнитного поля в зоне ускорения в области выходного среза образует с плоскостью, перпендикулярной оси плазменного ускорителя, угол, больший половины угла отклонения оси потока от оси плазменного ускорителя. 3. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий азимутально замкнутый канал для ионизации и ускорения рабочего тела, образованный в направлении оси плазменного ускорителя двумя соосными с ним внутренней и внешней стенками и открытый с одного конца, азимутально замкнутый анод и коллектор для подачи рабочего тела в канал, расположенные в нем у конца, противоположного открытому, по крайней мере один катод, размещенный вне канала у его открытого конца, магнитную систему, создающую в канале азимутально однородное относительно оси плазменного ускорителя поле, направленное преимущественно по радиусу, и состоящую из внутренней и внешней магнитных подсистем, расположенных по разные стороны канала и включающих источники магнитодвижущей силы, полюса и магнитопроводы, в котором коллектор содержит по крайней мере две независимые разнесенные по азимуту секции коллектора с автономными подводами рабочего тела и/или по крайней мере одна из магнитных подсистем включает в себя независимые разнесенные по азимуту секции, причем секции этой магнитной подсистемы и секции коллектора расположены попарно на одному азимуте, и/или по крайней мере одна из магнитных подсистем содержит дополнительный источник магнитодвижущей силы, выполненный в виде магнитной катушки, питающейся независимо от разряда. 4. Плазменный ускоритель по п.3, отличающийся тем, что внутренняя и внешняя магнитные подсистемы выполнены независимыми с отдельными источниками магнитодвижущей силы и разделенными магнитопроводами. 5. Плазменный ускоритель по п.3, отличающийся тем, что внутренняя и внешняя магнитные подсистемы соединены магнитопроводом. 6. Плазменный ускоритель по любому из пп.3 - 5, отличающийся тем, что по крайней мере один катод и магнитная подсистема, выполнена в виде секций, размещены по разные стороны канала. 7. Плазменный ускоритель по любому из пп.3 - 6, отличающийся тем, что анод выполнен в виде коллектора.