ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2002 года по МПК F03H1/00 

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 по меньшей мере один катод-компенсатор, магнитную систему с наружными магнитными полюсами и экранами [1].

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий по меньшей мере один катод-компенсатор, магнитную систему с наружными магнитными полюсами и экранами, установленную на коробе с боковыми стенками с посадочными лапками для установки двигателя на конструкцию космического аппарата (КА) [2].

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий катодный блок, содержащий по меньшей мере один катод-компенсатор, размещенный на первой установочной поверхности поддерживающего кронштейна, и анодный блок, содержащий магнитную систему с наружными магнитными полюсом и экраном, установленную на коробе с боковыми стенками, к одной из которых присоединен при помощи второй установочной поверхности поддерживающий кронштейн [3].

Конструкция известных двигателей имеет существенные недостатки:
- конструктивная схема закрепления катода-компенсатора к магнитной системе анодного блока имеет низкий запас прочности и не обеспечивает соединение, достаточно стойкое к реальным внешним механическим нагрузкам, возникающим при выводе КА на заданную орбиту;
- консольное закрепление катода-компенсатора приводит к большим коэффициентам усиления, которые испытывают элементы катода-компенсатора при вибрациях, как самые удаленные детали от зоны закрепления на анодном блоке (например, рабочий торец с выходным отверстием поджигного электрода);
- высокая вероятность наступления резонанса катодного блока и катода-компенсатора из-за недостаточно высокой низшей частоты собственных колебаний.

Основные узлы и элементы двигателя при наземной отработке и выведении КА на заданную орбиту подвергаются высоким внешним механическим нагрузкам. Наиболее критичным элементом является катодный блок и непосредственно сам катод-компенсатор. Это связано с его консольным размещением и конструктивной схемой закрепления. Асимметричное размещение катодного блока относительно анодного блока приводит к негативному влиянию на силовую конструкцию магнитной системы двигателя. Это связано с тем, что центр масс катодного блока вынесен за пределы опорной базы его закрепления к анодному блоку, что приводит к неравнозначному влиянию его массы на анодный блок при воздействии внешних механических нагрузок по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

Кроме того, такое неустойчивое консольное закрепление катодного блока и катода-компенсатора является очень чувствительным к внешним механическим воздействиям. В процессе воздействия консольно расположенные элементы будут иметь большие коэффициенты усиления, а это будет отрицательно сказываться на стыках, которые будут постепенно ослабевать, что приведет к разрушению конструкции двигателя.

Методология разработки двигателей такова, что основные силовые элементы конструкции должны иметь низшую частоту собственных колебаний выше низшей частоты собственных колебаний элемента КА, на которую устанавливается двигатель. Чем больше разница между низшими частотами собственных колебаний, тем вероятность наступления резонанса минимальна. Это связано с тем, что в процессе воздействия механических нагрузок стыки в силовой схеме двигателя ослабевают, о чем свидетельствует снижение низшей частоты собственных колебаний, и очень важно при этом избежать максимального сближения с низшей частотой собственных колебаний платформы КА, на которой размещен двигатель. Консольное соединение, использованное в известных двигателях, характеризуется низкими резонансными частотами собственных колебаний, при которых вероятность резонанса резко возрастает.

Целью изобретения является повышение запасов прочности закрепления катода-компенсатора на анодном блоке с одновременным повышением низшей частоты собственных колебаний, снижение изменения низших резонансных частот собственных колебаний до и после воздействия случайной вибрации и, как следствие, повышение надежности конструкции двигателя.

Это достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, включающем катодный блок, содержащий по меньшей мере один катод-компенсатор, анодный блок, состоящий из магнитной системы с наружными магнитными полюсом и экраном, установленной на коробе с боковыми стенками, и поддерживающий кронштейн, который одной установочной поверхностью соединен с одной из стенок короба, а на другой установочной поверхности консольно закреплен катод-компенсатор, согласно изобретению на наружном магнитном экране выполнено локальное кольцеобразное утолщение, на котором со стороны размещения катодного блока выполнен срез с по меньшей мере одним крепежным отверстием, причем срез расположен в одной плоскости с боковой стенкой короба, на боковых стенках короба в местах присоединения к поддерживающему кронштейну выполнены локальные утолщения, а в поддерживающем кронштейне выполнен выступ с по меньшей мере одним крепежным отверстием, соосным крепежному отверстию в срезе.

Боковые стенки короба могут быть дополнительно снабжены продольными ребрами жесткости, которые размещены друг от друга на расстоянии, равном дистанции между местами присоединения к поддерживающему кронштейну.

Наружный магнитный экран, в зоне кольцеобразного утолщения, может быть дополнительно снабжен по меньшей мере одним ребром жесткости.

Между наружным магнитным полюсом и первой установочной поверхностью поддерживающего кронштейна может быть введена перемычка.

Введение дополнительного места закрепления катодного блока позволит решить задачу повышения запасов прочности соединения за счет увеличения устойчивости катодного блока при помощи увеличения опорной базы, которое выполняется из условия приближения центра масс. Это достигается за счет формирования дополнительного места закрепления при помощи выполнения кольцеобразного утолщения со срезом на наружном магнитном экране, к которому крепится поддерживающий кронштейн дополнительным выступом с отверстием. В таком соединении кольцеобразное утолщение позволяет повысить жесткость относительно тонкостенного наружного магнитного экрана (толщина которого определяется из расчета магнитной системы с целью избежания магнитного насыщения на данном участке).

Дополнительное повышение запасов прочности закрепления катодного блока достигается за счет увеличения жесткости мест соединений. С одной стороны, упрочнение стенок короба достигается за счет локального утолщения в местах соединений, а также при помощи ребер жесткости, располагаемых по всей высоте короба. С другой стороны, дополнительное повышение жесткости цилиндрического наружного магнитного экрана, в зоне кольцеобразного утолщения, достигается при помощи введения соосных ребер жесткости, которые усиливают формоустойчивость цилиндрического экрана.

Введение перемычки между наружным магнитным полюсом и первой установочной поверхностью поддерживающего кронштейна позволит дополнительно повысить устойчивость катодного блока по направлению оси двигателя.

И как результат увеличения запасов прочности конструктивной схемы закрепления катодного блока на анодном является повышение низшей частоты собственных колебаний и снижение изменения низших резонансных частот собственных колебаний до и после механического воздействия, в частности случайной вибрации.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где:
на фиг.1 изображен осевой разрез предлагаемого плазменного двигателя;
на фиг.2 изображен дополнительный узел соединения поддерживающего кронштейна катодного блока со срезом, выполненным на кольцеобразном утолщении наружного магнитного экрана, сечение А-А;
на фиг. 3 изображен узел крепления поддерживающего кронштейна катодного блока с боковой стенкой короба, на которой выполнены локальные утолщения, сечение Б-Б;
на фиг. 4 изображен узел крепления поддерживающего кронштейна катодного блока с боковой стенкой короба, на которой выполнены локальные утолщения и дополнительные ребра жесткости, размещенные друг от друга на расстоянии L₁, равном дистанции между крепежными элементами, сечение Б-Б;
на фиг. 5 изображен дополнительный узел соединения поддерживающего кронштейна катодного блока с кольцеобразным утолщением наружного магнитного экрана, по обе стороны которого выполнены соосные кольцеобразные ребра жесткости, выносной элемент В.

на фиг.6 изображен продольный вид предлагаемого плазменного двигателя, в котором между наружным магнитным полюсом и первой установочной поверхностью поддерживающего кронштейна введена силовая перемычка.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов включает катодный блок 1, содержащий катод-компенсатор 2, анодный блок 3, состоящий из магнитной системы 4 с наружными магнитными полюсом 5 и экраном 6, короба 7 с боковыми стенками 8, и поддерживающий кронштейн 9, который одной установочной поверхностью 10 соединен с одной из стенок 11 короба, а на другой установочной поверхности 12 консольно закреплен катод-компенсатор 2, наружный магнитный экран имеет локальное кольцеобразное утолщение 13 со срезом 14 с крепежным отверстием 15, который расположен в плоскости 16 с боковой стенкой короба, на боковых стенках короба имеются локальные утолщения 17, а на поддерживающем кронштейне выполнен выступ 18 с крепежным отверстием 19.

Боковые стенки короба могут содержать дополнительные продольные ребра жесткости 20.

Наружный магнитный экран 6 в зоне кольцеобразного утолщения может дополнительно содержать ребра жесткости 21.

Между наружным магнитным полюсом 5 и первой установочной поверхностью 12 поддерживающего кронштейна может быть введена перемычка 22.

Двигатель работает следующим образом.

Запуск двигателя осуществляется путем запитывания магнитной системы 4 и подачи рабочего газа в катод-компенсатор 2 катодного блока 1 и в анодный блок 3. Газ, попадая в анодный блок 3, ионизируется и ускоряется в скрещенных полях. Ускоренный ионный поток на выходе из анодного блока проходит межполюсный зазор, в конфигурации которого принимают участие наружный магнитный полюс 5 и наружный магнитный экран 6, и компенсируется при помощи катода-компенсатора 2, который закреплен на первой установочной поверхности 12 поддерживающего кронштейна 9.

Источники информации
1. Патент РФ 2030134, кл. 6 Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00.

2. Патент РФ 95105253, кл. 6 Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00.

3. Патент РФ 2024785, кл. 5 Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00 - прототип.

Изобретение предназначено для использования в области космической техники, а именно в электрореактивных двигательных установках, в качестве стационарных плазменных двигателей и двигателей с анодным слоем. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий катодный блок 1, содержит по меньшей мере один катод-компенсатор 2, анодный блок 3, состоящий из магнитной системы 4 с наружными магнитными полюсом 5 и экраном 6, установленной на коробе 7 с боковыми стенками 8, и поддерживающий кронштейн 9, который одной установочной поверхностью 10 соединен с одной из стенок 11 короба, а на другой установочной поверхности 12 консольно закреплен катод-компенсатор, на наружном магнитном экране выполнено локальное кольцеобразное утолщение 13, на котором со стороны размещения катодного блока выполнен срез с по меньшей мере одним крепежным отверстием 15, причем срез расположен в одной плоскости 16 с боковой стенкой короба, на боковых стенках короба в местах присоединения к поддерживающему кронштейну выполнены локальные утолщения 17, а в поддерживающем кронштейне выполнен выступ 18 с по меньшей мере одним крепежным отверстием 19, соосным крепежному отверстию в срезе. Боковые стенки короба дополнительно снабжены продольными ребрами жесткости, которые размещены друг от друга на расстоянии L₁, равном дистанции между местами присоединения к поддерживающему кронштейну. Наружный магнитный экран в зоне кольцеобразного утолщения дополнительно снабжен по меньшей мере одним ребром жесткости 21. Между наружным магнитным полюсом и первой установочной поверхностью поддерживающего кронштейна введена перемычка 22. Изобретение позволяет повысить надежность и механическую прочность конструкции двигателя. 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий катодный блок, содержащий по меньшей мере один катод-компенсатор, анодный блок, состоящий из магнитной системы с наружными магнитными полюсом и экраном, установленной на коробе с боковыми стенками, и поддерживающий кронштейн, который одной установочной поверхностью соединен с одной из стенок короба, а на другой установочной поверхности консольно закреплен катод-компенсатор, отличающийся тем, что на наружном магнитном экране выполнено локальное кольцеобразное утолщение, на котором со стороны размещения катодного блока выполнен срез с по меньшей мере одним крепежным отверстием, причем срез расположен в одной плоскости с боковой стенкой короба, на боковых стенках короба в местах присоединения к поддерживающему кронштейну выполнены локальные утолщения, а в поддерживающем кронштейне выполнен выступ с по меньшей мере одним крепежным отверстием, соосным крепежному отверстию в срезе. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что боковые стенки короба дополнительно снабжены продольными ребрами жесткости, которые размещены друг от друга на расстоянии, равном дистанции между местами присоединения к поддерживающему кронштейну. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что наружный магнитный экран в зоне кольцеобразного утолщения, дополнительно снабжен по меньшей мере одним ребром жесткости. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что между наружным магнитным полюсом и первой установочной поверхностью поддерживающего кронштейна введена перемычка.