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 разрядную камеру, образованную внутренней и наружной кольцеобразными стенками, полый анод-газораспределитель кольцеобразной формы, магнитную систему, включающую внутренний и наружный магнитные полюса, магнитопровод, кольцеобразные внутренний и наружный магнитные экраны, соединенные с тыльной стороны перемычкой и установленные с зазором относительно противолежащих магнитных полюсов и магнитопровода, внутренний и наружные источники намагничивающей силы, и катод-компенсатор [1].

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру, образованную внутренней и наружной стенками, в полости которой установлен анод-газораспределитель, магнитную систему, включающую внутренний и наружный магнитные полюса, магнитопровод с внутренним и наружным магнитными экранами, установленные с зазором относительно противолежащих магнитных полюсов, внутренний и наружные источники намагничивающей силы и катод-компенсатор [2].

Конструкция известных двигателей имеет следующие недостатки:
- высокие колебания тока и низкий КПД;
- большой угол расходимости плазменной струи.

Основные параметры известных двигателей зависят от сформированной конфигурации магнитного поля в рабочем канале разрядной камеры и особенно от степени локализации зоны ионизации и инжекции рабочего тела. Требуемая конфигурация достигается за счет совокупности геометрических размеров элементов магнитной системы, их формы, взаимного расположения и мощности источников намагничивающей силы. При этом на участке от анода до среза разрядной камеры формируется возрастающее магнитное поле - положительный градиент магнитного поля - таким образом, чтобы на срезе разрядной камеры индукция магнитного поля была максимальной, а вблизи анода в несколько раз меньше и была минимальной. В известных двигателях минимальная индукция магнитного поля вблизи анода имеет значения (20...40) гаусс и нулевое значение магнитного поля практически не достигается. Это приводит к неустойчивости разряда, развитию колебаний тока, расфокусировке истекающего потока плазмы и снижению эффективности работы двигателя.

Целью изобретения является снижение колебаний тока и угла расходимости плазменной струи и, как следствие, увеличение КПД двигателя.

Это достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем разрядную камеру, образованную внутренней и наружной стенками, в полости которой установлен анод-газораспределитель, магнитную систему, включающую внутренний и наружный магнитные полюса, магнитопровод с внутренним и наружным магнитными экранами, установленные с зазором относительно противолежащих магнитных полюсов, внутренний и наружные источники намагничивающей силы, и катод-компенсатор, согласно изобретению магнитная система дополнительно снабжена внутренним источником намагничивающей силы, размещенным между внутренним и наружным магнитными экранами в месте соединения внутреннего магнитного экрана с магнитопроводом, и включенным таким образом, что создаваемый им дополнительный магнитный поток снижает основной магнитный поток в полости разрядной камеры; магнитная система дополнительно снабжена наружным источником намагничивающей силы, размещенным между внутренним и наружным магнитными экранами в месте соединения наружного магнитного экрана с магнитопроводом и включенным таким образом, что создаваемый им дополнительный магнитный поток снижает основной магнитный поток в полости разрядной камеры.

Введение в магнитную систему дополнительного внутреннего источника намагничивающей силы позволяет существенно снизить значение индукции магнитного поля вблизи анода (до получения отрицательных значений индукции) и достигнуть положительный больше, чем в известных двигателях на (10... 15)%.

Для снижения влияния дополнительного внутреннего источника намагничивающей силы на симметричность силовых линий магнитного поля в канале относительно срединной поверхности канала в магнитную систему может быть введен дополнительный наружный источник намагничивающей силы, который включается по магнитному потоку согласно с дополнительным внутренним источником намагничивающей силы.

Выбор месторасположения дополнительных источников намагничивающей силы обусловлен следующими особенностями: во-первых, их отрицательное влияние на максимум магнитного поля в зоне среза разрядной камеры является минимальным из-за их относительной удаленности; во-вторых, их положительное влияние на минимум магнитного поля перед анодом является максимальным из-за их относительной близости к аноду. Таким образом, предложенное размещение дополнительных источников намагничивающей силы является оптимальным, так как при этом достигается оптимальная конфигурация распределения магнитного поля в канале разрядной камеры, при которой анод оказывается в области, в которой магнитное поле равно нулю или может быть отрицательным. Для двигателей различной мощности ампер-витки таких дополнительных источников намагничивающей силы составляют ~5% от ампер-витков центрального источника намагничивающей силы, т.е. это магнитные источники с малыми геометрическими размерами и массой.

Задача по повышению надежности электрической схемы соединения каскада источников намагничивающей силы и снижения трудоемкости изготовления решена за счет снижения количества соединений проводов между обмотками дополнительных источников намагничивающей силы путем их намотки сплошным проводом на общем двухсекционном каркасе. В процессе намотки сначала размещается на внутренней секции внутренняя обмотка, после чего тем же проводом осуществляются переход на наружную секцию и намотка наружной обмотки.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где:
на Фиг.1 изображен осевой разрез предлагаемого плазменного двигателя;
на Фиг. 2 представлено распределение радиальной составляющей индукции магнитного поля вдоль канала разрядной камеры;
на Фиг.3 изображены дополнительные источники намагничивающей силы и создаваемые ими магнитные потоки и , а также их суммарный, согласованный между собой, магнитный поток направление которого противоположно основному магнитному потоку в канале разрядной камеры, выносной элемент А;
на Фиг. 4 изображены объединенные между собой дополнительные источники намагничивающей силы, размещенные на двухсекционном каркасе, выносной элемент А.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит разрядную камеру 1 с внутренней 2 и наружной 3 стенками, анод-газораспределитель 4, магнитную систему, включающую внутренний 5 и наружный 6 магнитные полюса, магнитопровод 7 с кольцеобразными внутренним 8 и наружным 9 магнитными экранами, внутренний 10 и наружные 11 источники намагничивающей силы, дополнительные источники намагничивающей силы 13 и 14, размещенные между внутренним 8 и наружным 9 магнитными экранами в местах их соединения с магнитопроводом, и катод-компенсатор 12. Магнитная система может содержать двухсекционный каркас 15, на котором размещены дополнительные источники намагничивающей силы 13 и 14.

Двигатель работает следующим образом.

Запуск двигателя осуществляется путем запитывания магнитной системы. При запитывании внутреннего 10 и наружного 11 источников намагничивающей силы возникает основной контур магнитного потока определенной полярности (например, ), проходящий через магнитопровод 7 с внутренним 8 и наружным 9 магнитными экранами. При прохождении тока по дополнительным источникам намагничивающей силы 13 и 14 возникают соответствующие малые магнитные потоки и обратной полярности. В результате суперпозиций основного и дополнительного магнитных потоков достигается нулевое (или отрицательное) значение индукции магнитного поля перед анодом-газораспределителем 4. Подача рабочего газа также осуществляется в катод-компенсатор 12. В полости разрядной камеры 1, ограниченной внутренней 2 и наружной стенками 3, газ ионизируется и ускоряется в скрещенных полях. Ускоренный ионный поток на выходе из разрядной камеры 1 проходит межполюсный зазор, образованный внутренним 5 и наружным 6 магнитными полюсами, и компенсируется при помощи катода-компенсатора 12.

Источники информации
1. Патент РФ 2045134, кл. 6 Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00.

2. Патент РФ 2030134, кл. 6 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. В плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем разрядную камеру 1 с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней 2 и наружной 3 стенками, в полости которой установлен анод-газораспределитель 4, магнитную систему, включающую внутренний 5 и наружный 6 магнитные полюса, магнитопровод 7 с внутренним 8 и наружным 9 магнитными экранами, установленные с зазором относительно противолежащих магнитных полюсов, внутренний 10 и наружные 11 источники намагничивающей силы, и по меньшей мере один катод-компенсатор 12, магнитная система дополнительно снабжена внутренним источником намагничивающей силы 13, между внутренним и наружным магнитными экранами в месте соединения внутреннего магнитного экрана с магнитопроводом и включенным таким образом, что создаваемый им дополнительный магнитный поток снижает основной магнитный поток в полости разрядной камеры. Магнитная система может быть дополнительно снабжена наружным источником намагничивающей силы 14, размещенным между внутренним и наружным магнитными экранами в месте соединения наружного магнитного экрана с магнитопроводом и включенным таким образом, что создаваемый им дополнительный магнитный поток снижает основной магнитный поток в полости разрядной камеры. На магнитопроводе может быть закреплен двухсекционный каркас 15, на котором размещены дополнительные внутренний и наружный источники намагничивающей силы, причем таким образом, что внутренний источник намагничивающей силы, размещен во внутренней секции, а наружный - в наружной секции каркаса. Изобретение позволяет снизить колебания тока и угла расходимости плазменной струи и, как следствие, увеличить КПД двигателя. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней и наружной стенками, в полости которой установлен анод-газораспределитель, магнитную систему, включающую внутренний и наружный магнитные полюса, магнитопровод с внутренним и наружным магнитными экранами, установленные с зазором относительно противолежащих магнитных полюсов, внутренний и наружные источники намагничивающей силы, и по меньшей мере один катод-компенсатор, отличающийся тем, что магнитная система дополнительно снабжена внутренним источником намагничивающей силы, размещенным между внутренним и наружным магнитными экранами в месте соединения внутреннего магнитного экрана с магнитопроводом и включенным таким образом, что создаваемый им дополнительный магнитный поток снижает основной магнитный поток в полости разрядной камеры. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что магнитная система дополнительно снабжена наружным источником намагничивающей силы, размещенным между внутренним и наружным магнитными экранами в месте соединения наружного магнитного экрана с магнитопроводом и включенным таким образом, что создаваемый им дополнительный магнитный поток снижает основной магнитный поток в полости разрядной камеры. 3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что на магнитопроводе закреплен двухсекционный каркас, на котором размещены дополнительные внутренний и наружный источники намагничивающей силы, причем таким образом, что внутренний источник намагничивающей силы, размещен во внутренней секции, а наружный - в наружной секции каркаса.