ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2002 года по МПК H05H1/54 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 катод-компенсатор, коаксиальную разрядную камеру, образованную внутренней и наружной стенками, в полости которой установлен кольцевой анод-газораспределитель, и магнитную систему, содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, наружный и внутренний источники намагничивающей силы [1].

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, включающий катод-компенсатор, разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную полым анодом, охватывающим зону ионизации, и внутренним и наружным кольцами, которые примыкают, соответственно, к внутреннему и наружному краю анода, содержащего газораспределитель с каналами подвода рабочего тела и каналами инжекции рабочего тела в разрядную камеру, расположенные у внутреннего и наружного краев полого анода, и магнитную систему, содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, наружные и внутренний источники намагничивающей силы [2].

Недостатками известных двигателей являются недостаточно высокий КПД, обусловленный низкой эффективностью ионизации и ускорения ионов, а также большая масса магнитной системы и увеличенные габариты двигателя.

Прежде всего это обусловлено топологией распределения магнитного поля в зонах ионизации и ускорения разрядной камеры. Высокие удельные характеристики двигателей достигаются при достижении достаточно больших градиентов магнитного поля от анода к срезу разрядной камеры, выноса максимума радиальной составляющей вектора магнитной индукции за срез разрядной камеры и достаточно большом коэффициенте выпучивания магнитного поля, определяющим фокусирующие свойства магнитной линзы. Кроме этого, размещение зон инжекции рабочего тела в разрядную камеру и направление впрыска существенно влияют на азимутальное распределение концентрации плазмы на входе в зону ускорения. Это связано с гибелью ионов на стенках разрядной камеры, половина которых, попадающих в зону ускорения, испытывают акты ионизации, рекомбинации на стенках и повторной ионизации, что приводит к увеличению энергетических затрат на ионизацию рабочего тела.

Целью изобретения является повышение КПД двигателя путем снижения пристеночных энергетических потерь и повышения азимутальной однородности концентрации плазмы, а также снижение массы магнитной системы и габаритов разрядной камеры.

Это достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, включающим по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную с одной стороны полым анодом, охватывающий зону ионизации, ширина которой больше ширины зоны ускорения, а с другой стороны внутренним и наружным кольцами, которые примыкают соответственно к внутреннему и наружному краю анода, содержащего газораспределитель с каналами подвода рабочего тела и каналами инжекции рабочего тела в разрядную камеру, расположенные у внутреннего и наружного краев полого анода, и магнитную систему, содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, наружные и внутренний источники намагничивающей силы, согласно изобретению стенка полого анода, обращенная к зоне ионизации, выполнена из магнитомягкого материала, а внутренний и наружный края стенки размещены с продольными немагнитными зазорами относительно внутреннего и наружного магнитных полюсов соответственно. В магнитопроводе, между зонами примыкания к нему наружных источников намагничивающей силы, выполнены выборки таким образом, что большая часть массы магнитопровода сосредоточена на участках между внутренним и наружными источниками намагничивающей силы. Каналы инжекции рабочего тела в разрядную камеру, расположенные у наружного края полого анода, направлены тангенциально относительно ускоряемого потока плазмы. Каналы инжекции рабочего тела в разрядную камеру, расположенные у внутреннего края полого анода, направлены тангенциально относительно ускоряемого потока плазмы. Глубина разрядной камеры равна не более 1,4 ширины разрядной камеры в зоне ускорения. Между наружными источниками намагничивающей силы по периметру магнитной системы размещены экраны.

Геометрия предложенного полого анода позволяет перейти к новой конфигурации магнитной системы, в которой стенка анода выполняет функцию дополнительного магнитопроводящего участка. Стенка полого анода выполнена эквидистантно силовым линиям магнитного поля в зоне ионизации вблизи анодной поверхности, вдоль которых происходит дрейф электронов. В процессе функционирования двигателя такая стенка анода, обращенная к зоне ионизации, обеспечивает замыкание дрейфующих электронов на анод на более протяженном участке движения, снижая тем самым вероятность возникновение зон мгновенных локальных неоднородностей концентрации электронов. Выполнение стенки полого анода, обращенной к зоне ионизации, из магнитомягкого материала, края которого размещены с продольными зазорами относительно противолежащих магнитных полюсов, позволяет создать в разрядной камере магнитное поле оптимальной конфигурации с более высоким градиентом радиальной составляющей вектора магнитного поля.

Задача по снижению массы двигателя решена за счет выполнения выборок в магнитопроводе в промежутках между наружными источниками намагничивающей силы. На данном участке магнитного контура магнитный поток имеет азимутальную неоднородность. Так максимальное значение магнитного потока имеют участки магнитопровода между наружными и внутренним источниками намагничивающей силы, тогда как между наружными источниками величина магнитного потока меньше. В таких зонах толщина магнитопровода может быть уменьшена. Подобное локальное облегчение магнитопровода не приведет к азимутальной неоднородности фокусирующих свойств магнитной линзы из-за удаленности данного участка магнитного контура от рабочего межполюсного зазора.

Задача по снижению пристеночных потерь ионов в зоне ионизации и повышению азимутальной однородности концентрации плазмы решена за счет тангенциального направления каналов инжекции рабочего тела в стенке полого анода относительно ускоряемого потока плазмы. Данное техническое решение повышает эффективность процесса ионизации, так как инжекция рабочего тела направлена от стенок разрядной камеры в объем плазмы с максимальной концентрацией.

Задача по снижению габаритов решена за счет уменьшения глубины разрядной камеры по срединной поверхности от полого анода до среза. Это достигается путем уменьшения продольной протяженности зоны ионизации за счет увеличения ее ширины с целью сохранения необходимого объема зоны ионизации.

Повышение надежности достигается за счет применения экранов, которые перекрывают проемы между магнитопроводом и наружным полюсом по периметру магнитной системы и защищают анод с внешней стороны от электрических пробоев с окружающей плазмой.

Таким образом, плазменный двигатель, выполненный согласно изобретению, позволяет создать многорежимный двигатель, работающий в широком диапазоне напряжений разряда (до 1000 В) и повышенной мощности ~ 2,5 кВт.

Кроме того, плазменный двигатель, выполненный согласно изобретению, будет обладать меньшей массой и лучшей компактностью по сравнению с известными конструктивными схемами.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображен осевой разрез А-А предлагаемого плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов.

На фиг.2 показан вид двигателя со стороны магнитопровода, при этом источники намагничивающей силы показаны условно (вид Б).

На фиг.3 показан поперечный разрез полого анода двигателя по каналам инжекции рабочего тела в разрядную камеру (В-В).

L_pк и h_с - характерные размеры конфигурации разрядной камеры: глубина разрядной камеры и ширина зоны ускорения.

b_н и b_в - продольные немагнитные зазоры наружного и внутреннего краев стенки полого анода из магнитомягкого материала относительно противолежащих магнитных полюсов.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов включает катод-компенсатор 1, разрядную камеру 2, полый анод 3 со стенкой 16 из магнитомягкого материала, внутреннее 4 и наружное 5 кольца, которые примыкают соответственно к внутреннему 6 и наружному 7 краю анода, содержащего газораспределитель 8 с каналами подвода рабочего тела 9 и каналами инжекции рабочего тела 10 в разрядную камеру, и магнитную систему, содержащую магнитопровод 11 с выборками 17, внутренний 12 и наружный 13 магнитные полюса, наружные 14 и внутренний 15 источники намагничивающей силы, между которыми размещены экраны 18.

Двигатель работает следующим образом.

Запуск двигателя осуществляется путем запитывания магнитной системы, магнитный контур которой образован магнитопроводом 11 с выборками 17, внутренним 12 и наружным 13 магнитными полюсами, наружными 14 и внутренним 15 источниками намагничивающей силы, а также магнитопроводящей стенкой 16 полого анода 3. Подача рабочего газа осуществляется в катод-компенсатор 1 и при помощи каналов подвода рабочего тела 9 в газораспределитель 8 полого анода 3 через каналы инжекции рабочего тела 10 в разрядную камеру 2. Газ, попадая в разрядную камеру 2, ионизируется и ускоряется в скрещенных полях. Ускоренный ионный поток на выходе из разрядной камеры 2 проходит межполюсный зазор между кольцами 4 и 5, компенсируется при помощи катода-компенсатора 1. В процессе работы двигателя анод с внешней стороны защищен экранами 18 от электрических пробоев окружающей плазмы.

Источники информации
1. Гришин С. Д. и Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1989, с. 100, 143-144.

2. Патент РФ 2045134, кл. 6 Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00 - прототип.

Изобретение относится к области космической техники и может использоваться в электрореактивных двигательных установках, в стационарных плазменных двигателях и двигателях с анодным слоем, а также в области прикладного применения плазменных ускорителей. Технический результат - снижение пристеночных энергетических потерь и повышение азимутальной однородности концентрации плазмы, а также снижение массы и габаритов. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов включает, по меньшей мере, один катод-компенсатор, разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную с одной стороны полым анодом, охватывающим зону ионизации, ширина которой больше ширины зоны ускорения, а с другой стороны - внутренним и наружным кольцами, которые примыкают соответственно к внутреннему и наружному краю анода, газораспределитель с каналами подвода рабочего тела и каналами инжекции рабочего тела в разрядную камеру, расположенные у внутреннего и наружного краев полого анода, и магнитную систему, содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, наружные и внутренний источники намагничивающей силы. Стенка полого анода, обращенная к зоне ионизации, выполнена из магнитомягкого материала, а внутренний и наружный края стенки размещены с продольными немагнитными зазорами относительно внутреннего (b_в) и наружного (b_н) магнитных полюсов соответственно. В магнитопроводе, между зонами примыкания к нему наружных источников намагничивающей силы, выполнены выборки таким образом, что большая часть массы магнитопровода сосредоточена на участках между внутренним и наружными источниками намагничивающей силы. Каналы инжекции рабочего тела в разрядную камеру, расположенные у краев полого анода, направлены тангенциально относительно ускоряемого потока плазмы. Глубина разрядной камеры (L_pk) равна не более 1,4 ширины разрядной камеры в зоне ускорения (h_c). Между наружными источниками намагничивающей силы по периметру магнитной системы размещены экраны. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий, по меньшей мере, один катод-компенсатор, разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную с одной стороны полым анодом, охватывающим зону ионизации, ширина которой больше ширины зоны ускорения, а с другой стороны - внутренним и наружным кольцами, которые примыкают соответственно к внутреннему и наружному краю анода, содержащего газораспределитель с каналами подвода рабочего тела и каналами инжекции рабочего тела в разрядную камеру, расположенные у внутреннего и наружного краев полого анода, и магнитную систему, содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, наружные и внутренний источники намагничивающей силы, отличающийся тем, что стенка полого анода, обращенная к зоне ионизации, выполнена из магнитомягкого материала, а внутренний и наружный края стенки размещены с продольными немагнитными зазорами относительно внутреннего и наружного магнитных полюсов соответственно. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в магнитопроводе, между зонами примыкания к нему наружных источников намагничивающей силы, выполнены выборки таким образом, что большая часть массы магнитопровода сосредоточена на участках между внутренним и наружными источниками намагничивающей силы. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каналы инжекции рабочего тела в разрядную камеру, расположенные у внутреннего края полого анода, направлены тангенциально относительно ускоряемого потока плазмы. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каналы инжекции рабочего тела в разрядную камеру, расположенные у наружного края полого анода, направлены тангенциально относительно ускоряемого потока плазмы. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что глубина разрядной камеры равна не более 1,4 ширины разрядной камеры в зоне ускорения. 6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что между наружными источниками намагничивающей силы по периметру магнитной системы размещены экраны.