ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2003 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 катод-компенсатор, магнитную систему, установленную на коробе с боковыми стенками и посадочной поверхностью для подвески двигателя на конструкцию космического аппарата (КА) [1].

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий катодный блок, содержащий по меньшей мере один катод-компенсатор, закрепленный на поддерживающем кронштейне, анодный блок, состоящий из магнитной системы, установленной на коробе, включающем боковые стенки и посадочную поверхность для подвески двигателя на КА, причем к одной боковой стенке присоединен поддерживающий кронштейн [2].

Конструкция известных двигателей имеет следующие недостатки:
- низкий запас прочности конструкции магнитной системы;
- недостаточно высокая низшая частота собственных колебаний катодного блока, что может привести к наступлению резонанса;
- большие коэффициенты усиления деталей катода-компенсатора при вибрациях;
- неравнозначное, разрушающее воздействие массы катодного блока на конструкцию анодного блока при механических нагрузках по трем взаимно перпендикулярным направлениям;
- высокая теплонапряженность конструкции двигателя.

Магнитная система является основным силовым элементом двигателя, на которой закреплены другие элементы и узлы. Так, на одной из сторон магнитной системы закреплен катодный блок, имеющий достаточно большую массу. При наземной отработке и выведении КА на заданную орбиту все элементы двигателя подвергаются высоким внешним механическим нагрузкам. Одним из критичных элементов является катод-компенсатор. Это связано с его консольным размещением и конструктивной схемой закрепления. Наличие промежуточных конструктивных элементов между катодом-компенсатором и посадочной поверхностью КА, на которой устанавливается двигатель, приводит к большим коэффициентам усиления, которые фиксируются на деталях катода-компенсатора при вибрациях.

Асимметричное размещение катодного блока на анодном блоке оказывает негативное влияние на конструкцию магнитной системы двигателя. Это связано с тем, что центр масс катодного блока вынесен за пределы его опорной базы, что приводит к значительным суммарным опрокидывающим моментам инерционных усилий, развивающихся на массах всех элементов катодного блока при механических воздействиях. Фактором, усиливающим процесс разрушения конструкции магнитной системы, является неравнозначное влияние массы на анодный блок при воздействии внешних механических нагрузок по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Это, в свою очередь, приводит к "раскрытию стыков", проскальзыванию сопряженных поверхностей, снижению усилий затяжек в соединениях двигателя, заложенных при его изготовлении.

Для механической конструкции двигателя очень важно, чтобы элементы конструкции двигателя имели низшие частоты собственных колебаний выше, чем низшая частота собственных колебаний посадочной конструкции для подвески двигателя на КА. Разница между низшими частотами собственных колебаний должна учитывать снижение ее при механических и тепловых воздействиях на двигатель, но исключать их критическое сближение, при котором наступление резонанса резко возрастает. Для катодного блока, закрепляемого на боковой стороне магнитной системы, достаточно высокое значение низшей частоты собственных колебаний достичь невозможно из-за наличия промежуточных элементов конструкции. Так, в процессе воздействия механических нагрузок на стыки двигателя происходит их ослабление, вследствие чего происходят сдвиги низшей частоты собственных колебаний. При этом важно, чтобы сдвиги низшей частоты не превышали 5% по сравнению с исходным значением. Консольное закрепление катодного блока, использованное в известных двигателях, характеризуется достаточно низкими резонансными частотами собственных колебаний, близкими к резонансным частотам посадочной конструкции КА.

Из-за высокой теплонапряженности конструкции двигателя применяются дополнительные промежуточные элементы с низкой теплопроводностью и минимальным сечением, вследствие чего также снижается механическая прочность конструкции.

Целью изобретения является повышение механической прочности анодного и катодного блоков и, как следствие, повышение надежности конструкции двигателя, а также снижение теплонапряженности конструкции.

Это достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, включающем катодный блок, содержащий по меньшей мере один катод-компенсатор и поддерживающий кронштейн, анодный блок, состоящий из магнитной системы, установленной на коробе с боковыми стенками и посадочной поверхностью, согласно изобретению параллельно посадочной поверхности на стенке короба выполнен выступ в виде платформы таким образом, что одна ее сторона расположена в одной плоскости с посадочной поверхностью, а на другой закреплен поддерживающий кронштейн. Толщина платформы может быть меньше толщины короба. На коробе и поддерживающем кронштейне может быть выполнено покрытие со степенью черноты не менее чем 0,8. В платформе выполнены дополнительные крепежные отверстия закрепления двигателя.

Введение выступающей платформы, на которой закреплен поддерживающий кронштейн, позволяет решить задачу повышения запасов прочности конструкции, повышения низшей частоты собственных колебаний катодного блока, снижения коэффициентов усиления элементов катода-компенсатора при вибрациях за счет исключения промежуточных поддерживающих элементов (например, магнитной системы анодного блока), снижения моментов инерционных усилий путем приближения места закрепления поддерживающего кронштейна катодного блока к посадочной поверхности двигателя.

Отказ от закрепления катодного блока на анодном блоке позволяет решить задачу повышения надежности двигателя за счет разгрузки силовых соединений магнитной системы. При таком закреплении исключается воздействие массы катодного блока на стыки элементов магнитной системы и ее закрепления на коробе.

Результатом увеличения запасов прочности конструктивной схемы закрепления катодного блока на выступающей платформе анодного блока является повышение низшей частоты собственных колебаний до ~ 30% и снижение изменения низших резонансных частот собственных колебаний до и после механических воздействий (не более 5%), в частности случайной вибрации, а также после тепловых воздействий.

Нанесение защитного покрытия с высокой степенью черноты на поддерживающий кронштейн, собственную поверхность короба и дополнительную выступающую платформу позволяет повысить эффективность теплосброса излучением за счет использования этих деталей в качестве радиаторов.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображен предлагаемый плазменный двигатель.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов включает катодный блок 1, содержащий катод-компенсатор 2 и поддерживающий кронштейн 3, анодный блок 4, состоящий из магнитной системы 5, короба 6, включающего боковые стенки 7 и посадочную поверхность 8, платформу 9 с крепежными отверстиями, к которым присоединен поддерживающий кронштейн, и дополнительные крепежные отверстия крепления двигателя 11.

Двигатель работает следующим образом.

Запуск двигателя осуществляется путем запитывания магнитной системы 5 и подачи рабочего газа в катод-компенсатор 2 и анодный блок 4. Газ, попадая в анодный блок 4, ионизируется и ускоряется в скрещенных полях. Ускоренный ионный поток на выходе из анодного блока компенсируется при помощи катода-компенсатора 2 катодного блока 1, который установлен на платформе 9. На конструкции КА двигатель закрепляется при помощи крепежных отверстий анодного блока и дополнительных отверстий 11 в платформе 9.

Источники информации
1. Патент РФ 2121075, кл. 6 Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00.

2. 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. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов включает катодный блок 1, содержащий по меньшей мере один катод-компенсатор 2 и поддерживающий кронштейн 3, анодный блок 4, состоящий из магнитной системы 5, установленной на коробе 6 с боковыми стенками 7 и посадочной поверхностью 8. Параллельно посадочной поверхности на стенке короба выполнен выступ в виде платформы 9 таким образом, что одна ее сторона 10 расположена в одной плоскости с посадочной поверхностью, а на другой закреплен поддерживающий кронштейн. Толщина платформы L₁ может быть выбрана меньше толщины короба L₂. На коробе и поддерживающем кронштейне может быть нанесено покрытие со степенью черноты не менее чем 0,8. В платформе выполнены дополнительные крепежные отверстия 11 крепления двигателя. Изобретение позволяет повысить надежность и механическую прочность конструкции двигателя. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий катодный блок, содержащий по меньшей мере один катод-компенсатор и поддерживающий кронштейн, анодный блок, состоящий из магнитной системы, установленной на коробе с боковыми стенками и посадочной поверхностью, отличающийся тем, что параллельно посадочной поверхности на стенке короба выполнен выступ в виде платформы таким образом, что одна ее сторона расположена в одной плоскости с посадочной поверхностью, а на другой закреплен поддерживающий кронштейн. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что толщина платформы меньше толщины короба. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на коробе выполнено покрытие со степенью черноты не менее чем 0,8. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на поддерживающем кронштейне выполнено покрытие со степенью черноты не менее чем 0,8. 5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в платформе выполнены дополнительные крепежные отверстия закрепления двигателя.