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, а также в области прикладного применения плазменных ускорителей.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней и наружной стенками с увеличенными по толщине выходными торцами, в полости которой установлен кольцеобразный анод-газораспределитель, магнитную систему, включающую внутренний и наружный магнитные полюса, магнитопровод, внутренний и наружные источники намагничивающей силы, и катод-компенсатор [1].

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, содержащий катод-компенсатор и анодный блок, включающий разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней и наружной стенками с увеличенными по толщине выходными торцами, и магнитную систему [2].

Конструкция известных двигателей имеет существенный недостаток: нестабильность основных параметров в течение ресурса, в частности тяги двигателя [3, 4] . Особенностью таких двигателей является то, что в начальный период ресурсной наработки наблюдается снижение тяги. В последующий период происходит увеличение тяги и ее стабилизация [4].

В известных двигателях канал разрядной камеры имеет цилиндрическую форму. Повышение ресурса двигателей достигается за счет увеличения запаса материала стенок на износ в зоне ускорения, для чего выходные торцы внутренней и наружной стенок, расположенные в зоне ускорения и подверженные эрозии, выполняются увеличенной толщины. При этом внешняя конфигурация границ стенок разрядной камеры так же, как и внутренняя, представляет из себя цилиндрические поверхности.

Известно, что в плазменных двигателях с замкнутым дрейфом электронов поверхность контакта ускоряемого потока довольно значительна, поэтому в этих двигателях существенную роль выполняют стенки канала разрядной камеры [5, с. 144]. В частности, они обеспечивают замыкание части электронной составляющей разрядного тока за счет столкновения электронов со стенками канала разрядной камеры [5, с. 158]. Величина этой электронной составляющей разрядного тока зависит от геометрических характеристик (ширины канала, а также внутреннего и наружного диаметров) канала разрядной камеры в зоне ускорения [5, с. 155, 195].

Известно также, что в таких плазменных двигателях в процессе работы под действием ускоряемого потока происходит эрозия стенок разрядной камеры. При этом геометрические размеры разрядной камеры в ее выходной части изменяются - диаметр наружной стенки разрядной камеры увеличивается, а внутренний - уменьшается. Соответствующим образом изменяется и площадь зоны контакта ускоренного потока с поверхностью разрядной камеры. Следовательно, определенным образом должна изменяться и часть электронной составляющей разрядного тока, обусловленная столкновениями электронов со стенками. При условии поддержания неизменным значения разрядного тока в течение ресурса, при изменении электронной составляющей разрядного тока будет соответственно изменяться и соотношение между электронной и ионной составляющими. В частности, при увеличении электронной составляющей должна уменьшаться ионная составляющая, что при неизменном разрядном напряжении для двигателя будет эквивалентно уменьшению тяги.

В известных двигателях с цилиндрической формой стенок, ограничивающих как сам канал разрядной камеры, так и внешние поверхности разрядной камеры, во время ресурса контактная площадь эрозии стенок изменяется. Одновременно изменяется и площадь поверхности контакта ускоряемого потока со стенками разрядной камеры. Исходная цилиндрическая форма стенок канала разрядной камеры приводит к тому, что исходная площадь эрозии, ограниченная зоной ускорения, вначале будет увеличиваться до достижения максимального своего значения, соответствующего зоне перехода двух внешних участков стенки (торцевого с цилиндрическим), после чего площадь эрозии будет уменьшаться. Соответственно должна изменяться электронная составляющая разрядного тока, обусловленная столкновениями электронов со стенками разрядной камеры. При условии поддержания неизменным значения разрядного тока в течение ресурса пропорционально должна изменяться ионная составляющая разрядного тока. Изменение ионной составляющей разрядного тока должно отразиться на расходе рабочего тела в разрядную камеру двигателя, что должно привести и к соответствующему изменению тяги двигателя.

Сопоставление динамики изменения тяги известных двигателей в течение ресурса и динамики изменения площади контакта ускоренного потока со стенками разрядной камеры этих двигателей подтверждают этот вывод.

На фиг. 2 и 3 показаны зависимости тяги от времени их работы для двух двигателей с замкнутым дрейфом электронов одного и того типоразмера [3, 4, 6]. На этих же фигурах показаны зависимости суммарной площади эрозии наружной и внутренней стенок канала разрядной камеры от времени его работы, рассчитанные по результатам измерений геометрических размеров зоны эрозии двигателя этого же типоразмера, приведенным в [7].

Сопоставление характера динамики изменения тяги и динамики изменения площади поверхности контакта плазмы с ускоренным потоком в течение ресурса показывает, что тяга двигателей изменяется обратно пропорционально площади эрозии. Расход рабочего тела в двигатель также изменяется в соответствии с изменением тяги [6, фиг.7].

Сопоставление численных расчетов изменения площади поверхности контакта ускоренного потока в процессе ресурса с изменением тяги в ресурсе показывает, что увеличение первоначальной площади поверхности контакта на 20...25% соответствует уменьшению тяги на 4...7%.

Подобный эффект нестабильности тяги проявляется для различных модификаций стационарных плазменных двигателей как по мощности, так и по типоразмерам, так как их разрядные камеры также имеют внутренние и внешние границы стенок цилиндрической формы.

Таким образом, для сохранения в течение ресурса неизменным значения тяги стационарного плазменного двигателя необходимо, чтобы площадь контакта ускоренного потока с поверхностью разрядной камеры в зоне ускорения оставалась постоянной в течение ресурса или изменялась не более 5%.

Целью изобретения является повышение стабильности тяги в течение ресурса двигателя.

Это достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, включающим по меньшей мере один катод-компенсатор и анодный блок, содержащий разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней и наружной стенками с увеличенными по толщине выходными торцами, магнитную систему, согласно изобретению внешние поверхности по меньшей мере одного из выходных торцов стенок разрядной камеры, расположенные в зоне эрозии, выполнены выпуклой формы и профилированы таким образом, что площадь поверхности эрозии стенки, обращенной к ускоренному потоку плазмы, в течение ресурса изменяется относительно площади поверхности эрозии стенки, ограниченной зоной ускорения перед началом ресурса, не более чем на 5%.

Кроме того, внешние поверхности по меньшей мере одного из выходных торцов стенок разрядной камеры, расположенные в зоне эрозии, могут быть профилированы в виде по меньшей мере трех прямолинейных участков.

Профилирование в азимутальном направлении внешних поверхностей внутренней и наружной стенок разрядной камеры, охватывающих зону ускорения и эрозии, и выполнение их выпуклой формы позволяет повысить стабильность тягового усилия в течение всего ресурса двигателя за счет существенного уменьшения изменения площади эрозии стенок разрядной камеры в течение ресурса. Незначительное изменение площади эрозии стенок соответственно приведет к стабилизации контактной поверхности стенок разрядной камеры с ускоренным потоком плазмы, что в свою очередь стабилизирует часть электронной компоненты разрядного тока, определяемую столкновениями электронов со стенками разрядной камеры, а следовательно, стабилизирует и соотношение между электронной и ионной составляющими разрядного тока. В конечном счете это приведет к стабилизации тяги двигателя в течение ресурса.

Таким образом плазменный двигатель с внешними границами стенок разрядной камеры выпуклой формы, выполненный согласно изобретению, позволяет повысить стабильность параметров в ресурсе до 1...2% по отношению к значению тяги в начале ресурса, в то время как для двигателя, взятого за прототип, изменение тяги за соизмеримый промежуток времени составит 4...7%.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 изображен частичный осевой разрез конструкции предлагаемого плазменного двигателя, содержащего разрядную камеру со стенками выпуклой формы, профилированными в азимутальном направлении.

На фиг. 2 представлены графики зависимостей: график 1 - динамика изменения тяги (F, мН) известного стационарного плазменного двигателя в течение ресурса (Т, ч) [5] ; график 2 - изменение суммарной площади (S, мм²) поверхностей контакта ускоренного потока в зоне эрозии стенок разрядной камеры данного двигателя в течение ресурса (Т, ч) [7]. Для наглядности сравнения динамики обоих параметров ось изменения суммарной площади имеет обратный порядок значений.

На фиг. 3 представлены графики зависимостей: график 1 - динамика изменения тяги (F, мН) другого известного стационарного плазменного двигателя в течение ресурса (Т, ч) [6]; график 2 - изменение суммарной площади (S, мм²) поверхностей контакта ускоренного потока в зоне эрозии стенок разрядной камеры данного двигателя в течение ресурса (Т, ч) [7]. Для наглядности сравнения динамики обоих параметров ось изменения суммарной площади имеет обратный порядок значений.

На фиг.4 изображена спрофилированная внутренняя стенка разрядной камеры выпуклой формы, выносной элемент А. На выходном торце стенки показаны профили эрозии для моментов времени Т_i ресурса и обозначены соответствующие им площади S_Ti поверхности эрозии.

На фиг. 5 изображена спрофилированная наружная стенка разрядной камеры выпуклой формы, выносной элемент Б. На выходном торце стенки показаны профили эрозии для моментов времени Т_i ресурса и обозначены соответствующие им площади S_Ti поверхности эрозии.

На фиг. 6 изображен вариант профилирования выходного торца внутренней стенки разрядной камеры, выносной элемент А.

На фиг. 7 изображен вариант профилирования выходного торца внутренней стенки разрядной камеры, выносной элемент Б.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов включает катод-компенсатор 1 и анодный блок 2, содержащий разрядную камеру 3, образованную внутренней 4 и наружной 5 стенками с выходными торцами 6 и 7 соответственно, магнитную систему 8. Выходные торцы 6 и 7 с внешними поверхностями 9 выпуклой формы. Профилирование внешних поверхностей выходных торцов 6 и 7 может быть выполнено в виде нескольких прямолинейных участков 10.

Двигатель работает следующим образом.

Запуск двигателя осуществляется в начальный момент времени Т₀ путем запитывания магнитной системы 8. В начальный момент работы Т₀ двигатель имеет исходную цилиндрическую форму стенок разрядной камеры 3 с площадью S_Т0 поверхностей контакта ускоренного потока плазмы в зоне эрозии стенок. Подача рабочего газа осуществляется, во-первых, в анодный блок 2; во-вторых, в катод-компенсатор 1. В полости разрядной камеры 3, ограниченной внутренней 4 и наружной 5 стенками, газ ионизируется и ускоряется в скрещенных полях. Ускоренный ионный поток на выходе из разрядной камеры 3 компенсируется при помощи катода-компенсатора 1. В процессе работы двигателя выходные торцы 6 и 7 подвергаются эрозии так, что в момент времени T₁ цилиндрическая стенка постепенно превращается в конусообразную поверхность с площадью S_Т1, а в момент времени Т₂ конусность данной поверхности увеличивается и площадь ее будет S_Т2 и так далее. При этом спрофилированные внешние поверхности 9 обеспечивают постоянство площади S_Тi эрозии в ресурсе так, что (S_Т0=S_T1=S_T2= S_T3=...=const) или минимально допустимое изменение площади S_Тi не более 5%.

Источники информации
1. Авторское свидетельство 1796777, кл. 5 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.

3. Day, M., et. al. "SPT-100 Life Test with Single Cathode up to Total Impulse Two Million N*Sec", AIAA-98-3790, 34^th Joint Propulsion Conference, Cleveland, 1998, Fig. 5.

4. Arkhipov, В., et al. "The Results of 7000 Hour SPT-100 Life Testing", IEPC-95-039, 24^th International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995, Fig. 4.

5. Белан Н. В. и др. Стационарные плазменные двигатели. Харьков, ХАИ, 1989.

6. Garner, С. , et. al. "Cyclic Endurance Test of a SPT-100 Stationary Plasma Thruster", 3^rd Russian-German Conference on Electric Propulsion Engines and Their Technical applications, Stuttgart, Germany, 1994, Fig. 7, 8.

7. Absalamov, S., et al. "Measurement of Plasma Parameters in the Stationary Plasma Thruster (SPT-100) Plume and its Effect on Spacecraft Components", AIAA-92-3156, 28^th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Nashville, 1992, Fig. 1.

Изобретение предназначено для использования в области космической техники, а именно в электрореактивных двигательных установках, и может быть использовано в стационарных плазменных двигателях, а также в области прикладного применения плазменных ускорителей. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий по меньшей мере один катод-компенсатор 1 и анодный блок 2, содержащий разрядную камеру 3 с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней 4 и наружной 5 стенками с увеличенными по толщине выходными торцами 6 и 7, магнитную систему 8, внешние поверхности 9 по меньшей мере одного из выходных торцов стенок разрядной камеры, расположенные в зоне эрозии, спрофилированы таким образом, что площадь поверхности эрозии стенки, обращенной к ускоренному потоку плазмы, в течение ресурса изменяется не более чем на 5%. Профилирование выходных торцов может быть выполнено в виде по меньшей мере трех прямолинейных участков. Изобретение позволяет повысить стабильность тяги в течение ресурса двигателя. 1 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий по меньшей мере один катод-компенсатор и анодный блок, содержащий разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней и наружной стенками с увеличенными по толщине выходными торцами и магнитную систему, отличающийся тем, что внешние поверхности по меньшей мере одного из выходных торцов стенок разрядной камеры, расположенные в зоне эрозии, спрофилированы таким образом, что площадь поверхности эрозии стенки, обращенной к ускоренному потоку плазмы, в течение ресурса изменяется не более чем на 5%. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что внешние поверхности по меньшей мере одного из выходных торцов стенок разрядной камеры, расположенные в зоне эрозии, спрофилированы в виде по меньшей мере трех прямолинейных участков.