ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2003 года по МПК H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к плазменной технике, непосредственно касается конструирования ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов и может быть использовано при разработке электроракетных двигателей, а также технологических ускорителей, применяемых в процессах вакуумно-плазменной технологии.

Ускорители плазмы с замкнутым дрейфом электронов широко известны в науке и технике и используются для решения различных практических задач [1].

К данному классу плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов относятся ускорители двух схем. Один из них, так называемый ускоритель с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения, имеет диэлектрическую разрядную камеру с кольцевым ускорительным каналом, выходная часть которого размещена между полюсами магнита, анод-газораспределитель с каналами подвода рабочего газа в разрядную камеру и катод-компенсатор. Второй ускоритель с так называемым анодным слоем имеет похожую схему, как правило, с металлической разрядной камерой. В указанных типах ускорителей каналы подвода рабочего газа выполнены в виде достаточно большого количества калиброванных отверстий для обеспечения высокой азимутальной однородности разряда в ускорительном канале [2].

Ускорители обеих схем имеют достаточно высокие интегральные характеристики, однако наличие жестких требований к азимутальной однородности разряда, влияющей на КПД и ресурс ускорителя, требует дополнительных мер по повышению этой однородности [3].

Известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, содержащий разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры, полый газораспределитель с каналами подвода рабочего газа в разрядную камеру, анод, расположенный в полости разрядной камеры, и катод-компенсатор.

В данном ускорителе магнитная система обеспечивает дополнительное фокусирующее воздействие на ионный пучок, а каналы подвода рабочего газа в разрядную камеру выполнены в плоскости продольного среза ускорителя с радиальной составляющей направления подвода рабочего газа [4]. Указанный комплекс технических решений позволил повысить КПД и ресурс ускорителя.

Однако даже незначительные флуктуации плотности рабочего газа в пределах нескольких процентов ограничивают ресурс существующих ускорителей из-за неравномерности выработки стенок разрядной камеры и снижают их КПД. Дальнейшее повышение однородности подачи рабочего газа известными способами связано с технологическими проблемами, а именно: увеличение количества выходных калиброванных отверстий дополнительно затруднено необходимостью уменьшения их диаметра и возрастающей при этом точностью их изготовления; использование щелевых каналов ограничено сложностью их калибровки. Кроме того, присущая существующим конструкциям ускорителей азимутальная неоднородность подачи рабочего газа является константной в процессе работы ускорителя, что приводит к постоянному суммированию максимумов выработки стенок разрядной камеры в процессе наработки ресурса.

Кроме того, при расширении диапазона рабочих характеристик ускорителя в сторону пониженных массовых расходов, что особенно актуально для работы с высокими удельными импульсами, длина свободного пробега нейтральных атомов при существующей радиально-осевой подачи рабочего газа не обеспечивает высоких значений коэффициента ионизации. Это связано с тем, что с ростом разрядного напряжения при условии неувеличения протяженности слоя ионизации и ускорения, протяженность зоны ионизации с приемлемым падением потенциала (несколько потенциалов ионизации рабочего газа) соответственно сокращается.

Целью изобретения является повышение КПД ускорителя и его ресурсных характеристик за счет повышения азимутальной однородности подводимого в разрядную камеру рабочего газа, повышения коэффициента его ионизации при пониженных массовых расходах и смещения максимумов и минимумов азимутальной плотности ионного тока и соответствующих им максимумов и минимумов выработки стенок разрядной камеры.

Это достигается тем, что в плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры, полый газораспределитель с каналами подвода рабочего газа в разрядную камеру, анод, расположенный в полости разрядной камеры и катод-компенсатор, согласно изобретению каналы подвода рабочего газа в разрядную камеру выполнены в азимутальном направлении под острым углом относительно поперечного сечения ускорительного канала.

Каналы подвода рабочего газа в разрядную камеру могут быть выполнены в виде щелей, которые образованы между корпусом газораспределителя и лепестками дополнительно установленного на газораспределитель металлического кольца, отогнутыми под углом с заданной азимутальной составляющей.

Во внутренней полости газораспределителя поперек движения рабочего газа могут быть размещены по меньшей мере три пластины, чередующиеся с кольцевыми проставками, образующими между соседними пластинами распределительные полости, при этом в каждой пластине выполнены отверстия для прохода рабочего газа, размещенные таким образом, что отверстия в последующей пластине равноудалены относительно отверстий предыдущей пластины, а число отверстий в каждой последующей пластине в направлении движения рабочего газа удвоено.

Расположение каналов подвода рабочего газа в разрядную камеру под острым углом в азимутальном направлении позволяет получить такой характер потока нейтральной компоненты рабочего газа в слое ионизации и ускорения, при котором проявляются следующие эффекты.

Во-первых, обеспечивается динамическая подвижность максимумов и минимумов плотности ионного тока в азимутальном направлении, коррелирующая с динамикой ионизационных колебаний. При достаточно интенсивной азимутальной закрутке рабочего газа плотность ионов в любой точке по азимуту пропорциональна суперпозиции эпюр плотности рабочего газа от соседних каналов его подвода в зоне ионизации. Причем динамическая подвижность зоны ионизации в процессе ионизационных колебаний приведет к соответствующему изменению состава этих эпюр и, как следствие, синхронным колебаниям плотности потока ионов в азимутальном направлении. В свою очередь, хаотическое смещение максимумов плотности ионного тока по азимуту с частотой ионизации обеспечивает более равномерную выработку стенок разрядной камеры, что способствует увеличению ресурса ускорителя.

Во-вторых, наличие дополнительной азимутальной составляющей в направлении пробега нейтральных атомов повысит вероятность их ионизации при той же ширине зоны ионизации и, следовательно, обеспечит эффективную работу ускорителя при пониженных расходах рабочего газа.

Большей эффективностью обладает вариант конструкции ускорителя, в котором каналы подвода рабочего газа в разрядную камеру выполнены в виде щелей, которые образованы между корпусом газораспределителя и прорезанными лепестками дополнительно установленного на газораспределитель металлического кольца, отогнутыми под углом с заданной азимутальной составляющей. Указанные положительные эффекты тем сильней, чем сильней азимутальная закрутка рабочего газа на входе в разрядную камеру. В этом случае конструкция обеспечивает подачу рабочего газа под предельно острым углом (менее 10 градусов), формируемым газонаправляющими лепестками кольца. Таким образом, подаваемый под предельно острым азимутальным углом рабочий газ, дополнительно отраженный от поверхности анода, имеет существенно более равномерное распределение плотности в азимутальном направлении и обеспечивает значительное усиление описанных выше эффектов.

В случаях, когда к азимутальной однородности разряда предъявляются повышенные требования, целесообразно, чтобы во внутренней полости газораспределителя поперек движения рабочего газа были размещены по меньшей мере три пластины, которые чередуются с кольцевыми проставками, образующими между соседними пластинами распределительные полости, при этом в каждой пластине выполнены отверстия для прохода рабочего газа, которые размещены таким образом, что отверстия в последующей пластине равноудалены относительно отверстий предыдущей пластины, а число отверстий в каждой последующей пластине в направлении движения рабочего газа удвоено. В такой конструкции газораспределителя равномерность распределения рабочего газа в азимутальном направлении обеспечивается в первую очередь не за счет перепада давления, как в известных конструкциях, а симметричностью расположения отверстий в пластинах, количество которых удваивается в каждой из пластин по ходу движения газа. Такой вариант исполнения ускорителя обеспечивает большую азимутальную однородность плотности ионного тока и делает конструкцию газораспределителя некритичной по отношению к точности изготовления диаметров отверстий - каналов подвода рабочего газа, что снижает трудоемкость их изготовления.

Таким образом, реализация предложенной конструктивной схемы ускорителя позволит повысить его удельные энергетические характеристики и обеспечит более высокий ресурс работы.

Использование изобретения в космической технике позволит создать электроракетные двигательные установки с более высоким КПД и ресурсом для выполнения задач в составе космических аппаратов.

Использование изобретения в ионно-плазменной технологии позволит создать более эффективное оборудование для процессов нанесения различных покрытий и "сухого" травления материалов.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображен продольный разрез предлагаемого плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов.

На фиг.2 представлен анод-газораспределитель ускорителя в плане размещения каналов подвода рабочего газа в разрядную камеру, разрез А-А.

На фиг. 3 показана развертка разреза Б-Б анода и газораспределителя с каналами подвода рабочего газа в разрядную камеру, расположенными под острым углом α относительно поперечного сечения ускорительного канала, совмещенная с эпюрой азимутального распределения плотности рабочего газа.

На фиг. 4 показаны анод и газораспределитель, в котором каналы подвода газа в разрядную камеру выполнены в виде щелей за счет установленного на газораспределитель кольца с прорезанными и отогнутыми лепестками, выносной элемент В.

На фиг. 5 показана развертка разреза Г-Г анода и газораспределителя с каналами подвода рабочего газа в разрядную камеру, выполненными в виде щелей, совмещенная с эпюрой азимутального распределения плотности рабочего газа.

На фиг. 6 показан вариант конструкции анода и газораспределителя с поперечными пластинами, чередующимися с проставками, выносной элемент В. Отверстия для прохождения рабочего тела в поперечных пластинах условно совмещены в плоскости представленного сечения.

Ускоритель с замкнутым дрейфом электронов согласно изобретению содержит разрядную камеру 1 с наружной 2 и внутренней 3 стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему, содержащую, в свою очередь, источники магнитодвижущей силы 4, магнитопровод 5, наружный 6 и внутренний 7 магнитные полюсы, образующие рабочий межполюсный зазор. В глубине разрядной камеры расположен анод 8, конструктивно совмещенный с полым газораспределителем 9, который содержит каналы подвода рабочего газа 10 в разрядную камеру 1. Снаружи магнитного полюса 6 размещен катод-компенсатор 11.

В другом варианте исполнения полого газораспределителя каналы подвода рабочего газа 10 могут быть сформированы в виде щелей 12, которые образованы между корпусом газораспределителя 8 и отогнутыми под углом лепестками 13 дополнительно установленного на газораспределитель металлического кольца 14.

Дальнейшее совершенствование конструкции ускорителя реализовано в варианте исполнения, в котором полый газораспределитель 9 содержит тонкие металлические пластины 15, разделенные между собой кольцевыми проставками 16, образующими распределительные полости 17, причем в каждой из пластин выполнены отверстия 18 для прохода рабочего газа.

Ускоритель работает следующим образом.

В ускорительном канале разрядной камеры 1, ограниченном наружной 2 и внутренней 3 стенками, в области пары магнитных полюсов 6 и 7 магнитной системы с помощью источников магнитодвижущей силы 4 создается преимущественно поперечное по отношению к направлению ускорения магнитное поле. В разрядную камеру 1 через каналы подвода рабочего газа 10 полого газораспределителя 9, конструктивно совмещенного с анодом 8 подается рабочее вещество. Разрядное напряжение прикладывается между анодом 8, и катодом-компенсатором 11 и зажигается разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. Вентильные свойства поперечного магнитного поля препятствуют свободному движению электронов от катода к аноду. Скрещенные электрическое и магнитное поля вызывают дрейф электронов в азимутальном направлении, в процессе которого электроны ионизируют атомы рабочего вещества. Образовавшиеся в газовом разряде ионы ускоряются за счет приложенного напряжения между катодом-компенсатором 11 и анодом 8. На выходе ускорительного канала поток ускоренных ионов компенсируется электронами, истекающими из катода-компенсатора 11. Поступающий в разрядную камеру рабочий газ, благодаря направлению каналов подвода газа 10 под углом α, имеет азимутальную закрутку тем больше, чем острее угол положения каналов к азимутальному направлению.

В другом случае подача рабочего газа в ускорительный канал происходит под предельно острым углом α через каналы в виде щелей 12, формируемым при помощи газонаправляющих лепестков 13 металлического кольца 14, установленного на газораспределителе 9.

В другом варианте конструкции газораспределителя 9 рабочий газ последовательно проходит через отверстия 18 в пластинах 15 и промежуточные полости 17, образованные при помощи кольцевых проставок 16.

Источники информации
1. Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л.А., М.: Машиностроение, 1974 г., с. 54-95.

2. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1989 г., с. 143-145.

3. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М. Машиностроение, 1989 г., с. 151.

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

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться в электроракетных двигателях на базе ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов, а также в технологических ускорителях, применяемых в процессах вакуумно-плазменной технологии. Технический результат - повышение КПД ускорителя и ресурса его работы. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов содержит разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры, анод, расположенный в полости разрядной камеры, полый газораспределитель c каналами подвода рабочего газа в разрядную камеру и катод-компенсатор. Каналы подвода рабочего газа в разрядную камеру выполнены в азимутальном направлении под острым углом относительно поперечного сечения ускорительного канала. Каналы подвода рабочего газа в разрядную камеру могут быть выполнены в виде щелей, которые образованы между корпусом газораспределителя и лепестками дополнительно установленного на газораспределитель металлического кольца, отогнутыми под углом с заданной азимутальной составляющей. Во внутренней полости газораспределителя поперек движения рабочего газа могут быть размещены по меньшей мере три пластины, чередующиеся с кольцевыми проставками, образующими между соседними пластинами распределительные полости, при этом в каждой пластине выполнены отверстия для прохода рабочего газа, размещенные таким образом, что отверстия в последующей пластине равноудалены относительно отверстий предыдущей пластины, а число отверстий в каждой последующей пластине в направлении движения рабочего газа удвоено. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры, полый газораспределитель с каналами подвода рабочего газа в разрядную камеру, анод, расположенный в полости разрядной камеры, и катод-компенсатор, отличающийся тем, что каналы подвода рабочего газа в разрядную камеру выполнены в азимутальном направлении под острым углом относительно поперечного сечения ускорительного канала. 2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что каналы подвода рабочего газа в разрядную камеру выполнены в виде щелей, которые образованы между корпусом газораспределителя и лепестками дополнительно установленного на газораспределитель металлического кольца, отогнутыми под углом с заданной азимутальной составляющей. 3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что во внутренней полости газораспределителя поперек движения рабочего газа размещены по меньшей мере три пластины, чередующиеся с кольцевыми проставками, образующими между соседними пластинами распределительные полости, при этом в каждой пластине выполнены отверстия для прохода рабочего газа, размещенные таким образом, что отверстия в последующей пластине равноудалены относительно отверстий предыдущей пластины, а число отверстий в каждой последующей пластине в направлении движения рабочего газа удвоено.