Плазменный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, адаптированный к высоким тепловым нагрузкам Российский патент 2003 года по МПК F03H1/00 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к плазменному ракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов, адаптированному к высоким тепловым нагрузкам. Ракетный двигатель содержит главный кольцевой канал для ионизации и ускорения, образованный деталями, изготовленными из изоляционного материала, который открыт на своем нижнем по течению конце, по меньшей мере один полый катод, расположенный на внешней стороне главного кольцевого канала вплотную к его нижней по течению части, кольцевой анод, размещенный концентрично с главным кольцевым каналом на расстоянии от открытого нижнего по течению конца, трубу и распределительный разветвленный трубопровод для подачи в кольцевой анод ионизируемого газа, а также магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Плазменные ракетные двигатели с замкнутым дрейфом электронов, имеющие структуру, показанную в разрезе на фиг.13, уже известны (см. например из документа ЕР-А-0541309).

Ракетный двигатель такого типа содержит катод 2, газораспределительный разветвленный трубопровод 1, который образует анод, кольцевой ускорительный канал (разрядную камеру) 3, ограничиваемый внутренними и внешними стенками 3а и 3б, и магнитную систему, содержащую внешний полюс 6, внутренний полюс 7 центрального сердечника 12, магнитный кожух 8, внутреннюю катушку 9 и внешнюю катушку 10.

Кольцевой ускорительный канал 3 расположен между внутренним магнитным экраном 4 и внешним магнитным экраном 5, позволяя увеличивать градиент радиального магнитного поля в канале 3. Канал 3 соединен с внешним полюсным наконечником 6 посредством цилиндрической металлической детали 17.

С точки зрения теплотехники канал 3 окружен не только магнитными экранами 4 и 5, но также и тепловыми экранами 13, противостоящими излучению, направленному к оси и к центральной катушке, а также наружу. Единственная эффективная возможность охлаждения путем излучения тепла имеется на нижнем по течению конце канала 3, который открыт в пространство. В результате температура канала выше, чем она могла быть, если бы канал 3 мог излучать через свою внешнюю боковую грань.

Документ WO 94/02738 раскрывает плазменный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов 20, в котором ускорительный канал 24 соединяется в верхней по течению части с буферной или тормозной камерой 23 (фиг.14), которая изображает вертикальную проекцию в осевом полуразрезе такой конструкции.

Плазменный ракетный двигатель (фиг. 14) содержит кольцевой главный канал 24 для ионизации и ускорения, образуемый деталями 22 из изоляционного материала, и открытый на своем нижнем по течению конце 25а, по меньшей мере, один полый катод 40 и кольцевой анод 25, размещенный концентрично с главным каналом 24. Средство 26 подачи ионизируемого газа открывается в верхней по течению части анода 25 через кольцевой распределительный разветвленный трубопровод 27. Средства 31-33 и 34 - 38, предназначены для создания магнитного поля в главном канале 24, чтобы в главном канале 24 создавать магнитное поле, которое является по существу радиальным и имеет градиент с максимальной индукцией на нижнем по течению конце 25а канала 24. Средства создания магнитного поля содержат внешнюю катушку 31, окруженную магнитной защитой, внешний и внутренний полюсные наконечники 34 и 35, первый осевой сердечник 33, второй осевой сердечник 32, окруженный магнитной защитой и магнитным ярмом 36.

Тормозная камера 23 может свободно излучать тепло в пространство и таким образом способствовать охлаждению канала 24. Однако тороидальная внешняя катушка 31 противодействует охлаждению канала 24 в части, несущей наибольшую тепловую нагрузку. Кроме того, первая внутренняя катушка 33 должна обеспечить очень большое число ампер-витков в доступном объеме, определяемом магнитным экраном, связанным со второй осевой катушкой 32. Это приводит к разогреву до очень высокой температуры.

Известные плазменные ракетные двигатели с замкнутым дрейфом электронов, которые можно отнести к стационарным плазменным ракетным двигателям, используются в основном для управления ориентацией “север-юг” геостационарных спутников.

Поставленная задача решается посредством плазменного ракетного двигателя с замкнутым дрейфом электронов, адаптированного к высоким тепловым нагрузкам и содержащего главный кольцевой канал для ионизации и ускорения, который образован элементами, изготовленными из изоляционного материала, и который открыт на своем нижнем по течению конце, по меньшей мере один полый катод, расположенный на внешней стороне главного кольцевого канала вплотную к его нижней по течению части, кольцевой анод, концентрический с главным кольцевым каналом и расположенный на расстоянии от открытого нижнего по течению конца, трубу и распределительный разветвленный трубопровод для подачи в кольцевой анод ионизируемого газа, а также магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале, в котором согласно изобретению магнитная система содержит:

по существу радиальный первый внешний полюсный наконечник,

конический второй внешний полюсный наконечник,

по существу радиальный первый внутренний полюсный наконечник,

конический второй внутренний полюсный наконечник,

множество внешних магнитных сердечников, окруженных внешними катушками, для соединения между собой первого и второго внешних полюсных наконечников,

осевой магнитный сердечник, окруженный первой внутренней катушкой и соединенный с первым внутренним полюсным наконечником,

вторую внутреннюю катушку, помещенную ниже по течению относительно внешних катушек.

Наличие множества внешних магнитных сердечников, соединяющих между собой первый и второй внешние полюсные наконечники, позволяет большей части излучения, исходящего от внутенней стенки керамического канала, проходить между ними. Коническая форма второго внешнего полюсного наконечника позволяет увеличивать объем, доступный для внешних катушек, и увеличивать телесный угол, по которому может происходить излучение. Коническая форма второго внутреннего полюсного наконечника также позволяет увеличивать объем, доступный для первой внутренней катушки, при этом еще канализируя магнитный поток так, чтобы исполнять функцию защиты для второй внутренней катушки.

Предпочтительно, чтобы плазменный ракетный двигатель имел множество радиальных ответвлений, присоединяющих осевой магнитный сердечник к верхней по течению части конического второго внутреннего полюсного наконечника, и множество вторых радиальных ответвлений, продлевающих первые радиальные ответвления и соединенных с упомянутым множеством внешних магнитных сердечников и с верхней по течению частью конического второго внешнего полюсного наконечника.

Число первых радиальных ответвлений и число вторых радиальных ответвлений равно числу внешних магнитных сердечников.

Между каждым первым радиальным ответвлением и соответствующим вторым радиальным ответвлением оставлен маленький зазор, чтобы дополнить действие второй внутренней катушки.

Согласно изобретению плазменный ракетный двигатель включает основание конструкции из материала, который является хорошим проводником тепла и который отличается от материала осевого магнитного сердечника, первого и второго внешних полюсных наконечников, первого и второго внутренних полюсных наконечников, причем это основание образует механическую опору ракетного двигателя и служит для охлаждения первой внутренней катушки, второй внутренней катушки и внешних катушек посредством теплопроводности.

Предпочтительно, чтобы основание конструкции было покрыто на боковых гранях эмиссионным покрытием.

Предпочтительно, чтобы главный кольцевой канал имел в осевой плоскости сечение в форме усеченного конуса в своей верхней по течению части и с цилиндрической формой в своей нижней по течению части, а кольцевой анод имел в осевой плоскости сечение, которое сужается в форме усеченного конуса.

Согласно изобретению элементы, образующие главный кольцевой канал, определяют границы кольцевого канала в виде единого блока и соединены с основанием посредством единой опоры, снабженной пазами для компенсации расширения, и прикреплены к единой опоре винтовым соединением.

В другом конкретном варианте воплощения кольцевой главный канал имеет нижний по течению конец, ограниченный двумя кольцеобразными деталями, изготовленными из изолирующей керамики, каждая из которых соединена с основанием посредством отдельной опоры, а верхний по течению участок кольцевого главного канала реализован посредством стенок анода, который электрически изолирован от опор вакуумом. Отдельные опоры являются коаксиальными.

Например, отношение осевой длины деталей, изготовленных из изолирующей керамики, к ширине канала находится в диапазоне от 0,25 до 0,5, и расстояние между стенками анода и опорой деталей, изготовленных из изолирующей керамики, находится в диапазоне от 0,8 до 5 мм.

Анод фиксируется относительно основания посредством жесткого цилиндрического стержня и гибких пластин в форме лопастей.

В основании могут быть выфрезерованы выемки, чтобы вместить вторые радиальные ответвления, трубу подачи ионизируемого газа с насаженным на нее изолятором, электрический провод для подачи напряжения смещения анода, а также провода для запитывания внешних катушек и первой и второй внутренних катушек.

Благодаря наличию основания конструкции магнитная система может по существу выполнять функцию канализирования магнитного потока, при этом монолитное основание, изготовленное из материала, который является хорошим проводником тепла, т.е. из легкого сплава, и анодированное на боковой грани или изготовленное из композиционного материала на основе углерода и покрытое на его нижней по течению грани осажденным покрытием из меди, служит одновременно для охлаждения катушек посредством теплопроводности и для отвода тепловых потерь посредством излучения, а также для обеспечения прочности конструкции ракетного двигателя.

Плазменный ракетный двигатель включает слои материала с очень хорошими изолирующими характеристиками, расположенные выше по течению относительно главного кольцевого канала, и слои материала с очень хорошими изолирующими характеристиками, которые вставлены между главным кольцевым каналом и первой внутренней катушкой.

В первой возможной конфигурации конус конического верхнего по течению второго внутреннего полюсного наконечника направлен острием вниз по течению.

В другой возможной конфигурации конус конического верхнего по течению второго внутреннего полюсного наконечника направлен острием вверх по течению.

Согласно другому отличительному признаку изобретения плазменный ракетный двигатель включает общую опору для поддерживания первой внутренней катушки, конического второго внутреннего полюсного наконечника и второй внутренней катушки, которые прикреплены к общей опоре пайкой или диффузионной сваркой, и общая опора посредством винта присоединена к основанию с теплопроводным слоем, проложенным между опорой и основанием.

В конкретном варианте воплощения для улучшения охлаждения первой внутренней катушки, которая несет наибольшую тепловую нагрузку, она охлаждается теплопроводом, соединенным с внутренним участком общей опоры и расположенным в выемке магнитного сердечника.

В другом варианте первая внутренняя катушка охлаждается множеством тепловых труб, присоединенных к верхнему по течению участку общей опоры и проходящих через отверстия, проделанные во втором внутреннем полюсном наконечнике.

Предпочтительно, чтобы конический второй внешний полюсный наконечник имел отверстия.

Первый и второй внешние полюсные наконечники механически соединены между собой немагнитной конструкционной соединительной деталью, которая имеет отверстия.

В другом варианте воплощения внешние магнитные сердечники внешних катушек наклонены под углом β относительно оси ракетного двигателя таким образом, чтобы оси внешних магнитных сердечников были по существу перпендикулярны биссектрисе угла, составленного образующими линиями конусов первого и второго внешних полюсных наконечников.

Согласно другому отличительному признаку кольцевой анод включает разветвленный трубопровод, оснащенный внутренними перегородками и имеющий нижнюю по течению плоскую плиту, объединяемую со стенками главного канала, чтобы образовать две кольцевые диафрагмы, хвостовую плиту, насаженную на стенки главного канала, чтобы ограничить утечку газа в верхнем по течению направлении, и цилиндрические стенки, обеспеченные отверстиями для инжекции ионизируемого газа в главный канал.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает вид половины осевого сечения первого конкретного варианта воплощения плазменного ракетного двигателя с замкнутым дрейфом электронов согласно изобретению;

фиг.2 изображает частично обрезанный общий вид плазменного ракетного двигателя согласно изобретению;

фиг.3 изображает общий вид центральной части плазменного ракетного двигателя изобретения с встроенными тепловыми трубами согласно изобретению;

фиг.4 изображает общий вид и осевое сечение анода для размещения в плазменном ракетном двигателе согласно изобретению;

фиг. 5 изображает фрагментарный общий вид и вид осевого полусечения другого анода упрощенной структуры, подходящего для размещения в плазменном ракетном двигателе, согласно изобретению;

фиг.6 изображает вертикальную проекцию полусечения кольцевой опоры канала для конкретного варианта воплощения плазменного ракетного двигателя согласно изобретению;

фиг. 7 изображает в разобранном виде центральную область плазменного ракетного двигателя согласно изобретению;

фиг. 8 изображает сечение, показывающее тепловую трубу, связанную с первой внутренней катушкой плазменного ракетного двигателя, согласно изобретению,

фиг.9 изображает общий вид, показывающий закрепление конструкции между внешними полюсными наконечниками магнитной системы плазменного ракетного двигателя согласно изобретению;

фиг.10 изображает фрагментарный схематичный вид, показывающий конкретный вариант воплощения плазменного ракетного двигателя, оснащенный наклонными внешними катушками, в модификации варианта воплощения изобретения;

фиг.11 изображает фрагментарный вид осевого полусечения, показывающий анод, образующий участок основы ускорительного канала в конкретном варианте воплощения плазменного ракетного двигателя, согласно изобретению;

фиг.12 изображает вид осевого полусечения другого конкретного варианта воплощения плазменного ракетного двигателя с замкнутым дрейфом электронов согласно изобретению;

фиг.13 изображает вид осевого полусечения известного плазменного ракетного двигателя с замкнутым дрейфом электронов;

фиг.14 изображает вертикальную проекцию и вид осевого полусечения известного плазменного ракетного двигателя с замкнутым дрейфом электронов (другой вариант выполнения).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ

ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

На фиг.1 и 2 показан первый вариант плазменного ракетного двигателя с замкнутым дрейфом электронов согласно изобретению.

Плазменный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит главный кольцевой канал 124 (фиг.1, 2) для ионизации и ускорения, который ограничен изолирующими стенками 122. Канал 124 открыт на нижнем по течению конце 125а и в осевой плоскости сечения имеет форму усеченного конуса в верхней по течению части и цилиндрическую форму в нижней по течению части.

Полый катод 140 расположен вне главного канала 124 и наиболее предпочтительно под углом α к оси Х'Х ракетного двигателя, где а находится в диапазоне 15 - 45°.

В осевой плоскости кольцевой анод 125 имеет коническое сечение в форме усеченного конуса, который раскрывается в направлении вниз по течению.

Анод 125 может иметь щели, увеличивающие площадь его поверхности, находящуюся в контакте с плазмой. В стенке анода 125 выполнены отверстия 120 для инжекции ионизируемого газа, исходящего из распределительного разветвленного трубопровода 127 ионизируемого газа. В разветвленный трубопровод 127 ионизируемый газ подается по трубе 126.

Конкретные примеры выполнения анода 125 описаны ниже со ссылкой на фиг.4 и 5.

Разряд между анодом 125 и катодом 140 управляется посредством распределения магнитного поля, которое определяется магнитной системой.

Магнитная система содержит первый внешний полюсный наконечник 134, который по существу является радиальным. Этот внешний полюсный наконечник 134 может быть плоским или слегка коническим, задавая угол e₁, находящийся в диапазоне от +15 до -15° к выпускной плоскости S (фиг.1).

Внешний полюсный наконечник 134 соединен посредством множества магнитных сердечников 137, окруженных внешними катушками 138, со вторым внешним полюсным наконечником 311 конической формы, которая более ярко выражена, чем слегка коническая форма первого внешнего полюсного наконечника 134. Угол е₂ полураствора конуса внешнего полюсного наконечника 311 может находиться в диапазоне от 25 до 60°. Предпочтительно, когда внешний полюсный наконечник 311 раскрывается, совмещаясь с проходами внешних катушек 131 так, чтобы снизить радиальный размер и расстояние между катушками, чтобы улучшить охлаждение посредством излучения от керамики, из которой выполнены стенки 122 канала 124.

По существу радиальный первый внутренний полюсный наконечник 135 может быть плоским или слегка коническим, образуя угол i₁, находящийся в диапазоне от -15 до +15° к выпускной плоскости S (фиг.1).

Первый внутренний полюсный наконечник 135 продлевается центральным осевым магнитным сердечником 138, окруженным первой внутренней катушкой 133. Осевой магнитный сердечник 138 сам продлевается в верхней по течению части ракетного двигателя посредством множества радиальных ответвлений 352, соединенных со вторым внутренним полюсным наконечником 351, который является верхним по течению и коническим, имея угол полураствора конуса i₂, находящийся в диапазоне от 15 до 45° относительно оси Х'Х ракетного двигателя. В описываемом варианте воплощения конус второго внутреннего полюсного наконечника 351 обращен острием вниз по течению. Везде в настоящем описании термин “вниз по течению” означает направление к зоне, близкой к выпускной плоскости S и к открытому концу 125а канала 124, в то время как термин “вверх по течению” означает направление к зоне, отдаленной от выпускной плоскости S, расположенной рядом с закрытой частью кольцевого канала 124, которая оснащена анодом 125 и разветвленным трубопроводом 127 ионизируемого газа.

Вторая внутренняя магнитная катушка 132 помещена снаружи верхней по течению части второго внутреннего полюсного наконечника 351. Магнитное поле второй внутренней катушки 132 канализируется радиальными ответвлениями 136, помещенными в соответствии с радиальными ответвлениями 352, а также внешним полюсным наконечником 311 и внутренним полюсным наконечником 351. Между радиальными ответвлениями 352 и радильными ответвлениями 136 оставлен маленький зазор, например приблизительно 1 - 4 мм, чтобы дополнить действие второй внутренней катушки 132.

Осевой магнитный сердечник 138 соединен с внешними магнитными сердечниками 137 посредством множества магнитных ответвлений 136, расположенных в соответствии с радиальными ответвлениями 352. Число радиальных ответвлений 352 и число радиальных ответвлений 136 равно числу внешних катушек 131, помещенных на внешних магнитных сердечниках 137.

Согласно изобретению катушки 133, 131 и 132 охлаждаются непосредственно теплопередачей через основание 175 из теплопроводного материала, причем упомянутое основание 175 также служит в качестве механической опоры для ракетного двигателя. Основание 175 предпочтительно снабжено на боковых гранях эмиссионным покрытием для улучшения излучения тепловых потерь в пространство.

Основание 175 может быть изготовлено из легкого сплава и анодировано на боковой грани, чтобы увеличить эмиссионную способность.

Основание 175 может также быть изготовлено из композиционного материала на основе углерода, покрытого на нижней по течению грани осажденным покрытием из металла, например меди, чтобы максимизировать эмиссионную способность боковых граней и минимизировать поглощательную способность нижней по течению грани, подверженной излучению от керамики канала.

Наличие массивного основания 175, которое действует и как опора конструкции, и как средство для охлаждения катушек 131, 133 и 132 посредством теплопередачи, позволяет в максимально возможной степени соразмерно облегчить магнитную систему.

На фиг.1 и 2 показано, что магнитная система имеет четыре внешних катушки 131. Однако можно было бы обеспечить число внешних катушек 131, отличное от четырех.

Внешние катушки 131 и связанные магнитные сердечники 137 служат для того, чтобы создавать магнитное поле, которое канализируется частично нижним по течению и верхним по течению внешними полюсными наконечниками 134 и 311. Остальная часть магнитного поля забирается ответвлениями 136, сгруппированными вокруг осевого магнитного сердечника 138, который сам обеспечивается нижним по течению внутренним полюсным наконечником 135, первой осевой катушкой 133, верхним по течению коническим вторым полюсным наконечником 351 и второй катушкой 132.

Магнитный поток, который дает катушка 132, канализируется полюсным наконечником 351, сердечником 138, радиальными ответвлениями 136 и полюсным наконечником 311 таким образом, что катушка 132 не нуждается в специальном магнитном экранировании.

На фиг.7 показано, что катушка 133, полюсный наконечник 351 и катушка 132 объединены с общей опорой 332, чтобы образовать сборку, которая рассматривается в качестве единого блока, имея в виду и механические и термические факторы, причем эта моноблочная сборка энергетически охлаждается через основание 175.

Катушка 133, полюсный наконечник 351 и катушка 132 могут быть прикреплены к общей опоре 332 пайкой или диффузионной сваркой. Опора 332 может быть сама присоединена к основанию 175 посредством винта. Между основанием 175 и опорой 332 располагается теплопроводный слой, чтобы снизить тепловое сопротивление контакта между ними. Высверленное отверстие внутри полюсного наконечника подгоняется по осевому магнитному сердечнику 138, чтобы установить вместе на сердечнике 138 две внутренние катушки 133 и 132 и полюсной наконечник 351.

В традиционных плазменных ракетных двигателях, конструкция 122 из керамического материала, определяющая границы кольцевого канала 124, поддерживается относительно внешнего полюсного наконечника металлической опорой.

В настоящем изобретении стенки 122 (фиг. 1, 2, 6) из керамического материала, определяющие границы канала 124, прикреплены к хвостовой части (то есть верхнему по течению концу) ракетного двигателя посредством металлической опоры 162 так, чтобы опора не оказалась препятствием для излучения с нижнего по течению участка стенки 122, которая, таким образом, может свободно излучать тепло в пространство.

Известные керамические материалы на основе нитрида бора трудно припаивать к металлам. Эта проблема может быть устранена, если используется механическое закрепление.

Например, можно обеспечить резьбу полукруглого профиля как в стенках 122, изготовленных из керамического материала, так и в опоре 162. Тогда можно вставить провод 163 между стенками 22 и опорой 162 так, чтобы поддерживать их вместе. Такое расположение позволяет монтировать керамические стенки 122 на опоре 162, которая предварительно была установлена на элементах магнитной системы.

Металлическую опору 162 можно выполнить с помощью фланца 165 и пазов 164, направляющих штыри, позволяющие компенсировать дифференциальное расширение между металлом и керамикой, при этом также обеспечивая гибкое крепление.

В одном из вариантов также возможно использовать крепление, в котором стенки 122 ввинчиваются в опору 162 с фиксирующим штырем опоры при переворачивании, то есть при обращении внутрь цилиндрической опоры 162, и имеющую отверстия для прохождения электрического провода 142 для подачи напряжения смещения анода, и трубы 126, предназначенной для подачи ионизируемого газа в разветвленный трубопровод 127.

На фиг. 11 изображен другой вариант выполнения канала 124.

Для ракетного двигателя, который дает большую тягу, то есть который имеет большой диаметр, трудно изготовить моноблочную керамическую часть для определения границ кольцевого канала 124. При таких обстоятельствах стенки 122, которые изготавливаются из керамического материала, разделяют на два кольца 122а и 1226, которые монтируются на различных опорах 162а и 162б.

Отношение длины кольцеобразных керамических колец 122а и 122б к ширине канала 124 обычно находится в диапазоне от 0,25 до 0,5. Остальная часть от канала 124 формируется стенками анода 125. Электрическая изоляция между анодом 125 и двумя опорами 162 и 162б обеспечивается посредством вакуума. Расстояние между стенками анода 125 и опорами 162а и 162б составляет небольшую величину зазора в диапазоне 0,8 мм - 5 мм.

Анод 125 (фиг.11) поддерживается изоляторами, например изоляторами 151, установленными на массивном основании 175, которое образует естественный электростатический экран для изоляторов 151. Изоляторы 151 продлеваются гибкими пластинами 115а в форме лопастей, которые защищают их от сил дифференциального расширения.

Для плазменного ракетного двигателя большого диаметра может быть также предпочтительно реализовать такой верхний по течению внутренний полюсной наконечник 351, конус которого обращен острием вверх по течению предпочтительнее, чем вниз по течению. Большой диаметр катушки 133 в ее нижнем по течению участке позволяет компенсировать тот факт, что катушка в верхнем по течению участке имеет сечение, которое меньше, чем сечение в форма трапеции с большим основанием, что может облегчить объединение кольцевых опор 162а и 162б, связанных с отдельными кольцами 122а и 122б.

Следует отметить, что для плазменных ракетных двигателей, диаметр которых не слишком большой, изготовление верхнего по течению внутреннего полюсного наконечника 351 в виде конуса, острие которого направлено вниз по течению, позволяет увеличить площадь контакта между катушкой 133, имеющей трапециевидное сечение, и основанием 175 (фиг.1), при этом сохраняя большой объем для нижней по течению внутренней катушки 133 без необходимости воздействовать на положение торцов 111 и 112 полюсных наконечников 351 и 135, которые определяют то, как распределяется магнитное поле.

Использование внешних катушек 131 (количество которых может быть от трех до восьми), посаженных на магнитные сердечники 137, расположенные между внешними полюсными наконечниками 134 и 311, позволяет выделяться большой части излучения, исходящего из внешней стенки кольцевого канала 124. Коническая форма второго внешнего полюсного наконечника 311 позволяет увеличить объем, доступный для внешних катушек 131, и увеличить телесный угол, в пределах которого происходит излучение. Конический внешний полюсный наконечник 311 также предпочтительно обеспечивается отверстиями для увеличения видимого участка керамических стенок 122, чтобы получить магнитную систему, которая является очень компактной и с большим открытым пространством, таким образом, позволяя излучению осуществляться со всех боковых граней канала 124.

Как уже отмечалось, основание 175 выполняет по существу конструкционную функцию. Это массивное основание 175 имеет высокую резонансную частоту. То же самое справедливо и для полюсных наконечников. К сожалению, если отверстия проделаны в верхнем по течению внешнем полюсном наконечнике 311, то резонансная частота становится относительно низкой. Аналогично существенно плоская форма нижнего по течению внешнего полюсного наконечника 134 также приводит к резонансной частоте, которая является не очень высокой. Чтобы преодолеть эту проблему, между двумя полюсными наконечниками 311 и 134 вставлен немагнитный соединительный элемент 341 (фиг.9) по существу конической формы. Чтобы дать возможность осуществляться излучению, элемент 341 должен быть очень открытым, что, однако, не должно ухудшать резонансную частоту, поскольку элементы решетчатой формы, из которых он составляется, работают по существу в стянутом и сжатом состоянии.

В варианте воплощения, показанном на фиг.10, зависимость между формой полюсных наконечников 134 и 311 и объемом, доступным для внешних катушек, улучшается посредством наклона осей катушек. Таким образом, если внешние катушки 131 образуют угол β с осью Х'Х ракетного двигателя, так что ось внешней катушку 131 по существу перпендикулярна биссектрисе угла u, составленного образующими линиями конусов двух полюсных наконечников 134 и 311, то внешняя катушка 131 может иметь больший объем, а размер основания 175 может быть уменьшен. Как показано на фиг.10, на котором канал 124, катушки 133 и 132, а также полюсный наконечник 351 были опущены для простоты чертежа, вполне возможно комбинировать использование наклонных внешних катушек 131 с внешним коническим полюсным наконечником 311, имеющим отверстия.

Основание 175 играет существенную роль в охлаждении благодаря теплопроводности общей опоры 322, катушек 133 и 132 и полюсного наконечника 351, который предпочтительно обеспечивается пазами (фиг.2).

Однако охлаждение катушки 133, которая несет наибольшую тепловую нагрузку, может быть улучшено, используя одну или более тепловых труб. Так, на фиг.8 показана тепловая труба 433, установленная в выемке 381 осевого магнитного сердечника 138, но не входящая в контакт с ним. Тепловая труба 433 может быть приварена или припаяна к внутренней поверхности внутренней опоры 332 катушки 133, так чтобы опора 332 была изометрической.

На фиг.3 показана катушка 133, охлаждаемая множеством тепловых труб 433а, 433б, присоединенных к верхнему по течению участку опоры для катушки 133 и проходящих через отверстия, выполненные в верхнем по течению внутреннем полюсном наконечнике 351.

Слои материала с очень хорошими изолирующими характеристиками, образующие экран 130, помещенный выше по течению относительно кольцевого канала 124, и слои материала 301 с очень хорошими изолирующими характеристиками, образующие экран, которые вставлены между каналом 124 и первой внутренней катушкой 133, показаны также на фиг.1, 2. Таким образом, экраны 130 и 301 из материала с очень хорошими изолирующими характеристиками устраняют главную часть потока, излучаемого каналом 124 по направлению к внутренним катушкам 133, 132 и к основанию 175. Напротив, стенки 122, определяющие границы канала 124, могут свободно излучать тепло в пространство через телесный угол между полюсными наконечниками 134 и 311.

Выше по течению от анода 125 расположен электростатический экран 302, чтобы гарантировать выполнение закона Пашена (изоляция вакуумом), способствуя также поддерживанию слоев 130 из материала с очень хорошими изолирующими характеристиками. Кроме того, на внешнюю грань внешней опоры 162а может быть нанесено эмиссионное покрытие для улучшения охлаждения керамики элементов 122а и 122б.

На фиг.12 показан конкретный вариант воплощения плазменного ракетного двигателя, в котором конус верхнего по течению второго внутреннего полюсного наконечника 351 направлен острием вверх по течению. Это расположение в большей степени адаптировано для ракетных двигателей большого диаметра, но может использоваться одинаково хорошо с ускорительным каналом 124, который ограничивается моноблочной стенкой 122 из керамического материала или с ускорительным каналом 124, который ограничивается двумя различными элементами 122а и 122б из керамического материала.

В основании 175 (фиг.12) формируются выемки или выфрезерованные участки 75, чтобы вместить вторые радиальные ответвления 136, электрический провод 145 для подачи напряжения смещения анода 125 и провода 313, 323 и 333 для запитывания внешних катушек 131, а также первой и второй внутренних катушек 133, 132 (фиг.7 и 12). В основании 175 может быть сформирована выемка для трубы 126, предназначенной для подачи ионизируемого газа, снабженной изолятором 300 (фиг. 4).

Предпочтительно, чтобы внешние катушки 131, а также первая и вторая внутренние катушки 133 и 132 были изготовлены из экранированного провода с изоляцией из неорганического материала. Провода различных витков катушек 131, 132 и 133 прикрепляются твердым металлическим припоем, имеющим высокую удельную теплопроводность.

Внешние катушки 131, а также первая и вторая внутренние катушки 133 и 132 последовательно соединены между собой и электрически подсоединены к катоду 140 и к отрицательному полюсу источника электроэнергии для разряда между анодом и катодом.

В известных вариантах воплощения кольцевая буферная камера 23 (фиг.14) изготавливается с таким размером в радиальном направлении, который не меньше размера главного кольцевого канала 24 и который проходит от него вверх по течению за пределы зоны, в которую помещается кольцевой анод 25.

В варианте воплощения изобретения, как показано на фиг.1, более компактное расположение получается путем использования главного кольцевого канала 124, который в осевой плоскости имеет сечение в форме усеченного конуса в верхней по течению части и цилиндрической формы в нижней по течению части. При таких обстоятельствах кольцевой анод 125 имеет в осевой плоскости сужающееся сечение в форме усеченного конуса.

Было замечено, что эффект тормозной камеры может быть получен в главном канале 124 посредством локального увеличения плотности газа, то есть путем уменьшения сечения потока газа в направлении вверх по течению вместо его увеличения.

На фиг.4 показан один из возможных вариантов воплощения кольцевого анода 125. Ряд круговых щелей 117, сформированных в монолитной детали 116 анода 125, позволяет обеспечить защиту против загрязнения. Ионизируемый газ вводится по жесткой трубе 126 в распределительную камеру 127, которая связана с круговыми щелями 117 через инжекционные отверстия 120. Изолятор 300 вставлен между трубой 126 и анодом 125, который подсоединен посредством электрического соединения 145 к положительному полюсу источника электроэнергии для разряда между анодом и катодом.

Этот вариант также подходит для решения проблемы дифференциального расширения между анодом 125 и стенками 122, которые изготавливаются из керамического материала и которые определяют границы канала 124.

Для массивного анода, установленного на трех круглых столбах, можно найти приемлемый компромисс между высокой собственной частотой вибрации, такой, которая получается с короткими столбами, и допустимыми термомеханическими напряжениями, которые требуют, чтобы столбы были длинными.

Одно из возможных решений показано на фиг.4. Анод 125 поддерживается и сплошным столбом 114 с круглым сечением, и двумя столбами 115, которые были утончены, чтобы образовать гибкие пластины в форме лопастей, таким образом, достигая компромисса, который является удовлетворительным с точки зрения дифференциального теплового расширения.

На фиг.5 показан другой возможный вариант воплощения анода 125, помещенного в той части ускорительного канала 124, которая в разрезе имеет форму усеченного конуса. В этом случае кольцевой анод 125 имеет разветвленный трубопровод 127, оснащенный внутренними перегородками 271 и включающий нижнюю по течению плоскую плиту 272, объединяемую со стенками главного канала 124, чтобы образовать две кольцевые диафрагмы 273. Хвостовая плита 274 насаживается на стенки 122 главного канала 124, чтобы ограничить утечку газа в верхнем по течению направлении. Цилиндрические стенки с отверстиями 120 позволяют вводить ионизируемый газ в главный канал 124.

Изобретение относится к плазменному ракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов, адаптированному к высоким тепловым нагрузкам. Плазменный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов использует магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале (124) для ионизации и ускорения. Магнитная система содержит по существу радиальный первый внешний полюсный наконечник (134), конический второй внешний полюсный наконечник (311), по существу радиальный первый внутренний полюсный наконечник (135), конический второй внутренний полюсный наконечник (351), множество внешних магнитных сердечников (137), окруженных внешними катушками (131), для соединения между собой первого и второго внешних полюсных наконечников (134, 311). Осевой магнитный сердечник (138) окружен первой внутренней катушкой (133) и соединен с первым внутренним полюсным наконечником (135) и второй внутренней катушкой (132), помещенной ниже по течению относительно внешних катушек (131). Ракетный двигатель также содержит множество радиальных ответвлений (352, 136), входящих в магнитную систему, и основание (175), отдельное от магнитной системы, которое служит для охлаждения катушек (131, 132, 133). Изобретение позволяет обеспечить возможность оптимизации работы и теплоотвода. 27 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Плазменный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, адаптированный к высоким тепловым нагрузкам, содержащий главный кольцевой канал (124) для ионизации и ускорения, который образован стенками (122) из изоляционного материала и который открыт на своем нижнем по течению конце (125а), по меньшей мере один полый катод (140), расположенный на внешней стороне главного кольцевого канала (124), вплотную к его нижней по течению части; кольцевой анод (125), расположенный концентрично с главным кольцевым каналом (124) и на расстоянии от открытого нижнего по течению конца (125а), трубу (126), и распределительный разветвленный трубопровод (127) для подачи ионизируемого газа в кольцевой анод (125), а также магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале (124), отличающийся тем, что магнитная система содержит по существу радиальный первый внешний полюсный наконечник (134), конический второй внешний полюсной наконечник (311), по существу радиальный первый внутренний полюсный наконечник (135), конический второй внутренний полюсной наконечник (351), множество внешних магнитных сердечников (137), окруженных внешними катушками (131), для соединения между собой первого и второго внешних полюсных наконечников (134, 311), осевой магнитный сердечник (138), окруженный первой внутренней катушкой (133) и присоединенный к первому внутреннему полюсному наконечнику (135), и вторую внутреннюю катушку (132), помещенную ниже по течению относительно внешних катушек (131).2. Плазменный ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что он имеет множество радиальных ответвлений (352), присоединяющих осевой магнитный сердечник (138) к верхней по течению части конического второго внутреннего полюсного наконечника (351), а также множество вторых радиальных ответвлений (136), продлевающих первые радиальные ответвления (352) и присоединенных к множеству внешних магнитных сердечников и к верхней по течению части конического второго внешнего полюсного наконечника (311).3. Плазменный ракетный двигатель по п.2, отличающийся тем, что число первых радиальных ответвлений (352) и число вторых радиальных ответвлений (136) равно числу внешних магнитных сердечников (136).4. Плазменный ракетный двигатель по п.2 или 3, отличающийся тем, что между каждым первым радиальным ответвлением (352) и соответствующим вторым радиальным ответвлением (136) оставлен зазор.5. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что главный кольцевой канал (124) имеет в осевой плоскости сечение в форме усеченного конуса в верхней по течению части и цилиндрической формы в нижней по течению части, а кольцевой анод (125) имеет в осевой плоскости сечение, которое сужается в форме усеченного конуса.6. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что содержит основание (175) из материала, который является хорошим проводником тепла и отличается от материала осевого магнитного сердечника (138), первого и второго внешних полюсных наконечников (134, 311), первого и второго внутренних полюсных наконечников (135, 351), причем указанное основание образует механическую опору ракетного двигателя и служит для охлаждения первой внутренней катушки (133), второй внутренней катушки (132) и внешних катушек (131) посредством теплопроводности.7. Плазменный ракетный двигатель по п.6, отличающийся тем, что основание (175) конструкции покрыто на боковых гранях эмиссионным покрытием.8. Плазменный ракетный двигатель по п. 6 или 7, отличающийся тем, что стенки (122), образующие главный кольцевой канал (124), образуют кольцевой канал в виде единого блока и присоединены к основанию (175) посредством единой опоры (162), имеющей пазы (164) для компенсации расширения, и прикреплены к единой опоре винтовым соединением.9. Плазменный ракетный двигатель по п.6 или 7, отличающийся тем, что кольцевой главный канал (124) имеет нижний по течению конец, ограниченный двумя кольцеобразными элементами (122а, 122б), изготовленными из изолирующей керамики, каждая из которых присоединена к основанию (175) посредством отдельной опоры (162а, 162б), при этом верхний по течению участок кольцевого главного канала (124) образован посредством стенок анода (125), который электрически изолирован от опор (162) вакуумом.10. Плазменный ракетный двигатель по п. 9, отличающийся тем, что отношение осевой длины стенок (122), изготовленных из изолирующей керамики, к ширине канала (124) находится в диапазоне от 0,25 до 0,5, а расстояние между стенками анода (125) и опорой (162) стенок (122), изготовленных из изолирующей керамики, находится в диапазоне от 0,8 до 5 мм.11. Плазменный ракетный двигатель по п.9 или 10, отличающийся тем, что анод (125) фиксирован относительно основания (175) посредством жесткого цилиндрического стержня (114, 151) и гибких пластин (115) в форме лопастей.12. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.2 и 6-11, отличающийся тем, что в основании (175) выполнены выемки (751) для размещения вторых радиальных ответвлений (136), трубы (126) подачи ионизируемого газа с посаженным на нее изолятором (300), электрического провода (145) для подачи напряжения смещения анода (125), а также проводов для запитывания внешних катушек (131) и первой и второй внутренних катушек (133, 132).13. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.1-12, отличающейся тем, что содержит слои (130) из материала с очень хорошими изолирующими характеристиками, расположенными выше по течению относительно главного кольцевого канала (124), и слои материала (301) с очень хорошими изолирующими характеристиками, размещенные между главным кольцевым каналом (124) и первой внутренней катушкой (133).14. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что конус конического верхнего по течению второго внутреннего полюсного наконечника (351) направлен острием вниз по течению.15. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что конус конического верхнего по течению второго внутреннего полюсного наконечника (351) направлен острием вверх по течению.16. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.6-12, отличающийся тем, что содержит общую опору (332) для поддерживания первой внутренней катушки (133), конического второго внутреннего полюсного наконечника (351) и второй внутренней катушки (132), которые прикреплены к общей опоре (332) пайкой или диффузионной сваркой, а общая опора (332) посредством винта присоединена к основанию (175) с использованием теплопроводного слоя, проложенного между опорой и основанием.17. Плазменный ракетный двигатель по п.16, отличающийся тем, что первая внутренняя катушка (133) охлаждается тепловой трубой (433), присоединенной к внутреннему участку общей опоры (332) и расположенной в выемке (381) магнитного сердечника (38) .18. Плазменный ракетный двигатель по п.16, отличающийся тем, что первая внутренняя катушка (133) охлаждается множеством тепловых труб (433а, 433б), присоединенных к верхнему по течению участку общей опоры (332) и проходящих через отверстия, проделанные во втором внутреннем полюсном наконечнике (351).19. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.1-18, отличающийся тем, что конический второй внешний полюсный наконечник (311) имеет отверстия.20. Плазменный ракетный двигатель по п.19, отличающийся тем, что первый и второй внешние полюсные наконечники (134, 311) механически соединены между собой посредством немагнитной конструкционной соединительной детали (341), имеющей отверстия.21. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.1-20, отличающийся тем, что внешние магнитные сердечники (137) внешних катушек (131) наклонены под углом β относительно оси ракетного двигателя так, что оси внешних магнитных сердечников (137) по существу перпендикулярны биссектрисе угла, составленного образующими линиями конусов первого и второго внешних полюсных наконечников (34, 311) .22. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что кольцевой анод (125) содержит разветвленный трубопровод (127), оснащенный внутренними перегородками (271) и имеющий нижнюю по течению плоскую плиту (272), объединенную со стенками главного канала (124) для образования двух кольцевых диафрагм (273), хвостовую плиту (274), насаженную на стенки главного канала (124), для ограничения утечки газа в верхнем по течению направлении, и цилиндрические стенки, снабженные отверстиями (120) для инжекции ионизируемого газа в главный канал (124).23. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.6-12, отличающийся тем, что основание (175) изготовлено из легкого сплава и анодировано по боковой грани.24. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.6-12, отличающийся тем, что основание (175) изготовлено из композиционного материала на основе углерода и покрыто на нижней по течению грани осажденным покрытием из меди.25. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.1-24, отличающийся тем, что внешние катушки (131), а также первая и вторая внутренние катушки (133, 132) изготовлены из экранированного провода с изоляцией из неорганического материала, при этом провода различных витков катушек (131, 132, 133) скреплены между собой твердым металлическим припоем, имеющим высокую удельную теплопроводность.26. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.1-25, отличающийся тем, что внешние катушки (131), а также первая и вторая внутренние катушки (133, 132) последовательно соединены между собой и электрически присоединены к катоду (140) и к отрицательному полюсу источника электроэнергии для разряда между анодом и катодом.27. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.1-26, отличающийся тем, что конический второй внешний полюсный наконечник (311) имеет угол полураствора конуса, находящийся в диапазоне от 25 до 60°.28. Плазменный ракетный двигатель по любому из пп.1-27, отличающийся тем, что конический второй внутренний полюсный наконечник (351) имеет угол полураствора конуса относительно оси ракетного двигателя, находящийся в диапазоне от 15 до 45°.