ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F03H5/00 

Изобретение относится к электростатическому двигателю, в частности к ионному ракетному двигателю для искусственных спутников Земли и космических летательных аппаратов с ионизационным устройством для газообразного топлива, по меньшей мере, одним ускоряющим устройством для ионов топлива, а также с оснащенным пропускающим газ полым катодом и анодом источником электронов, поток которых для обеспечения нейтрализации соединяется с потоком ионов горючего.

В электростатических двигателях названного выше типа выходящие из имеющегося на борту резервуара атомы газа горючего вначале ионизируются, а затем положительно заряженные ионы горючего ускоряются в электростатическом поле высокого напряжения. При этом для поддержания постоянной мощности двигателя непременно требуется при помощи надлежащих мер нейтрализовать выходящий положительно заряженный поток ионов горючего. В качестве нейтрализатора для этой цели служит, предпочтительно, газоразрядное устройство, которое используют в качестве источника электронов. Так, уже известные меры сводятся к тому, чтобы в результате газового разряда в полом катоде между трубкой катода, по которой протекает газ, и обозначенным как якорь анодом извлекать свободные электроны и надлежащим способом ввести их в поток испускаемых ионов.

Для того, чтобы в таком устройстве инициировать газовый разряд между анодом и катодом, катод должен быть сравнительно сильно нагрет, для того, чтобы испускаемые электроны благодаря приложенному анодному напряжению были в состоянии ионизировать протекающий газ и, таким образом, инициировали процесс разряда. Обычно такие катоды, которые изготовлены, как правило, из материала с высокой способностью к электронной эмиссии, например, импрегнированного вольфрама, необходимо разогревать до температуры примерно 1200°С. Это требует, однако, не только значительного расхода энергии, высокая температура катода приводит одновременно также к сильной нагрузке на материал и к преждевременной усталости материала. Кроме того, необходимо обеспечить сравнительно дорогостоящие температурно и механически стабильные конструктивные параметры всего устройства. Наконец, это известное устройство требует высокого расхода газа, для того, чтобы вызвать зажигание.

Задачей изобретения является усовершенствование двигателя вышеназванного типа таким образом, чтобы он имел как можно меньшую нагрузку на материал и, таким образом, высокую надежность, и чтобы были реализованы конструктивные параметры, которые после осуществления зажигания были ориентированы на, по возможности, наиболее близкий к стационарному режим работы.

Изобретение решает эту задачу тем, что в двигателе такого типа в области катода предусмотрено размещение дополнительного электрода, между этим электродом и катодом может быть инициирован импульсный разряд для зажигания газового разряда между катодом и анодом.

В предпочтительной форме реализации двигателя согласно изобретению дополнительный электрод состоит из цилиндрического штыря, который расположен вдоль продольной оси полого катода. Преимущество соответствующего изобретению двигателя состоит прежде всего в том, что необходимая для зажигания температура катода из-за существенно меньшего требуемого потока электронов может быть значительно ниже температуры, которая свойственна для обычных двигателей этого типа. В результате из-за более низкой температуры нагрева получают также меньшую энергию нагрева, которую необходимо израсходовать для зажигания. Одновременно может быть также значительно снижено необходимое для этого процесса прохождение газа через полый катод.

Далее соответствующий изобретению двигатель должен быть пояснен более подробно при помощи представленных на чертежах примеров реализации. Показывают:

фигура 1 принципиальное устройство ионного ракетного двигателя и

фигура 2 представление в разрезе источника электронов для электростатического двигателя.

В представленном на фиг.1 ионном ракетном двигателе из резервуара 1 через пористый стеклянный фильтр 2 в выполненную в качестве ионизатора камеру поступает имеющийся на борту газ, в случае описанного здесь примера реализации КСЕНОН. Эта камера 3 окружена постоянным магнитом 4 и соединенным с колебательным контуром 5, выполненным в форме катушки индукционным катодом 6. Внутри камеры 3 расположен, кроме того, экстракционный анод 7.

Противоположный входу газа конец камеры 3 снабжен выпускными отверстиями, перед которыми расположены экстракционный катод 8 и, на расстоянии от него, замедляющий или экранирующий электрод 9. Кроме того, в этой области расположен нейтрализатор 10, выполненный в форме источника электронов, устройство которого более подробно пояснено при помощи фиг.2.

Ионный ракетный двигатель запускают обычным образом, т.е. на экстракционный анод 7 подают положительное напряжение, например, 4, 5 кВ, в то время как на экстракционный электрод 8 подано ускоряющее напряжение - 2 кВ, замедляющий электрод 9 имеет нулевой потенциал.

Благодаря этой схеме включения и окружающему камеру 3 индукционному устройству 4, 5, 6 поступающий из резервуара в камеру 3 газ ионизируется, причем электроны отсасываются экстракционным анодом 7 и положительно заряженные ионы газа под действием возникающего между экстракционным анодом 7 и экстракционным катодом 8 ускоряющего поля с высокой энергией через выходные отверстия покидают камеру 3, где они при помощи подаваемого из источника 10 электронов потока электронов нейтрализуются.

В этом источнике 10 электронов внутри реализованного в форме корпуса 11 анода, обозначаемого также как якорь, расположена катодная трубка 12, выходная область которой, находящаяся в корпусе 11, ограничена собственно катодом 13 и окружена нагревательной спиралью 14. Внутри катодной трубки 12, в области ее продольной оси, на держателе 16 установлен дополнительный электрод 15 в форме штыря, который при помощи изолирующей вставки 17 электрически изолирован в катодной трубке 12. Наконец, во входное отверстие катодной трубки 12 поступает, на фигуре обозначено жирной стрелкой, газ, в случае описанного здесь примера реализации КСЕНОН, который проходит через катодную трубку 12 и через центрическое отверстие катода 13 поступает в выполненный в форме камеры корпус 11 анода.

Анод 11, катод 12 и дополнительный электрод 15, как обозначено на фигуре, соединены друг с другом посредством электрической схемы 18, при которой между анодом 11 и катодной трубкой 12, и, тем самым, также к электрически соединенному с последней катоду 13, приложено рабочее напряжение U_ke. Для зажигания устройства после осуществленного нагрева катода 13 и впуска газа между выступающим в данном случае в роли вспомогательного анода дополнительным электродом 15 и катодной трубой 12 кратковременно возникает импульсный разряд Us/Is. Вследствие этого зажигается газовый разряд между анодом 11 и катодом 13.

Внутри анода 11, перед катодом 13, образуется обозначенная на фиг.2 затушеванной областью плазма 19, из которой электроны ‘е через выходное отверстие 20 анода 11 проникают в обозначенный незаштрихованной стрелкой поток 21 ионов и нейтрализуют находящиеся в нем ионы.

Изобретение относится к электростатическому двигателю, в частности к ионному ракетному двигателю для спутников и космических летательных аппаратов. Двигатель для нейтрализации выходящего потока ионов топлива оснащен источником электронов, в котором наряду с анодом и полым катодом, по которому протекает газ, предусмотрен дополнительный электрод. Последний в форме штыря зафиксирован вдоль продольной оси катодной трубки и вызывает, выдавая импульс зажигания, зажигание газового разряда между анодом и катодом и, таким образом, возникновение потока электронов. Изобретение позволяет повысить надежность и уменьшить нагрузку на материал. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электростатический двигатель, в частности ионный ракетный двигатель для искусственных спутников Земли и космических летательных аппаратов, с ионизационным устройством для газообразного топлива, имеющим выпускные отверстия, по меньшей мере, одним ускоряющим устройством для ионов газа топлива, расположенным перед выпускными отверстиями ионизационного устройства и предназначенным для ускорения выходящих из ионизационного устройства положительно заряженных ионов газа, и с источником электронов, расположенным рядом с ускоряющим устройством, оснащенным анодом и катодной трубкой, пропускающей ионы газа, и предназначенным для создания потока электронов, нейтрализующего поток ионов газа, отличающийся тем, что внутри анода расположена катодная трубка (12), выходная область которой, находящаяся в корпусе (11) анода, ограничена собственно катодом (13) и окружена нагревательной спиралью (14), причем катодная трубка (12) электрически соединена с катодом (13), а внутри катодной трубки (12) установлен дополнительный электрод (15), предназначенный для инициирования между ним и катодной трубкой (12) импульсного разряда для зажигания газового разряда между анодом (11) и катодом (13).2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительный электрод (15) выполнен в форме цилиндрического штыря, закрепленного вдоль продольной оси катодной трубки.3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительный электрод (15) установлен в катодной трубке (12) на держателе (16) и электрически изолирован посредством вставки (17).4. Двигатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что катодная трубка (12) имеет входное отверстие для впуска газа, в частности ксенона, который проходит через катодную трубку (12) и через цилиндрическое отверстие в катоде (13) поступает в корпус (11) анода.5. Двигатель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что анод (11), катодная трубка (12) и дополнительный электрод (15) соединены друг с другом посредством электрической схемы (18) для прикладывания между анодом (11) и катоднной трубкой (12) рабочего напряжения.