ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2009 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при наземных испытаниях и при эксплуатации плазменных двигателей с замкнутым дрейфом электронов (плазменных двигателей) различной мощности и электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ) на их основе.

Условия эксплуатации ЭРДУ на борту космического аппарата (КА) предъявляют к плазменным двигателям комплекс разнообразных требований. На этапе запуска ракетоносителем и выведения КА на заданную орбиту плазменные двигатели, как и другие компоненты КА, подвергаются значительным механическим воздействиям, которые при использовании различных ракетоносителей и в зависимости от массы полезной нагрузки могут существенно увеличиваться. При последующей же натурной эксплуатации КА в условиях изменяющегося теплового окружения и под воздействием факторов космического пространства плазменные двигатели должны обеспечить надежное функционирование со стабильными параметрами в течение заданного ресурса работы [Фаворский О.Н., Каданер Я.С. "Вопросы теплообмена в космосе". Издательство "Высшая школа", М., 1967 г.].

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий катод-компенсатор, коаксиальную разрядную камеру, образованную внутренней и наружной стенками, в полости которой установлен кольцевой анод-газораспределитель, и магнитную систему, содержащую магнитопровод с отходящими от него в продольном направлении внутренним и наружным магнитными экранами, внутренний и наружный магнитные полюса и источники намагничивающей силы, а кольцевой анод-газораспределитель закреплен в днище разрядной камеры, которая, в свою очередь, при помощи держателя закреплена на наружном магнитном полюсе [патент РФ № 2030134, кл. 6 Н05Н 1/54, F03H 1/00].

Известный плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов имеет несколько недостатков, а именно низкую эффективность магнитной системы, формирующей топологию магнитного поля на выходе из разрядной камеры, и высокую теплонапряженность конструкции при работе плазменного двигателя на режимах повышенной мощности разряда.

Низкая эффективность такой магнитной системы обусловлена двумя основными факторами. Во-первых, существенными потерями магнитного потока, генерируемого источниками намагничивающей силы, обусловленных оттоком части магнитного потока из основного магнитного контура, вследствие шунтирования через вторичные магнитные контуры, образованные магнитными экранами и близлежащими к ним соответствующими магнитными полюсами. В результате этого, при прочих равных условиях, для создания требуемого магнитного поля в рабочем межполюсном зазоре и формирования оптимальной конфигурации магнитной линзы с предпочтительно наименьшей кривизной силовых линий магнитного поля с целью минимальной расфокусировки ускоренного потока плазмы требуется учитывать такого рода потери магнитного потока путем соответствующего запаса ампер-витков в источниках намагничивающей силы, что приведет либо к избыточной массе, либо к увеличению токовой нагрузки в обмотках и, как следствие этого, к нежелательному избыточному тепловыделению. Во-вторых, из-за достаточно больших внешних полей рассеивания, которые тем больше, чем больше разнообразные концевые участки, выступающие наружу за внешние габариты рабочего магнитного контура например, с одной стороны наружного магнитного полюса, а с другой стороны периферийной части основания магнитопровода. Наличие такого рода выступающих магнитопроводящих концевых участков приводит к формированию локальных вторичных пар полюсов, которые способствуют уменьшению магнитного сопротивления воздушных зазоров с внешних сторон магнитного контура магнитной системы, что и приводит к увеличению полей рассеивания магнитного поля.

Другим недостатком известного плазменного двигателя является повышенная теплонапряженность конструкции при его работе на режимах повышенной мощности, что, в свою очередь, приведет и к росту температуры посадочной поверхности плазменного двигателя, а превышение выше предельно допускаемой температуры в конечном итоге ограничит область применения такого плазменного двигателя в составе ЭРДУ. Или потребуется комплекс дополнительных специальных мероприятий по обеспечению требуемых внешних температурных условий, которые бы удовлетворяли интеграционным требованиям при монтаже плазменного двигателя на соответствующие посадочные места КА.

Также известна ЭРДУ с двигательным моноблоком, содержащим плазменный двигатель с посадочной плитой, на которой со стороны его закрепления на КА имеются присоединительные места, и монтажную плиту, расположенную с зазором относительно посадочной плиты плазменного двигателя, соединенных между собой через тепловые развязки [патент РФ № 2230221, кл. 7 F03H 1/00, Н05Н 1/54].

Известная ЭРДУ имеет несколько существенных недостатков: малые запасы прочности конструкции двигательного моноблока, недостаточно высокую низшую частоту собственных колебаний плазменного двигателя и большие коэффициенты усилений, возникающих при вибрациях в наиболее удаленных от мест закрепления компонентах плазменного двигателя. Такие недостатки присущи конструктивным схемам с удаленным размещением центра масс плазменного двигателя от посадочной опорной поверхности на КА, что, в свою очередь, и приводит к увеличению суммарных опрокидывающих моментов инерционных усилий, развивающихся на всех элементах при механических воздействиях, и повышению коэффициентов усиления. Закрепление же плазменного двигателя через тепловые развязки на монтажной плите, как в известной ЭРДУ, характеризуется достаточно низкими резонансными частотами собственных колебаний, близкими к резонансным частотам посадочной конструкции КА, что также является недостатком конструктивной схемы известной ЭРДУ.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, содержащий катод-компенсатор, разрядную камеру, формирующую ускорительный канал с зонами ионизации и ускорения рабочего газа, образованную полым магнитопроводящим анодом, охватывающим зону ионизации, и внутренней и наружной кольцеобразными стенками, которые соответственно примыкают к внутреннему и наружному торцам полого магнитопроводящего анода, содержащего газораспределитель с каналами подвода рабочего тела и каналами инжекции рабочего тела в разрядную камеру, и магнитную систему, включающую источники намагничивающей силы и магнитопровод, состоящий из противолежащих в радиальном направлении внутреннего и наружного магнитных полюсов, образующих рабочий межполюсный зазор на выходе разрядной камеры, центральной и периферийной частей, соединенных с тыльной стороны основанием, и посадочную плиту [патент РФ № 2209533, кл. 6 Н05Н 1/54, F03H 1/00].

Недостатки, присущие известным аналогам плазменных двигателей и ЭРДУ на их основе, частично решены в выбранном прототипе.

Следует иметь в виду, что такой известный плазменный двигатель относится к новой разновидности плазменных двигателей (по зарубежной классификации - холловских двигателей) вследствие того, что его разрядная камера выполнена по так называемой гибридной схеме [см. патенты РФ № 2045134 и № 2191487, кл. 6 Н05Н 1/54, F03H 1/00]. При такой схеме стенки разрядной камеры в зоне ускорения выполнены из диэлектрического материала, что составляет ~1/3 всей протяженности ускорительного канала разрядной камеры - подобно конструкции разрядной камеры, используемой в стационарных плазменных двигателях (СПД). В зоне ионизации стенки такой гибридной разрядной камеры образованы металлическими стенками полого анода, что составляет ~2/3 протяженности ускорительного канала разрядной камеры - подобно конструкции металлической разрядной камеры, используемой в двигателях с анодным слоем (ДАС) [С.Д.Гришин, Л.В.Лесков, Электрические ракетные двигатели космических аппаратов, М.: Машиностроение, 1989 г., с.138].

Однако и такой известный плазменный двигатель обладает некоторыми существенными недостатками. К ним относится частично удовлетворительная фокусировка ускоренного ионного потока плазмы, которая обеспечивается лишь непосредственно в самой зоне ускорения - обеспечением симметричной магнитной линзы в области сильных магнитных полей. Тогда как в близлежащей зоне далее по потоку газа, но уже за пределами магнитной линзы в межполюсном зазоре, симметричность структуры и необходимая для этого соответствующая топология магнитного поля не обеспечиваются. В результате чего в зоне "быстрых" ионов (ионов полностью ускоренных) фокусировка плазменного потока отсутствует и от того поток начинает расходиться, а форма траектории большинства ускоренных ионов будет близка к конфузорной, при которой концевой участок траектории на дистанции ускорения теряет свою параллельность относительно продольной оси плазменного двигателя.

Об условиях, влияющих на фокусировку ускоренного ионного потока плазмы, судят по топологии силовых линий магнитного поля, генерируемого магнитной системой и зависящего от геометрической конфигурации ее магнитопровода и параметров источников намагничивающей силы. Особенно важным является топология силовых линий магнитного поля, непосредственно образующих магнитную линзу, в межполюсном зазоре, по которой судят о симметричности самой магнитной линзы и ее расположения в радиальном направлении относительно потока рабочего тела, определяемого шириной ускорительного канала. Кроме того, по величинам и распределению вдоль ускорительного канала радиальной и осевой составляющих индукции магнитного поля оценивается, каким образом магнитная линза сориентирована относительно продольной оси плазменного двигателя и соответственно направления потока рабочего газа [см., например, Hofer, R.R., Peterson, P.Y. et al., "A High Specific Impulse Two-Stage Hall Thruster with Plasma Lens Focusing", 27^th International Electric Propulsion Conference, Pasadena, CA, October 15-19, 2001, IEPC-01-036, pp.5-10].

Другим основным недостатком известного плазменного двигателя является то, что при работе на режимах повышенной мощности соответственно увеличивается и теплонапряженность всей конструкции из-за выделяющейся дополнительной тепловой энергии. Теплоотвод же избыточного теплового потока и последующий сброс его излучением ограничен вследствие недостаточности суммарной площади внешних поверхностей собственных элементов плазменного двигателя и отсутствия в конструкции специально предназначенных для этих целей элементов. В результате этого резко возрастает вероятность перегрева конструкции всего плазменного двигателя и сопряженной с ним посадочной поверхности КА.

При создании изобретения решались задачи по улучшению фокусировки ускоренного ионного потока плазмы, повышению эффективности магнитной системы, снижению теплонапряженности посадочного интерфейса плазменного двигателя и повышению механической прочности конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, содержащим по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную камеру, формирующую ускорительный канал с зонами ионизации и ускорения рабочего газа, образованную полым магнитопроводящим анодом, охватывающим зону ионизации, внутренней и наружной кольцеобразными стенками, которые примыкают соответственно к внутреннему и наружному торцам полого магнитопроводящего анода, содержащего газораспределитель с каналами подвода рабочего тела и каналами инжекции рабочего тела в разрядную камеру, и магнитную систему, включающую по меньшей мере один источник намагничивающей силы и магнитопровод, состоящий из противолежащих в радиальном направлении внутреннего и наружного магнитных полюсов, образующих рабочий межполюсный зазор на выходе разрядной камеры, центральной и периферийной частей, соединенных с тыльной стороны основанием магнитопровода, и посадочную плиту, согласно изобретению относительно пары противолежащих магнитных полюсов внешний торец центральной части магнитопровода смещен в противоположном направлении потока рабочего газа, а внешний торец периферийной части магнитопровода смещен по потоку рабочего газа.

Также сопрягаемые поверхности внутреннего и наружного торцов полого магнитопроводящего анода и примыкающих к ним соответственно внутреннего и наружного колец могут быть выполнены конусообразной формы.

Кроме того, промежуточный участок основания между центральной и периферийной частями магнитопровода может быть выполнен конусообразной формы.

Основание магнитопровода и наружный магнитный полюс могут быть выполнены с габаритными размерами, равными габаритному размеру периферийной части магнитопровода.

В свою очередь, источник намагничивающей силы в продольном направлении может быть выполнен по меньшей мере из двух секций, разделенных между собой кольцеобразной щекой, которая примыкает к центральной части магнитопровода, а между разрядной камерой и магнитопроводом размещен с зазорами теплопровод-радиатор, теплопроводная часть которого термически контактирует с кольцеобразной щекой, а радиаторная часть выступает в радиальном направлении за габаритные размеры магнитной системы.

Дополнительно на теплопроводе-радиаторе может быть нанесено покрытие со степенью черноты не менее 0,8.

Также с внешней стороны основания магнитопровода может быть размещен дополнительный теплопровод-радиатор, который своей центральной теплопроводной частью примыкает и термически контактирует с внешней торцевой поверхностью центральной части магнитопровода, а также своей периферийной теплопроводной частью дополнительно примыкает и термически контактирует с внешней торцевой поверхностью периферийной части магнитопровода, при этом относительно промежуточного участка основания магнитопровода он размещен с зазором, а радиаторная часть выступает в радиальном направлении за габаритные размеры магнитной системы.

При этом на дополнительном теплопроводе-радиаторе может быть выполнено покрытие со степенью черноты не менее 0,8.

Также магнитопровод может быть соединен и термически контактировать с посадочной плитой через тепловые развязки, выполненные из материала с низкой теплопроводностью.

Полый магнитопроводящий анод может быть закреплен на магнитопроводе при помощи подвески, выполненной из материала с низкой теплопроводностью и электрически изолированной от других элементов.

Смещение внешнего торца центральной части магнитопровода относительно пары противолежащих магнитных полюсов в противоположном направлении потока истекающего рабочего газа, а также смещение внешнего торца периферийной части магнитопровода в направлении потока рабочего газа позволяют решить задачу по улучшению фокусировки ускоренного ионного потока плазмы и в зоне за пределами магнитной линзы, где магнитное поле также воздействует на ускоренный поток плазмы. В такой удаленной зоне присутствуют только "быстрые" ионы (окончательно ускоренные ионы) ионизированного рабочего газа, тогда как в магнитной линзе, сформированной в межполюсном зазоре, и где располагается зона ускорения, присутствуют только еще "медленные" ионы (ионы в начальный момент ускорения) ионизированного рабочего газа. Эффект улучшения фокусировки ускоренного ионного потока плазмы в зоне за пределами магнитной линзы, где также действует магнитное поле, достигается путем трансформации конфигурации отдельных участков магнитного контура во фронтальной области за счет, с одной стороны, ослабления влияния наиболее эффективно действующей центральной части магнитопровода, расположенной соосно оси плазменного двигателя на самом оптимальном участке магнитного контура, который имеет минимальные магнитные потери вследствие малых полей рассеивания, и, с другой стороны, усиления влияния менее эффективно действующей периферийной части магнитопровода (часто называемого в электротехнике ярмом), расположенной также соосно оси плазменного двигателя, и характеризующейся максимальными магнитными потерями вследствие существенных полей рассеивания через внешнее пространство. Поэтому размещение источников намагничивающей силы по магнитному контуру производится с учетом вышесказанных особенностей и, соответственно, источник намагничивающей силы, размещенный на самом оптимальном участке - на его центральной части, будет работать с максимальной эффективностью, а источник намагничивающей силы, размещенный на его периферийной части, будет работать неэффективно, так как магнитные потери, обусловленные полями рассеивания через внешнюю область, будут максимальны. Таким образом, при фиксированном положении пары магнитных полюсов и смещениях относительно них внешних торцов, ограниченных размерами соответственно центральной и периферийной частей магнитопровода, улучшается симметричность магнитного поля и в зоне за пределами магнитной линзы, тем самым обеспечиваются условия для фокусировки ускоренного потока плазмы на протяжении всего участка ускорения ионов, то есть как непосредственно в пределах самой магнитной линзы, так и за ее пределами - в более отдаленной от межполюсного рабочего зазора зоне действия магнитного поля.

Выполнение сопрягаемых поверхностей, с одной стороны, внутреннего и наружного торцов полого магнитопроводящего анода и, с другой стороны, примыкающих к ним соответственно внутреннего и наружного диэлектрических колец разрядной камеры конусообразной формы позволяет дополнительно решить задачу по улучшению фокусировки ускоренного ионного потока плазмы непосредственно в магнитной линзе. Эффект улучшения фокусировки ускоренного ионного потока плазмы в зоне магнитной линзы достигается за счет уменьшения кривизны внешних силовых линий магнитной линзы путем необходимого разворота торцевых поверхностей, образующих дополнительную пару магнитных полюсов, в направлении к месту на середине ускорительного канала, где располагается максимум радиальной составляющей индукции (Br_max), который в результате несколько приближается к межполюсному зазору. Дополнительно такое конусообразное сопряжение позволяет компенсировать различные коэффициенты линейных расширений в соединениях типа "металл-керамика", исключив между ними взаимное разрушающее термическое воздействие без потери плотности стыка между собой.

Выполнение промежуточного переходного участка основания между центральной и периферийной частями магнитопровода в виде конуса позволяет решить задачу по повышению механической прочности опорной конструкции за счет ужесточения центральной части основания, на котором располагается центральная часть магнитопровода с источником намагничивающей силы, который является одним из основных массообразующих элементов магнитной системы плазменного двигателя.

Выполнение же основания магнитопровода и наружного магнитного полюса с габаритными размерами, равными габаритному размеру периферийной части магнитопровода, то есть не выступающие за пределы магнитного контура, позволяет решить задачу по повышению эффективности магнитной системы за счет уменьшения полей рассеивания и снижения связанных с этим магнитных потерь путем исключения различных выступов из магнитопровода в наружных направлениях.

Выполнение источника намагничивающей силы, размещенного на центральной части магнитопровода, в продольном направлении из двух секций, разделенных между собой кольцеобразной щекой, к которой примыкает теплопровод-радиатор, теплопроводная часть которого термически контактирует с ней, а радиаторная часть выступает в радиальном направлении за габаритные размеры магнитной системы, позволяет решить задачу по снижению теплонапряженности конструкции плазменного двигателя при функционировании на режимах повышенной мощности за счет снижения теплонапряженности элементов конструкции, окружающих анод. Размещение теплопровода-радиатора с зазорами между основным источником тепловыделения - разрядной камерой, и основанием магнитопровода позволяет заэкранировать тепловое воздействие от разрядной камеры и аккумулировать значительную часть теплового потока с последующим его рассеиванием и излучением в окружающее пространство. Такое расположение теплопровода-радиатора позволяет существенно снизить долю теплового потока доходящего до нижней части плазменного двигателя, в том числе на посадочную плиту, и повысить надежность его работы на режимах повышенной мощности, связанную с температурными рисками от перегревов элементов конструкции. Дополнительное развитие поверхности радиальных лепестков радиатора, выступающих за пределы магнитной системы, таким образом, чтобы их периферийная часть располагалась под углом относительно теплопровода-радиатора, позволяет дополнительно повысить излучающую способность радиатора без увеличения габаритных размеров плазменного двигателя в целом. Для снижения теплового воздействия на магнитопровод части теплового потока, излучаемого теплопроводом-радиатором, и, соответственно, снижения температуры магнитопровода, а также и близлежащих к нему посадочных мест плазменного двигателя, в особенности при работе двигателя на режимах повышенной мощности, между магнитопроводом и теплопроводом-радиатором могут быть дополнительно установлены тепловые экраны (на чертеже не показаны).

С целью дополнительного повышения эффективности тепловой схемы предложенного плазменного двигателя и более эффективного отвода тепла из наиболее теплонапряженной внутренней зоны кольцеобразную щеку предпочтительней изготовлять из материала с высокой теплопроводностью, а для повышения эффективности сброса избыточного тепла излучением на теплопроводе-радиаторе для обеспечения необходимых оптических характеристик его поверхностей: A_s - коэффициент поглощения солнечного излучения и ε - коэффициент (степень) черноты, которые в основном зависят от обработки и покрытия, должно наноситься покрытие со степенью черноты не менее чем 0,8.

Размещение с внешней стороны основания магнитопровода дополнительного теплопровода-радиатора, который своей центральной теплопроводной частью примыкает и термически контактирует с внешней торцевой поверхностью центральной части магнитопровода, и также своей периферийной теплопроводной частью дополнительно примыкает и термически контактирует с внешней торцевой поверхностью периферийной части магнитопровода, при этом относительно промежуточного участка основания магнитопровода он размещен с зазором, а радиаторная часть выступает в радиальном направлении за габаритные размеры магнитной системы, позволяет решить задачу по дополнительному снижению теплонапряженности конструкции плазменного двигателя и дополнительно минимизировать тепловой поток, доходящий до его посадочной плиты.

Для повышения сброса избыточного тепла излучением на дополнительном теплопроводе-радиаторе для обеспечения необходимых оптических характеристик его поверхностей (A_s и ε) должно наноситься покрытие со степенью черноты не менее чем 0,8.

Соединение магнитопровода с посадочной плитой через специальные тепловые развязки, выполненные из материала с низкой теплопроводностью, позволяет решить задачу по существенному снижению теплового потока доходящего до посадочной плиты плазменного двигателя. Это достигается путем предельного увеличения взаимного термического сопротивления контактируемых элементов за счет максимальной минимизации поперечного сечения тепловых развязок и их количества, а также за счет характеристик и свойств выбранного материала крепежных элементов, используемых в данном соединении.

Закрепление же полого магнитопроводящего анода-газораспределителя на магнитопроводе при помощи тонкостенной подвески, выполненной из материала с низкой теплопроводностью и электрически изолированной от других элементов плазменного двигателя, позволяет решить задачу по обеспечению надежной электрической прочности и снижению рисков электрических пробоев между высоко- и низковольтными электрическими цепями. Это особенно критично при функционировании на режимах с высокими разрядными напряжениями, когда подвеска оказывается под плавающим потенциалом окружающей плазмы, а разность потенциалов между анодом и подвеской уменьшается и, соответственно, вероятность электрических пробоев резко снижается. Дополнительно такая подвеска выполняет функции тепловых экранов, окружающих анод, и защищающей другие элементы конструкции от перегрева, которая с целью улучшения ее экранирующих качеств путем снижения теплопередачи излучением может выполняться многослойной.

Таким образом, реализация предложенной конструктивной схемы плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов согласно изобретению позволит повысить его удельные энергетические характеристики, расширить диапазон рабочих параметров в область высоких ускоряющих напряжений с обеспечением при этом приемлемых внешних температурных условий на борту КА.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена половина осевого разреза предлагаемого плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит катод-компенсатор 1, разрядную камеру 2, формирующую ускорительный канал с зонами ионизации 3 и ускорения 4 рабочего газа. Разрядная камера 2 образована полым магнитопроводящим анодом 5, охватывающим зону ионизации, и внутренней 6 и наружной 7 кольцеобразными стенками, которые соответственно примыкают к внутреннему 8 и наружному 9 торцам полого анода. Магнитопроводящий полый анод 5 содержит газораспределитель с каналами подвода рабочего тела и каналами инжекции рабочего тела 10 в разрядную камеру. Плазменный двигатель также содержит магнитную систему, содержащую источники намагничивающей силы 11 и магнитопровод, состоящий из противолежащих в радиальном направлении внутреннего 12 и наружного 13 магнитных полюсов, образующих рабочий межполюсный зазор на выходе разрядной камеры 2, центральной части 14 с внешним торцом 18 и периферийной части 15 с внешним торцом 19, причем центральная и периферийная части 14 и 15 соединены с тыльной стороны магнитопровода основанием 16. Для закрепления плазменного двигателя при его монтаже, например, на КА служит посадочная плита 17 с крепежными отверстиями. Источник намагничивающей силы может выполняться в двухсекционном варианте исполнения и состоять из малой секции 11а - близлежащей к магнитопроводящему полому аноду, и большой секции 11б - близлежащей к основанию магнитопровода. Секции такого источника намагничивающей силы разделяются между собой кольцеобразной щекой 20, которая примыкает к центральной части магнитопровода. Между разрядной камерой и магнитопроводом может быть размещен с зазорами теплопровод-радиатор 21 первой ступени, состоящий из теплопроводной 21а и радиаторной 21б частей, причем последняя часть выступает за пределы магнитной системы. На внешней поверхности основания магнитопровода может размещаться дополнительный теплопровод-радиатор 22, образующий вторую ступень теплоотвода и сброса тепла излучением и который, в свою очередь, содержит центральную теплопроводную 22а, периферийную теплопроводную 22б и периферийную радиаторную 22в части. Между магнитопроводом и посадочной плитой могут быть размещены тепловые развязки 23, обладающие большим тепловым сопротивлением. Полый анод может закрепляться на магнитопроводе при помощи полой тонкостенной подвески 24, охватывающей его с по меньшей мере внешней и тыльной сторон и электрически изолированной от других элементов конструкции, а также выполняющей дополнительную функцию тепловых экранов, ограничивающих тепловой поток, исходящий излучением от наиболее теплонапряженной разрядной камеры к другим элементам конструкции.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов работает следующим образом.

В ускорительном канале разрядной камеры 2, образованном внутренней 6 и наружной 7 кольцеобразными стенками, при помощи источника намагничивающей силы 11 создается преимущественно радиальное - поперечное по отношению к направлению ускорения магнитное поле. В разрядную камеру 2 через газораспределитель с каналами подвода рабочего тела и каналами инжекции 10 полого анода 5 подается рабочий газ. Разрядное напряжение прикладывается между полым анодом 5 и катодом-компенсатором 1 и зажигается разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. Вентильные свойства поперечного магнитного поля препятствуют свободному движению электронов () от катода к аноду. Взаимодействие электрического и магнитного полей вызывает дрейф электронов в азимутальном направлении, в процессе которого электроны ионизируют атомы рабочего газа в зоне ионизации 3.

Образовавшиеся в газовом разряде ионы () ускоряются за счет приложенного

напряжения между катодом-компенсатором 1 и полым анодом 5. На выходе из зоны ускорения 4, проходя сквозь межполюсный зазор, образованный противолежащими внутренним 12 и наружным 13 магнитными полюсами магнитной системы, поток ускоренных ионов компенсируется электронами, истекающими из катода-компенсатора 1. Таким образом, меньшая часть электронов, истекающих из катода-компенсатора, поступает обратным током в разрядную камеру 2, участвуя в ионизационных процессах, а большая часть электронов нейтрализует ускоренный ионный поток. После выхода плазменного двигателя на установившийся по мощности стационарный режим стабилизируется и распределение поля температур по конструкции. Выделяющаяся тепловая энергия в наиболее теплонапряженном элементе - полом магнитопроводящем аноде 5, а также в источниках намагничивающей силы, распространяется по всем элементам конструкции за счет теплопроводности и излучения. Для теплоотвода и сброса избыточной энергии применяются основной 21 и дополнительный 22 теплопроводы-радиаторы, а для ограничения теплового потока на поверхность КА через посадочную плиту 17 плазменного двигателя внутри него дополнительно используются специальные тепловые развязки 23 с большим тепловым сопротивлением. Полый магнитопроводящий анод электрически изолирован как от других элементов конструкции, так и при работе плазменного двигателя от окружающей плазмы при помощи полой тонкостенной подвески 24, охватывающей полый анод по меньшей мере с внешней и тыльной сторон, а также выполняющей дополнительные функции в качестве тепловых экранов, препятствуя интенсивному распространению теплового потока излучением к другим элементам конструкции. Монтаж и закрепление плазменного двигателя на КА осуществляется при помощи посадочной плиты 17.

Промышленная реализуемость предложенного изобретения экспериментально подтверждена исследовательскими испытаниями опытной модели с типоразмером середины ускорительного канала ⌀40 мм. При испытаниях продемонстрирована стабильная работа предложенного плазменного двигателя при работе в широком диапазоне мощностей от 90 до 300 Вт, а также при работе и на режимах повышенной мощности до 500-580 Вт при повышенном разрядном напряжении до U_p=500 В.

Область применения таких небольших плазменных двигателей малой мощности особенно перспективно в составе мини-ЭРДУ, предназначенных для малых КА.

Предложенное изобретение не ограничивается применением в плазменных двигателях относительно малых типоразмеров. Оно особенно перспективно и в плазменных двигателях относительно больших типоразмеров, в которых, как известно, с увеличением линейных размеров достигаются и более высокие параметры и характеристики, в частности КПД [Manzella, D., Oh, D. and Aadland, R. "Hall Thruster Technology for NASA Science Mission", Presented at the 41^st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Tuscon, AZ, 10-13 July 2005, AIAA-2005-3675, р.3], и использование предлагаемого изобретение в них позволит достигнуть более значительных улучшений параметров и характеристик.

Изобретение относится к космической технике. В плазменном двигателе установлен магнитопровод, внешний торец центральной части которого смещен относительно пары противолежащих магнитных полюсов в противоположном направлении потока рабочего газа, а внешний торец периферийной части магнитопровода смещен по потоку рабочего газа. Изобретение позволяет улучшить фокусировку ускоренного ионного потока плазмы, повысить эффективность магнитной системы, снизить теплонапряженность посадочного интерфейса плазменного двигателя и повысить механическую прочность конструкции. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную камеру, формирующую ускорительный канал с зонами ионизации и ускорения рабочего газа, образованную полым магнитопроводящим анодом, охватывающим зону ионизации, внутренней и наружной кольцеобразными стенками, которые примыкают соответственно к внутреннему и наружному торцам полого магнитопроводящего анода, содержащего газораспределитель с каналами подвода рабочего тела и каналами инжекции рабочего тела в разрядную камеру, и магнитную систему, включающую по меньшей мере один источник намагничивающей силы и магнитопровод, состоящий из противолежащих в радиальном направлении внутреннего и наружного магнитных полюсов, образующих рабочий межполюсный зазор на выходе разрядной камеры, центральной и периферийной частей, соединенных с тыльной стороны основанием магнитопровода, и посадочную плиту, отличающийся тем, что относительно пары противолежащих магнитных полюсов внешний торец центральной части магнитопровода смещен в противоположном направлении потока рабочего газа, а внешний торец периферийной части магнитопровода смещен по потоку рабочего газа.

2. Плазменный двигатель по п.1, отличающийся тем, что сопрягаемые поверхности внутреннего и наружного торцов полого магнитопроводящего анода и примыкающих к ним соответственно внутреннего и наружного колец выполнены конусообразной формы.

3. Плазменный двигатель по п.1, отличающийся тем, что промежуточный участок основания между центральной и периферийной частями магнитопровода выполнен конусообразной формы.

4. Плазменный двигатель по п.1, отличающийся тем, что основание магнитопровода и наружный магнитный полюс выполнены с габаритными размерами, равными габаритному размеру периферийной части магнитопровода.

5. Плазменный двигатель по п.1, отличающийся тем, что источник намагничивающей силы в продольном направлении выполнен по меньшей мере из двух секций, разделенных между собой кольцеобразной щекой, которая примыкает к центральной части магнитопровода, а между разрядной камерой и магнитопроводом размещен с зазорами теплопровод-радиатор, теплопроводная часть которого термически контактирует с кольцеобразной щекой, а радиаторная часть выступает в радиальном направлении за габаритные размеры магнитной системы.

6. Плазменный двигатель по п.5, отличающийся тем, что на теплопроводе-радиаторе выполнено покрытие со степенью черноты не менее 0,8.

7. Плазменный двигатель по п.1, отличающийся тем, что с внешней стороны основания магнитопровода размещен дополнительный теплопровод-радиатор, который своей центральной теплопроводной частью примыкает и термически контактирует с внешней торцевой поверхностью центральной части магнитопровода, а также своей периферийной теплопроводной частью дополнительно примыкает и термически контактирует с внешней торцевой поверхностью периферийной части магнитопровода, при этом относительно промежуточного участка основания магнитопровода он размещен с зазором, а радиаторная часть выступает в радиальном направлении за габаритные размеры магнитной системы.

8. Плазменный двигатель по п.7, отличающийся тем, что на дополнительном теплопроводе-радиаторе выполнено покрытие со степенью черноты не менее 0,8.

9. Плазменный двигатель по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод соединен и термически контактирует с посадочной плитой через тепловые развязки, выполненные из материала с низкой теплопроводностью.

10. Плазменный двигатель по п.1, отличающийся тем, что полый магнитопроводящий анод закреплен на магнитопроводе при помощи подвески, выполненной из материала с низкой теплопроводностью и электрически изолированной от других элементов.