СПОСОБ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА ИОННЫХ ПУЧКОВ В ИОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК H05H1/54 

Изобретение относится к ракетно-космической технике (РКТ) и может быть использовано в ионных электрических ракетных двигателях (ЭРД) для нейтрализации объёмного заряда ионных пучков на выходе ионных ускорителей и обеспечения нормальной работы ионных ЭРД на их основе в условиях эксплуатации на космических аппаратах (КА) и орбитальных пилотируемых космических станциях (ОПС). Особенно целесообразно использование предлагаемых технических решений в двигателях с анодным слоем (ДАС) для повышения ресурса и обеспечения надежности инициирования электрического разряда в рабочей камере ДАС в натурных условиях эксплуатации двигателя на борту КА и ОПС и при их отработке в стендовых условиях.

В ионных ракетных двигателях для обеспечения нормальной работы в космических условиях необходима инжекция ионов и электронов в равных количествах, чтобы ракета не заряжалась отрицательно и не тормозила ионы во время работы ионного двигателя. Для инжекции электронов в ионные пучки ЭРД нет необходимости предусматривать электронную пушку, поскольку пучок ионов создаёт большие радиальные электрические поля относительно своей оси, которые могут вытянуть электроны из эмиттера электронов, расположенного вблизи края пучка за срезом ионного двигателя (Айленберг С.Л. и Хюбнер А.Л. Технические и научные проблемы движения с помощью ионов. / Ионные, плазменные и дуговые ракетные двигатели. Сб. статей, перевод с англ. Госиздат в области атомной науки и техники. М., 1961 г., с.5). Эта задача решается с помощью специального нейтрализатора - источника электронов, который устанавливают на выходе из ускорительной системы.

Так на выходе плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов (см. Мурашко В.М. и др. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов. // Патент RU №2312471 от 2003.12.24) установлены по меньшей мере один катод-компенсатор (КК), а также анодный блок, содержащий магнитную систему и разрядную камеру с ускорительным каналом с зонами ионизации и ускорения, который расширяется в наружном и внутреннем радиальных направлениях. Способ нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов в указанном выше патенте № 2312471 может быть принят в качестве первого аналога заявляемого способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков ионных ЭРД.

Недостатком первого аналога заявляемого способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков ионных ЭРД является низкая эффективность эмиссии электронов и ограниченный ресурс основанных на этом способе нейтрализаторов из-за теплонапряжённого режима катодов.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому способу нейтрализации объёмного заряда ионных пучков ЭРД является способ нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в плазменном нейтрализаторе, изложенный на с.91-93 в книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. «Электрические ракетные двигатели космических аппаратов», г.Москва, изд.-во Машиностроение, 1989 г., в которой способ нейтрализации объёмного заряда ионных пучков основан на подаче газообразного рабочего вещества по трубчатому молибденовому токоподводу, обладающему малой теплопроводностью, в трубчатый эмитирующий электрод (катод). После предварительного прогрева катода в газообразном рабочем веществе между катодом и ионным пучком загорается низковольтная дуга. Образующаяся плазма истекает из нейтрализатора, создавая так называемый «плазменный мост», охватывающий часть ионного пучка, по которому электроны беспрепятственно поступают в ионный пучок ионных ЭРД.

Рассмотренное техническое решение (по книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В.) является вторым аналогом и выбрано прототипом для заявляемых способов.

В книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. для включения нейтрализатора на с.91-93 используют подачу газа в рабочую полость полого катода, осуществляют стартовое нагревание полости с помощью вспомогательного источника энергии и совместное функционирование двигателя и полого катода-нейтрализатора с возбуждением внутреннего разряда в полости полого катода и внешнего разряда с использованием вспомогательного электрода (анода). При этом осуществляется нагревание полости полого катода и эмиссия электронов, а также транспортировка электронов из катодной полости через диафрагму катода в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков ионных ЭРД. После поджига с использованием вспомогательного электрода (анода) внутреннего и внешнего разрядов при совместном функционировании двигателя и полого катода-нейтрализатора может работать в авторежиме, т.е. без нагревания катода от постороннего источника.

Недостатками прототипа являются низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков, а также ограниченный ресурс нейтрализаторов из-за теплонапряжённого режима катодов.

Для устранения указанных недостатков в прототипе в заявляемом изобретении решается техническая задача повышения эффективности эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков ЭРД и увеличения ресурса нейтрализатора в натурных условиях эксплуатации.

Для решения технической задачи в способе нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД, основанном на возбуждении в автономной полости нейтрализатора с помощью вспомогательного источника энергии газоразрядной плазмы с использованием плазмы для эмиссии электронов в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков, в качестве вспомогательного источника энергии используют импульсный лазер, луч которого с фокусировкой направляют в автономную полость нейтрализатора, направляют в автономную полость нейтрализатора, наполняемого притоком газа рабочего вещества ионного двигателя, где в зоне вблизи фокуса в объёме газопроточного рабочего вещества возбуждают оптический разряд, создают плазму и осуществляют эмиссию электронов с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля в ускоряемый ионный пучок.

Дополнительно в способе нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях объёмный оптический разряд возбуждают вблизи установленной в автономной полости нейтрализатора мишени.

В устройстве для осуществления нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД в книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. (см. на с.87, рис. 2.18) в качестве нейтрализаторов обычно используются газоразрядные плазменные нейтрализаторы, которые можно рассматривать в качестве первого аналога устройства для осуществления нейтрализации объёмного заряда ионных ЭРД.

Так, в указанной в книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. (см. на с.87, рис. 2.18) газоразрядный плазменный нейтрализатор состоит из катода в виде трубочки из гексоборида лантана с малым внутренним отверстием, стартового нагревателя, выполненного из вольфрамовой проволоки, тепловых экранов и поджигающего электрода. При нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД осуществляется подача в катод газообразного рабочего вещества по трубчатому молибденовому токоподводу, обладающему малой теплопроводностью. После предварительного прогрева и срабатывания поджигающего электрода в газообразном рабочем веществе между катодом и ионным пучком загорается низковольтная дуга. Образующаяся плазма истекает из нейтрализатора, создавая так называемый «плазменный мост», охватывающий часть ионного пучка, по которому электроны беспрепятственно поступают в ионный пучок. Указанное устройство может быть принято в качестве первого аналога.

Недостатками первого аналога являются низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков, а также ограниченный ресурс нейтрализаторов из-за теплонапряжённого режима катодов.

Наиболее близким по технической сути вторым аналогом заявляемого устройства для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД является устройство, представленное в книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. на с.87, на рис.2.19, который может быть выбран в качестве прототипа.

В книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. (см. на с.87, рис.2.19) дано описание прототипа (второго аналога), конструкция которого основана на использовании в качестве нейтрализатора полого катода. Рабочая полость катода образуется в объёме цилиндрической вставки диаметром в диапазоне 3-10 мм и высотой в диапазоне 5-15 мм. Прогреваемое дно вставки образует собственно катод и выполняется из материала с высокой термоэмиссионной способностью (обычно из гексоборида лантана). Крышка вставки также выполняется из материала с высокой термоэмиссионной способностью (из гексоборида лантана) и образует диафрагму с отверстием для истечения электронов из полого катода в зону ионного пучка при совместном функционировании двигателя с анодным слоем (ДАС) и нейтрализатора. Диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор ионных ЭРД, в частности ДАСов, состоит из катодной полости, катода, диафрагмы катода с выходным отверстием нагревателя, канала подачи рабочего вещества, тепловых экранов, вспомогательного электрода (анода) для поджига внутреннего и внешнего разрядов при совместном функционировании ДАС и нейтрализатора.

Совместное функционирование ДАС и нейтрализатора осуществляется, начиная с минимального разрядного напряжения 14 В при расходе ксенона в токовых единицах в диапазоне 0,03…2,5 А, который обеспечивает выходной электронный ток в диапазоне 0,1…50 А. Для включения нейтрализатора требуется стартовое нагревание катода, а также подача газа в рабочую полость полого катода.

Нейтрализатор может работать в авторежиме, т.е. без нагревания катода от постороннего источника. Прогреваемое дно вставки образует собственно катод и выполняется из материала с высокой термоэмиссионной способностью (обычно из гексоборида лантана). Крышка вставки также выполняется из материала с высокой термоэмиссионной способностью (из гексоборида лантана) и образует диафрагму с отверстием для истечения электронов из полого катода в зону ионного пучка при совместном функционировании ДАС и нейтрализатора.

Однако стартовое нагревание катода и подача газа в рабочую полость полого катода ограничивает при многократных включениях двигателя ресурс нейтрализатора из-за теплонапряжённого режима работы полого катода и дополнительного расхода рабочего газа при его функционировании, что является недостатком нейтрализатора. Недостатками прототипа являются также низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков.

Для устранения отмеченных недостатков в заявляемом изобретении решается техническая задача повышения эффективности эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков и увеличения ресурса нейтрализаторов в натурных условиях эксплуатации.

Для решения поставленной технической задачи в устройство для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД, содержащее вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор с автономной катодной полостью, с трубопроводом для подачи в нее рабочего вещества ионного двигателя и с отверстием в диафрагме для эмиссии электронов, введены лазерная свеча и источник энергии на основе импульсного лазера, выход которого соединен с входом лазерной свечи по световоду, по которому лазерный луч направлен через установленную в корпусе лазерной свечи фокусирующую линзу в точку фокусировки в корпусе автономной полости полого катода, а вставляемый для введения лазерного луча в корпус катодной автономной полости корпус лазерной свечи выполнен с сужением при входе в корпус катодной автономной полости, позволяющим образовать зазор для создания вспомогательной полости над поверхностью лазерной свечи для подвода рабочего вещества ионного двигателя через ввод в корпусе полого катода, при этом отверстие в диафрагме для эмиссии электронов связано по трубопроводу с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом.

Дополнительно в устройстве для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях в автономной полости нейтрализатора установлена мишень, на которую с фокусировкой направлен луч импульсного лазера.

В ракетной технике ионные пучки в ЭРД создаются не только исключительно с использованием нейтральных газов (ксенона), но и с использованием цезия. Согласно научно-технической литературе (см., например, статью Приданцева В.Ф. и др. Разработка цезиевых катодов-компенсаторов плазменных ускорителей средней мощности. / VII Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Тезисы докладов. Харьков, 1989 г.) цезиевые катоды-компенсаторы (КК) применяются как катоды основного разряда в камере ионизации плазменно-ионного ускорителя, которые являются одновременно нейтрализаторами объёмного заряда на выходе ионных ЭРД, поэтому могут быть указаны в качестве первых аналогов в вариантах выполнения способов и устройств нейтрализаторов ионных ЭРД, в которых применяются цезиевые катоды-компенсаторы при формировании интенсивных ионных пучков. Конструктивно цезиевый КК выполнен в виде трубопровода с электрически изолированной на его торце дроссельной диафрагмой, в котором организован газовый разряд в парах цезия.

Недостатками первых аналогов способа и устройства нейтрализации ионных пучков в ЭРД, в которых применяются цезиевые катоды-компенсаторы при формировании интенсивных ионных пучков, являются низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда из-за теплонапряжённого режима КК.

В качестве второго аналога способа и устройства нейтрализации ионных пучков в ЭРД, в которых применяются цезиевые катоды-компенсаторы, могут быть использованы также наиболее близкие им по технической сути вторые аналоги заявляемого способа и устройства для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД, изложенные в книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. на с.87, на рис.2.19. Эти аналоги могут быть выбраны также в качестве прототипов.

Недостатками второго аналога и устройства нейтрализации ионных пучков в ЭРД, в котором применяются цезиевые катоды-компенсаторы при формировании интенсивных ионных пучков, являются низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда из-за теплонапряжённого режима КК.

Для устранения отмеченных недостатков в нейтрализаторах с цезием в заявляемом изобретении (варианте) решается техническая задача повышения эффективности эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков и увеличения ресурса нейтрализаторов в натурных условиях эксплуатации.

Для решения технической задачи в способе нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД (вариант), основанном на возбуждении с помощью вспомогательного источника энергии в автономной полости нейтрализатора газоразрядной плазмы и использовании плазмы для эмиссии электронов в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков, дополнительно направляют в автономную полость нейтрализатора пары цезия, а в качестве вспомогательного источника энергии используют импульсный лазер, луч которого с фокусировкой направляют в автономную полость нейтрализатора, наполняемого притоком рабочего вещества ионного двигателя и парами цезия, где в зоне вблизи фокуса в объёме смеси газопроточного рабочего вещества и паров цезия возбуждают оптический разряд, создают плазму и осуществляют эмиссию электронов с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля в ускоряемый ионный пучок.

Дополнительно в варианте способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях объёмный оптический разряд возбуждают вблизи установленной в автономной полости нейтрализатора мишени.

Цезиевые катоды-компенсаторы (см. Приданцев В.Ф. и др. Разработка цезиевых катодов-компенсаторов плазменных ускорителей средней мощности. / VII Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Тезисы докладов. Харьков, 1989 г.) применяются как катоды основного разряда в камере ионизации плазменно-ионного ускорителя с коноидальным и радиальным магнитным полем, а также непосредственно в качестве КК для нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД при формировании интенсивных ионных пучков.

Конструктивно цезиевый КК выполнен в виде трубопровода с электрически изолированной на его торце дроссельной диафрагмой, в котором организован газовый разряд в парах цезия, который можно принять за первый аналог и прототип устройства нейтрализации ионных пучков в ЭРД, в которых применяются цезиевые катоды-компенсаторы.

Недостатком первого аналога устройства нейтрализации ионных пучков в ЭРД, в которых применяются цезиевые катоды-компенсаторы (КК) при формировании интенсивных ионных пучков, являются низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда из-за теплонапряжённого режима КК.

Наиболее близкий по технической сути второй аналог заявляемого устройства для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД, изложенный в книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В. на с.87, на рис.2.19, может быть выбран также в качестве прототипа для второго варианта устройства.

Недостатками второго аналога и устройства нейтрализации ионных пучков в ЭРД, в котором применяются цезиевые катоды-компенсаторы при формировании интенсивных ионных пучков, являются низкая эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда из-за теплонапряжённого режима КК.

Для решения поставленной технической задачи в устройство для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД (вариант), содержащее вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор с автономной катодной полостью с трубопроводом для подачи в полость рабочего вещества ионного двигателя и с отверстием в диафрагме для эмиссии электронов к вспомогательному аноду, дополнительно введены узел подачи паров цезия, лазерная свеча и источник энергии на основе импульсного лазера, при этом узел подачи паров цезия подключён через ввод к электрически изолированному трубопроводу, оптический выход импульсного лазера соединен с входом лазерной свечи по световоду, по которому лазерный луч направлен через установленную в корпусе лазерной свечи фокусирующую линзу в точку фокусировки в корпусе автономной полости полого катода, а вставляемый для введения лазерного луча в корпус катодной автономной полости корпус лазерной свечи выполнен с сужением, позволяющим при входе в корпус катодной автономной полости образовать зазор для создания вспомогательной полости над поверхностью корпуса лазерной свечи для подвода рабочего вещества ионного двигателя через ввод в корпусе полого катода. При этом трубопровод с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом связан с отверстием в диафрагме для эмиссии электронов, а на внешней поверхности корпуса автономной полости размещены соответственно вводы узлов подачи рабочего вещества ионного двигателя в автономную полость полого катода и паров цезия в трубопровод для эмиссии электронов к вспомогательному аноду.

Дополнительно в варианте устройства для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях в нейтрализаторах объёмный оптический разряд с использованием паров цезия в автономной полости нейтрализатора установлена мишень, на которую с фокусировкой направлен лазерный луч импульсного лазера.

Таким образом, для устранения отмеченных недостатков в способах и устройствах нейтрализации объёмного заряда в ионных ЭРД в заявляемом изобретении решается вышеуказанная техническая задача повышения эффективности способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД и устройстве для его осуществления. В частности, технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объёмного заряда ионных пучков, а также увеличение ресурса нейтрализаторов в натурных условиях эксплуатации.

Комплексное решение технической задачи сформулировано в двух вариантах способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД и двух вариантах устройства для их осуществления.

Предлагаемые способы нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД и устройства для их осуществления иллюстрируют следующие графические материалы:

На фиг.1 представлена конструктивная схема по 1-му варианту способа и устройства, в котором излучение от лазера вводится в лазерную свечу и в область пробоя в объеме полости полого катода с помощью фокусирующей линзы.

На фиг.2 представлена конструктивная схема по 2-му варианту способа и устройства, в котором излучение от лазера также вводится в лазерную свечу и в область пробоя в объеме камеры с помощью фокусирующей линзы, однако фокусирование производится на мишень, расположенную в области пробоя в объеме полости полого катода.

На фиг.3 представлена конструктивная схема устройства, использующего ещё один вариант выполнения лазерной свечи 19, при котором излучение от лазера вводится в лазерную свечу 19 и в область пробоя в объеме камеры с помощью оптического волокна и направлено на мишень, расположенную в области пробоя в объеме полости полого катода. Лазерная свеча 19 связана с областью пробоя в катодной полости по оптическому волокну.

Данный вариант служит лишь примером для возможности реализации заявленных способов, что, согласно п.10.7.4.4. (4) Административного регламента, правомерно. На его защиту заявитель не претендует.

При этом на фиг.1, фиг.2 и фиг.3 представлены следующие узлы и элементы, которые иллюстрируют графические материалы:

- корпус катодной автономной полости 1;

- узел подачи рабочего вещества 2;

- узел подачи паров цезия 3;

- катодная автономная полость 4;

- вариант лазерной свечи 5, связанной через линзу 6 с катодной автономной полостью 4;

- линза 6;

- проставка 7;

- фиксирующая втулка 8;

- крышка 9;

- точка фокусировки 10;

- мишень 11;

- оптическое волокно 12;

- втулки 13 и 14;

- полость подачи рабочего вещества над свечой 15;

- диафрагма 16;

- вспомогательный анод 17;

- трубопровод эмиссии электронов 18;

- вариант лазерной свечи 19, связанной с областью пробоя в катодной полости по оптическому волокну.

Представленные на фиг.1, фиг.2 и фиг.3 узлы и элементы имеют нижеследующую взаимосвязь и назначение.

Устройство для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков содержит вспомогательный источник энергии в виде импульсного лазера (в графических материалах не показан), оптический выход которого по волокну связан с оптическим входом лазерной свечой 5 с фокусирующей линзой 6 и проставкой 7, позволяющей устанавливать (регулировать) положение точки фокусировки 10 в объёме катодной автономной полости 4 диафрагмированного газопроточного полого катода-нейтрализатора.

Диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор связан с узлом подачи рабочего вещества 2 через ввод в автономную полость полого катода 4. Вставляемый в корпус катодной автономной полости 1 для введения лазерного луча корпус лазерной свечи 5 выполнен с сужением при входе в корпус катодной автономной полости, позволяющим образовать зазор для создания вспомогательной полости 15 под поверхностью корпуса лазерной свечи при подаче рабочего вещества ионного двигателя через ввод в корпусе полого катода.

Отверстие в диафрагме 16 связано с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом 17 по трубопроводу 18, который связан через ввод с узлом подачи паров цезия 3 в катодную автономную полость 4. Втулки 8, 13 и 14 фиксируют канал транспортировки лазерного луча в корпусе катодной автономной полости 1 в точку фокусировки 10 автономной полости полого катода 4 или на установленную на крышке 9 мишень 11.

На фиг.3 в корпусе катодной автономной полости 1 установлена лазерная свеча 19, которая связана с импульсным лазером (на фиг.3 не показан) по оптическому волокну 12 (пример возможности осуществления заявленных способов, их промышленной применимости).

Запуск устройства для осуществления способа начинается после подачи рабочего вещества через узел 2 в автономную полость катода 4 и подачи сигнала на запуск импульсного лазера, который включает лазер. Лазерное излучение при функционировании лазера через лазерную свечу 5 фокусируется в определенной точке полости полого катода 4 либо на поверхности мишени 11, вызывая оптический пробой и зажигание разряда в наполняемой притоком рабочего вещества ионного двигателя полости. В результате в зоне вблизи фокуса в объёме газопроточного рабочего вещества возбуждают оптический разряд, создают плазму и осуществляют эмиссию электронов в ускоряемый ионный пучок с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля.

В вариантах устройство для осуществления способа нейтрализации объёмного заряда ионных пучков состоит из корпуса 1, в котором имеется ограничивающая внутреннюю плазму диафрагма 16 с отверстием. Отверстие в диафрагме 16 связано с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом 17 по трубопроводу 18, который на фиг.2 и фиг.3 связывает через ввод узел подачи паров цезия 3 в катодную автономную полость 4.

Трубопровод 18 обеспечивает совместное функционирование узлов подачи компонентов 2 и 3, катодной автономной полости 4, в которой происходит оптический пробой, возбуждение оптического разряда и создание плазмы, и трубопровода 18, в котором осуществляется последующая транспортировка плазменного факела в ускоряемый ионный пучок с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля.

В вариантах 1 и 2 лазерная свеча, соединяемая с корпусом 1, состоит из корпуса лазерной свечи 5, линзы 6, проставки 7 и фиксирующей втулки 8. Излучение, прошедшее через фокусирующую линзу 6, в камеру попадает через отверстие в крышке 9. В случае, если излучение от лазерного источника заранее сфокусировано, то вместо линзы 6 может быть использовано оптическое стекло, служащее для пропускания излучения и предотвращения попадания компонентов наружу. Оптический пробой происходит в точке фокусировки 10 или вблизи мишени 11. В лазерную свечу 19 на фиг. 3 излучение вводится в лазерную свечу и в область пробоя в объеме катодной полости с помощью оптического волокна 12, зафиксированного во втулке 13, и направлено на мишень, расположенную в объеме катодной полости. В лазерной свече 5 аналогичная втулка 14 выполняется полой с центральным отверстием и образует полость подачи окислителя 15 над свечой.

Вариант 1 целесообразно использовать при достаточно мощных лазерных импульсах, создающих интенсивность в области фокусировки ~10¹⁰ Вт/см². При таких импульсах возможно осуществить оптический пробой в объеме среды в катодной автономной полости 4.

Для снижения энергии поджигающего импульса, а следовательно, и снижения массогабаритных характеристик лазерного источника, целесообразно лазерное излучение фокусировать не в свободном объеме в катодной автономной полости 4, а на поверхность мишени 11, как предлагается в вариантах устройств 2 и 3. В этом случае, как известно, интенсивность излучения может быть снижена на порядки.

При таких уровнях энергии лазерных импульсов транспортировку излучения в область пробоя можно осуществлять с помощью оптического волокна (поз.12 на фиг.3), которое через оптический разъем 8 подсоединяется к транспортному волокну, идущему к лазеру, либо к устройству коммутации лазерного излучения (при многокамерном лазерном возбуждении оптического разряда).

В такой конструкции система лазерная свеча - лазер обладают наилучшими массогабаритными характеристиками при учёте прогресса в развитии малогабаритных лазеров.

Функционирование варианта устройства для осуществления способа с цезием также начинается с подачи сигнала на запуск импульсного лазера (см. Синявский В.В. Способ определения давления пара цезия с учётом встречного потока. // Патент RU №2004082 с приоритетом от 01.07.91 H01J 45/00; Опубл. 30.11.93. Бюл. № 43/44. Волков Ю.М. Импульсный неизотермический разряд в смесях инертных газов с цезием. // Техника высоких температур, 1965, т.3, стр.3).

При использовании цезия в КК удаётся сформировать слой катодного падения потенциала с напряжением, не превышающим порог катодного распыления материала КК, что обеспечивает повышенный ресурс КК и ускорителя в целом.

Цезиевые катоды-компенсаторы применяются как катоды основного разряда в камере ионизации плазменно-ионного ускорителя с коноидальным и радиальным магнитным полем, а также непосредственно в качестве КК для нейтрализации объёмного заряда ионных пучков в ионных ЭРД при формировании интенсивных ионных пучков.

При использовании цезия в КК удаётся сформировать слой катодного падения потенциала с напряжением, не превышающим порог катодного распыления материала КК, что обеспечивает повышенный ресурс КК и ускорителя в целом.

Уменьшение расхода цезия в КК достигнуто 1) введением в полость КК независимого внутреннего газового разряда в парах цезия; 2) созданием противодавления на выходе из КК; 3) использованием разлагающихся при рабочей температуре КК соединений цезия.

Конструктивно цезиевый КК выполнен в виде трубопровода с электрически изолированной на его торце дроссельной диафрагмой. Между диафрагмой и трубопроводом организован газовый разряд в парах цезия. Эмиссия электронов в ускоряемый ионный пучок осуществляется с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля.

Разряд в полости катода существует в диапазоне давлений 10^-3-1 Торр и позволяет управлять параметрами внешнего разряда. При работе в атмосфере ксенона обнаружено существование двух устойчивых зон насыщения внешнего разрядного тока: низковольтная цезиевая дуга и газовый ксеноновый разряд с пороговым напряжением зажигания 33 В.

Изобретение относится к ракетно-космической технике (РКТ) и может быть использовано в ионных электрических ракетных двигателях (ЭРД). Способ основан на возбуждении с помощью вспомогательного источника энергии в автономной полости нейтрализатора газоразрядной плазмы и использовании плазмы для эмиссии электронов в зону нейтрализации объемного заряда ионных пучков. В качестве вспомогательного источника энергии используют импульсный лазер. Луч лазера с фокусировкой направляют в автономную полость нейтрализатора, наполняемого притоком газа рабочего вещества ионного двигателя, где в зоне вблизи фокуса в объеме газопроточного рабочего вещества возбуждают разряд, создают плазму и осуществляют эмиссию электронов в ускоряемый ионный пучок с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля. В варианте способа дополнительно направляют в автономную полость нейтрализатора пары цезия. Устройство нейтрализации объемного заряда ионных пучков содержит вспомогательный источник энергии на основе импульсного лазера, лазерную свечу с фокусирующей линзой и проставкой, позволяющей устанавливать (регулировать) положение точки фокусировки в катодной автономной полости с диафрагмой диафрагмированного газопроточного полого катода-нейтрализатора. Отверстие в диафрагме связано с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом по трубопроводу, который связан через ввод с узлом подачи паров цезия в катодную автономную полость. Втулки фиксируют канал транспортировки лазерного луча в корпусе катодной автономной полости в точку фокусировки автономной полости полого катода 4 или на установленную в полости мишень. В варианте устройства в корпусе катодной автономной полости установлена лазерная свеча, связанная с импульсным лазером по оптическому волокну. Изобретение позволяет повысить эффективность эмиссии электронов и их транспортировки в зону нейтрализации объемного заряда ионных пучков и увеличить ресурс нейтрализаторов в натурных условиях эксплуатации. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях, основанный на возбуждении с помощью вспомогательного источника энергии в автономной полости нейтрализатора газоразрядной плазмы и использовании плазмы для эмиссии электронов в зону нейтрализации объемного заряда ионных пучков, отличающийся тем, что в качестве вспомогательного источника энергии используют импульсный лазер, луч которого с фокусировкой направляют в автономную полость нейтрализатора, наполняемую притоком рабочего вещества ионного двигателя, в которой вблизи фокуса в объеме газопроточного рабочего вещества возбуждают оптический разряд, создают плазму и осуществляют эмиссию электронов с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля в ускоряемый ионный пучок.

2. Способ нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях по п.1, отличающийся тем, что объемный оптический разряд возбуждают вблизи установленной в автономной полости нейтрализатора мишени.

3. Устройство нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях, содержащее вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор с автономной катодной полостью, трубопроводом для подачи в нее рабочего вещества ионного двигателя и с отверстием в диафрагме для эмиссии электронов, отличающееся тем, что введены лазерная свеча и источник энергии на основе импульсного лазера, оптический выход которого соединен с входом лазерной свечи по световоду, по которому лазерный луч направлен через установленную в корпусе лазерной свечи фокусирующую линзу в точку фокусировки в корпусе автономной полости полого катода, а вставляемый для введения лазерного луча в корпус катодной автономной полости корпус лазерной свечи выполнен с сужением при входе в корпус катодной автономной полости, позволяющим образовать зазор для создания вспомогательной полости над поверхностью корпуса лазерной свечи для подвода рабочего вещества ионного двигателя через ввод в корпусе полого катода, при этом отверстие в диафрагме для эмиссии электронов связано по трубопроводу с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом.

4. Устройство нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях по п.3, отличающееся тем, что в автономной полости нейтрализатора установлена мишень, на которую с фокусировкой направлен луч импульсного лазера.

5. Способ нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях, основанный на возбуждении с помощью вспомогательного источника энергии в автономной полости нейтрализатора газоразрядной плазмы с использованием плазмы для эмиссии электронов в зону нейтрализации объемного заряда ионных пучков, отличающийся тем, что направляют в автономную полость нейтрализатора пары цезия, а в качестве вспомогательного источника энергии используют импульсный лазер, луч которого с фокусировкой направляют в автономную полость нейтрализатора, наполняемого притоком рабочего вещества ионного двигателя и парами цезия, где в зоне вблизи фокуса в объеме смеси газопроточного рабочего вещества и паров цезия возбуждают электрический разряд, создают плазму и осуществляют эмиссию электронов с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля в ускоряемый ионный пучок.

6. Способ нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях по п.5, отличающийся тем, что объемный оптический разряд возбуждают вблизи установленной в автономной полости нейтрализатора мишени.

7. Устройство нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях, содержащее вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор с автономной катодной полостью с отверстием в диафрагме для эмиссии электронов и трубопроводом для подачи в нее рабочего вещества ионного двигателя, отличающееся тем, что введены узел подачи паров цезия, лазерная свеча и источник энергии на основе импульсного лазера, при этом узел подачи паров цезия подключен через ввод к электрически изолированному трубопроводу, выход импульсного лазера соединен с входом лазерной свечи по световоду, по которому лазерный луч направлен через установленную в корпусе лазерной свечи фокусирующую линзу в точку фокусировки в корпусе автономной полости полого катода, а вставляемый для введения лазерного луча в корпус катодной автономной полости корпус лазерной свечи выполнен с сужением при входе в корпус катодной автономной полости, позволяющим образовать зазор для создания вспомогательной полости над поверхностью корпуса лазерной свечи для подвода рабочего вещества ионного двигателя через ввод в корпусе полого катода, при этом отверстие в диафрагме для эмиссии электронов связано по трубопроводу с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом, а на внешней поверхности корпуса автономной полости установлены соответственно узлы подачи рабочего вещества ионного двигателя в автономную полость полого катода и паров цезия в трубопровод для эмиссии электронов к вспомогательному аноду.

8. Устройство нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях по п.7, отличающееся тем, что в автономной полости нейтрализатора установлена мишень, на которую с фокусировкой направлен луч импульсного лазера.