ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2014 года по МПК F03H99/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).

Электроракетные двигатели, такие как стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем (ДАС), известные как двигатели с замкнутым дрейфом электронов, и ионные двигатели (ИД), традиционно используют полые катоды для нейтрализации истекающего из двигателя ионного пучка. Полый катод представляет собой конструктивно и технологически сложный агрегат [Б.А.Архипов. «Исследование и разработка катодов нового поколения для СПД». Автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук. Город Калининград, 1998 г.], через который подается 8-10% высокочистого рабочего тела (ксенона), помимо того содержащий собственный узел для дополнительной очистки ксенона (геттер), а также эмиттер, выполненный из гексаборида лантана, нагреватель, поджигной электрод и систему тепловых экранов.

Недостатком аналогов - двигателей с замкнутым дрейфом электронов, - является необходимость подачи указанной части рабочего тела (ксенона) в полый катод. Эта часть рабочего тела не ускоряется в двигателе, что существенно снижает характеристики ЭРД (тягу, удельный импульс и КПД). Кроме того, в полый катод нужно подавать рабочее тело высокой степени очистки, а следовательно, учитывая, что рабочее тело анодной и катодной магистралей хранится в одном баллоне, до 90% рабочего тела анодной магистрали (без достаточной необходимости) также высокой чистоты, что значительно удорожает стоимость рабочего тела.

За прототип принят ЭРД [В.Г.Островский. «Электроракетный двигатель (варианты) и способ его эксплуатации». Патент RU 2309293 С2], например СПД, содержащий разрядную камеру с анодом-газораспределителем, соединенным трубопроводом с системой подачи рабочего тела, магнитную систему с магнитными полюсами, имеющую по оси двигателя сквозную полость, и термокатод, например импрегнированный, не связанный с системой подачи рабочего тела. Основными преимуществами ЭРД-прототипа по сравнению с ЭРД-аналогом являются:

более высокий удельный импульс и КПД, за счет исключения подачи рабочего тела в катод;

уменьшение стоимости рабочего тела, за счет исключения использования рабочего тела высокой чистоты;

повышенные ресурс и надежность катода и ЭРД, за счет сравнительно низкого уровня температуры и плотности тока катода.

В то же время в ЭРД-прототипе необходимы постоянные затраты энергии на поддержание температуры катода.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение КПД двигателя с замкнутым дрейфом электронов, за счет исключения потерь энергии на нагрев катода, а также увеличение надежности, за счет снижения температуры анода при работе двигателя на номинальном режиме.

Задача решается следующим образом:

в двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с анодом-газораспределителем, соединенным трубопроводом с системой подачи рабочего тела, магнитную систему с магнитными полюсами, имеющую по оси двигателя сквозную полость, и не связанный с системой подачи рабочего тела термокатод, включены, по крайней мере, одна катодная и две анодные тепловые трубы, причем встроенные в анод-газораспределитель анодные тепловые трубы направлены в сторону, противоположную выходу из двигателя, и в своей хвостовой части охватывают катодную тепловую трубу, проходящую через сквозную полость двигателя и установленную с зазором относительно нерабочей стороны катода, электрически изолированно от него, при этом в хвостовой части с внутренней стороны анодных тепловых труб, охватывая катодную тепловую трубу, установлен стартовый нагреватель, причем снаружи анодных тепловых труб, охватывая их, и в примыкающей к катоду части катодной тепловой трубы смонтированы тепловые экраны;

в двигателе с замкнутым дрейфом электронов хвостовые части катодных тепловых труб, обращенные к ним хвостовые части анодных тепловых труб и часть противоположного конца катодной тепловой трубы, обращенная к катоду, покрыты шпинелью;

в двигателе с замкнутым дрейфом электронов в качестве теплоносителя катодных и анодных тепловых труб используется натрий.

На фиг.1 и 2 представлены общие виды предложенного двигателя с замкнутым дрейфом электронов, на примере двухступенчатого ДАС.

Двигатель состоит из разрядной камеры 1, включающей анод-газораспределитель 3, соединенный с системой подачи рабочего тела трубопроводом 2; катод первой ступени 4, являющийся анодом второй ступени; катод второй ступени 5; магнитопровода 6 с полюсами 7 и магнитной катушкой 8, имеющей вдоль оси сквозную полость 9. Термокатод 10 (например, импрегнированный) не связан с системой подачи рабочего тела и с помощью держателя 11 установлен вдоль оси двигателя и электрически изолирован от него. Две катодные тепловые трубы 12, проходящие через сквозную полость двигателя 9 и граничащие с нерабочей стороной катода в виде двух полуколец, электрически изолированы от него. В анод-газораспределитель 3 встроены четыре анодные тепловые трубы 13, в своей хвостовой части охватывающие катодные тепловые трубы 12. В хвостовой части с внутренней стороны анодных тепловых труб 13, охватывая катодные тепловые трубы, установлен стартовый нагреватель 14, причем снаружи анодных тепловых труб 13, охватывая их, и в примыкающей к катоду части катодной тепловой трубы смонтированы тепловые экраны 15. Примыкающие к катоду части катодной тепловой трубы 12 теплоизолированы от двигателя с помощью экранов 16.

В двигателе с замкнутым дрейфом электронов хвостовые части катодных тепловых труб 12, обращенные к ним хвостовые части анодных тепловых труб 13 и часть противоположных концов катодных тепловых труб, выполненные в виде полуколец, обращенные к катоду 10, покрыты шпинелью.

В двигателе с замкнутым дрейфом электронов в качестве теплоносителя катодных 12 и анодных 13 тепловых труб используется натрий.

Предлагаемый двигатель с замкнутым дрейфом электронов работает следующим образом.

Включают стартовый нагреватель 14 и с помощью катодных 12 и анодных 13 тепловых труб разогревают анод-газораспределитель 3 и эффективный термокатод 10. Подают рабочее тело в анод-газораспределитель 3 и разрядное и ускорительное напряжение между электродами двигателя 2, 4, 5, 10 и электропитание на магнитную катушку 8.

Выводят двигатель на номинальный режим работы, при этом анод-газораспределитель 3 разогревается до температуры 1000-1100°С. Стартовый нагреватель 14 отключают. Хвостовые части анодных тепловых труб 13, покрытые шпинелью, передают часть тепла анода-газораспределителя 3 покрытым шпинелью хвостовым частям катодных тепловых труб 12. А противоположные концы катодных тепловых труб, выполненные в виде полуколец, - термокатоду 10, нагревая его до температуры 850-920°С. Это обеспечивает необходимую величину эмиссии электронов с эффективного термокатода для нейтрализации потока истекающих из двигателя ионов.

При этом тепловые трубы выполнены из ниобиевых труб с натриевым теплоносителем.

Положительный эффект предложенного электроракетного двигателя заключается в возможности повышения надежности двигателя за счет отвода тепла от анода-газораспределителя, т.е. снижения его температуры и использования его для подогрева эффективного термокатода при работе двигателя на номинальном режиме и в соответствующем повышении КПД двигателя.

Использованная литература

1. Б.А.Архипов. «Исследование и разработка катодов нового поколения для СПД». Автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук. Город Калининград, 1998 г.

2. В.Г.Островский. «Электроракетный двигатель (варианты) и способ его эксплуатации». Патент RU 2309293 С2.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей. Двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит разрядную камеру с анодом-газораспределителем. Анод соединен трубопроводом с системой подачи рабочего тела. Двигатель также содержит магнитную систему с магнитными полюсами. Система имеет по оси двигателя сквозную полость. При этом термокатод не связан с системой подачи рабочего тела. В двигатель включены, по крайней мере, одна катодная и две анодные тепловые трубы. Встроенные в анод-газораспределитель анодные тепловые трубы направлены в сторону, противоположную выходу из двигателя. При этом анодные тепловые трубы в своей хвостовой части охватывают катодную тепловую трубу. Катодная тепловая труба проходит через сквозную полость двигателя и установлена с зазором относительно нерабочей стороны катода. Катодная тепловая труба электрически изолирована от катода. В хвостовой части с внутренней стороны анодных тепловых труб установлен стартовый нагреватель. Стартовый нагреватель охватывает катодную тепловую трубу. Снаружи анодных тепловых труб и в примыкающей к катоду части катодной тепловой трубы смонтированы тепловые экраны. Тепловые экраны охватывают анодные тепловые трубы. Техническим результатом является увеличение КПД двигателя с замкнутым дрейфом электронов, за счет исключения потерь энергии на нагрев катода, а также увеличение надежности, за счет снижения температуры анода при работе двигателя на номинальном режиме. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с анодом-газораспределителем, соединенным трубопроводом с системой подачи рабочего тела, магнитную систему с магнитными полюсами, имеющую по оси двигателя сквозную полость, и не связанный с системой подачи рабочего тела термокатод, отличающийся тем, что в двигатель включены, по крайней мере, одна катодная и две анодные тепловые трубы, причем встроенные в анод-газораспределитель анодные тепловые трубы направлены в сторону, противоположную выходу из двигателя, и в своей хвостовой части охватывают катодную тепловую трубу, проходящую через сквозную полость двигателя и установленную с зазором относительно нерабочей стороны катода, электрически изолированно от него, при этом в хвостовой части с внутренней стороны анодных тепловых труб, охватывая катодную тепловую трубу, установлен стартовый нагреватель, причем снаружи анодных тепловых труб, охватывая их, и в примыкающей к катоду части катодной тепловой трубы смонтированы тепловые экраны.

2. Двигатель с замкнутым дрейфом электронов по п.1, отличающийся тем, что хвостовые части катодных тепловых труб, обращенные к ним хвостовые части анодных тепловых труб и часть противоположного конца катодной тепловой трубы, обращенная к катоду, покрыты шпинелью.

3. Двигатель с замкнутым дрейфом электронов по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя катодных и анодных тепловых труб используется натрий.