ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА Российский патент 2014 года по МПК F03H1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Предметом изобретения является плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла, содержащий основной кольцевой канал ионизации и ускорения, имеющий открытый выходной конец, по меньшей мере, один катод, кольцевой анод, концентричный основному кольцевому каналу, трубопровод и распределитель для подачи способного к ионизации газа в канал и магнитную цепь создания магнитного поля в основном кольцевом канале.

В частности, изобретение относится к плазменному маневровому реактивному двигателю на основе эффекта Холла, используемому для перемещения спутников с помощью электричества.

Уровень техники

Долговечность плазменных реактивных двигателей на основе эффекта Холла по существу определяется эрозией изолирующего керамического канала под действием бомбардировки ионами. Вследствие рельефа электрического потенциала в канале часть создаваемых ионов ускоряется в радиальном направлении к стенкам.

Удлинение срока службы телекоммуникационных спутников и повышение требуемых скоростей выброса плазмы (в частности, для так называемых двигателей с высоким удельным импульсом) требуют все большей долговечности, которую уже не может обеспечивать обычная керамика на основе нитрида бора.

Высокая стойкость к ионной бомбардировке некоторых проводящих или полупроводящих материалов, таких как графит, теоретически делают их идеальными кандидатами для изготовления выпускных каналов реактивных двигателей на основе эффекта Холла. Идея использования проводящих материалов и, в частности, графита была исследована в США группой авторов Y.Raitses и др. (Принстонский университет). Эти исследования показали преимущества графита в отношении долговечности, однако при этом не было попыток решить проблему потери эффективности, связанную с коротким замыканием плазмы.

Выявленная низкая эффективность вследствие применения проводящих материалов до сих пор сдерживала их широкое использование в конструкции каналов ускорения плазменных реактивных двигателей.

Таким образом, в настоящее время выпускные каналы реактивных двигателей на основе эффекта Холла изготавливаются из однородной изоляционной керамики, чаще всего на основе нитрида бора или диоксида кремния (материалов BN-SiO₂). Керамика на основе нитрида бора обеспечивает реактивным двигателям на основе эффекта Холла повышенную эффективность, однако подвержена быстрой эрозии под действием ионной бомбардировки, что снижает срок службы реактивных двигателей примерно до 10000 часов и ограничивает их работу при высоких значениях удельного импульса.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и, в частности, повышение долговечности плазменных реактивных двигателей на основе эффекта Холла при сохранении высокого уровня их энергетической эффективности.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет плазменного реактивного двигателя на основе эффекта Холла, содержащего основной кольцевой канал ионизации и ускорения, имеющий открытый выходной конец, по меньшей мере, один катод, кольцевой анод, концентричный основному кольцевому каналу, трубопровод с распределителем для подачи способного к ионизации газа в канал и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале, отличающегося тем, что основной кольцевой канал содержит расположенные вблизи открытого конца участок внутренней кольцевой стенки и участок наружной кольцевой стенки, каждый из которых содержит пакет расположенных рядом друг с другом проводящих или полупроводящих колец в виде отдельных пластин, разделенных тонкими слоями изолирующего материала.

В оптимальном случае каждое проводящее или полупроводящее кольцо разделено на сегменты, расположенные вдоль угловых секторов и изолированные друг от друга.

Предпочтительно сегменты каждого проводящего или полупроводящего кольца расположены в шахматном порядке относительно сегментов соседних проводящих или полупроводящих колец.

Согласно предпочтительной характеристике изобретения тонкие слои изолирующего материала расположены на всех поверхностях проводящего или полупроводящего кольца за исключением поверхности, определяющей часть внутренней стенки основного кольцевого канала.

Пакет проводящих или полупроводящих колец может по длине внутренней и наружной кольцевых стенок может длину меньше общей длины основного кольцевого канала.

Согласно частному примеру осуществления проводящие или полупроводящие кольца изготовлены из графита, а тонкие слои изолирующего материала выполнены из пиролитического нитрида бора.

Толщина проводящих или полупроводящих колец имеет порядок ларморовского радиуса электрона.

Их максимальную толщину а определяют в соответствии с выражением:

$$a<\frac{8}{3}r$$

где r - ларморовский радиус электронов,

при этом следующее условие определяет азимутальный угол разделения:

$$R,\alpha <\text{5 abs }\left(\frac{{Е}_Z}{{Е}_t}\right),\text{ r}$$

где Е_Z, Е_t - электрическое поле вдоль оси и азимута,

R - радиус кромки сегмента кольца, находящейся в контакте с плазмой,

α - угол сегмента кольца.

Согласно примеру осуществления проводящие или полупроводящие кольца имеют толщину от 0,7 до 0,9 мм, а тонкие слои изолирующего материала имеют толщину от 0,04 до 0,08 мм.

Согласно изобретению псевдоизолирующий выпускной канал выполнен из набора колец или участков колец, изготовленных из проводящего или полупроводящего материала и покрытых тонким слоем изолирующей керамики.

Это позволяет повысить долговечность реактивного двигателя в 3-4 раза без потенциальной потери эффективности. При этом конструкция позволяет использовать преимущества низкой скорости эрозии проводящих материалов без сопряженных с ними недостатков, и канал может вести себя как электроизолирующий по отношению к плазме с максимальным ограничением электрических токов, возникающих в выпускном канале.

Таким образом, изобретение оптимизирует конструкцию выпускного канала плазменного реактивного двигателя на основе эффекта Холла за счет разделения проводящих или полупроводящих стенок на изолированные сегменты малых размеров, что вызывает существенное снижение тока короткого замыкания и предотвращает значительные потери эффективности.

Перемещение телекоммуникационных спутников связано с высокими экономическими затратами и любые усовершенствования плазменных источников тяги на основе эффекта Холла, которые в настоящее время считаются наиболее эффективными для продления жизнедеятельности спутника, представляют большой интерес. Настоящее изобретение непосредственно отвечает потребности в увеличении срока службы геостационарных спутников путем увеличения долговечности плазменных реактивных двигателей на основе эффекта Холла.

Изобретение обеспечивает также возможность работы реактивных двигателей с более высокими удельными импульсами (I_sp) при сохранении значительной долговечности. Таким образом, оно обеспечивает важное конкурентное преимущество перемещения посредством плазменного реактивного двигателя на основе эффекта Холла.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества изобретения будут ясны из последующего описания примеров осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:

фиг.1 схематично изображает на виде в аксонометрии с вырывом плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла, в котором может быть использовано изобретение,

фиг, 2 изображает на виде в аксонометрии одну четверть выпускного канала с пластинчатой конструкцией в соответствии с примером осуществления изобретения,

фиг.3 изображает на виде в аксонометрии предлагаемый вариант пластинчатой конструкции выпускного канала плазменного реактивного двигателя на основе эффекта Холла в соответствии с изобретением,

фиг.3А изображает в увеличенном виде предлагаемый вариант сегмента из проводящего или полупроводящего материала с изолирующим покрытием, используемого в пластинчатой конструкции по фиг.3, и

фиг.3В изображает вид в разрезе по линии IIIB-IIIB на фиг.3А.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показан пример выполнения плазменного реактивного двигателя на основе эффекта Холла, называемого также стационарным плазменным реактивным двигателем, в котором может использоваться изобретение и который может служить для обеспечения электрической тяги спутников.

Реактивный двигатель такого типа на основе эффекта Холла содержит следующие основные элементы:

- выпускной канал или основной кольцевой канал 120 ионизации и ускорения,

- кольцевой анод 125, концентричный основному кольцевому каналу 120,

- трубопровод 126 и распределитель, связанный с анодом 125 и с основным кольцевым каналом 120 для подачи в канал способного к ионизации газа, такого как ксенон,

- полый катод 140,

- магнитную цепь 131-136 создания магнитного поля в основном кольцевом канале.

Анод 125 и распределитель способного к ионизации газа позволяют вспрыскивать в двигатель топливо (такое, как ксенон) и получать электроны плазменного разряда. Полый катод 140 служит для генерирования электронов, что позволяет создавать в реактивном двигателе плазму и нейтрализовать реактивную струю ионов, выбрасываемых двигателем.

Магнитная цепь содержит внутренний полюс 134, внешний полюс 136, ярмо магнита, которое соединяет внутренний и наружный полюса 134, 136 и состоит из центрального ферромагнитного сердечника 133 и периферийных ферромагнитных стержней, одной или нескольких обмоток 131 вокруг центрального сердечника 133 и обмоток 132 вокруг периферийных стержней 135.

Магнитная цепь обеспечивает возможность удержания плазмы и создания сильного магнитного поля Е на выходе двигателя, что позволяет ускорять ионы до скоростей порядка 20 км/с.

Для создания магнитной цепи возможны различные варианты, и изобретение не ограничивается примером осуществления, описанным со ссылкой на фиг.1.

Выпускной канал 120 позволяет удерживать плазму, а его состав определяет рабочие характеристики двигателя.

Традиционно выпускной канал 120 изготавливается из керамики. Тяга двигателя обеспечивается выбросом струи ионов с высокой скоростью. Однако, поскольку струя слегка расходится, столкновение ионов высокой энергии со стенкой канала вызывает эрозию керамики на выходе двигателя.

Поэтому в соответствии с изобретением выпускной канал 120 содержит, по меньшей мере, один участок 127 внутренней кольцевой стенки и, по меньшей мере, один участок 128 наружной кольцевой стенки, расположенные вблизи открытого конца 129 канала, которые изготовлены из несплошной керамики. Каждый из этих участков содержит пакет расположенных рядом друг с другом проводящих или полупроводящих колец 150, составленных из отдельных пластин, разделенных тонкими слоями 152 изоляции (см. фиг.2).

Изобретение имеет целью значительное снижение эрозии выпускного канала реактивного двигателя. Оно позволяет также снизить энергетические потери и нестабильность выпуска, обычно свойственные реактивным двигателям на основе эффекта Холла, в которых используется выпускной канал из проводящего или полупроводящего материала. За счет использования таких более стойких к ионной бомбардировке по сравнению с керамикой материалов, как графит и карбиды, и благодаря пакету проводящих или полупроводящих колец (например, из графита), разделенных тонкими слоями изолирующего материала (например, из нитрида бора), изобретение позволяет одновременно снизить эрозию канала и уменьшить нестабильность выпуска.

Таким образом, выпускной канал 120 плазменного реактивного двигателя по изобретению может одновременно содержать верхнюю по потоку традиционную часть из керамики с донной стенкой 123, наружной цилиндрической стенкой 121 и внутренней цилиндрической стенкой 122 и нижнюю по потоку часть, расположенную между верхней по потоку частью и открытым концом 129 и содержащую цилиндрическую наружную стенку 128 и цилиндрическую внутреннюю стенку 127. Каждая из них образована пластинчатой конструкцией, состоящей из расположенных рядом друг с другом проводящих или полупроводящих колец 150, которые разделены тонкими слоями 152 изолирующего материала, но имеют не покрытую изолирующим материалом поверхность 151 с внутренней стороны, обращенной к внутреннему пространству 124 кольцевого канала 120.

Кроме того, для исключения возможных азимутальных токов короткого замыкания, вызываемых колебаниями потенциала вдоль азимута (вследствие дефектов симметрии, азимутальных волн и других причин), предпочтительно кольца 150 составляют из множества изолированных угловых сегментов, каждый из которых имеет протяженность углового сектора Δθ (фиг.3 и 3А). Таким образом, каждое кольцо 150 может содержать, например, от 10 до 30 сегментов 150а, 150b.

Предпочтительно сегменты 150а одного проводящего или полупроводящего кольца 150 расположены в шахматном порядке относительно сегментов 150b соседних колец 150 (фиг.3).

Как видно на фиг.3А, тонкие слои 152, 153, 154, 155 изолирующего материала нанесены на всех поверхностях сегмента проводящего или полупроводящего кольца 150 за исключением поверхности 151, которая определяет часть внутренней стенки основного кольцевого канала 120.

В качестве примера пакет проводящих колец 150 занимает от 20 до 50%, предпочтительно от 30 до 40% общей длины внутренней и наружной кольцевых стенок основного кольцевого канала 120, однако этот диапазон не является ограничительным.

Размеры проводящих или полупроводящих колец 150 могут быть установлены на основе расчета электронных потоков, получаемых и испускаемых стенками. В первом приближении может быть показано, что циркулирующий в стенках ток короткого замыкания пропорционален собираемому ионному току, который при постоянной электронной температуре и плотности плазмы примерно пропорционален проводящей поверхности, находящейся в контакте с плазмой.

При этом для заданного осевого электрического поля разность потенциалов на проводящем элементе примерно пропорциональна его осевой протяженности. Из этого следует, что для канала определенного размера совокупность потерь от эффекта Джоуля за счет короткого замыкания плазмы примерно пропорциональна толщине колец. Может быть также показано, что ток короткого замыкания становится незначительным по сравнению с токами, связанными с вторичной электронной эмиссией (единственные токи, присутствующие в случае наличия изолирующего материала), когда толщина колец имеет порядок ларморовского радиуса электрона. Это определяет критическую толщину колец, позволяющую получить псевдоизолирующий канал.

В качестве примера проводящие кольца 150, например, из графита с низким коэффициентом расширения могут иметь толщину от 0,7 до 0,9 мм, в типовом случае равную 0,8 мм.

Тонкие слои 152-155 изолирующего материала, например, из пиролитического нитрида бора могут иметь толщину от 0,04 до 0,08 мм, в типовом случае равную 0,05 мм, и могут быть нанесены на сегменты проводящих колец 150 способом химического осаждения из газовой фазы таким образом, чтобы покрывать каждый сегмент по всей его поверхности за исключением края 151, находящегося в контакте с плазмой.

Изобретение относится к плазменному маневровому реактивному двигателю на основе эффекта Холла, используемому для перемещения спутников с помощью электричества. Плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла содержит основной кольцевой канал ионизации и ускорения. Канал имеет открытый выходной конец. Двигатель также содержит, по меньшей мере, один катод, кольцевой анод, трубопровод с распределителем для подачи способного к ионизации газа в основной кольцевой канал и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале. Анод концентричен основному кольцевому каналу. Основной кольцевой канал содержит расположенные вблизи открытого выходного конца участок внутренней кольцевой стенки и участок наружной кольцевой стенки. Каждый из указанных участков содержит пакет расположенных рядом друг с другом проводящих или полупроводящих колец в виде пластин. Пластины разделены тонкими слоями изолирующего материала. Техническим результатом является устранение указанных в описании недостатков и, в частности, повышение долговечности плазменных реактивных двигателей на основе эффекта Холла при сохранении высокого уровня их энергетической эффективности. 9 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла, содержащий основной кольцевой канал (120) ионизации и ускорения, имеющий открытый выходной конец (129), по меньшей мере, один катод (140), кольцевой анод (125), концентричный основному кольцевому каналу (120), трубопровод (126) с распределителем для подачи способного к ионизации газа в основной кольцевой канал (120) и магнитную цепь (131-136) для создания магнитного поля в основном кольцевом канале (120), отличающийся тем, что основной кольцевой канал (120) содержит расположенные вблизи открытого выходного конца (129) участок (127) внутренней кольцевой стенки и участок (128) наружной кольцевой стенки, каждый из которых содержит пакет расположенных рядом друг с другом проводящих или полупроводящих колец (150) в виде пластин, разделенных тонкими слоями (152) изолирующего материала.

2. Плазменный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждое проводящее или полупроводящее кольцо (150) разделено на сегменты, расположенные вдоль угловых секторов и изолированные друг от друга.

3. Плазменный реактивный двигатель по п.2, отличающийся тем, что сегменты каждого проводящего или полупроводящего кольца (150) расположены в шахматном порядке относительно сегментов соседних проводящих или полупроводящих колец (150).

4. Плазменный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что тонкие слои изолирующего материала расположены на всех поверхностях проводящего или полупроводящего кольца (150) за исключением поверхности (151), определяющей часть внутренней стенки основного кольцевого канала (120).

5. Плазменный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что пакет проводящих колец (150) занимает участок (127) внутренней кольцевой стенки и участок (128) наружной кольцевой стенки, составляющий от 20 до 50% общей длины основного кольцевого канала (120).

6. Плазменный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что проводящие или полупроводящие кольца (150) изготовлены из графита.

7. Плазменный реактивный двигатель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что тонкие слои (152) изолирующего материала выполнены из пиролитического нитрида бора.

8. Плазменный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что толщина проводящих или полупроводящих колец (150) имеет порядок ларморовского радиуса электрона.

9. Плазменный реактивный двигатель по п.6, отличающийся тем, что проводящие или полупроводящие кольца (150) имеют толщину от 0,7 до 0,9 мм.

10. Плазменный реактивный двигатель по п.7, отличающийся тем, что тонкие слои (152) изолирующего материала имеют толщину от 0,04 до 0,08 мм.