ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2014 года по МПК B64G1/40 F03H1/00 

Изобретение относится к ионному двигателю для космического аппарата, включающему в себя высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, и подходящую систему для ускорения ионов.

Для космических полетов во все возрастающем объеме используются электрические двигательные установки для того, чтобы обеспечивать тягу спутникам или космическим зондам после их отделения от ракеты-носителя. Специально для коррекции орбиты геостационарных спутников связи (так называемое удержание на орбите) используются электрические двигательные установки. Для этого применяются, прежде всего, ионные двигательные установки и плазменные двигательные установки SPT. Оба типа производят тягу при выбросе ускоренных ионов. Для предотвращения зарядки спутника выбрасываемый ионной поток нейтрализируется. Обычно необходимые для этого электроны обеспечиваются отдельным источником электронов и посредством плазменной связи вводятся в ионный поток.

В ионных двигательных установках с радиочастотной ионизацией (Radio Frequency Ion Thruster, RIT) топливо ионизируется посредством переменного электромагнитного поля и затем ускоряется электростатическим полем для создания тяги. После прохождения нейтрализатора, который снова добавляет электроны в ионный луч и компенсирует созданный положительный пространственный заряд, частицы выбрасываются в форме луча. Для работы такого ионного двигателя требуются подача газа, высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, а также источники высокого напряжения для создания поля, ускоряющего носители заряда. В обычных решетчатых системах для создания электростатического поля для ускорения ионов необходимо координировать напряжения высоковольтного генератора и системы решеток для создания тяги. Для нейтрализатора для нейтрализации положительного ионного луча посредством электронов из источника электронов также необходим по меньшей мере один источник напряжения.

Ионный двигатель отличается простой конструкцией и высокой надежностью. Однако электронные компоненты, необходимые для электропитания описанных конструктивных узлов, являются сложными и дорогостоящими.

Поэтому задачей данного изобретения является разработка ионного двигателя для космического аппарата, прежде всего двигательной установки RIT, которая была бы конструктивно проще и дешевле в изготовлении. Далее, задачей данного изобретения является разработка способа эксплуатации ионного двигателя, прежде всего двигательной установки RIT, с помощью которого можно повысить эксплуатационную надежность и минимизировать затраты на управление.

Данная задача решена посредством ионного двигателя, охарактеризованного в п.1 формулы, и соответствующего способа эксплуатации ионного двигателя. Преимущественные конструктивные выполнения следуют из зависимых пунктов.

Объектом изобретения является ионный двигатель для космического аппарата, включающий в себя высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, прежде всего газа, и подходящую систему ускорения полученных носителей заряда. Изобретение отличается тем, что ионный двигатель включает в себя первое средство, обеспечивающее получение высоких напряжений, необходимых для системы ускорения носителей заряда, из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором для создания переменного электромагнитного поля.

Предлагаемый в изобретении ионный двигатель представляет собой ионную двигательную установку с высокочастотной, прежде всего радиочастотной, ионизацией (Radio Frequency Ion Thruster, RIT). В качестве топлива, прежде всего, используется газ, например ксенон. Ионный двигатель согласно изобретению имеет преимущество в том, что посредством упрощения системы электропитания можно уменьшить массу ионного двигателя по сравнению с обычными ионными двигателями. Одновременно повышается эксплуатационная надежность и минимизируются затраты на управление.

В одном конструктивном выполнении система ускорения носителей заряда содержит первую решетку, прежде всего экранирующую решетку, и по меньшей мере одну вторую решетку, прежде всего решетку ускорения. Если решетчатая система имеет больше, чем названные две решетки, то необходимое для дополнительных решеток высокое напряжение с помощью первого средства получают из вырабатываемых высокочастотным генератором токов и/или напряжений.

В первом конструктивном выполнении первое средство для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором мощности включает в себя по меньшей мере один соединенный с высокочастотным генератором конденсатор.

В альтернативном варианте конструктивного выполнения первое средство для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором мощности включает в себя по меньшей мере одну соединенную с высокочастотным генератором катушку связи, на катушечных выводах которой обеспечены необходимые для системы ускорения, в частности решетчатой системы, напряжения. В частности, по меньшей мере одна катушка связи выполнена в виде вторичной обмотки трансформатора, которая связана с катушкой высокочастотного генератора как первичной обмоткой трансформатора.

Выполненный с возможностью интеграции в высокочастотную систему высоковольтный трансформатор обеспечивает на своем выходе напряжения для ускорительной системы. Также может быть предусмотрено, что по меньшей мере одна катушка связи имеет отвод или несколько отводов, гальванически развязанный(-ых) от катушки высокочастотного генератора.

Факультативно, может быть предусмотрено второе средство для выпрямления напряжений, отбираемых от высокочастотного генератора для системы ускорения (решетчатой системы). Прежде всего, предусмотрено выпрямление напряжений для ускорительной системы ионного двигателя, источников ионов, нейтрализаторов или источников электронов.

Далее может оказаться целесообразным предусмотреть третье средство для сглаживания выпрямленных напряжений для ускорительной системы. Система сглаживания может быть выполнена посредством контура из катушек (L), и/или конденсаторов (С), и/или резисторов (R). Прежде всего, для сглаживания могут быть предусмотрены LC-, L-, С- или RLC-контуры. Помимо этого, контур из катушек, и/или конденсаторов, и/или резисторов также предназначен для того, чтобы оптимизировать положение по фазе системы ускорения. В радиочастотной ионной двигательной установке положение по фазе и напряжения следует, предпочтительно, настроить таким образом, чтобы средний ионный поток соответствовал среднему электронному потоку. Последнее, как уже разъяснено в начале, также может обеспечиваться отдельным нейтрализатором.

Для надлежащей эксплуатации ионного двигателя соответствующие компоненты должны обеспечиваться соответствующим напряжением питания. Установка соотношения напряжений между соответствующими напряжениями решетчатой системы и напряжением высокочастотного генератора в соответствии с одним конструктивным выполнением происходит посредством высоковольтного каскада, включающего в себя несколько конденсаторов и диодов, и/или посредством отношения количества витков катушки высокочастотного генератора к количеству витков катушки связи. Посредством высоковольтного каскада можно увеличить создаваемое высокочастотным генератором напряжение. Подобная каскадная схема также известна под термином "генератор подкачки заряда".

Согласно следующему предпочтительному выполнению предусмотрен по меньшей мере один управляемый выключатель между высокочастотным генератором и системой ускорения для управления во времени потоком носителей заряда. По меньшей мере один управляемый выключатель может быть выполнен как механический, так и электронный выключатель. Прежде всего, могут быть предусмотрены полупроводниковые коммутаторы.

В следующем выполнении предусмотрено четвертное средство для перемены полярности напряжений на решетчатой системе для экстракции и ускорения ионов и электронов. В данном выполнении можно отказаться от использования, включенного за первым средством выпрямителя, так как полярность на компонентах системы ускорения изменяется относительно друг друга и производится попеременная выработка электронов и ионов. Целесообразно выбирать напряжения на системе ускорения таким образом, чтобы поток ионов предпочтительно был эквивалентен потоку электронов. На фазировку компонентов системы ускорения, как уже разъяснялось, можно воздействовать посредством подходящих RCL-контуров. Дополнительное преимущество данного выполнения состоит в том, что можно отказаться от отдельного нейтрализатора, благодаря чему получается дополнительное упрощение ионного двигателя.

В альтернативном выполнении ионный двигатель имеет один нейтрализатор, при этом необходимое для его работы напряжение отбирается от вырабатываемых высокочастотным генератором токов и/или напряжений для создания переменного электромагнитного поля и, прежде всего, обеспечивается первым средством. Ионный двигатель согласно изобретению в данном выполнении обеспечивает отсутствие отдельного источника напряжения для работы нейтрализатора. Благодаря этому создается уже разъясненная упрощенная конструкция при сниженной массе ионной двигательной установки.

Также объектом изобретения является способ эксплуатации ионного двигателя для космического аппарата, который включает в себя высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, и решетчатую систему с подходящей системой ускорения носителей заряда. Согласно изобретению необходимые для системы ускорения носителей заряда высокие напряжения получают из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором для создания переменного электромагнитного поля. С этим связаны те же самые преимущества, какие были разъяснены выше в связи с соответствующим изобретению ионным двигателем.

Далее изобретение подробнее описывается на основании одного примера выполнения.

Единственная фигура отображает схематический вид поперечного сечения ионного двигателя согласно изобретению.

Ионный двигатель 1 имеет разрядную камеру 2 (ионизатор). Через непоказанный клапан на впускном отверстии 3 в разрядную камеру 2 для ионизации может подаваться топливо, например ксенон газ. Намотанная вокруг разрядной камеры 2 катушка 5 вместе с высокочастотным генератором 4 для создания переменного электромагнитного поля выполнена внутри разрядной камеры 2 для ионизации топлива. На противолежащем входному отверстию 3 конце разрядной камеры 2 предусмотрено выпускное отверстие 6. К выпускному отверстию 6 примыкает решетчатая система 7, которая в качестве первой решетки 8 имеет экранирующую решетку (якорь границы плазмы), а в качестве второй решетки 9 имеет решетку ускорения. Для работы решетчатой системы 7 первая решетка 8 требует положительного, а вторая решетка 9 - отрицательного высокого напряжения. Положительное напряжение питания снимается с потенциальной клеммы 10 для первой решетки 8, а отрицательное высокое напряжение - с потенциальной клеммы 11 для второй решетки 9.

Показанный на примере выполнения ионный двигатель 1 известным способом имеет нейтрализатор 14. Последний включает в себя камеру 15, через входное отверстие 17 которой в камеру 15 вводится газ, например ксенон. Камера 15 охватывается электродами 16a, 16b так, что на выходном отверстии 18 камеры 15 можно создать эквивалентный ионному пучку 19 пучок 24 электронов для нейтрализации ионного пучка 19. На потенциальные клеммы 25а, 25b электродов 16a, 16b нейтрализатора подается высокое напряжение для питания нейтрализатора.

Путем изменения полярности на решетчатой системе 7 ионного двигателя 1 вместо ионов из разрядной камеры 2 также можно извлекать электроны и ускорять их посредством решетчатой системы 7. Путем соответствующего выбора времени экстракции ионов и электронов и/или значения напряжений на потенциальных контактах 10, 11 для обеих фаз извлечения можно установить эквивалентный ионному потоку поток электронов. В этом случае можно отказаться от нейтрализатора 14.

Таким образом, ионный двигатель 1 известным способом включает в себя три функциональные зоны: зону 50 для выработки ионов, зону 52 для ускорения ионов и факультативную зону 54 для нейтрализации ионного луча.

Выработка необходимых для работы ионного двигателя высоких напряжений для решетки 7 и факультативного нейтрализатора 14 происходит не собственными источниками напряжения питания, а посредством первого средства 12, с помощью которого из вырабатываемых высокочастотным генератором 4 токов и/или напряжений получают высокие напряжения, необходимые для решетчатой системы 7 и факультативного нейтрализатора. На фигуре получение соответствующих высоких напряжений символизируется связью (стрелка 13) между высокочастотным генератором 4 и первым средством 12.

Получение высоких напряжений и обеспечение их наличия на потенциальных клеммах 10, 11 и факультативных 25а, 25b может происходить, например, таким образом, что часть высокочастотной мощности отбирается посредством конденсаторов (не показано) от соединенной с высокочастотным генератором 4 катушки 5. В таком выполнении приложенное к конденсаторам напряжение посредством второго средства выпрямляется выпрямителем 22 и, факультативно, сглаживается с помощью третьего средства 23. Если необходимое для решеток 8, 9 решетчатой системы 7 напряжение выше, чем отбираемое из высокочастотной цепи напряжение, то в первом средстве 12 может быть предусмотрена каскадная схема, включающая в себя конденсаторы и диоды, которая повышает напряжение до необходимого значения. Соответствующая схема также может быть предусмотрена для электродов 16a, 16b нейтрализатора.

Альтернативно, необходимые для работы решетчатой системы 7 и факультативного нейтрализатора 14 напряжения могут быть обеспечены посредством по меньшей мере одной катушки связи (не показано), с отводов которой снимают необходимые для решетчатой системы напряжения. В одном варианте, например, в высокочастотную систему может быть интегрирован высоковольтный трансформатор, так что на его выходе имеются необходимые для решетчатой системы напряжения. Точно также непосредственно в разрядной камере 2 могут быть размещены одна или несколько катушек связи (не показаны), имеющие один или несколько отводов. Катушка или катушки связи могут быть выполнены таким образом, что они имеют гальваническую развязку с катушкой 5 для ионизации топлива. Предпочтительно катушка или катушки связи размещаются таким образом, что обеспечивается хорошая связь катушки 5 и катушки или катушек для решетчатой системы 7 или факультативным нейтрализатором 14.

Другие вышеописанные средства 22 и 23 для выпрямления и сглаживания напряжений также могут быть предусмотрены при наличии катушек связи. Во всяком случае, при отборе мощности с помощью катушек возможно дальнейшее упрощение приводной системы, так как также можно отказаться и от последующего выпрямления. В этом случае полярность решеток 8, 9 решетчатой системы изменяется друг относительно друга, так что электроны и ионы вырабатываются попеременно. При этом напряжения на решетках 8, 9 следует выбирать таким образом, чтобы, предпочтительно, поток ионов был эквивалентен потоку электронов. При определенных обстоятельствах, необходимо согласование фазировки на якоре границы плазмы 8 и на решетке 9 ускорения, на которую можно воздействовать посредством подходящих схем RCL (не показано).

В общем случае, средства 22 и 23 для выпрямления и сглаживания в ионном двигателе, который работает без нейтрализатора 14, могут отсутствовать. В таком двигателе посредством измерения полярности напряжений на решетках 8, 9 из разрядной камеры 2 извлекаются и ускоряются как электроны, так и ионы. Каскады LC, L, С или RLC могут использоваться для того, чтобы оптимизировать фазировку на решетках 8, 9. Предпочтительно фазировку и напряжения следует регулировать таким образом, чтобы средний ионный поток соответствовал среднему электронному потоку.

В средстве 12 для обеспечения напряжения схематически показаны два выключателя 20, 21, которые могут быть выполнены в виде механических или электронных коммутаторов. Выключатели 20, 21 предназначены для того, чтобы поддерживать экранирующую решетку 8 и/или решетку 9 ускорения в обесточенном состоянии, даже если топливо в разрядной камере 2 ионизируется. При необходимости, для всех решеток решетчатой системы 7 может быть предусмотрен единственный выключатель.

С ростом высокочастотной мощности также растут и напряжения на потенциальных клеммах 10, 11 решеток 8, 9. Это является ионооптически благоприятным, так как повышающееся вместе с увеличенной высокочастотной мощностью увеличение плотности плазмы также требует более высокого напряжения эмиссии.

Предлагаемый в изобретении ионный двигатель имеет преимущество в том, что можно значительно упростить систему электропитания. За счет этого возможна экономия массы. Кроме того, повышается эксплуатационная надежность и минимизируются затраты на управление. Далее, можно реализовать двигатель без отдельного нейтрализатора. Это обеспечивается с помощью средства обеспечения напряжения питания, с помощью которого являются отбираемыми необходимые высокие напряжения из вырабатываемых высокочастотным генератором токов и/или напряжений. Прежде всего, можно обеспечить подачу напряжений питания для решеток высокочастотных ионных двигательных установок, высокочастотных источников ионов, высокочастотных нейтрализаторов или высокочастотных источников электронов.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 Ионный двигатель

2 Разрядная камера

3 Впускное отверстие

4 Высокочастотный генератор

5 Катушка высокочастотного генератора

6 Выпускное отверстие

7 Решетчатая система

8 Экранирующая решетка/якорь границы плазмы (первая решетка)

9 Решетка ускорения (вторая решетка)

10 Потенциальная клемма для первой решетки 8

11 Потенциальная клемма для второй решетки 9

12 Средство обеспечения подачи напряжения питания

13 Связь (схематично)

14 Нейтрализатор

15 Камера

16а, 16b Электрод

17 Впускное отверстие

18 Выпускное отверстие

19 Ионный поток

20 Выключатель

21 Выключатель

22 Средство выпрямления

23 Средство сглаживания

24 Электронный поток

25а, 25b Потенциальная клемма

50 Выработка ионов

52 Ускорение ионов

54 Нейтрализация ионного потока

Группа изобретений относится к ионному двигателю (ИД) для космического аппарата и способу его эксплуатации. ИД (1) включает в себя ионизационную камеру (2) с высокочастотным генератором (4) ионизирующего электромагнитного поля. Система (7) ускорения носителей заряда имеет экранирующую (8) и ускоряющую (9) решетки. ИД снабжен нейтрализатором (14). Высокие напряжения для системы (7) и, возможно, нейтрализатора (14) получают с помощью первого средства (12), которое отбирает эти напряжения из цепи генератора (4). Высокочастотная мощность может отбираться посредством конденсаторов или катушек. Могут быть предусмотрены средства (22) и (23) для выпрямления и сглаживания напряжений. Техническим результатом группы изобретений является создание конструктивно более простого и недорогого ионного двигателя, эксплуатация которого обеспечивает надежность и минимальные затраты на управление. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ионный двигатель (1) для космического аппарата, включающий в себя высокочастотный генератор (4) для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, подходящую систему (7) ускорения носителей заряда для создания электростатического поля и первое средство, обеспечивающее получение высоких напряжений, необходимых для системы (7) ускорения носителей заряда, из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором (4) для создания переменного электромагнитного поля, причем первое средство (12) для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором (4) мощности включает в себя по меньшей мере один конденсатор, связанный с высокочастотным генератором (4), или по меньшей мере одну соединенную с высокочастотным генератором (4) катушку связи, на катушечных выводах которой обеспечены необходимые для системы (7) ускорения высокие напряжения.

2. Ионный двигатель по п.1, в котором система ускорения носителей заряда содержит первую, в основном экранирующую решетку, и по меньшей мере одну вторую, в основном ускоряющую решетку.

3. Ионный двигатель по п.1, в котором по меньшей мере одна катушка связи выполнена в виде вторичной обмотки трансформатора, которая связана с катушкой высокочастотного генератора (4) как с первичной обмоткой трансформатора.

4. Ионный двигатель по п.1, в котором по меньшей мере одна катушка связи имеет отвод или несколько отводов, гальванически развязанных от катушки высокочастотного генератора (4).

5. Ионный двигатель по п.3, в котором по меньшей мере одна катушка связи имеет отвод или несколько отводов, гальванически развязанных от катушки высокочастотного генератора (4).

6. Ионный двигатель по п.1, в котором предусмотрено второе средство (22) для выпрямления напряжений, отбираемых от высокочастотного генератора (4) для системы (7) ускорения.

7. Ионный двигатель по п.6, в котором предусмотрено третье средство (23) для сглаживания выпрямленных напряжений для системы (7) ускорения.

8. Ионный двигатель по п.1, в котором установка соотношения между напряжениями системы (7) ускорения и напряжением высокочастотного генератора (4) происходит посредством высоковольтного каскада, включающего в себя несколько конденсаторов и диодов, и/или требуемым отношением количества витков катушки высокочастотного генератора (4) к количеству витков катушки связи.

9. Ионный двигатель по п.1, в котором для разделения напряжения питания предусмотрен по меньшей мере один управляемый выключатель (20, 21) между высокочастотным генератором (4) и системой (7) ускорения.

10. Ионный двигатель по п.7, в котором предусмотрено четвертое средство для изменения полярности напряжений на системе (7) ускорения для экстракции и ускорения ионов и электронов.

11. Ионный двигатель по п.1, в котором ионный двигатель (1) имеет отдельный нейтрализатор (14), питаемый напряжением, получаемым в основном с помощью первого средства (12), из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором (4) для создания переменного электромагнитного поля.

12. Способ эксплуатации ионного двигателя (1) для космического аппарата, включающего в себя высокочастотный генератор (4) для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, и решетчатую систему (7) с подходящей системой (8, 9) ускорения носителей заряда, характеризующийся тем, что необходимые для системы ускорения носителей заряда высокие напряжения получают из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором (4) для создания переменного электромагнитного поля, причем для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором (4) мощности используют по меньшей мере один конденсатор, связанный с высокочастотным генератором (4), или по меньшей мере одну соединенную с высокочастотным генератором (4) катушку связи, на катушечных выводах которой обеспечивают необходимые для системы (7) ускорения высокие напряжения.