УСКОРИТЕЛЬ ПЛАЗМЫ Российский патент 2015 года по МПК H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к области космической техники и может использоваться в качестве электроплазменного двигателя для перемещения космических объектов и в плазменной технологии для получения порошков, напыления и обработки материалов плазмой.

Известен ускоритель плазмы "Ионные и плазменные установки", Гос. Комитет по использованию атомной энергии СССР, Сборники №20, 21 "Электродуговой двигатель с высоким удельным импульсом" (по обзору иностранной печати с1958 по 1964 годы); Ducati А.С."Study of the Factors Affecting the Efficiency in Termal Acceleration of Propellants", Sixth Quarterly Technical Report No. 6GS-113-1161 to AFOSR under contract 49(698)-l 161.oct 1963; "High Speciefic Impulse Termo-Jonic Acceleration" PRe-114-a, Giannini G. Scientific Corporation, Dec. 1963 (a recent abstract has, ban published asa technical note in the AIAA Journal August 1964) (аналог); содержащий коаксиально расположенные катод, радиально секционированный анод с регулируемым подводом тока к каждой секции, подвод рабочего тела через катод и изоляторы.

Недостатком этого ускорителя являются невозможность преодоления кризисного режима, который характеризуется резким повышением напряжения разряда, низкие эффективность, удельный импульс и малый ресурс. Значительные размеры секций и регулируемый подвод тока к каждой секции не позволяют достичь равномерности распределения тока по всей рабочей поверхности анода. Дефицит рабочего тела в зоне анода при увеличении тока приводит к локализации разряда в пределах одной секции, доли которой достаточно для ее разрушения, что сокращает ресурс ускорителя. Принудительное регулирование тока с помощью балластного сопротивления на каждую секцию анода усложняет конструкцию ускорителя, снижает его надежность.

Известен ускоритель плазмы "Разработка и исследование перспективных электродных узлов магнитоплазменных двигателей", 2009 г., МАИ, Москва; Диссертация к.т.н. Сысоева Д.В., Специальность 05. 07. 05 (прототип), содержащий коаксиально расположенные катод с подводом рабочего тела, вольфрамовый анод, состоящий из внешней монолитной части и внутренней из секций в виде проволок, направленных свободными концами в сторону катода, с подводом тока к ним на срезе анода через внешнюю монолитную часть, систему подачи рабочего тела в виде плазмы через зазоры между проволоками анода и изоляторы.

Недостатком этого ускорителя являются невозможность работы на кризисном режиме, который характеризуется резким ростом напряжения разряда, низкие эффективность, удельный импульс и малый ресурс. С увеличением тока плазма, подаваемая через промежутки между секциями из проволок анода к основанию катода, реализуется в начале катодного плазменного столба, который стремится сжаться. Концентрация частиц в зоне анода уменьшается. Распределенный разряд не удерживается на секциях из проволок и выносится на срез анода, локализуется на монолитной части анода и разрушает подвод тока к секциям из проволок. В связи с этим невозможно выйти на кризисный режим с повышенным напряжением, без чего невозможно достигнуть высокого удельного импульса и эффективности ускорителя.

Целью изобретения является повышение эффективности, удельного импульса и ресурса ускорителя плазмы путем перехода на кризисный режим работы. Это достигается тем, что секции анода выполнены из направленных вдоль оси ускорителя плоских трубок с отводами, расположенных широкой частью в радиальной плоскости с зазором между собой; отводы повернуты под углом меньше 90° к оси ускорителя; свободными концами отводов с отверстиями образована дискретная, например, цилиндрическая рабочая поверхность анода; первый отвод длиной, равной его ширине, установлен на расстоянии больше половины диаметра анода от среза катода, длина остальных отводов увеличена пропорционально их количеству; проходное сечение отверстия трубки равно или больше суммы проходных сечений отводов; основания трубок герметично соединены с коллектором, корпус которого и подвод рабочего тела к нему выполнены на подводе тока к аноду; снаружи анода установлен нейтральный экран. С целью размещения максимального количества секций на аноде и обеспечения необходимой прочности отношение толщины трубок и отводов к ширине выполнено в интервале от 1/1 до 1/30, сечение стенок трубок и отводов от 0,1 мм² до 30 мм², причем толщина стенок переменная. С целью равномерного распределения тока по трубкам анода отношение длины трубок к толщине больше 100/1. С целью исключения контакта зазор между трубками устанавливают не менее 0,1 мм. С целью увеличения объемного ускорения под действием электродинамической силы, путем распределения разряда по отводам вдоль анода, количество отводов на каждой трубке от 1 до 5 и более. Снаружи анода установлен нейтральный экран. Чтобы обеспечить беспрепятственное прохождение расхода рабочего тела через отводы, сечение отверстий в интервале от 0,03 мм до 1,0 мм определяют по формуле:

$$S_{отв}=\frac{k{I}_{пр.}T}{2\xi e\nu p{t}_m{t}_{отв.}},$$ где

S_отв - сечение отверстий отводов [м²];

k - постоянная Больцмана [Дж/К];

I_пр - предельный ток [А], соответствующий началу резкого роста напряжения разряда;

Т - температура отводов трубки [К];

$$\xi =\frac{M}{e}\cdot \frac{Iпр.}{m\Sigma }$$ - параметр обмена [безразмерная величина], где

М - масса иона;

e - заряд электрона [кулон];

m_Σ - суммарный расход рабочего тела [кг/с];

v - скорость потока рабочего тела по отводу [м/сек];

p - давление в трубке [Н/м²];

t_т - количество трубок [шт.];

t_отв - количество отводов [шт.].

Формула выведена при условии, что через анод подают половину суммарного расхода рабочего тела. При других соотношениях вместо коэффициента 2 в знаменателе ставят соответствующее значение. Количество трубок, их размеры и зазоры между ними в указанных пределах подбираются по мощности и току разряда, которые могут варьироваться в широком диапазоне в зависимости от назначения ускорителя плазмы. При этом максимально допустимая плотность тока на дискретной рабочей поверхности анода не должна превышать 20 А/мм².

На фиг.1 представлена конструкция ускорителя плазмы; на фиг.2 - изображения торца, работающих ускорителей; на фиг.3 - рисунок формы разряда дуги одновременно с двумя плазменными потоками, с катода и с анода; на фиг.4 - график вольтамперной характеристики и зависимости тяги от квадрата тока; на фиг.5 - график распределения массового расхода по радиусу; на Фиг.6 - осциллограммы работающих ускорителей.

Устройство содержит катод 1, подвод 2 тока к катоду, анод 3, подвод 4 тока к аноду, подвод 5 рабочего тела в катод 1, отводы 6, нейтральный экран 7, трубки 8 анода 3, коллектор 9 анода, подвод 10 рабочего тела в коллектор 9 анода, отверстия 11 трубок 8, отверстия 12 отводов 6, наружный экран 13. Устройство работает следующим образом.

Подают напряжение (Фиг.1) на катод 1 через подвод тока 2 и анод 3 через подвод тока 4. По подводу 5 подают рабочее тело в катод 1 и зажигают разряд между катодом 1 и дискретной поверхностью анода 3, образованной торцами отводов 6. Нейтральным экраном 7 защищают основания трубок 8 анода 3 от привязок разряда. Регулируя расход и напряжение, устанавливают допустимый ток разряда и формируют катодный плазменный столб. Трубки 8 и отводы 6 анода 3 разогревают током и разрядом, а коллектор 9 излучением с катода 1 и теплопроводностью по трубкам 8. Используя свойство материала вольфрамового анода изменять сопротивление при изменении температуры, ток разряда распределяют равномерно по трубкам 8 анода 3 и обратно пропорционально длине по отводам 6. Через подвод 10 рабочее тело подают в коллектор 9. Коллектором 9 равномерно распределяют рабочее тело по отверстиям 11 трубок 8, разогретых разрядом и током. Из отверстий 11 трубок 8 рабочее тело распределяют по отверстиям 12 отводов 6. Плоская форма трубок 8 с отводами 6 с отношением толщины к ширине от 1/1 до 1/30 выбрана для размещения на аноде 3 широкой стороной в радиальной плоскости с минимальным зазором от 0,1 мм максимального количества трубок 8 с отводами 6, чтобы равномерно распределить ток по дискретной поверхности анода. Фотографии торца работающего ускорителя показывают влияние частого секционирования на азимутальную равномерность распределения разряда по аноду, Фиг.2 (сравнить: а - крупное секционирование, б - без секционирования, с - частое секционирование). Форма трубок, сечение стенок трубок и отводов от 0,1 мм² до 30 мм² и переменная толщина стенок обеспечивают устойчивость трубок против силового воздействия реакции истекающих струй и электродинамических сил между катодным столбом и трубками 8 с протекающим по ним током, отводит избыток тепла от рабочей поверхности анода к периферии и сбрасывает его излучением. Зазор не менее 0,1 мм между трубками исключает контакт при термическом расширении до температуры 3000 К и деформации при действии инерционных сил. Калиброванными отверстиям 12 отводов 6 обратно пропорционально их длине создают струи с заданным распределением расхода вдоль ускорителя. Отводы устанавливают под углом меньше 90° к оси ускорителя, чтобы получить одновременно два плазменных потока в виде катодного столба и струй с анода. Для беспрепятственной подачи рабочего тела скорость потока через отводы 6 должна быть существенно ниже критической. При расчете отверстий в отводах она принимается от 2 м/с, до 10 м/с. Скорость струи, истекающей в вакуум, зависит от температуры рабочего тела и может достигать величины, порядка 1000 м/с, которой достаточно для получения эффекта одновременно двух встречных струй, Фиг.3. Предельный ток и параметр обмена для конкретного рабочего тела определяют по моменту начала резкого роста напряжения разряда (начало кризисного режима) из графика зависимости напряжения от квадрата тока, Фиг.4. Температура рабочего тела принимается равной температуре отводов, которая благодаря высокой эффективности излучения наружной ребристой поверхности анода не превышает диапазона от 1700 К до 2500 К. Процесс расширения газа в трубках и отводах предполагается изобарический, поэтому давление принимается нормальное, равное 10⁵ Па, а для конденсирующегося рабочего тела, например лития, давление насыщенных паров 1,577·10⁵ Па. Через самый короткий, первый отвод 6 анода 3 подается больший расход. Он расположен на уровне половины диаметра анода 3 от среза катода 1. Это расстояние должно быть больше длины свободного пробега частиц. На этом расстоянии формируется катодный плазменный столб с необходимым значением магнитного поля на его границе, это больше 100 эрстед. По мере нейтрализации катодного плазменного столба ускоренными ионами с анода 3 напряженность магнитного поля падает. Уменьшается интенсивность отбора и ускорения ионов с анода 3. Чтобы избежать перерасхода рабочего тела через следующие отводы 6, расход уменьшают обратно пропорционально их длине. После подачи расхода через анод 3 корректируют ток разряда путем создания дефицита расхода через катод 1 и повышают напряжение разряда. При дефиците расхода через катод 1 давление в плазменном столбе уменьшается. Сила взаимодействия тока с его собственным магнитным полем, направленная к оси плазменного столба, стремится сжать столб [Л.А.Арцимович, "Элементарная физика плазмы", изд. 2-е, Атомиздат, Москва, 1966 г.]. Если давление плазмы мало, то сила сжатия не уравновешивается полностью. Под действием избыточной электродинамической силы плазма, образуемая в анодных струях, будет с возрастающей скоростью увлекаться к оси и ускоряться. На графиках фиг.5 видно, как при увеличении тока разряда или уменьшении расхода происходит перераспределение массового расхода с периферии к оси ускорителя и наоборот.

В дугах сильноточных плазменных устройств образуются потоки плазмы с электродов, направленные нормально рабочей поверхности. Характер потоков определяется процессами в областях, близких к поверхности электродов. Свойства потоков плазмы с электродов зависят от подвода энергии от дуги за счет поступления частиц плазмы на активные пятна электродов, электронов на анод и ионов на катод. В электрической дуге всегда имеются условия возникновения плазменных потоков с обоих электродов. Физические процессы в катодной области дуги обеспечивают большую вероятность образования при равных условиях плазменных потоков большего скоростного напора. Условия существования потока с анода могут быть обеспечены при довольно низких плотностях тока за счет большей подвижности электронов, с низкой интенсивностью процесса абляции анода. Форма разряда при этом зависит от направленности потоков с поверхности электродов и соотношения их скоростей. При известных условиях могут быть получены такие формы разряда, когда будут существовать одновременно два плазменных потока независимо от их скоростных напоров. Это достигается изменением угла встречи между направлениями потоков с электродов, например, по аналогии со сварочными электродами, Фиг.3 [Г.Б.Сердюк, "Сварочное производство", 1965 г., 10,1]. Электроды, расположенные под углом 125°, определяют форму дуги в виде двух встречных потоков, образованную анодным потоком со скоростью от 15 м/с до 40 м/с и катодным со скоростью от 50 м/с до 200 м/сек. В вакууме, применительно к ускорителю плазмы, роль процесса абляции с электродов существенно усиливается. Основным фактором возникновения ускорения осевого течения плазмы с катода в коаксиальном ускорителе плазмы является давление, создаваемое в столбе плазмы благодаря магнитному "пинч-эффекту". Чтобы восполнить недостаток плазмы в анодной зоне, не разрушая анод процессом абляции, через отверстия отводов 6 подают рабочее тело в виде дозированных и правильно направленных струй. Для этого отводы устанавливаются под углом меньше 90° к оси ускорителя. В этом случае роль активных пятен вместо абляции в отводах 6 выполняют отверстия определенного сечения от 0,03 мм², до 1,0 мм², которое рассчитывается по формуле. Создание встречных потоков в виде плазменного катодного столба с одной стороны и струй с анода 3 с другой позволяет уменьшить анодное падение потенциала, идущее на добывание плазмы из материала анода 3. Повышение общего напряжения разряда используется на получение полезной мощности ускорителя. Высокие параметры такого ускорителя достигаются при меньшем токе разряда и повышенном напряжении, что существенно снижает тепловые нагрузки на электроды. Разряд переводят в кризисный режим путем регулирования соотношения расхода через электроды и напряжения для поддержания необходимого тока и мощности. Величина тока определяет скорость плазмы в катодном столбе благодаря магнитному "пинч-эффекту" и создает магнитное поле за границей катодного плазменного столба. В скрещенном электромагнитном поле между катодным плазменным столбом и анодом ускоряют струйные потоки плазмы с анода. Величина магнитного поля на границе катодного столба должна быть не меньше 100 эрстед, которую можно обеспечить уже при токе 1000 А и мощности 30 кВт. Для предотвращения ухода рабочего тела через зазоры между трубками, снаружи анода установлен экран 13.

Совокупность внесенных существенных изменений в конструкцию ускорителя позволила получить устойчивую симметричную форму разряда с заданным распределением тока по рабочей поверхности анода и катода. Решить проблему кризиса в работе сильноточных ускорителей плазмы. При повышении напряжения не наступает неустойчивый режим с колебаниями (Рис.6, сравнить характер линии напряжения и тяги: а - анод монолитный, б, с - анод с подачей через него рабочего тела). Реализовать процесс с ускорением двух встречных потоков в виде катодного плазменного столба и струй с анода в электромагнитном поле. Предварительные результаты работы ускорителя плазмы в качестве электроплазменного двигателя с подачей рабочего тела через анод при токе 3340 А, напряжении 33,2 В, расходе лития (Li) 0.4·10^-4 кг/с имеют следующие показатели: тяга 2,3 Н, эффективность 59%, удельный импульс 57000 км/с, разрушения и сублимации анода не обнаружено. Ресурс ускорителя плазмы в этом случае определяется ресурсом катода. Из уровня современной техники он может достигать от 10000 до 50000 часов.

Ускоритель плазмы предназначен для получения тяги при перемещении космических объектов и в технологии для получения композитных порошков, напыления и обработки материалов. Технический результат - повышение эффективности ускорителя. Секции анода ускорителя выполнены из плоских трубок с отводами для подачи рабочего тела через анод. Трубки расположены шириной в радиальной плоскости с зазором между собой и направлены вдоль оси. Отводы направлены под углом меньше 90° к оси ускорителя. Торцами отводов с отверстиями образована рабочая поверхность анода. Основания трубок герметично соединены с коллектором. Коллектор и подвод рабочего тела установлены на подводе тока. Расстояние от среза катода до отводов больше половины диаметра анода. Снаружи анода установлен нейтральный экран. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Ускоритель плазмы, содержащий коаксиально расположенные радиально секционированый анод, катод, подвод рабочего тела к катоду, систему подачи плазмы через анод, нейтральную вставку между электродами и изоляторы, отличающийся тем, что секции анода выполнены из направленных вдоль оси ускорителя плоских трубок с отводами, расположенных широкой частью в радиальной плоскости с зазором между собой; отводы повернуты под углом меньше 90° к оси ускорителя; свободными концами отводов с отверстиями образована дискретная, например, цилиндрическая рабочая поверхность анода; первый отвод длиной, равной его ширине, установлен на расстоянии больше половины диаметра анода от среза катода, длина остальных отводов увеличена пропорционально их количеству; проходное сечение отверстия трубки равно или больше суммы проходных сечений отводов; основания трубок герметично соединены с коллектором, корпус которого и подвод рабочего тела к нему выполнены на подводе тока к аноду; снаружи анода установлен нейтральный экран.

2. Ускоритель плазмы по п.1, отличающийся тем, что отношение толщины трубок и отводов к ширине от 1/1 до 1/30, а сечение стенок трубок и отводов выполнены в пределах от 0,1 мм² до 30 мм², причем толщина стенок преимущественно переменная.

3. Ускоритель плазмы по п.1, отличающийся тем, что отношение длины трубок к толщине больше 100/1.

4. Ускоритель плазмы по п.1, отличающийся тем, что зазор между трубками не менее 0,1 мм.

5. Ускоритель плазмы по п.1, отличающийся тем, что количество отводов на каждой трубке от 1 до 5 и более.

6. Ускоритель плазмы по п.1, отличающийся тем, что сечение отверстий в интервале от 0,03 мм² до 1,0 мм² определяется по формуле
$$S_{отв}=\frac{k{I}_{пр.}T}{2\xi e\nu p{t}_m{t}_{отв.}},$$ где
S_отв. - сечение отверстий отводов [м²];
k - постоянная Больцмана [Дж/K];
I_пр - предельный ток [А];
Т- температура рабочего тела в отводах [К];
ξ - параметр обмена [безразмерная величина];
e - заряд электрона [кулон]
v - скорость потока рабочего тела в отводе [м/сек];
p - давление в трубке [Н/м²];
t_m - количество трубок [шт.];
t_отв - количество отводов [шт.].