ЭРОЗИОННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиям, в частности к плазменным ускорителям, которые могут использоваться для создания реактивной тяги в качестве электроракетных двигателей космических аппаратов, а также для генерации высокоскоростных плазменных потоков при проведении экспериментальных исследований и модельных испытаний.

В эрозионных импульсных плазменных ускорителях (ЭИПУ) используется твердое рабочее вещество в виде твердых диэлектрических шашек, выполненных из аблирующего материала, как правило из фторопласта. При включении ЭИПУ первоначально производится электрический пробой межэлектродного промежутка, затем зажигается основной электрический разряд между разрядными электродами. За счет выделяющейся в дуговом разряде энергии происходит эрозия (абляция) и испарение рабочего вещества с рабочих поверхностей диэлектрических шашек, ионизация рабочего вещества и ускорение ионизованного газа. Электрический разряд в ЭИПУ носит кратковременный характер: длительность разряда составляет от 1 до 100 мкс. Существующие модели ЭИПУ обладают относительно низкими удельными тягово-энергетическими характеристиками из-за неравномерности выработки диэлектрических шашек и отсутствия синхронизации между процессами испарения, ионизации и ускорения рабочего вещества.

Только 20-40% испарившегося со стенок диэлектрика вещества покидают ускорительный канал ИПУ со скоростями порядка 20-30 км/с. Это та часть рабочего вещества, которая ускоряется объемной электромагнитной силой, возникающей в результате взаимодействия разрядного тока с собственным магнитным полем. Остальные 80-70% рабочего вещества покидают ускорительный канал с субтепловыми и тепловыми скоростями ~0,5-5,0 км/с. Это связано с тем, что испарившееся рабочее вещество не успевает провзаимодействовать с разрядным током в течение длительности импульса тока. Поэтому значения среднемассовой скорости плазмы на выходе из ускорительного канала ЭИПУ обычно не превышают ~8-12 км/с.

Ряд технических решений направлен на устранение временной несогласованности процессов испарения рабочего тела, с одной стороны, и процессов ионизации и ускорения образованных плазменных сгустков, с другой стороны. Так, например, в патенте RU 2253953 (опубликован 10.06.2005) описан ЭИПУ, обеспечивающий увеличение доли рабочего вещества, эффективно ускоряемого электромагнитной силой. Повышение эффективности рабочего тела и удельных тяговых характеристик обеспечивается за счет синхронизации процессов абляции (эрозии) диэлектрических шашек и генерации объемной электромагнитной силы, ускоряющей ионизованное рабочее вещество. Задача синхронизации указанных процессов в ЭИПУ решается за счет максимально возможного сближения импедансов внешней и внутренней электрической цепи ускорителя.

Известный ЭИПУ содержит два электрода, диэлектрические шашки, установленные между электродами и выполненные из аблирующего материала, ускорительный канал с открытой торцевой частью, стенки которого образованы поверхностями электродов и диэлектрических шашек, и емкостной накопитель энергии. Токоподводы, соединяющие электроды с накопителем энергии, совместно с электродами и накопителем образуют внешнюю электрическую цепь. Между электродами у торцевой части разрядного канала, противоположной открытой торцевой части, установлен изолятор и устройство инициирования разряда.

Характеристики внешней электрической цепи ускорителя выбираются из условия: C/L≥2, где C - электрическая емкость внешней электрической цепи в мкФ, L - индуктивность внешней электрической цепи в нГн, величина которой выбрана из условия: L≤100 нГн. При данных условиях электрическая емкость разрядной цепи ЭИПУ, сосредоточенная в накопителе, увеличивается с обычного уровня ~10-30 мкФ до уровня ~40-500 мкФ в зависимости от уровня разрядной энергии и индуктивности L внешней электрической цепи. В этом случае может быть получен импульс разрядного тока с двумя полупериодами колебаний, причем энергия второго разряда накопителя не превышает 20% от энергии первого разряда. Увеличение длительности импульса тока приводит к увеличению массы рабочего вещества, которая эффективно ускоряется электромагнитной силой. За счет оптимизации внешней цепи уровень импеданса приближается к импедансу внутренней цепи. В результате этого параметры внешней и внутренней электрических цепей становятся более согласованными без усложнения системы электропитания.

Известны другие технические решения, с помощью которых обеспечивается синхронизация процессов испарения, ионизации и ускорения рабочего вещества посредством использования иных технических средств. Наиболее близким аналогом изобретения является ЭИПУ, описанный в международной заявке WO 2008/035061 A1 (опубликована 27.03.2008).

Данный ускоритель содержит двухступенчатый ускорительный (разрядный) канал с двумя парами изолированных электродов. Катоды каждой пары электродов находятся под потенциалом земли, а аноды независимо подключены к отдельным блокам электропитания (емкостным накопителям). Открытая торцевая часть ускорительного канала образована кромками электродов второй ступени ЭИПУ. Данная часть ускорительного канала может быть выполнена в форме расширяющегося сопла. С противоположной стороны ускорительного канала между электродами первой ступени установлен разделяющий изолятор. Аноды первой и второй ступени и разделяющий их изолятор образуют первую стенку ускорительного канала, а катоды и разделяющий их изолятор - вторую стенку канала. Подвижные диэлектрические шашки выполнены из аблирующего материала, в качестве которого используется политетрафторэтилен (фторопласт-4). Шашки из аблирующего материала установлены между электродами первой ступени, выполнены с возможностью перемещения и снабжены пружинными толкателями для движения шашек в процессе их абляции в полость ускорительного канала. В отверстии катода первой ступени установлены электроды блока инициации разряда.

С помощью блока управления устройства обеспечивается подключение электродов первой и второй ступени и электродов блока инициации разряда в определенной последовательности. При включении ЭИПУ первоначально импульс напряжения (~20 кВ) подается на электроды блока инициации разряда. После инициации разряда анод первой ступени подключается с помощью быстродействующего переключателя (коммутатора) к емкостному накопителю первой ступени. На катод первой ступени подается импульс напряжении ~3000 В. В результате воздействия конвективных и лучистых потоков из области дугового разряда между электродами первой ступени происходит интенсивная абляция и испарение рабочего тела на поверхностях диэлектрических шашек, обращенных к полости ускорительного канала. Поток газообразного рабочего вещества под действием газодинамических сил перемещается с достаточно малой скоростью из первой ступени ускорителя во вторую ступень.

Ионизация и ускорение газообразного рабочего вещества осуществляется после заполнения газообразным рабочим веществом второй ступени ускорителя и подключения электродов второй ступени ко второму емкостному накопителю с помощью второго быстродействующего переключателя (коммутатора). На катод второй ступени подается один или несколько импульсов напряжения ~3000 В с задержкой относительно импульсов напряжения, подаваемых на катод первой ступени.

Несмотря на широкие возможности по синхронизации процессов испарения, ионизации и ускорения рабочего вещества, устройство-аналог обладает сложной конструкцией и сложной системой управления и электропитания, что в целом негативно влияет на надежность устройства, его ресурс и массогабаритные характеристики. Данные недостатки связаны с необходимостью управления коммутацией сразу трех внешних электрических цепей, через которые разрядные электроды двух ступеней ускорительного канала и электроды блока инициации разряда подключаются к индивидуальным емкостным накопителям энергии. Для выполнения данных действий требуются быстродействующие сильноточные коммутаторы и линии временных задержек, которые должны обеспечивать синхронизацию процессов испарения, ионизации и ускорения рабочего вещества. Кроме того, с помощью устройства-аналога невозможно регулировать интенсивность испарения рабочего вещества и скорость перемещения испарившегося газообразного рабочего вещества в ускорительном канале ЭИПУ, что необходимо для устранения временных задержек и временного рассогласования процессов испарения рабочего вещества и ускорения плазменного сгустка.

Изобретение направлено на обеспечение возможности управления процессами абляции и испарения рабочего вещества и синхронизации данных процессов с процессом ускорения образовавшегося плазменного сгустка при минимальных размерах и массе плазменного ускорителя. Решение данной технической задачи позволит упростить конструкцию ЭИПУ, повысить его надежность и увеличить ресурс, улучшить массогабаритные показатели, повысить управляемость ЭИПУ и обеспечить стабильность тяговых характеристик за счет синхронизации процессов испарения и ускорения рабочего вещества.

Указанные технические результаты достигаются при использовании ЭИПУ, который включает в свой состав катод и два электрически изолированных анода, которые образуют ускорительный канал. Между первым анодом и катодом устанавливается по меньшей мере одна диэлектрическая шашка, выполненная из аблирующего материала. ЭИПУ снабжен средством перемещения диэлектрической шашки. Между первым анодом и катодом установлен торцевой изолятор. Первый анод расположен в ускорительном канале со стороны торцевого изолятора, второй анод расположен со стороны выходной части ускорительного канала. В состав ЭИПУ входит устройство инициирования электрического разряда, которое расположено в отверстии, выполненном в катоде и расположенном напротив поверхности первого анода. Система электропитания содержит два емкостных накопителя энергии, токоподводы, соединяющие накопители энергии с разрядными электродами, и блок электропитания устройства инициирования электрического разряда.

Первый накопитель энергии подключен между вторым анодом и катодом. Второй накопитель энергии подключен к анодам. С первым анодом второй накопитель энергии соединен через электрически изолированный управляющий токоподвод. Данный токоподвод расположен между первым анодом и катодом и ориентирован ортогонально по отношению к поверхности первого анода и к противоположной поверхности катода.

Использование секционированного анода, состоящего из двух частей, последовательно расположенных напротив катода вдоль направления ускорения плазменного сгустка, и подключение к разрядным электродам двух емкостных накопителей энергии, первый из которых соединен со второй секцией анода (вторым анодом) и катодом, а второй накопитель - с двумя секциями анода (между первым и вторым анодом), позволяет осуществить управляемую синхронизацию процессов испарения, ионизации и ускорения рабочего вещества. Следует отметить, что синхронизация указанных процессов осуществляется без использования средств коммутации внешних цепей электропитания при минимальных затратах энергии и минимальных размерах ускорительного канала ЭИПУ.

Синхронизация процесса испарения твердого рабочего вещества и последующего ускорения газообразного ионизованного вещества происходит за счет управляемого воздействия электрическим разрядом, генерируемым в первой ступени ускорительного канала (между первым анодом и катодом), на рабочую поверхность диэлектрической шашки, выполненной из аблирующего материала. Управление воздействием потоком энергии, излучаемой разрядом первой ступени, производится посредством возбуждения магнитного поля, возникающего при протекании электрического тока через управляющий токоподвод. Данный токоподвод ориентирован между разрядными электродами таким образом, что при взаимодействии тока электрического разряда с внешним магнитным полем возникает сила Ампера, направленная к торцевому изолятору. В результате действия данной силы на канал дугового разряда происходит интенсивная абляция (эрозия) и испарение рабочего вещества.

Вследствие этого на вход второй ступени ЭИПУ поступает сформированный достаточно однородный поток рабочего вещества. При этом в момент входа плотного газообразного потока рабочего вещества в разрядный промежуток второй ступени второй анод и катод находятся под «ждущим» разрядным напряжением. За счет подбора электрических характеристик емкостных накопителей энергии может быть исключено запаздывание испарения рабочего вещества по отношению к началу процесса ускорения во второй ступени ЭИПУ. Это обстоятельство способствует повышению эффективности ускорения плазмы под действием электромагнитных сил и газодинамического давления.

В зависимости от расположения и направления подачи диэлектрических шашек в ускорительный канал и расположения управляющего топодвода относительно первого анода возможны различные варианты конструкции ЭИПУ. В случае расположения управляющего токоподвода со стороны торцевого изолятора он подключается ко второму емкостному накопителю таким образом, что протекающий по нему электрический ток одинаково направлен по отношению к току разряда между первым анодом и катодом. Управляющий токоподвод электрически изолируется от ускорительного канала. В качестве управляющего токоподвода может использоваться металлический стержень.

Управляющий токоподвод может быть расположен со стороны выходной части ускорительного канала и электрически изолирован от ускорительного канала. В этом случае управляющий токоподвод подключается ко второму емкостному накопителю так, что протекающий по нему электрический имеет противоположное направление по отношению к току разряда между первым анодом и катодом.

Управляющий токоподвод может быть выполнен в виде пластины с центральным отверстием, образующим проходное сечение ускорительного канала. Управляющий токоподвод электрически изолируется от ускорительного канала с помощью двух изолирующих пластин, выполненных из диэлектрического материала. Изолирующие пластины имеют центральные отверстия, соосные центральному отверстию управляющего токоподвода, и устанавливаются в контакте с противоположными поверхностями управляющего токоподвода.

Ускорительный канал предпочтительно выполняется с расширяющейся выходной частью, образованной плоскими поверхностями катода и второго анода. Поверхность первого анода и поверхность противоположной части катода преимущественно имеют плоскую форму.

При продольной (вдоль ускорительного канала) подаче в ускорительный канал диэлектрической шашки ее торцевая рабочая поверхность образует торцевую поверхность ускорительного канала. В этом случае диэлектрическая шашка располагается между торцевым изолятором и входной частью ускорительного канала. ЭИПУ содержит средство перемещения диэлектрической шашки в направлении выходной части ускорительного канала.

При боковой (поперечной) подаче диэлектрических шашек в ускорительный канал предпочтительно используются две диэлектрические шашки, симметрично установленные относительно срединной плоскости ускорительного канала. ЭИПУ содержит средство перемещения диэлектрических шашек в направлении к срединной плоскости ускорительного канала. Торцевые рабочие поверхности диэлектрических шашек образуют боковую поверхность ускорительного канала.

Первый анод электрически изолируется от второго анода, например, с помощью диэлектрической пластины, установленной между близлежащими поверхностями анодов. Такая пластина предпочтительно выполняется из высокотемпературной керамики.

С целью обеспечения оптимальных условий для эффективной работы ЭИПУ торцевая часть диэлектрической пластины со стороны выходной части ускорительного канала смещается относительно плоскости поперечного сечения ускорительного канала, в которой расположены выходные кромки диэлектрических шашек. Смещение в направлении истечения плазменного сгустка выбирается в диапазоне от 8 мм до 25 мм. В данном случае торцевая часть первого анода со стороны выходной части ускорительного канала смещена относительно плоскости, в которой расположена торцевая часть диэлектрической пластины. Смещение в направлении к торцевому изолятору выбирается в диапазоне от 5 мм до 10 мм.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров реализации изобретения. На прилагаемых чертежах изображено следующее:

на фиг.1 - схема ЭИПУ с продольным разрезом ускорительного канала при расположении управляющего токоподвода со стороны торцевого изолятора;

на фиг.2 - схема ЭИПУ с продольным разрезом ускорительного канала при расположении управляющего токоподвода со стороны выходной части ускорительного канала;

на фиг.3 - вид A на ЭИПУ, изображенный на фиг.2, со стороны выходной части ускорительного канала с местным разрезом в области размещения диэлектрических шашек;

на фиг.4 - схема варианта конструкции ЭИПУ с подачей диэлектрической шашки вдоль ускорительного канала.

ЭИПУ, конструкция которого изображена на фиг.1, содержит катод 1, первый анод 2 и второй анод 3. Разрядные электроды 1, 2 и 3 имеют плоскую форму. Между первым анодом 2 и катодом 1 установлен торцевой изолятор 4. Аноды 2 и 3 электрически изолированы друг от друга с помощью диэлектрической пластины 5, установленной между близлежащими поверхностями анодов. Пластина 5 выполняется из высокотемпературной керамики, в качестве которой используется нитрид бора. Две диэлектрические шашки 6, выполненные из аблирующего материала, в качестве которого используется фторопласт, симметрично установлены относительно срединной плоскости ускорительного канала. ЭИПУ снабжен средством перемещения диэлектрических шашек в направлении к срединной плоскости ускорительного канала. Данное средство представляет собой пружинный толкатель (не показан).

Поверхности анодов 2 и 3, катода 1, торцевого изолятора 4 и диэлектрических шашек 6 образуют ускорительный канал ЭИПУ. Ускорительный канал выполнен с расширяющейся выходной частью, образованной плоскими поверхностями второго анода 3 и катода 1. Части разрядных электродов, расположенные в области расширяющегося ускорительного канала, наклонены по отношению к частям разрядных электродов в области размещения диэлектрических шашек 6. Первый анод 2 и противоположно расположенная часть катода 1 образуют первую ступень ЭИПУ. Второй анод 3 и противоположно расположенная часть катода 1 образуют вторую ступень ЭИПУ.

В технологическом отверстии, выполненном в части катода 1, расположенной напротив первого анода 2, установлено устройство инициирования электрического разряда с изолированными электродами 7. К электродам 7 подключен блок 8 электропитания устройства инициирования электрического разряда (БИР).

Система электропитания ЭИПУ включает первый емкостной накопитель энергии (ЕН1) 9, второй емкостной накопитель энергии (ЕН2) 10 и блок БИР 8. Накопитель ЕН1 9 подключен между вторым анодом 3 и катодом 1. Накопитель ЕН2 10 соединен с анодами 2 и 3. К первому аноду 2 накопитель ЕН2 подключен через электрически изолированный управляющий токоподвод, выполненный в виде стержня 11. Управляющий токоподвод (стрежень 11) расположен со стороны торцевого изолятора 4 между первым анодом 2 и катодом 1 и ориентирован ортогонально по отношению к противоположным поверхностям разрядных электродов. Стержень 11 электрически изолирован от ускорительного канала. Накопитель ЕН2 10 и управляющий токоподвод включены во внешнюю электрическую цепь так, что протекающий по стрежню 11 электрический ток I_T имеет одинаковое направление по отношению к разрядному току I_P, протекающему между первым анодом 2 и катодом 1.

В другом варианте конструкции ЭИПУ, изображенном на фиг.2 и 3, управляющий токоподвод расположен со стороны выходной части ускорительного канала и выполнен в виде металлической пластины 12, в которой выполнено центральное отверстие, образующее проходное сечение ускорительного канала. Электропроводящая пластина 12 электрически изолирована от ускорительного канала с помощью двух изолирующих пластин 13, выполненных из диэлектрического материала, например из высокотемпературной керамики. Изолирующие пластины 13 выполнены с центральными отверстиями, соосными центральному отверстию управляющего токоподвода, образующему проходное сечение ускорительного канала. Изоляция управляющего токоподвода в ускорительном канале осуществляется за счет установки пластин 13 в контакте с противоположными поверхностями электропроводящей пластины 12.

Пластина 12 вместе с изолирующими пластинами 13 устанавливается в технологическом отверстии, выполненном в катоде 1. При этом обеспечивается электрический контакт пластины 12 со вторым анодом 2 и электрическая изоляция пластины 12 относительно катода 1.

Накопитель ЕН2 10 и управляющий токоподвод включены во внешнюю электрическую цепь. По боковым частям пластины, которые ориентированы ортогонально по отношению к поверхности первого анода 2 и к противоположной поверхности катода 1, при подключении накопителя ЕН2 10 протекает электрический ток I_T. При этом ток I_T имеет противоположное направление по отношению к электрическому току I_P, протекающему между первым анодом 2 и катодом 1 при зажигании основного разряда.

В рассматриваемом примере выполнения ЭИПУ торцевая часть диэлектрической пластины 5 со стороны выходной части ускорительного канала смещена относительно плоскости поперечного сечения ускорительного канала, в которой расположены выходные кромки диэлектрических шашек 6, на расстояние 10 мм в направлении истечения плазменного сгустка. Торцевая часть первого анода 2 со стороны выходной части ускорительного канала смещена относительно плоскости, в которой расположена торцевая кромка диэлектрической пластины 5, на расстояние от 7 мм в направлении к торцевому изолятору 4.

В варианте конструкции ЭИПУ, изображенном на фиг.4, используется одна диэлектрическая шашка 14, выполненная из аблирующего материала. Шашка 14 расположена между торцевым изолятором 4 и входной частью ускорительного канала. ЭИПУ содержит средство перемещения диэлектрической шашки 14 в продольном направлении (в направлении выходной части ускорительного канала). В данном варианте конструкции используются катод 15 и второй анод 16, имеющие плоскую форму без наклонных выходных частей, служащих для образования расширяющейся части ускорительного канала. Торцевая рабочая поверхность диэлектрической шашки 14 образует торцевую поверхность ускорительного канала. Плоские поверхности второго анода 16 и катода 15 образуют ускорительный канал с постоянным поперечным сечением прямоугольной формы (без расширяющейся части).

Работа ЭИПУ, изображенного на фиг.1, осуществляется следующим образом.

При включении ЭИПУ производится зажигание дугового разряда между анодом 2 и катодом 1. В блоке БИР 8 формируется короткий (τ~1 мкс) высоковольтный импульс, подаваемый на электроды 7 устройства инициирования электрического разряда. В результате высоковольтного электрического пробоя по поверхности диэлектрика образуется проводящий плазменный сгусток, закорачивающий разрядные электроды 1 и 2.

После зажигания инициирующего разряда происходит электрический пробой основного межэлектродного промежутка между электродами 1 и 2, на которые предварительно подается напряжение от накопителя ЕН1 9. В ускорительном канале разрядные электроды 1 и 2 электрически изолированы друг от друга с помощью торцевого изолятора 4. Одновременно с зажиганием основного разряда в первой ступени ускорительного канала на аноды 2 и 3 от накопителя ЕН2 10 подается импульс разрядного напряжения. Во внешней электрической цепи, подключенной к аноду 2 через управляющий токоподвод, протекает электрический ток. Направление тока I_T, протекающего через стержень 11, совпадает с направлением разрядного тока I_P, протекающего между электродами 1 и 2 первой ступени ускорительного канала.

За счет выбранной пространственной ориентации близлежащих проводников с электрическими токами I_T и I_P, в качестве которых используется неподвижный стрежень 11 и перемещающийся между электродами 1 и 2 плазменный жгут дугового разряда, и подключения проводников к внешней электрической цепи, определяющего направления токов I_T и I_P, происходит электромагнитное взаимодействие проводников с током. В результате данного взаимодействия на плазменный жгут дугового разряда действует дополнительная сила Ампера, направленная к торцевому изолятору 4. При этом основная сила Ампера, действующая на плазменный шнур дугового разряда в разрядном объеме первой ступени ускорительного канала, обусловлена взаимодействием внешнего магнитного поля, которое возбуждается электрическим током, протекающим через разрядные электроды, с перемещающимся проводником (плазменным жгутом), через который протекает электрический ток I_P.

Вследствие дополнительного управляемого воздействия на плазменный жгут происходит его управляемое перемещение относительно рабочих торцевых поверхностей диэлектрических шашек 6. Возможность управляемого перемещения плазменного жгута в первой ступени ускорительного канала обеспечивает регулирование процессов абляции и испарения твердого рабочего вещества. Регулируемое испарение рабочего вещества в свою очередь позволяет сформировать относительно однородный поток газообразного рабочего вещества, который затем направляется во вторую ступень ускорительного канала, в которой осуществляется дополнительная ионизация и ускорение рабочего вещества.

Абляция (эрозия) и испарение твердого рабочего вещества, из которого выполнены диэлектрические шашки 6, происходят в первой ступени ускорительного канала под действием излучения и конвекции из области электрического разряда. Образовавшееся газообразное углеродосодержащее рабочее вещество частично ионизуется под действием электрического разряда первой ступени и ускоряется под действием электромагнитных сил и газодинамического давления.

Применение управляющего токоподвода позволяет управлять процессами абляции и испарения за счет управляемого перемещения плазменного жгута. Требуемые параметры этого обеспечиваются путем подбора электрических характеристик внешней электрической цепи и накопителя ЕН2 10. За счет управляемого испарения рабочего вещества формируется плотный поток газообразного рабочего вещества с заданными характеристиками переднего фронта потока. Вследствие этого исключается запаздывание процесса формирования потока газообразного рабочего вещества по отношению к началу процесса ускорения плазменного сгустка во второй ступени ускорительного канала.

Сформированный в первой ступени ускорительного канала газообразный поток частично ионизованного рабочего вещества поступает во вторую ступень, образованную поверхностями анода 3 и катода 1. Поверхности электродов 3 и 1 наклонены относительно плоских частей электродов 1 и 2, образующих первую ступень ускорительного канала, посредством чего формируется расширяющаяся часть ускорительного канала.

Плазменный сгусток под действием электромагнитных сил и газодинамического давления переходит из первой во вторую ступень ускорительного канала, замыкая электроды 3 и 1, которые к моменту входа плазменного сгустка находятся под «ждущим» потенциалом. Электрическое питание электродов 3 и 1 осуществляется через внешнюю электрическую цепь от накопителя ЕН1 9. С помощью второй ступени ускорительного канала осуществляется основной вклад энергии в ускорение плазменного сгустка, сформированного в первой ступени. Истекающий из расширяющейся части ускорительного канала плазменный поток создает реактивную тягу.

По мере расходования диэлектрических шашек 6 в процессе абляции их рабочих поверхностей происходит автоматическая подача шашек путем их перемещения к серединной плоскости разрядного канала с помощью пружинных толкателей (не показаны). Положение торцевых частей диэлектрических шашек относительно электродов 1 и 2 фиксируется с помощью ограничителей перемещения шашек, которые выполняются в виде выступов на поверхности разрядных электродов. Ограничители перемещения шашек обеспечивают заданное расчетное расстояние между торцевыми рабочими поверхностями диэлектрических шашек 6.

После последовательного разряда накопителей ЕН2 10 и ЕН1 9 прекращается подача напряжения на разрядные электроды 1, 2 и 3, прекращаются импульсы разрядного напряжения в первой и второй ступенях ускорительного канала и завершается процесс импульсного ускорения плазменного сгустка. Затем происходит заряд накопителей ЕН1 9 и ЕН2 10 до рабочего уровня запасаемой энергии, подача разрядного напряжения на разрядные электроды 1, 2 и 3 и последующее зажигание электрического разряда между катодом 1 и анодом 2 с помощью электродов 7 устройства инициации электрического разряда. Процесс заряда-разряда накопителей ЕН1 9 и ЕН2 10 и зажигания электрического разряда между разрядными электродами периодически повторяется. Путем периодической подачи напряжения на разрядные электроды организуется импульсный режим работы ЭИПУ.

Работа варианта конструкции ЭИПУ, изображенного на фиг.2 и 3, осуществляется аналогичным образом. Отличия в работе данного варианта ЭИПУ обусловлены расположением и формой выполнения управляющего токоподвода, подключенного ко второму накопителю ЕН2 10.

В связи с тем, что управляющий токоподвод расположен со стороны выходной части ускорительного канала, то есть с другой стороны по отношению к плазменному жгуту, образующемуся после зажигания дугового разряда в первой ступени ускорительного канала, изменяется направление протекающего по токоподводу электрического тока. Место расположения управляющего токоподвода определяет форму его выполнения, которая должна обеспечивать беспрепятственное протекание ускоряемого потока плазмы через проходное сечение ускорительного канала вдоль всей его длины. В рассматриваемом варианте конструкции ЭИПУ управляющий токоподвод выполнен в виде электропроводящей пластины 12 с центральным отверстием, образующим проходное сечение ускорительного канала, через которое протекает ускоряемый поток плазмы. Изоляция пластины 12 от ускорительного канала осуществляется с помощью двух диэлектрических пластин 13, установленных с противоположных сторон пластины 12.

Аналогично первому варианту конструкции ЭИПУ одновременно с зажиганием основного разряда в первой ступени ускорительного канала на аноды 2 и 3 от накопителя ЕН2 10 подается импульс напряжения. Во внешней электрической цепи, подключенной к аноду 2 через управляющий токоподвод, протекает электрический ток. Направление тока I_T, протекающего через пластину 12, противоположно направлению разрядного тока I_P, протекающего между электродами первой ступени ускорительного канала.

За счет выбранной пространственной ориентации близлежащих проводников с электрическими токами I_T и I_P, в качестве которых используется неподвижная пластина 12 и перемещающийся между электродами 1 и 2 плазменный жгут дугового разряда, и подключения проводников к внешней электрической цепи, определяющего направления токов I_T и I_P, происходит электромагнитное взаимодействие проводников с током. В результате этого взаимодействия на плазменный жгут дугового разряда действует дополнительная сила Ампера, направленная к торцевому изолятору 4. Основная сила Ампера, действующая на плазменный шнур дугового разряда в разрядном объеме первой ступени ускорительного канала, определяется, как и в первом варианте конструкции ЭИПУ, взаимодействием магнитного поля, возбуждаемым электрическим током, протекающим через разрядные электроды, с перемещаемым проводником (плазменным жгутом), через который протекает электрический ток I_P.

При дополнительном управляемом воздействии на плазменный жгут происходит его управляемое перемещение относительно рабочих торцевых поверхностей диэлектрических шашек 6. В этом случае также обеспечивается регулирование процессов абляции и испарения твердого рабочего вещества перед его подачей во вторую ступень ускорительного канала. За счет этого осуществляется синхронизация процессов испарения рабочего вещества и ускорения сформированного плазменного сгустка.

В процессе работы ЭИПУ диэлектрические шашки 6 по мере эрозии их торцевых частей автоматически подаются в ускорительный канал с помощью пружинных толкателей. Направление подачи диэлектрических шашек в ускорительный канал показано стрелками на фиг.3.

Работа упрощенного варианта конструкции ЭИПУ, изображенного на фиг.4, осуществляется аналогичным образом. Отличия в работе данного варианта конструкции ЭИПУ обусловлены прямолинейной формой ускорительного канала (без расширяющейся выходной части) и использованием одной диэлектрической шашки 14, установленной между торцевым изолятором 4 и входной частью ускорительного канала.

В рассматриваемом примере выполнения ЭИПУ торцевая рабочая поверхность шашки 14 образует торцевую поверхность ускорительного канала. Катод 15 и второй анод 16 имеют плоскую форму и выполнены в виде пластин. Средство перемещения диэлектрической шашки 14, выполненное в виде пружинного толкателя (не показан), обеспечивает перемещение шашки вдоль ускорительного канала в направлении его выходной части. Положение рабочей торцевой поверхности диэлектрической шашки 14 фиксируется в ускорительном канале с помощью выступов, выполненных на поверхностях анода 2 и катода 15, контактирующих с боковой поверхностью шашки.

Аналогично второму варианту конструкции ЭИПУ, изображенному на фиг.2 и 3, перед зажиганием основного разряда в первой ступени ускорительного канала на аноды 2 и 16 от накопителя ЕН2 10 подается импульс напряжения. Во внешней электрической цепи, подключенной к аноду 2 через управляющий токоподвод, протекает электрический ток I_T. Направление тока I_T, протекающего через пластину 12, ориентированную ортогонально относительно близлежащих поверхностей электродов 1 и 2, противоположно направлению разрядного тока I_P, протекающего между электродами 15 и 2 первой ступени ускорительного канала.

За счет выбранной пространственной ориентации близлежащих проводников с электрическими токами I_T и I_P, одним из которых является неподвижная пластина 12, а вторым - перемещающийся между электродами 15 и 2 плазменный жгут дугового разряда, и подключения проводников к внешней электрической цепи, которое определяет направления токов I_T и I_P, происходит электромагнитное взаимодействие проводников с током. На плазменный жгут дугового разряда действует дополнительная сила Ампера, направленная к торцевому изолятору 4. Основная сила Ампера, действующая на плазменный шнур дугового разряда в разрядном объеме первой ступени ускорительного канала, обусловлена, как и во втором варианте конструкции ЭИПУ, взаимодействием магнитного поля, возбуждаемого электрическим током, протекающим через разрядные электроды, с перемещаемым проводником (плазменным жгутом), через который протекает электрический ток I_P.

В результате дополнительного управляемого воздействия на плазменный жгут происходит его управляемое перемещение относительно рабочей поверхности диэлектрической шашки 14, образующей торцевую стенку ускорительного канала. За счет этого обеспечивается регулирование процессов абляции и испарения твердого рабочего вещества перед его подачей во вторую ступень ускорительного канала. Сформированный поток газообразного рабочего вещества далее подается во вторую ступень ускорительного канала. Регулируемый процесс испарения твердого рабочего вещества позволяет синхронизировать процессы испарения рабочего вещества и ускорения сформированного плазменного сгустка.

В процессе работы ЭИПУ диэлектрическая шашка 14 по мере эрозии ее торцевой части автоматически подается в ускорительный канал с помощью пружинного толкателя. Направление подачи диэлектрической шашки показано стрелкой на фиг.4.

По сравнению с выбранным устройством-прототипом при работе ЭИПУ синхронизация процессов испарения и ускорения рабочего вещества осуществляется без использования сложной системы управления с быстродействующими коммутаторами внешних электрических цепей. Благодаря возможности управления движением плазменного шнура вблизи рабочей поверхности диэлектрической шашки, повышается стабильность характеристик плазменного потока на выходе из ускорительного канала при каждом импульсном включении ЭИПУ. За счет управляемости и синхронизации процессов, происходящих в ускорительном канале, обеспечивается высокая надежность и требуемый ресурс устройства при лучших массогабаритных показателях и более простой конструкции устройства.

Вышеописанные примеры осуществления изобретения основываются на конкретных вариантах конструкции ЭИПУ, однако это не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации изобретения. Так, например, в зависимости от конкретного назначения ЭИПУ и решаемых с его помощью технических задач могут выбираться форма и размеры разрядных электродов, образующих ускорительный канал, расположение, форма выполнения и материал управляющего токоподвода, а также количество диэлектрических шашек, выполненных из аблирующего материала, их расположение относительно ускорительного канала и средства их перемещения.

ЭИПУ может найти применение в качестве исполнительного органа системы управления космических аппаратов, а также в импульсных инжекторах низкотемпературной плазмы, используемых, например, при проведении экспериментальных исследований и модельных испытаний. Изобретение может также применяться для осуществления различного рода технологических операций, связанных с обработкой изделий и модификацией свойств материалов.

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиям и может использоваться, в частности, в качестве электроракетного двигателя. Катод (1) и два электрически изолированных анода (2, 3) образуют ускорительный канал эрозионного импульсного плазменного ускорителя (ЭИПУ). Диэлектрические шашки, выполненные из аблирующего материала, установлены между первым анодом (2) и катодом (1). ЭИПУ содержит средство перемещения диэлектрических шашек, торцевой изолятор (4), устройство инициирования электрического разряда с электродами (7). Система электропитания включает два емкостных накопителя энергии (9, 10), токоподводы, соединяющие накопители энергии с разрядными электродами, и блок (8) электропитания устройства инициирования электрического разряда. Первый анод (2) расположен в ускорительном канале со стороны торцевого изолятора (4). Второй анод (3) расположен со стороны выходной части ускорительного канала. Первый накопитель энергии (9) подключен между вторым анодом (3) и катодом (1). Второй накопитель энергии (10) подключен к анодам (2, 3). С первым анодом (2) второй накопитель (10) соединен через управляющий токоподвод, выполненный в виде стержня (11). Управляющий токоподвод расположен со стороны торцевого изолятора (4) и электрически изолирован от ускорительного канала. Выполняющий функцию управляющего токоподвода стержень (11) расположен между первым анодом (2) и катодом (1) и ориентирован ортогонально по отношению к поверхности анода и к противоположной поверхности катода. Стержень (11) подключен ко второму емкостному накопителю (10) так, что протекающий по нему электрический ток I_T одинаково направлен по отношению к току разряда I_P между первым анодом (2) и катодом (1). Технический результат - упрощение конструкции ЭИПУ, повышение его надежности и увеличение ресурса, повышение управляемости и стабильности характеристик генерируемого плазменного потока за счет синхронизации процессов испарения и ускорения рабочего вещества. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Эрозионный импульсный плазменный ускоритель, содержащий катод и два электрически изолированных анода, которые образуют ускорительный канал, по меньшей мере, одну диэлектрическую шашку, выполненную из аблирующего материала и установленную между первым анодом и катодом, средство перемещения диэлектрической шашки, торцевой изолятор, установленный между первым анодом и катодом, устройство инициирования электрического разряда, расположенное в отверстии, выполненном в катоде и расположенном напротив поверхности первого анода, систему электропитания, включающую два емкостных накопителя энергии, токоподводы, соединяющие накопители энергии с разрядными электродами, и блок электропитания устройства инициирования электрического разряда, при этом первый анод расположен в ускорительном канале со стороны торцевого изолятора, второй анод расположен со стороны выходной части ускорительного канала, первый накопитель энергии подключен между вторым анодом и катодом, второй накопитель энергии подключен к анодам, причем второй накопитель энергии соединен с первым анодом через электрически изолированный управляющий токоподвод, расположенный между первым анодом и катодом и ориентированный ортогонально по отношению к поверхности первого анода и к противоположной поверхности катода.

2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что управляющий токоподвод расположен со стороны торцевого изолятора и электрически изолирован от ускорительного канала, причем управляющий токоподвод подключен ко второму емкостному накопителю так, что протекающий по нему электрический ток одинаково направлен по отношению к току разряда между первым анодом и катодом.

3. Ускоритель по п.2, отличающийся тем, что управляющий токоподвод выполнен в виде стержня.

4. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что управляющий токоподвод расположен со стороны выходной части ускорительного канала и электрически изолирован от ускорительного канала, причем управляющий токоподвод подключен ко второму емкостному накопителю так, что протекающий по нему электрический ток имеет противоположное направление по отношению к току разряда между первым анодом и катодом.

5. Ускоритель по п.4, отличающийся тем, что управляющий токоподвод выполнен в виде пластины с центральным отверстием, образующим проходное сечение ускорительного канала.

6. Ускоритель по п.4, отличающийся тем, что управляющий токоподвод электрически изолирован от ускорительного канала с помощью двух изолирующих пластин, выполненных из диэлектрического материала, при этом изолирующие пластины выполнены с центральными отверстиями, соосными центральному отверстию управляющего токоподвода, и установлены в контакте с противоположными поверхностями управляющего токоподвода.

7. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что ускорительный канал выполнен с расширяющейся выходной частью, образованной плоскими поверхностями катода и второго анода.

8. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что поверхность первого анода и поверхность противоположной части катода имеют плоскую форму.

9. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что содержит одну диэлектрическую шашку, выполненную из аблирующего материала, расположенную между торцевым изолятором и входной частью ускорительного канала, и средство перемещения диэлектрической шашки в направлении выходной части ускорительного канала, при этом торцевая рабочая поверхность диэлектрической шашки образует торцевую поверхность ускорительного канала.

10. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что содержит две диэлектрические шашки, выполненные из аблирующего материала, симметрично установленные относительно срединной плоскости ускорительного канала, и средство перемещения диэлектрических шашек в направлении к срединной плоскости ускорительного канала, при этом торцевые рабочие поверхности диэлектрических шашек образуют боковую поверхность ускорительного канала.

11. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что первый анод электрически изолирован от второго анода с помощью диэлектрической пластины, установленной между близлежащими поверхностями анодов.

12. Ускоритель по п.11, отличающийся тем, что диэлектрическая пластина выполнена из высокотемпературной керамики.

13. Ускоритель по п.11, отличающийся тем, что торцевая часть диэлектрической пластины со стороны выходной части ускорительного канала смещена относительно плоскости поперечного сечения ускорительного канала, в которой расположены выходные кромки диэлектрических шашек, на расстояние от 8 мм до 25 мм в направлении ускорения плазменного сгустка, при этом торцевая часть первого анода со стороны выходной части ускорительного канала смещена относительно плоскости, в которой расположена торцевая часть диэлектрической пластины, на расстояние от 5 мм до 10 мм в направлении к торцевому изолятору.