ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК F03H1/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).

Среди различных типов электроракетных двигателей (ЭРД) в ионных двигателях (ИД) может быть достигнут максимальный удельный импульс тяги.

Конструктивно все ИД состоят из трех основных узлов: камеры ионизации, которую в общем случае называют газоразрядной камерой (ГРК), ионно-оптической системы (ИОС) и катода-нейтрализатора.

Принцип действия ИД основан на извлечении из ионизованной плазмы ионов и дальнейшем их электростатическом ускорении. В таком двигателе полностью разделены процессы ионизации и ускорения. По способу перевода рабочего тела (РТ) в ионизованное состояние ИД разделяют на 3 группы: на основе разряда постоянного тока, ВЧ-разряда или СВЧ-разряда.

ИД средней мощности широко используются за рубежом. К настоящему времени разработан широкий спектр таких двигателей. В США производятся и эксплуатируются ИД с разрядом постоянного тока.

Особенностью германских двигателей ВЧИД является то, что ионизация РТ происходит в ВЧ-разряде (1-5 МГц).

В японских двигателях СВЧИД ионизация ксенона происходит в СВЧ-разряде (2-4 ГГц).

Основными узлами ИД является ионно-оптическая система (ИОС) и ионизационная камера.

Известен ИД (Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. акад. РАН А.С. Коротева. - М.: Машиностроение. - 2008, стр.240), содержащий газоразрядную камеру (ГРК), имеющую форму цилиндра с конической задней стенкой. К стенкам ГРК через изоляторы крепятся аноды. Магнитное поле создается с помощью электромагнитов, расположенных снаружи ГРК. Конфигурация магнитного поля задается тремя полюсными наконечниками. Внутри катодного полюсного наконечника расположен полый катод. Эмиттер - из гексаборида лантана. Рабочее тело (ксенон) подается в ГРК через коллектор, расположенный в районе ИОС, которая состоит из плазменного, ускоряющего и замедляющего электродов. Снаружи ИОС расположен катод-нейтрализатор.

Недостатком ИД с разрядом постоянного тока является то, что под высоким потенциалом находятся: анод, стенка ГРК, катод с подключенными к нему источниками электропитания, экранная сетка (плазменный электрод) ИОС и кабели. Обеспечить надежную электрическую изоляцию указанных цепей от корпуса и в системе питания и управления (СПУ) технически сложно. Кроме того, двигатель с разрядом постоянного тока конструктивно сложнее двух других типов. Для его работы необходим катод ГРК, ток которого должен в 7-10 раз превосходить ток катода-нейтрализатора. Для двигателя мощностью (30-70) кВт с ионным током (10-20) А потребуется катод на разрядный ток (70-150) А. Создание такого сильноточного катода представляет собой достаточно сложную инженерную задачу. Катоды и нейтрализаторы, в особенности сильноточные, имеют ограниченный ресурс. Так, наработка катодов-нейтрализаторов ОКБ «Факел» (для СПД-100 на 4,5 А) не превышает 9 000 ч. Поэтому потребуется резервирование, как катодов, так и катодов-нейтрализаторов, но поместить несколько катодов в ГРК практически невозможно, так как катод должен располагаться вдоль продольной оси двигателя.

Ионный двигатель с ионизационной камерой на основе высокочастотного разряда (ВЧ разряда), принятый за прототип, например, RIT (H.W. Loeb, D. Feili, G.A. Popov, V.A. Obukhov, V.V. Balashov, A.I. Mogulkin, V.M. Murashko, A.N. Nesterenko, and S.A. Khartov: "Design of High-Power High-Specific Impulse RF-Ion Thruster", 32nd IEPC, Wiesbaden, Sept. 11-15,2011), содержит: 2- или 3-сеточную ИОС (круглого сечения); катод-нейтрализатор, установленный снаружи корпуса ИД, и ГРК из диэлектрического материала. ГРК состоит из индуктора в виде спирали из медного провода; узла подачи ксенона, с газоэлектрической развязкой; корпуса и радиочастотного генератора.

В радиочастотном двигателе единственным элементом, находящимся под высоким потенциалом, является экранная сетка (с подключенным к ней проводом), которая расположена внутри диэлектрической ГРК, выполняющей, помимо всего, защитную функцию. Поэтому особых мер по обеспечению электрической прочности изоляции этой сетки не требуется. Остальные элементы двигателя имеют относительно низкие потенциалы. К недостаткам ВЧИД можно отнести, например, усложнение системы ввода мощности от высокочастотного генератора (ВЧГ) в (ВЧ разряд), и вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС).

Кроме того, в ВЧИД и СВЧИД коэффициент использования рабочего тела (ксенона), как правило, не превышает 80% (при этом КПД СВЧИД не достигает 40%). Ускоренные ионы, пролетая мимо нейтральных атомов ксенона, проникающих через ИОС из-за низкого коэффициента использования рабочего тела, способны обмениваться с ним электрическим зарядом. В результате такого акта ускоренная частица продолжает полет в виде нейтрального атома, а нейтральный атом превращается в низкоэнергетичный ион. Электрическое поле ускоряющего электрода разгоняет ионы перезарядки, которые, выпадая на внешнюю поверхность ускоряющего электрода, вызывают распыление.

Такой эффект носит название резонансной перезарядки и способствует значительному снижению ресурса ионного двигателя. Снижение ресурса несколько компенсируется введением в ИОС третьего замедляющего электрода.

Кроме того, при повышении мощности ИД до нескольких десятков кВт возникают проблемы с вибропрочностью ИОС, вследствие значительного увеличения ее площади, а также снижение КПД за счет несимметричного расположения катода-нейтрализатора относительно ИОС.

К недостаткам прототипа относятся проблемы указанных выше известных ГРК: ограниченные ресурс и надежность, пониженные коэффициент использования рабочего тела и КПД, а также необходимость решения вопросов ЭМС.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента использования рабочего тела и КПД ИД, а также повышение ресурса.

Эта задача решается следующим образом.

В крупногабаритном ионном двигателе, содержащем заключенную в корпус газоразрядную камеру, включающую узел подачи рабочего тела, ионно-оптическую систему, состоящую из плазменного и ускоряющего электродов, закрепленных на наружной стенке корпуса и изолированных от него и друг от друга, и катод-нейтрализатор, закрепленный на корпусе, вдоль центральной оси корпус имеет внутреннюю стенку, образующую сквозное отверстие, в котором установлен катод-нейтрализатор, электроды ионно-оптической системы выполнены в виде колец, внутренние периметры которых закреплены на внутренней стенке корпуса и изолированы друг от друга и от него. Причем газоразрядная камера содержит, по крайней мере, один кольцевой магнитопровод и кольцевую разрядную камеру, узел подачи рабочего тела которой выполнен в виде установленного внутри нее кольцевого анода - газораспределителя, при этом разрядная камера размещена внутри охватывающего ее кольцевого магнитопровода, полюса которого охватывают кольца разрядной камеры, причем магнитопровод снабжен магнитом, например соленоидальным электромагнитом. При этом разрядная камера ионного двигателя выполнена из диэлектрика и катодом ее является плазменный электрод ионно-оптической системы. Или разрядная камера является катодом и выполнена из электропроводного материала, например графита.

На чертеже представлен общий вид ИД, который состоит из заключенных в кольцевой корпус 9 кольцевой, например, 2-сеточной ИОС 1, расположенного вдоль центральной оси катода-нейтрализатора 2 и кольцевой ГРК 3. Электроды ИОС 1 (плазменный электрод 4 с токоподводом 6 и ускоряющий электрод 5 с токоподводом 7) выполнены в виде колец, внутренние и наружные периметры которых закреплены на нутренней и наружной стенках корпуса 9 и изолированы друг от друга изолятором 8. ГРК 3 содержит, по крайней мере, один кольцевой магнитопровод 10 и кольцевую разрядную камеру 11, узел подачи рабочего тела которой выполнен в виде установленного внутри нее кольцевого анода - газораспределителя 12. При этом разрядная камера 11 размещена внутри охватывающего ее кольцевого магнитопровода 10, полюса 13 которого охватывают кольца разрядной камеры 11, причем магнитопровод 10 снабжен магнитом, например соленоидальным электромагнитом 14. При этом разрядная камера 10 ионного двигателя выполнена либо из диэлектрика, и катодом ее является плазменный электрод 4, или разрядная камера 11 является катодом и выполнена из электропроводного материала, например графита.

Для запуска двигателя подают расход ксенона в катод-нейтрализатор 2 и анод - газораспределитель 12 ГРК 3. После стартового разогрева катода-нейтрализатора 2 инициируют в нем разряд и подают электропитание на ГРК 3 и электроды 4 и 5 ИОС 1. Электроны через ИОС 1 проникают в полость ГРК 3, где инициируют разряд. Образующиеся в ГРК 3 ионы ускоряются в ИОС 1 и двигатель переходит в номинальный режим работы.

ГРК 3 может иметь несколько разрядных камер 11, которые, работая все вместе или по отдельности, обеспечат многорежимную работу ИД.

Таким образом, как показано в работе (Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. акад. РАН А.С. Коротева. - М.: Машиностроение. - 2008, стр.97 рис. 3.16), источник ионов, выполненный по предложенной схеме с замкнутым дрейфом электронов, например, при отношении расхода рабочего тела в анод к среднему диаметру разрядной камеры, равном 0,05, и напряжении разряда ≥400B имеет коэффициент использования рабочего тела порядка 1. Это практически позволяет избежать обратного тока ионов на ИОС, что приведет к значительному увеличению ресурса ионного двигателя.

При необходимости значительного увеличения мощности двигателя (площади его ИОС) предпочтительно использовать предложенный ИД. В нем электроды ИОС закреплены по наружной и по внутренней поверхностям корпуса. Такая конструкция ИД позволит значительно повысить вибропрочность электродов и обеспечить стабильность межэлектродных зазоров в диапазоне (0,5-1,0) мм при их термическом расширении во время работы ИД.

Кроме того, центральное расположение катода-нейтрализатора обеспечит увеличение КПД на несколько (5-7) процентов, особенно при значительном увеличении диаметра ИОС.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей. В крупногабаритном ионном двигателе, содержащем заключенную в корпус газоразрядную камеру, включающую узел подачи рабочего тела, ионно-оптическую систему, состоящую из плазменного и ускоряющего электродов, закрепленных на наружной стенке корпуса и изолированных от него и друг от друга, и катод-нейтрализатор, закрепленный на корпусе, вдоль центральной оси корпус имеет внутреннюю стенку, образующую сквозное отверстие, в котором установлен катод-нейтрализатор. Электроды ионно-оптической системы выполнены в виде колец, внутренние периметры которых закреплены на внутренней стенке корпуса и изолированы друг от друга и от него. Причем газоразрядная камера содержит, по крайней мере, один кольцевой магнитопровод и кольцевую разрядную камеру, узел подачи рабочего тела которой выполнен в виде установленного внутри нее кольцевого анода - газораспределителя. Разрядная камера размещена внутри охватывающего ее кольцевого магнитопровода, полюса которого охватывают кольца разрядной камеры, причем магнитопровод снабжен магнитом, например соленоидальным электромагнитом. Техническим результатом предлагаемого изобретения является то, что источник ионов, выполненный по предложенной схеме с замкнутым дрейфом электронов, имеет коэффициент использования рабочего тела порядка 1. Это практически позволяет избежать обратного тока ионов на ИОС, что приведет к значительному увеличению ресурса ионного двигателя. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ионный двигатель, содержащий заключенную в корпус газоразрядную камеру, включающую узел подачи рабочего тела, ионно-оптическую систему, состоящую из плазменного и ускоряющего электродов, закрепленных на наружной стенке корпуса и изолированных от него и друг от друга, и катод-нейтрализатор, закрепленный на корпусе, отличающийся тем, что вдоль центральной оси корпус имеет внутреннюю стенку, образующую сквозное отверстие, в котором установлен катод-нейтрализатор, электроды ионно-оптической системы выполнены в виде колец, внутренние периметры которых закреплены на внутренней стенке корпуса и изолированы друг от друга и от него, причем газоразрядная камера содержит, по крайней мере, один кольцевой магнитопровод и кольцевую разрядную камеру, узел подачи рабочего тела которой выполнен в виде установленного внутри нее кольцевого анода - газораспределителя, при этом разрядная камера размещена внутри охватывающего ее кольцевого магнитопровода, полюса которого охватывают кольца разрядной камеры, причем магнитопровод снабжен магнитом.

2. Ионный двигатель по п.1, отличающийся тем, что разрядная камера выполнена из диэлектрика, при этом катодом разрядной камеры является плазменный электрод ионно-оптической системы.

3. Ионный двигатель по п.1, отличающийся тем, что разрядная камера, являющаяся катодом, выполнена из электропроводного материала.