ДВИГАТЕЛЬ НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА Российский патент 2017 года по МПК F03H1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области двигателей на эффекте Холла.

Уровень техники

Более конкретно изобретение относится к двигателю на эффекте Холла, содержащему кольцевой канал, анод, инжекционный контур, магнитный контур и катод. Кольцевой канал ограничен внешней стенкой и внутренней стенкой, расположенными концентрически вокруг центральной оси, и имеет открытый нижний по потоку край и закрытый верхний по потоку край. Анод расположен на верхнем по потоку краю кольцевого канала. Инжекционный контур выполнен с возможностью инжекции газообразного рабочего тела, например ксенона, в кольцевой канал. Магнитный контур выполнен с возможностью генерирования магнитного поля на нижнем по потоку краю кольцевого канала. Катод расположен вне кольцевого канала, за его нижнем по потоку краем.

Термины «верхний по потоку» и «нижний по потоку» в контексте настоящего описания приведены с учетом направления нормальной циркуляции газообразного рабочего тела в направлении, определенном центральной осью кольцевого канала.

Обычно при работе такого двигателя на эффекте Холла магнитное поле удерживает электроны, испускаемые катодом и притягиваемые к аноду, расположенному на дне кольцевого канала, на спиральных траекториях, проходящих между двумя стенками, образуя таким образом виртуальную катодную сетку. Электроны, вылетающие из такой магнитной ловушки по направлению к аноду, приходят в столкновение с атомами газообразного рабочего тела, инжектируемого в кольцевой канал инжекционным контуром, создавая при этом ионизированную плазму.

Электрическое поле, существующее между анодом и виртуальной катодной сеткой, образованной электронным облаком, захваченным магнитным полем на открытом краю кольцевого канала, ускоряет положительные ионы плазмы. Поскольку масса таких положительных ионов значительно превышает массу электронов, магнитное поле не оказывает заметного влияния на форму их траектории. После прохождения таким пучком плазмы магнитного поля происходит нейтрализация его ионов электронами, испускаемыми катодом или образованными в результате ионизации плазмы.

Двигатели на эффекте Холла изначально использовались в системах управления ориентацией и/или траекторией (системах AOCS, от английского Attitude and Orbit Control Systems) космических аппаратов и, в частности, в системах AOCS геостационарных спутников. Двигатели на эффекте Холла позволяют получить чрезвычайно высокие значения удельного импульса (I_SP), порядка 1500 с, что позволяет обеспечить точное управление ориентацией и/или положением аппарата с использованием систем значительно меньшей массы и сложности, чем в случае применения известных систем, использующих инерциальное оборудование, например, реактивные системы с использованием маховиков в сочетании с химическими двигателями для их разгрузки.

Однако, хотя двигатель на эффекте Холла обеспечивает высокий удельный импульс, он, как правило, способен создавать лишь крайне малую тягу. Вследствие этого, системы AOCS, содержащие двигатели на эффекте Холла, принято снабжать также химическими двигателями для выполнения некоторых быстрых маневров, например, таких как смена орбиты или установка в заданное положение. Это, однако, приводит к нежелательному увеличению общей стоимости и сложности космического аппарата, а также к снижению его надежности.

При проведении диагностических испытаний, а также эксперимента SMART-1, было установлено, что двигатели на эффекте Холла могут работать не только в режиме высокого удельного импульса с малым расходом газообразного рабочего тела и высоким электрическим напряжением между анодом и катодом, но и в альтернативном режиме высокой тяги с высоким расходом и умеренным напряжением. Однако стабильность плазменного пучка и КПД двигателя зависят, в частности, от плотности плазмы в кольцевом канале. Вследствие этого известные двигатели оптимизированы лишь для одного из режимов работы. Таким образом, замена химических двигателей для смены орбиты и для позиционирования в общем случае потребует установки двигателей на эффекте Холла, выполненных с возможностью работы в режиме высокой тяги, в дополнение к имеющимся в составе системы AOCS двигателей на эффекте Холла с высоким удельным импульсом. Следовательно, сложность космического аппарата не может быть значительно уменьшена.

В американском патенте US 7500350 описан двигатель на эффекте Холла, содержащий кольцевой канал, имеющий открытый нижний по потоку край и закрытый верхний по потоку край, электрический контур, инжекционный контур для инжекции газообразного рабочего тела в кольцевой канал и магнитный контур для генерирования магнитного поля на нижнем по потоку краю кольцевого канала. Электрический контур содержит анод, расположенный на верхнем по потоку краю кольцевого канала, катод, расположенный вниз по потоку от нижнего по потоку края кольцевого канала, и источник электрического напряжения между указанными анодом и катодом. Кольцевой канал ограничен внешней и внутренней стенками, расположенными концентрически вокруг центральной оси. Для поддержания приблизительно постоянного зазора между внутренней и внешней стенками, несмотря на их постепенную эрозию в процессе работы двигателя, внутренняя и/или внешняя стенка выполнены подвижными в аксиальном направлении, а двигатель дополнительно содержит привод для перемещения указанных внутренней и/или внешней стенки. Однако в данном документе не раскрыто, как такой двигатель на эффекте Холла работает в режиме высокой тяги, равно как и в режиме высокого удельного импульса.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании двигателя на эффекте Холла, способного работать как в режиме высокой тяги, так и в режиме высокого удельного импульса.

По меньшей мере в соответствии с первым вариантом изобретения решение поставленной задачи достигается благодаря тому, что внутренняя стенка подвижна и имеет диаметр, уменьшающийся в направлении вниз по потоку, при этом двигатель дополнительно содержит модуль управления, который соединен по меньшей мере с указанными электрическим контуром, контуром инжекции газообразного рабочего тела, а также с указанным приводом и выполнен с возможностью изменения указанного потока и/или указанного напряжения и регулировки положения подвижной внутренней стенки в соответствии с указанными переменными потоком и/или напряжением для изменения поперечного сечения нижнего по потоку края кольцевого канала, чтобы тем самым поддерживать плотность плазмы на нижнем по потоку крае кольцевого канала в пределах заранее заданного диапазона.

По меньшей мере в соответствии со вторым вариантом изобретения решение поставленной задачи достигается благодаря тому, что внешняя стенка подвижна и имеет диаметр, возрастающий в направлении вниз по потоку, при этом двигатель дополнительно содержит модуль управления, который соединен по меньшей мере с указанными электрическим контуром, контуром инжекции газообразного рабочего тела, а также с указанным приводом и выполнен с возможностью изменения указанного потока и/или указанного напряжения и регулировки положения подвижной внешней стенки для изменения поперечного сечения нижнего по потоку края кольцевого канала в соответствии с указанными переменными потоком и/или напряжением, чтобы тем самым поддерживать плотность плазмы на нижнем по потоку крае кольцевого канала в пределах заранее заданного диапазона.

В обоих случаях такая конструкция позволяет изменять ширину нижнего по потоку края кольцевого канала путем перемещения подвижной стенки в аксиальном направлении с целью поддержания постоянной плотности плазмы на выходе кольцевого канала при изменениях потока газообразного рабочего тела. Таким образом, получают гибко регулируемый двигатель на эффекте Холла, который может работать как в режиме высокой тяги с высоким расходом плазмы, распределенным по большому поперечному сечению выхода кольцевого канала, так и в режиме высокого удельного импульса с более низким расходом плазмы через меньшее поперечное сечение выхода кольцевого канала.

Для обеспечения перемещения подвижной стенки указанный привод подвижной стенки может представлять собой, например, пьезоэлектрический привод подвижной стенки. В контексте данного приложения такой пьезоэлектрический привод обладает преимуществом совместимости с применением в космических условиях благодаря длительному сроку службы и отсутствию нежелательных взаимодействий с сильными электрическими и магнитными полями, существующими в двигателе на эффекте Холла, в то же время обеспечивая высокую скорость реакции. В частности, пьезоэлектрический привод может представлять собой ультразвуковой мотор. Термин «ультразвуковой мотор» обозначает в данном контексте привод, содержащий ротор и пьезоэлектрический статор, в котором электрическими средствами может быть возбуждена бегущая ультразвуковая волна, гребни которой, приходя в контакт с ротором, вызывают его смещение в заданном для него направлении. Хотя ультразвуковые моторы обычно представляют собой вращающиеся моторы с кольцевыми роторами и статорами, в данном приложении также может быть предусмотрено использование линейного ультразвукового мотора с прямолинейными ротором и статором. Мы сохраняем наименование «ротор» для обозначения подвижного элемента двигателя несмотря на линейный, а не вращательный характер его перемещения. Ультразвуковой мотор обладает, в частности, тем преимуществом, что он обеспечивает создание сравнительно больших моментов и сил, в то же время не создавая паразитных наводок ни на двигатель на эффекте Холла, рабочие частоты которого составляют порядка 30 кГц, ни на оборудование связи космического аппарата, работающее на частотах порядка нескольких гигагерц. Действительно, рабочая частота ультразвуковых моторов составляет порядка 30 МГц.

В частности, внутренняя и внешняя стенки могут быть выполнены из керамического материала, обладающего особенно благоприятными для данного приложения электрическими и магнитными характеристиками, а также устойчивостью к эрозии.

В соответствии с настоящим изобретением также предлагаются космический аппарат, содержащий по меньшей мере один указанный двигатель на эффекте Холла, и способ регулирования тяги такого двигателя на эффекте Холла.

По меньшей мере в соответствии с одним из вариантов способа регулирования тяги поток газообразного рабочего тела, инжектируемого контуром в кольцевой канал, и/или электрическое напряжение между указанными анодом и катодом изменяют в зависимости от требуемой величины тяги, причем положение подвижной стенки настраивают так, чтобы изменить поперечное сечение нижнего по потоку края кольцевого канала в соответствии с указанными изменяемыми значениями потока и/или напряжения, чтобы тем самым поддерживать плотность плазмы на нижнем по потоку крае кольцевого канала в пределах заранее заданного диапазона. Таким образом, двигатель на эффекте Холла может быть переведен из режима работы с высокой тягой в режим работы с высоким удельным импульсом и обратно без потери устойчивости плазменного пучка.

Краткое описание чертежей

Изобретение станет более ясно, а его преимущества более очевидны из нижеследующего подробного описания двух вариантов его осуществления, приведенного в качестве примера, не накладывающего каких-либо ограничений, и содержащего ссылки на прилагаемые чертежи. На чертежах:

- на фиг. 1A схематически представлен в аксиальном разрезе двигатель на эффекте Холла по первому варианту изобретения в режиме высокой тяги;

- на фиг. 1B схематически представлен в аксиальном разрезе двигатель на эффекте Холла по фиг. 1A в режиме высокого удельного импульса;

- на фиг. 2A схематически представлен в аксиальном разрезе двигатель на эффекте Холла по второму варианту изобретения в режиме высокой тяги; и

- на фиг. 2B схематически представлен в аксиальном разрезе двигатель на эффекте Холла по фиг. 2A в режиме высокого удельного импульса.

Осуществление изобретения

Фиг. 1A и 1B иллюстрируют два разных положения одного и того же двигателя 1 на эффекте Холла по первому варианту изобретения. Двигатель 1 содержит кольцевой канал 2, ограниченный внутренней стенкой 3 и внешней стенкой 4 из керамического материала, концентрически расположенными вокруг центральной оси X. Кольцевой канал 2 имеет открытый нижний по потоку край и закрытый верхний по потоку край. На верхнем по потоку крае канала 2 также предусмотрены патрубки 10 для инжекции газообразного рабочего тела в кольцевой канал 2. Патрубки 10 соединены с источником газообразного рабочего тела инжекционным контуром 11, который содержит элементы 24 регулировки расхода. Элементы 24 могут представлять собой, например, штифтовой вентиль или термокапилляр, т.е. капилляр, оборудованный средствами нагрева, позволяющими активно изменять его температуру и, следовательно, расход среды через него. Такие элементы регулировки расхода могут дополнительно содержать пассивные ограничители. В качестве газообразного рабочего тела может быть использован ксенон, который обладает преимуществами высокого молекулярного веса и сравнительно низкого потенциала ионизации. Однако, как и в других двигателях на эффекте Холла, в качестве газообразного рабочего тела может быть использовано широкое множество других газов.

Двигатель 1 также содержит магнитный контур. Магнитный контур содержит расположенные вокруг внешней стенки 4 магнитные сердечники 13, окруженные катушками 14 и завершающиеся внешним полюсом 15, расположенным вблизи открытого края кольцевого канала 2. Магнитный контур также содержит центральный магнитный сердечник 16, расположенный в центре двигателя 1, окруженный катушками 17 и завершающийся внутренним полюсом 18, имеющим полярность, противоположную полярности внешнего полюса 15, и расположенным напротив него вблизи открытого края кольцевого канала 2 так, чтобы обеспечить формирование между двумя полюсами радиального магнитного поля. Двигатель 1 также содержит электрический контур 21, содержащий анод 9, расположенный на верхнем по потоку краю кольцевого канала 2, катод 19, расположенный ниже по потоку от открытого края кольцевого канала 2, и источник 20 электрического напряжения между анодом 9 и катодом 19. Хотя в показанных вариантах изобретения катод 19 представляет собой полый катод, в альтернативных вариантах могут быть использованы катоды других типов.

Кольцевой канал 2 может, в частности, быть аксиально симметричным. Однако в альтернативных вариантах изобретения он может иметь форму, не обладающую аксиальной симметрией, например, с поперечным сечением в форме овала или ипподрома.

В рабочем режиме между полым катодом 19, расположенным за нижним по потоку краем кольцевого канала 2, и анодом 9, расположенным на дне кольцевого канала 2, создают электрическое напряжение, величина которого при использовании в качестве газообразного рабочего тела ксенона обычно составляет приблизительно от 150 до 800 B. При этом полый катод 19 начинает испускать электроны, значительная часть которых попадает в магнитную ловушку, образованную магнитным полем, которое соответствует требуемому КПД двигателя и используемому газообразному рабочему телу; при использовании в качестве газообразного рабочего тела ксенона величина магнитной индукции обычно составляет приблизительно от 100 до 300 Гс. Электроны, захваченные в такую магнитную ловушку, образуют виртуальную катодную сетку. Таким образом, в кольцевом канале, между анодом 9 и виртуальной катодной сеткой возникает электрическое поле.

Электроны с высокой энергией (как правило, от 10 до 40 эВ) вылетают из магнитной ловушки в направлении анода 9, в то время как газообразное рабочее тело поступает в кольцевой канал 2 в результате его инжекции через патрубки 10. Столкновения между такими электронами и атомами газообразного рабочего тела приводят к ионизации газообразного рабочего тела, причем электрическое поле ускоряет его в направлении нижнего по потоку края кольцевого канала 2. Поскольку масса ионов газообразного рабочего тела на несколько порядков превосходит массу электронов, магнитное поле не удерживает такие ионы так, как оно удерживает электроны. В результате двигатель 1 образует плазменный пучок, испускаемый через нижний по потоку край кольцевого канала 2 и создающий тягу, направленную по существу параллельно центральной оси X.

В двигателе 1 по первому варианту изобретения внешняя стенка 4 подвижна в аксиальном направлении, причем ее диаметр растет в направлении вниз по потоку. Внутренняя стенка 3 неподвижна. Таким образом, когда внешняя стенка 4 отведена в аксиальном направлении назад, в положение, представленное на фиг. 1A, между внутренней стенкой 3 и внешней стенкой 4 существует относительно большой зазор I_p, которому соответствует большое поперечное сечение канала выхода плазменного пучка из кольцевого канала 2. Когда же внешняя стенка 4 выведена вперед, как показано на фиг. 1B, между внутренней стенкой 3 и внешней стенкой 4 существует меньший зазор I_i которому соответствует меньшее поперечное сечение канала для плазменного пучка. Таким образом, положение, представленное на фиг. 1A, обеспечивающее распределение плазменного пучка по большей выходной поверхности на нижнем по потоку краю кольцевого канала 2, более благоприятно для формирования плазменного пучка с большим расходом и, следовательно, большей тягой. Между тем, положение, представленное на фиг. 1B, позволяющее поддерживать стабильность плазменного пучка даже при уменьшенном расходе и более высоком электрическом напряжении, более благоприятно для режима работы с высоким удельным импульсом.

Перемещение внешней стенки 4 в аксиальном направлении может быть обеспечено приводом 22, содержащим ультразвуковой мотор, который легко может быть встроен в двигатель 1 благодаря своим малым размерам. Хотя в данном варианте изобретения предложено использование ультразвукового мотора, в альтернативных вариантах также могут быть предусмотрены приводы других типов, в частности пьезоэлектрические.

Модуль 23 управления, соединенный по меньшей мере с приводом 22, элементами регулировки расхода газообразного рабочего тела в контуре 11 и источником электрического напряжения между анодом 9 и катодом 19 может регулировать расход газообразного рабочего тела, поступающего из контура 11, электрическое напряжение между катодом 19 и анодом 9, а также аксиальное положение внешней стенки 4 так, чтобы обеспечивать изменения тяги и удельного импульса двигателя 1. Данный модуль 23 управления содержит блок обработки данных и блок памяти, в котором сохранены таблицы, устанавливающие аксиальное положение внешней стенки 4, которое соответствует рабочей точке двигателя 1, определенной парой значений силы тока и напряжения источника электропитания, подсоединенного к аноду 9 и катоду 19.

Хотя в данном первом варианте изобретения подвижной стенкой является внешняя стенка 4, в других вариантах изобретения внутренняя стенка 3 может быть выполнена подвижной вместо внешней стенки 4 или в дополнение к ней. Так, во втором варианте изобретения, проиллюстрированном на фиг. 2A и 2B, внешняя стенка 4 является неподвижной, тогда как внутренняя стенка 3 подвижна в аксиальном направлении. Прочие элементы двигателя 1 идентичны элементам по первому варианту изобретения и обозначены на чертежах теми же ссылочными номерами. В соответствии со вторым вариантом изобретения диаметр внутренней стенки 3 уменьшается в направлении вниз по потоку. Таким образом, как и в первом варианте изобретения, аксиальное перемещение подвижной стенки позволяет перейти от режима работы с высокой тягой, представленного на фиг. 2A, к режиму работы с высоким удельным импульсом, представленному на фиг. 2B, и наоборот.

В обоих вариантах осуществления изобретения плазменный пучок может быть испущен под значительным углом к аксиальному направлению (например, до 45°).

Следовательно, стенкам 3, 4 следует придать такую форму, которая по возможности исключила бы их эрозию под воздействием ионов такого пучка. Так, например, в проиллюстрированных вариантах изобретения подвижным стенкам придана форма эвольвенты окружности, которая достигает на их периферическом конце угла, превышающего 45°, относительно центральной оси X.

Хотя настоящее изобретение описано выше в привязке к конкретным примерам его осуществления, очевидно что, в такие примеры могут быть внесены различные модификации и изменения, не выходящие за рамки правовой охраны изобретения, определенный нижеследующей формулой. Кроме того, отдельные признаки различных вариантов изобретения могут быть объединены в дополнительных вариантах его осуществления. Например, подвижными в аксиальном направлении могут быть как внутренняя, так и внешняя стенки. В связи с этим описание чертежей следует рассматривать в качестве иллюстрации, не накладывающей каких-либо ограничений.

Изобретение относится к области двигателей на эффекте Холла и, в частности, к двигателю (1), в кольцевом канале (2) которого нижний по потоку край имеет изменяемое поперечное сечение для обеспечения возможности изменения тяги и удельного импульса. Изобретение направлено на создание двигателя на эффекте Холла, способного работать как в режиме высокой тяги, так и в режиме высокого удельного импульса. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двигатель (1) на эффекте Холла, содержащий:

кольцевой канал (2), ограниченный внутренней стенкой (3) и внешней стенкой (4), которые расположены концентрически вокруг центральной оси (X), причем кольцевой канал (2) имеет открытый нижний по потоку край и закрытый верхний по потоку край, а внутренняя стенка (3) выполнена подвижной в аксиальном направлении;

привод (22) для перемещения указанной внутренней стенки (3) в аксиальном направлении;

электрический контур (21), содержащий анод (9), расположенный на верхнем по потоку крае кольцевого канала (2), катод (19), расположенный на нижнем по потоку крае кольцевого канала (2), и источник (20) электрического напряжения между указанными анодом (9) и катодом(19);

инжекционный контур (11) для инжекции потока газообразного рабочего тела в кольцевой канал (2);

и магнитный контур для генерирования магнитного поля (М) на нижнем по потоку крае кольцевого канала (2),

отличающийся тем, что подвижная внутренняя стенка (3) имеет диаметр, уменьшающийся в направлении вниз по потоку, при этом двигатель (1) дополнительно содержит модуль (23) управления, который соединен по меньшей мере с указанными электрическим контуром, контуром инжекции газообразного рабочего тела, а также с указанным приводом и выполнен с возможностью изменения указанного потока и/или указанного напряжения и регулировки положения подвижной внутренней стенки (3) в соответствии с указанными переменными потоком и/или напряжением для изменения поперечного сечения нижнего по потоку края кольцевого канала (2), чтобы тем самым поддерживать плотность плазмы на нижнем по потоку крае кольцевого канала (2) в пределах заранее заданного диапазона.

2. Двигатель (1) на эффекте Холла, содержащий:

кольцевой канал (2), ограниченный внутренней стенкой (3) и внешней стенкой (4), которые расположены концентрически вокруг центральной оси (X), причем кольцевой канал (2) имеет открытый нижний по потоку край и закрытый верхний по потоку край, а внешняя стенка (4) выполнена подвижной в аксиальном направлении;

привод для перемещения указанной внешней стенки (4) в аксиальном направлении;

электрический контур (21), содержащий анод (9), расположенный на верхнем по потоку крае кольцевого канала (2), катод (19), расположенный на нижнем по потоку крае кольцевого канала (2), и источник (20) электрического напряжения между указанными анодом (9) и катодом(19);

инжекционный контур (11) для инжекции потока газообразного рабочего тела в кольцевой канал (2);

и магнитный контур для генерирования магнитного поля (М) на нижнем по потоку крае кольцевого канала (2),

отличающийся тем, что подвижная внешняя стенка (4) имеет диаметр, возрастающий в направлении вниз по потоку, при этом двигатель (1) дополнительно содержит модуль (23) управления, который соединен по меньшей мере с указанными электрическим контуром, контуром инжекции газообразного рабочего тела, а также с указанным приводом и выполнен с возможностью изменения указанного потока и/или указанного напряжения и регулировки положения подвижной внешней стенки (4) для изменения поперечного сечения нижнего по потоку края кольцевого канала (2) в соответствии с указанными переменными потоком и/или напряжением, чтобы тем самым поддерживать плотность плазмы на нижнем по потоку крае кольцевого канала (2) в пределах заранее заданного диапазона.

3. Двигатель по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанный привод представляет собой пьезоэлектрический привод.

4. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что указанный пьезоэлектрический привод представляет собой ультразвуковой мотор.

5. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что внутренняя и внешняя стенки (3, 4) выполнены из керамического материала.

6. Космический аппарат, содержащий по меньшей мере один двигатель (1) на эффекте Холла по п. 1 или 2.

7. Способ регулирования тяги двигателя (1) на эффекте Холла по п. 1 или 2, в котором:

поток газообразного рабочего тела, инжектируемого контуром (11) в кольцевой канал (2), и/или электрическое напряжение между указанными анодом (9) и катодом (19) изменяют в зависимости от требуемой величины тяги;

положение подвижной стенки (3, 4) настраивают так, чтобы изменить поперечное сечение нижнего по потоку края кольцевого канала (2) в соответствии с указанными изменяемыми значениями потока и/или напряжения, чтобы тем самым поддерживать плотность плазмы на нижнем по потоку крае кольцевого канала (2) в пределах заранее заданного диапазона.