СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МАЛОЙ ТЯГИ Российский патент 2018 года по МПК F03H1/00 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] Настоящая патентная заявка заявляет приоритет по предварительной заявке на патент США, порядковый номер 61/899,842, озаглавленной «Наземное моделирование свободно расширяющейся среды низкого давления для космических применений» (Ground Based Simulation Of Free Expansion, Low Pressure Environment In Space Applications), поданной 4 ноября 2013 г. изобретателями David Q. King, Peter Y. Peterson и Justin M. Pucci и включенной в настоящий документ посредством ссылки.

Область техники

[0002] Настоящее изобретение относится к реактивным двигателям малой тяги (например, к двигателям Холла или ионным двигателям малой тяги). В частности, настоящее изобретение относится к системам и способам наземных испытаний реактивных двигателей малой тяги, предназначенных для использования в среде низкой плотности и низкого давления (например, в космосе или на высотах свыше 122 км).

Уровень техники

[0003] Специалистам известны многие виды реактивных двигателей малой тяги, например ионные двигатели малой тяги. Ионные двигатели малой тяги обычно используют для продвижения транспортного средства посредством ускорения ионов. Ионный двигатель малой тяги, работающий на эффекте Холла, включает в себя электрод внутри разрядного канала (анода), расположенный ниже по потоку катод, поставляющий электроны, и приложенное, в основном, «радиальное» по топологии, магнитное поле в разрядном канале. Топология магнитного поля формируется магнитной цепью и ферромагнитной конструкцией. Магнитную цепь образуют катушки индуктивности или постоянные магниты. Ферромагнитная конструкция служит магнитопроводом для магнитных полей, создаваемых источниками поля. Между анодом, который также может выполнять функцию системы распределения нейтральных частиц ракетного топлива в разрядном канале, и источником эмиссии электронов (катодом) создается осевое электрическое поле. Электроны, эмитированные катодом, притягиваются к аноду вследствие приложенной между катодом и анодом разности потенциалов. Электроны, ускоренные к аноду, попадают в разрядный канал, где возникает их азимутальный дрейф ЕхВ, создающий, так называемый, ток Холла. Этот ток Холла эффективно тормозит осевое движение большинства электронов к аноду. Зона тока Холла образует то, что называют «виртуальным катодом». Захваченные электроны совершают азимутальное круговое обращение в разрядном канале, которое заканчивается столкновением со стенками или анодом, рекомбинацией или ионизационным столкновением с нейтральными частицами ракетного топлива, летящими по направлению потока в зоне тока Холла. Затем газ ионизированных частиц ракетного топлива ускоряется градиентом потенциала, поддерживаемым током Холла. Пучок ускоренных ионов выбивает из катода дополнительные электроны в этот же пучок ионов, образуя квазинейтральную движущую плазму.

[0004] В некоторых случаях ионные двигатели малой тяги используют для управления ориентацией и положением объектов, обращающихся вокруг Земли (например, спутников). Соответственно, ионные двигатели малой тяги конструируют для работы в среде низкой плотности и низкого давления. Перед помещением в такую среду работу ионных двигателей малой тяги испытывают в тестовой среде. Эта тестовая среда должна имитировать среду низкой плотности и низкого давления. Для этого тестовая среда создается с использованием вакуумной камеры (т.е. кожуха, из которого воздух и другие газы удалены одним или более вакуумными насосами). Вакуумные камеры часто изготавливают из электропроводящего материала (например, стали), который, как правило, заземляют.

Сущность изобретения

[0005] Настоящее изобретение относится к реализации систем и способов испытаний в вакуумных камерах реактивных двигателей малой тяги (например, ионных двигателей малой тяги). Эти способы включают в себя следующее: помещают реактивный двигатель малой тяги в вакуумную камеру, которая, по меньшей мере частично, заземлена и, по меньшей мере частично, изготовлена из электропроводящего материала; удаляют из вакуумной камеры по меньшей мере один газ, создавая вакуумную среду; запускают реактивный двигатель малой тяги, чтобы создать пучок электронов; и/или электрически изолируют электроны и/или ионы этого пучка от по меньшей мере одной электропроводящей поверхности вакуумной камеры.

[0006] В некоторых случаях электрическая изоляция достигается (1) приложением к пучку электрического напряжения смещения, (2) размещением возле электропроводящей поверхности вакуумной камеры непроводящего или незаземленного материала, и/или (3) изолированием ионного двигателя малой тяги и пучка от вакуумной камеры и другого оборудования, размещенного в вакуумной камере.

[0007] В варианте (1) электрическое напряжение смещения прикладывают к пучку с использованием электрода, расположенного внутри вакуумной камеры и электрически изолированного от нее. Этот электрод содержит электропроводящий объект (например, пластину или пористый экран), расположенный ниже по потоку от реактивного двигателя малой тяги. В процессе работы реактивного двигателя малой тяги к электроду прикладывают постоянное напряжение смещения. Приложенное напряжение смещения сдвигает средний потенциал плазмы ионно-электронного пучка в направлении приложенного напряжения смещения. При достаточном смещении пучок преимущественно сдвигается так, что не взаимодействует с вакуумной камерой, имитируя тем самым среду, более похожую на космос. Альтернативно, в процессе работы ионного двигателя малой тяги динамически изменяют значение напряжения, приложенного к электроду. При этом динамическое изменение определяется одним или более параметрами. К этим параметрам относятся, не ограничиваясь этим, плотность нейтрального газа внутри вакуумной камеры, потенциал катода реактивного двигателя малой тяги относительно вакуумной камеры, значение тока в плазме, вытекающей из реактивного двигателя малой тяги, и/или величина тока, собранного на электроде.

[0008] В других вариантах электрическая изоляция достигается приложением напряжения к расположенному ниже по потоку концу вакуумной камеры так, чтобы этот расположенный ниже по потоку конец имел электрический потенциал, отличающийся от потенциала ионно-электронного пучка. Заметим, что расположенный ниже по потоку конец вакуумной камеры электрически изолирован от расположенного выше по потоку конца вакуумной камеры, который заземлен. Термины «выше по потоку» и «ниже по потоку» используются в настоящем документе для описания направлений относительно движения ионов в канале реактивного двигателя малой тяги.

[0009] В вариантах (2) и (3) изоляция ионного пучка двигателя малой тяги достигается путем помещения в вакуумную камеру по меньшей мере одного непроводящего или незаземленного материала. В этом случае электронам ионного двигателя малой тяги не дают двигаться по потенциальным электропроводящим путям, которых нет в среде низкой плотности и низкого давления.

Краткое описание чертежей

[0010] Ниже варианты осуществления изобретения будут раскрыты со ссылкой на следующие чертежи, на которых соблюдается сквозная нумерация одинаковых элементов и на которых:

[0011] на фиг. 1 схематически изображен пример реактивного двигателя малой тяги;

[0012] на фиг. 2 схематически изображена приведенная для примера испытательная система;

[0013] на фиг. 3 дано схематическое изображение, полезное для понимания условий равновесия реактивного двигателя малой тяги, работающего в вакуумной камере с фиг. 2;

[0014] на фиг. 4 схематически изображена приведенная для примера испытательная система;

[0015] на фиг. 5 схематически изображена другая приведенная для примера испытательная система;

[0016] на фиг. 6 дано схематическое изображение, полезное для понимания того, как изменяются потенциалы пучка под действием приложенного к нему напряжения смещения, и

[0017] на фиг. 7 представлена блок-схема примера способа испытания реактивного двигателя малой тяги в испытательной системе.

Подробное раскрытие изобретения

[0018] Термин «плазма», используемый в настоящем документе, относится к ионизированному газу, состоящему из нейтральных атомов, ионов и свободных электронов.

[0019] Термин «электрон», используемый в настоящем документе, относится к стабильной субатомной частице с отрицательным электрическим зарядом (например, -1 ).

[0020] Термин «ион», используемый в настоящем документе, относится к атому или группе атомов, который потерял один или более электронов внешних электронных оболочек атомов и приобрел в результате положительный заряд.

[0021] Термин «пучок», используемый в настоящем документе, относится к нейтральным атомам, ионам и электронам, испущенным из реактивного двигателя малой тяги.

[0022] Термин «космос», используемый в настоящем документе, относится к области пространства, непосредственно за границей земной атмосферы.

[0023] Обратимся теперь к фиг. 1; на ней представлено схематическое изображение примера реактивного двигателя 100 малой тяги. Конкретнее, на фиг. 1 представлен разрез ионного двигателя малой тяги, работающего на эффекте Холла. Ионный двигатель малой тяги, работающий на эффекте Холла, выполнен для ускорения частиц ракетного топлива электрическим полем с целью создания тяги. Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены ионными двигателями, работающими на эффекте Холла. Соответственно, реактивный двигатель 100 малой тяги может альтернативно включать любой другой тип ионного или плазменного реактивного двигателя малой тяги.

[0024] В общем случае, реактивный двигатель 100 малой тяги предназначен для использования в качестве вспомогательного на спутнике или на другом космическом судне для регулировки его положения на околоземной орбите и переводе на требуемую орбиту, или для его продвижения в дальних (например, межпланетных) перелетах. Для этого реактивный двигатель 100 малой тяги содержит различные элементы 104-116, 120-126, расположенные внутри кожуха 102, который может быть надежно соединен со спутником или другим космическим судном. Кожух 102 может быть, по меньшей мере частично, изготовлен из электропроводящего материала. Двигатель малой тяги содержит следующие элементы: источник питания 126, ракетное топливо 120, канал 104 (например, кольцевой канал) и источники 106, 108 магнитного поля. Источник питания 126 может включать в себя, не ограничиваясь этим, аккумулятор, топливный элемент и/или солнечный элемент. Ракетное топливо 120 может содержать, не ограничиваясь этим, ксенон, криптон, аргон, висмут, йод, магний и/или цинк.

[0025] В процессе работы реактивный двигатель 100 малой тяги использует электрический потенциал для ускорения ионов до высоких скоростей (например, 20 километров в секунду). Соответствующая разность потенциалов между цилиндрическим анодом 112 и виртуальным катодом 116 поддерживается током Холла. В некоторых случаях между анодом 112 и катодом 116 прикладывают напряжение от 100B до 1000B. Варианты осуществления изобретения не ограничены этим приведенным для примера диапазоном напряжений.

[0026] Далее, ракетное топливо 120 подают в канал 104 через каналы (не показаны), образованные в аноде 112. Эти каналы анода 112 работают как газораспределитель. Анод 112 расположен у закрытого конца 110 канала 104. Канал 104 проходит по окружности вокруг оси 114 реактивного двигателя 100 малой тяги, а в осевом направлении проходит от закрытого конца 110 до открытого конца 122. Катод 116 расположен снаружи канала 104 вблизи его открытого конца 122.

[0027] Источники 106, 108 магнитного поля создают в канале 104 магнитное поле, в основном, радиального направления. В некоторых вариантах радиальное магнитное поле имеет индукцию, по меньшей мере, сто гауссов (например, в диапазоне 100-500 Гс, или 0,01-0,05 Тл). Электрическое и магнитное поля заставляют электроны, эмитированные катодом 116, двигаться по окружности по каналу 104. Некоторые из этих электронов проходят по каналу 104 к аноду 112. Указанное радиальное магнитное поле отклоняет электроны в окружном направлении, так что они движутся по спиральной траектории. Когда ракетное топливо 120 проникает в канал 104 реактивного двигателя 100 малой тяги, атомы топлива сталкиваются с высокоэнергетичными обращающимися в канале электронами, что приводит к ионизации. Как было отмечено выше, ион - это атом или группа атомов, которые потеряли один или более электронов внешних электронных оболочек и приобрели в результате положительный заряд. Сами по себе, ионы ракетного топлива (например, ионы ксенона), как правило, имеют заряд +1, +2 и/или +3.

[0028] Положительно заряженные ионы ракетного топлива затем притягиваются к виртуальному катоду 116, образованному током Холла. Поэтому ионы ракетного топлива с высокой скоростью вылетают из открытого конца 122 канала 104, тем самым создавая тягу. По выходе из канала 104 ионы ракетного топлива притягивают электроны, так что образуется пучок 124 ионов и электронов.

[0029] Заметим, что поток ионизированных частиц ракетного топлива 120 имеет три составляющие: ионы, электроны и нейтральные частицы. Эти составные части ведут себя по-разному. К примеру, электроны имеют намного меньшую массу, в сравнении с ионами. Соответственно, на электроны сильнее влияет радиальное магнитное поле, и поэтому они движутся в радиальном направлении 130 относительно канала 104. Кроме того, когда электроны оказываются на определенном расстоянии (например, 20 см) от реактивного двигателя 100 малой тяги, они движутся в электрическом поле. В силу этого электроны движутся туда, куда их направляет электрическое поле (т.е. электроны могут вылетать из двигателя малой тяги в осевом направлении 128, равно как и лететь в любом радиальном направлении 130). В то же время ионы имеют намного большую массу, по сравнению с электронами. По существу, на ионы радиальное магнитное поле влияет незначительно, и поэтому они движутся преимущественно в осевом направлении 128 - от реактивного двигателя 100 малой тяги. Имеет место некоторое расширение или относительное рассеивание пучка ионов в радиальном направлении 130. На это расширение или относительное рассеивание пучка влияют электроны, поскольку ионы электрически притягиваются к электронам.

[0030] Как было отмечено выше, реактивный двигатель 100 малой тяги может использоваться для управления ориентацией и положением объектов, обращающихся вокруг Земли (например, спутников), а также в качестве главного или вспомогательного движителя для объектов (например, космических судов), летящих в межпланетном пространстве. Соответственно, реактивный двигатель 100 малой тяги предназначен для работы в среде относительно низкой плотности и низкого давления. Перед помещением двигателя в среду относительно низкой плотности и низкого давления работу реактивного двигателя 100 малой тяги проверяют в земной тестовой среде (например, в среде вакуумной камеры). Земная тестовая среда должна имитировать космическую среду низкой плотности и низкого давления. Для этого тестовая среда создается с использованием испытательной системы. Пример испытательной системы представлен на фиг. 2.

[0031] Обратимся теперь к фиг. 2, где представлено схематическое изображение примера наземной испытательной системы 200 для реактивных двигателей малой тяги (например, реактивного двигателя 100 малой тяги с фиг. 1). Испытательная система 200, в общем, предназначена для создания среды низкой плотности и низкого давления для проверки работы реактивного двигателя 100 малой тяги (например, ионного двигателя малой тяги, работающего на эффекте Холла). Для этого наземная испытательная система 200 содержит вакуумную камеру 202 и по меньшей мере один вакуумный насос (далее «насос») 204-216. Вакуумная камера 202 представляет собой кожух, из которого воздух и другие газы удалены вакуумным насосом (насосами) 204-216. Это создает внутри вакуумной камеры 202 среду низкого давления («вакуумную среду»). Вакуумная среда позволяет исследовать работу реактивного двигателя 100 малой тяги в условиях, моделирующих среду относительно низкой плотности и низкого давления, в которой двигатель должен работать.

[0032] Вакуумную камеру 202 изготавливают из электропроводящего материала. Этот электропроводящий материал может включать в себя, не ограничиваясь этим, нержавеющую сталь, алюминий, мягкую сталь и/или латунь. Вакуумная камера 202 имеет, в общем, цилиндрическую форму с закрытыми торцами 232, 234. В других вариантах вакуумная камера 202 может иметь форму, отличную от цилиндрической, например сферическую. Как правило, наземная вакуумная камера 202 заземлена, как показано на фиг. 2, и поэтому напряжение на ней близко к 0B.

[0033] Обратимся теперь к фиг. 3, где представлено схематическое изображение, полезное для понимания условий равновесия реактивного двигателя малой тяги (например, реактивного двигателя 100 малой тяги с фиг. 1), работающего в наземной вакуумной камере 202 из электропроводящего материала (материалов). На фиг. 3 показана только часть вакуумной камеры 202. Реактивный двигатель малой тяги показан без подробностей, изображены только катод (например, катод 116 с фиг. 1), анод (например, анод 112 с фиг. 1) и кожух (например, кожух 102 с фиг. 1). В этом варианте, представляющем типовую земную тестовую среду, потенциалы пучка регулируют до равновесной величины, определяемой комбинацией ионного и электронного токов, достигающих стенок 302 вакуумной камеры. Эти токи вызваны различными явлениями. В зависимости от фонового давления, ионы могут не сталкиваться с другими частицами. В этом случае ионы движутся прямолинейно. Так как ионы получили значительные импульс и энергию, на них лишь слегка воздействуют изменяющиеся потенциалы пучка. Но электроны, будучи в 10000 раз легче, имеют намного меньший вектор импульса и вынуждены двигаться по траекториям, отличным от ионных, эти траектории определяются потенциалами пучка. Таким образом, ионы движутся из реактивного двигателя малой тяги или ускорителя в осевом направлении и несколько отклоняются радиально. Электроны же свободны следовать по пути наименьшего сопротивления и, в конце концов, уравновешивают собранный ионный ток, будь то в пучке и/или в электропроводящих стенках камеры.

[0034] На границе раздела плазмы и любой поверхности внутри вакуумной камеры 202 создается электрический граничный слой, называемый экраном. Потенциал экрана вдоль боковой стенки 302 вакуумной камеры вследствие слабого ионного потока может быть положительным относительно вакуумной камеры (например, до +10B). Вдоль торцевой стенки 304 вакуумной камеры, где ионный поток высок, потенциал экрана мал (например, ≤ +1B). Эта разность потенциалов торцевой стенки 304 и боковой стенки 302 позволяет току, циркулирующему в пучке и стенке, воздействовать на равновесный потенциал пучка. Положительный потенциал боковой стенки 302 притягивает электроны пучка, которые поглощаются и становятся током, текущим в стенке. Большинство ионов достигают торцевой стенки 304. В общем, число ионов, достигающих торцевой стенки 304, должно по закону сохранения заряда равняться числу электронов, поглощенных на стенке 302. Но так как стенки 302, 304 вакуумной камеры электропроводящие, противоположные заряды могут прибыть в разные места и нейтрализоваться током, возникающим в стенках 302, 304. Часть электронов пойдут по пути наименьшего сопротивления посредством поглощения на заземленной боковой стенке вакуумной камеры, а также на любой имеющейся в вакуумной камере проводящей поверхности, электрически контактирующей с вакуумной камерой. Такие электроны движутся по заземленным электропроводящим путям 302 к торцевой стенке 304, где они нейтрализуются, поглощенные ионами. Это описывается следующим математическим уравнением (1).

где J_W - ток в заземленной поверхности (например, ток в стенке), J_ib - ток ионного пучка и J_eb - ток нейтрализации электронов.

[0035] Равновесные потенциалы пучка таковы, что потенциал катода V_c - отрицателен относительно вакуумной камеры и, как правило, составляет от -25 до -10B. Электроны покидают катод и движутся к более положительным потенциалам, в частности, к корпусу двигателя малой тяги и стенкам вакуумной камеры. Заметим, что направление движения электронов противоположно направлению протекания тока, связанного с отрицательным зарядом электронов.

[0036] Как было отмечено выше, испытательная система 200 способна обеспечить вакуумную среду для наземных испытаний реактивных двигателей малой тяги. Характер земных вакуумных сред определяется вакуумными насосами для удаления атмосферных газов, выброшенных газообразных продуктов горения ракетного топлива, а также любых газов дегазации вакуумной камеры и связанного с ней оборудования, в целях моделирования уровней вакуума в космосе для оценки работы реактивного двигателя малой тяги. Вакуумные насосы действуют путем улавливания и/или эвакуации избыточных газов, которые попадают в вакуумные насосы и/или приходят в контакт с ними. И, например, в ходе испытаний, в процессе работы реактивного двигателя малой тяги, может оказаться, что газ, вытекающий из реактивного двигателя 100 малой тяги, не будет эффективно или немедленно удален насосами 204-216. Этот газ может отразиться от поверхностей насосов 204-216, увеличив тем самым плотность нейтрального газа внутри вакуумной камеры 202. Кроме того, из реактивного двигателя 100 малой тяги в вакуумную среду и окружающее пространство может выходить неионизированный газ.

[0037] В земной вакуумной среде плотность газа может быть в 10-1000 раз больше, чем в космосе. Более высокая плотность газа обусловливает более высокое давление нейтрального газа внутри наземной вакуумной камеры 202. Это более высокое давление нейтрального газа повышает проводимость пучка 124. В связи с этим следует понимать, что нейтральный газ ионизируется обменом зарядов с ионным пучком 124, и поэтому в земной вакуумной среде электропроводящая плазма расходится более широко, чем в космической среде. Электропроводящая плазма характеризуется распределением потенциала. Например, пучок может иметь потенциал -25B у катода и от +15 до+20B в центральной зоне. Это распределение потенциала связано с потоком электронов и с давлениями, воздействующими на электроны.

[0038] Кроме того, наземная электропроводящая вакуумная камера 202 создает электрический путь, которого нет в условиях космоса. В принципе, вакуумная камера 202 может закорачивать естественную разность потенциалов внутри пучка 124 реактивного двигателя 100 малой тяги, испытываемого в камере. Естественный потенциал пучка 124 складывается под влиянием сил, действующих на электроны и ионы. Как было отмечено выше, электроны, начиная с определенного расстояния от двигателя малой тяги (например, 20 см), движутся в электрическом поле (т.е. силы, воздействующие на электроны, например силы давления, создаются ионизированным газом). В земной электропроводящей вакуумной среде электрическое поле связано с электропроводящими внутренними поверхностями вакуумной камеры 202. К этим электропроводящим внутренним поверхностям относятся, не ограничиваясь этим, внутренние поверхности стенок вакуумной камеры, определяющие ее геометрическую форму. Таким образом, электроны притягиваются к этим электропроводящим поверхностям и поэтому движутся по незапланированным радиальным путям к стенкам вакуумной камеры, как показано стрелками 220 и 226. В самом деле, электроны, двигаясь в радиальном направлении реактивного двигателя 100 малой тяги, собираются на стенках вакуумной камеры. В результате эквипотенциальная вакуумная камера 202 становится для электронных и ионных потоков путем наименьшего сопротивления, которого нет в космическом пространстве, что приводит к электрическому влиянию на естественную эволюцию пучка 124. Так как в земной вакуумной среде плазма распределена более широко, и вакуумная камера возмущает естественные электрические потенциалы пучка 124, испытание с заземлением, в отличие от космического полета, влияет на работу реактивного двигателя 100 малой тяги.

[0039] Объясненные выше влияния испытательной системы 200 увеличиваются вместе с уровнем мощности двигателя малой тяги. Например, в некоторых вариантах реактивный двигатель 100 малой тяги представляет собой систему мощностью 4,5 кВт с напряжением разряда 300B и током 15А, текущим между первичными электродами и двигателем малой тяги. В этом разряде примерно 12А дают ионы, созданные из нейтральных частиц ракетного топлива 120, впрыснутого в канал 104. Поэтому и ток электронов, движущихся из реактивного двигателя 100 малой тяги, равен 12А. Когда ионы поглощают электроны, они становятся нейтральными частицами. После этого нейтральные частицы откачиваются из вакуумной камеры 202 вакуумными насосами 204-216. В результате внутри вакуумной камеры 202 поддерживается давление газа 6×10^-6 торр. Но даже при давлении 6×10^-6 торр воздействие плотности газа на реактивный двигатель 100 малой тяги в 100 раз больше, чем в космическом пространстве.

[0040] Некоторые применения электрического движителя для космического судна требуют уровней мощности, достигающих 50 кВт и более. Поскольку расход ракетного топлива, в общем, растет с мощностью, поддержание высокого вакуума при мощности 50 кВт становится непозволительно затратным для реализации определенных методов наземных испытаний. Эти затраты усугубляются тем, что желательный срок службы реактивного двигателя малой тяги, проходящего ресурсное испытание, составляет 20000 часов или более.

[0041] Настоящее изобретение раскрывает подход к испытанию реактивных двигателей в наземной испытательной установке, исключающий нежелательные влияния, возникающие в обычных испытательных системах (например, в испытательной системе 200 с фиг. 2). Теперь со ссылкой на фиг. 4-6 будут раскрыты приведенные в качестве примера варианты осуществления испытательной системы, реализованные в наземной испытательной установке согласно настоящему изобретению.

[0042] Обратимся к фиг. 4; на ней представлено схематическое изображение примера испытательной системы 400. Испытательная система 400, в общем, выполнена для создания среды низкой плотности и низкого давления с целью проверки работы реактивного двигателя малой тяги (например, ионного двигателя 100 малой тяги фиг. 1). Для этого испытательная система 400 содержит вакуумную камеру 402 и по меньшей мере один вакуумный насос 404-416. Вакуумные элементы 402-416 идентичны или аналогичны соответствующим вакуумным элементам 202-216 с фиг. 2. По существу, приведенное выше описание вакуумных элементов 202-216 достаточно для понимания функций вакуумных элементов 404-416 испытательной системы 400.

[0043] Испытательная система 400 дополнительно предназначена для обеспечения новаторского средства испытания реактивных двигателей, исключающего нежелательные влияния, возникающие в обычных испытательных системах (например, в испытательной системе 200 с фиг. 2). Для этого испытательная система 400 содержит средства электрической изоляции электронов в пучке от электропроводящих стенок вакуумной камеры 402, электропроводящих поверхностей реактивного двигателя малой тяги и от любого другого заземленного оборудования, размещенного в вакуумной камере. Эта электрическая изоляция достигается путем: (1) опционального обеспечения наличия непроводящего или незаземленного материал 460 на одной или более поверхностях стенок вакуумной камеры или возле них, чтобы, по меньшей мере частично, устранить образуемый стенками путь наименьшего сопротивления; (2) приложения к плазменному пучку электрического напряжения смещения, которое заставляет электроны двигаться по потоку в том же общем осевом направлении, что и ионы, как показано стрелкой 422; и/или (3) изолирования реактивного двигателя малой тяги и пучка от вакуумной камеры и другого оборудования, размещенного в вакуумной камере.

[0044] В варианте (2) расположенный ниже по потоку конец вакуумной камеры 402 получает положительный потенциал относительно пучка электронов и ионов. Для этого к пучку 418 прикладывают электрическое напряжение смещения, используя по меньшей мере один электрод 450, чтобы сделать пучок 418 положительным относительно стенок вакуумной камеры. Как показано на фиг. 4, электрод 450 расположен в самой нижней по потоку части пучка 418. Варианты осуществления настоящего изобретения не являются ограничительными в этом отношении. Электрод (электроды) можно расположить в любом месте в нижней по потоку части вакуумной камеры. Например, электрод 450 может альтернативно располагаться возле реактивного двигателя малой тяги или со смещением от центральной оси (например, оси 114 фиг. 1) реактивного двигателя малой тяги.

[0045] В некоторых случаях электрод 450 содержит, по меньшей мере, одну электропроводящую пластину или другой объект (например, конус, сферу или стержень), который электрически изолирован от всех стенок вакуумной камеры и подсоединен к источнику питания 452. Электрод 450 может также служить ловушкой для ускоренных ионов пучка. Электрическое напряжение подается на электрод 450 от источника питания 452. К электроду 450 прикладывают положительное напряжение относительно вакуумной камеры 402. Например, к электроду 450 прикладывают положительное смещение в сотни вольт. Величину этого положительного смещения в сотни вольт выбирают так, чтобы она была достаточной для сбора тока, равного току пучка ионов. Таким образом, (1) электроны, скорее, притягиваются к положительно смещенному электроду, чем движутся радиально к стенкам вакуумной камеры или назад к реактивному двигателю малой тяги, и (2) электроны, которые движутся к стенкам вакуумной камеры, отражаются от них.

[0046] В некоторых случаях к электроду 450 прикладывают постоянное положительное напряжение. В других вариантах величину напряжения, прикладываемого к электроду 450, динамически изменяют в процессе испытания. Соответственно, испытательная система 400 может дополнительно содержать одно или более устройств 460 для измерений (например, измерительных приборов) и контроллер 462. Контроллер 462 выполнен для того, чтобы: принимать замеры от измерительного устройства (устройств) 460; исследовать эти замеры с целью определения необходимости изменения уровня напряжения, и управлять источником питания 452 для изменения величины напряжения, подаваемого на электрод 450. Контроллер 462 может включать в себя аппаратные средства (например, электронную схему) и/или программное обеспечение для выполнения вышеперечисленных функций.

[0047] Динамическое изменение уровня напряжения может определяться одним или более параметрами. В число этих параметров могут входить, не ограничиваясь этим, плотность нейтрального газа внутри вакуумной камеры, давление нейтрального газа внутри вакуумной камеры, напряжение катода реактивного двигателя малой тяги относительно наземной вакуумной камеры или потенциал плазменного пучка двигателя малой тяги, величина тока в плазме, вытекающей из реактивного двигателя малой тяги, и/или сила тока, собранного на электроде 450.

[0048] Как было отмечено выше, электрод 450 содержит один или более объектов, расположенных в вакуумной камере 402. Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены этой конкретной конструкцией электрода. Например, электрод может альтернативно или дополнительно включать, по меньшей мере, часть вакуумной камеры (например, более 50%, менее 50% или 50% вакуумной камеры). Пример конструкции такого электрода схематически изображен на фиг. 5.

[0049] Как показано на фиг. 5, электрод 504 содержит часть 508 вакуумной камеры 502. В этом случае первая часть 506 вакуумной камеры 502 заземлена, в то время как вторая часть 508 вакуумной камеры 502 подсоединена к источнику питания 520. Непроводящий материал 510 расположен между этими двумя частями 506, 508, чтобы электрически изолировать их друг от друга.

[0050] Обратимся теперь к фиг. 6; на ней представлено схематическое изображение, полезное для понимания того, как изменяются потенциалы пучка под действием приложенного к нему напряжения смещения V_p (например, 0 В<V_p>сотен вольт). Установленные по-разному, потенциалы пучка изменяются посредством притяжения электронов пучка, скорее, к месту, расположенному ниже по потоку струи реактивного двигателя малой тяги (например, реактивного двигателя 100 малой тяги с фиг. 1), чем к стенкам 602, 604 вакуумной камеры. Объект (например, электрод 450 с фиг. 4) помещают в расположенном ниже по потоку месте и подают от источника питания (например, источника питания 452 с фиг. 4) напряжение смещения, достаточное для того, чтобы притягивать электронный ток J_eb примерно так же, как ток ионного пучка J_ib. Таким образом, электроны вынуждены двигаться преимущественно в направлении вниз по потоку.

[0051] Другая особенность этого смещения заключается в том, что катодный потенциал V_c поднят до положительного значения, превышающего потенциал (V_g) заземленной вакуумной камеры. Катодные электроны отталкиваются более отрицательными потенциалами и, следовательно, не могут достичь боковых стенок 602, 604. Таким образом, смещение пучка электрически имитирует космическое пространство. Это соответствует математическим уравнениям (2)-(4).

где J_p - ток смещения.

[0052] Обратимся теперь к фиг. 7, где представлена блок-схема примера способа 700 испытания реактивного двигателя малой тяги (например, ионного двигателя 100 малой тяги с фиг. 1). Способ 700 начинается с шага 702 и продолжается шагом 704. На шаге 704, реактивный двигатель малой тяги (например, ионный двигатель 100 малой тяги с фиг. 1) помещают в вакуумную камеру (например, в вакуумную камеру 302 с фиг. 3 или 402 с фиг. 4). Реактивный двигатель малой тяги может содержать плавающее заземление. Вакуумную камеру, по меньшей мере частично, заземляют, и опционально она может содержать непроводящий материал, размещенный на по меньшей мере одной ее электропроводящей внутренней поверхности. Далее, на шаге 706, по меньшей мере, один газ удаляют из вакуумной камеры, обеспечивая вакуумную среду. Вакуумная среда может быть средой низкой плотности и низкого давления, подобной среде космического пространства. В этом случае давление газа внутри вакуумной камеры может быть больше, равно или ниже 6×10^-6 торр. После эвакуации газа из вакуумной камеры реактивный двигатель малой тяги запускают, чтобы создать пучок ионов и электронов, как показано на шаге 708.

[0053] Далее, выполняют шаг 710, на котором электроны пучка электрически изолируют от по меньшей мере одной электропроводящей поверхности вакуумной камеры. Эта электрическая изоляция может быть достигнута приложением к пучку электрического напряжения смещения. Это напряжение смещения прикладывают к пучку с использованием электрода (например, электрода 350 с фиг. 1 или 450 с фиг. 4), расположенного в заземленной части вакуумной камеры и электрически изолированного от нее. В некоторых вариантах электрод представляет собой электропроводящий объект, расположенный внутри вакуумной камеры так, чтобы он находился на расстоянии от всех близлежащих стенок камеры. Этот электропроводящий объект может располагаться в вакуумной камере ниже по потоку от реактивного двигателя малой тяги. В других вариантах электрод содержит первую часть по меньшей мере одной стенки вакуумной камеры, причем эта часть электрически изолирована от заземленной второй части вакуумной камеры. Первая часть стенки вакуумной камеры может располагаться у нижнего по потоку конца вакуумной камеры. В обоих случаях напряжение прикладывают к электроду так, что он имеет более положительный потенциал, чем пучок ионов и электронов. Уровень приложенного к электроду напряжения может быть постоянным во все время работы реактивного двигателя малой тяги или, альтернативно, может динамически регулироваться в процессе работы двигателя. Это динамическое регулирование может определяться по меньшей мере одним из следующего: плотность нейтрального газа внутри вакуумной камеры, давление нейтрального газа внутри вакуумной камеры, напряжение катода реактивного двигателя малой тяги, значение тока в плазме, вытекающей из реактивного двигателя малой тяги, и величина тока, собранного на электроде. По завершении шага 710 выполняют шаг 712, на котором заканчивают способ 700 или выполняют другие шаги.

Система (300, 400) и способы (500) испытания реактивного двигателя (100) малой тяги в вакуумной среде. Способы включают в себя: помещение реактивного двигателя малой тяги в вакуумную камеру, которая, по меньшей мере частично, заземлена; удаление из вакуумной камеры по меньшей мере одного газа для обеспечивания вакуумной среды; запуск реактивного двигателя малой тяги с целью создания пучка электронов; и/или электроизолирование электронов пучка от, по меньшей мере, одной электропроводящей поверхности вакуумной камеры. Электроизоляция может быть достигнута путем приложения к пучку электрического напряжения смещения с помощью электрода. Электрод может содержать электропроводящий объект, расположенный в вакуумной камере, и/или, по меньшей мере, часть стенки вакуумной камеры. Во всех случаях электрод электрически изолирован от той части вакуумной камеры, которая заземлена. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ испытаний плазменного реактивного двигателя малой тяги в земной вакуумной среде, содержащий следующие шаги:

помещение реактивного двигателя малой тяги в вакуумную камеру, которая, по меньшей мере частично, заземлена и, по меньшей мере частично, изготовлена из электропроводящего материала; и

электроизолирование электронов пучка, образованного реактивным двигателем малой тяги, от по меньшей мере одной электропроводящей поверхности вакуумной камеры.

2. Способ по п. 1, в котором шаг электроизолирования включает в себя приложение напряжения электрического смещения к пучку.

3. Способ по п. 2, в котором электрическое напряжение смещения прикладывают к пучку с использованием электрода, расположенного внутри вакуумной камеры и электрически изолированного от нее.

4. Способ по п. 3, дополнительно содержащий динамическое регулирование уровня напряжения, приложенного к электроду, в процессе работы реактивного двигателя малой тяги.

5. Способ по п. 4, в котором указанный уровень динамически регулируют в зависимости от по меньшей мере одного из следующего: плотность нейтрального газа внутри вакуумной камеры, напряжение катода реактивного двигателя малой тяги относительно вакуумной камеры, значение тока в плазме, вытекающей из реактивного двигателя малой тяги и величины тока, собранного на электроде.

6. Способ по п. 1, в котором шаг электроизолирования включает в себя приложение напряжения смещения к расположенному ниже по потоку концу или области вакуумной камеры так, что расположенный (расположенная) ниже по потоку конец или область имеет более положительный потенциал относительно ионно-электронного пучка.

7. Способ по п. 6, в котором расположенный ниже по потоку конец вакуумной камеры электрически изолируют от расположенного выше по потоку конца вакуумной камеры, который заземлен.

8. Способ по п. 1, в котором шаг электроизолирования включает в себя размещение непроводящего материала возле электропроводящей поверхности вакуумной камеры.

9. Способ по п. 1, в котором шаг электроизолирования включает в себя размещение незаземленного материала возле электропроводящей поверхности вакуумной камеры.

10. Способ по п. 1, в котором реактивный двигатель малой тяги содержит плавающее заземление.

11. Способ по п. 1, дополнительно содержащий электроизолирование электронов или ионов пучка от по меньшей мере одной проводящей поверхности оборудования, размещенного внутри вакуумной камеры и электрически контактирующего с вакуумной камерой.

12. Испытательная система, содержащая:

вакуумную камеру, по меньшей мере частично изготовленную из электропроводящего материала и содержащую, по меньшей мере, первую часть, которая электрически заземлена; и

электрод, способный электрически изолировать электроны пучка, созданного реактивным двигателем малой тяги, от по меньшей мере одной электропроводящей поверхности вакуумной камеры.

13. Испытательная система по п. 12, в которой электроны электрически изолированы от электропроводящей поверхности путем приложения к указанному пучку электрического напряжения смещения.

14. Испытательная система по п. 12, в которой электрод расположен внутри вакуумной камеры и электрически изолирован от вакуумной камеры.

15. Испытательная система по п. 14, дополнительно содержащая контроллер, предназначенный для облегчения регулирования уровня приложенного к электроду напряжения в процессе работы реактивного двигателя малой тяги.

16. Испытательная система по п. 15, в которой предусмотрено динамическое регулирование указанного уровня в зависимости от по меньшей мере одного из следующего: плотность нейтрального газа внутри вакуумной камеры, напряжение катода реактивного двигателя малой тяги относительно вакуумной камеры, значение тока в плазме, вытекающей из реактивного двигателя малой тяги, и величина тока, собранного на электроде.

17. Испытательная система по п. 12, в которой указанный электрод содержит, по меньшей мере, первую часть вакуумной камеры, которая имеет более положительный потенциал относительно ионно-электронного пучка.

18. Испытательная система по п. 17, в которой первая часть вакуумной камеры электрически изолирована от заземленной второй части вакуумной камеры.

19. Испытательная система по п. 12, дополнительно содержащая непроводящий материал, расположенный возле электропроводящей поверхности вакуумной камеры.

20. Испытательная система по п. 12, дополнительно содержащая незаземленный материал, расположенный возле электропроводящей поверхности вакуумной камеры.