УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ РЕГУЛИРУЕМОЙ СИЛЫ ТЯГИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ИОННОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2019 года по МПК F03H1/00 B64G1/40 

Изобретение относится к ракетной технике, в частности к электрическим ионным двигателям.

Известно устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ракетном двигателе (патент на изобретение US №4838021, МПК: F03H 1/00), содержащее ионизационную камеру и ионно-оптическую систему с двумя электродами (экранный и ускоряющий), между которыми прикладывают постоянную ускоряющую разность потенциалов. Модуляцию тока многолучевого ионного потока осуществляют за счет импульсной модуляции тока разряда в ионизационной камере.

Однако для реализации этого устройства необходим громоздкий накопитель электрической энергии (обычно это конденсаторная батарея большой емкости), а также сложный блок коммутации для возбуждения импульсного разряда, включающий в себя микроконтроллер.

Известно также устройство для ускорения космического аппарата потоком заряженных частиц (патент на изобретение RU №2104411, МПК: F03H 1/00, B64G 1/40), содержащее плазменный источник (ионизатор) и многолучевую ионно-оптическую систему, имеющую три электрода последовательно расположенных на удалении друг от друга, причем первый электрод (экранный) является торцевой стенкой ионизатора и заряжен положительно. Второй, отрицательно заряженный электрод, служит для ускорения ионного потока. Для улучшения структуры ионного потока после ускоряющего электрода установлен третий замедляющий электрод, подтормаживающий наиболее быстрые ионы. Формирование многолучевого потока осуществляется за счет того, что в электродах ионно-оптической системы выполнена совокупность отдельных продольных каналов для пролета индивидуальных ионных пучков, а центры каналов и соответствующие этим каналам центры фокусирующих поверхностей, выполненных на внешней стороне экранного электрода, расположены на более чем одной концентрических окружностях относительно оси двигателя.

Недостатком этого устройства является то, что для достижения высокой скорости ионного потока в ускоряющей системе между экранным и ускоряющим электродами необходимо поддерживать высокое ускоряющее напряжение (10…50 kV), что сопряжено с опасностью электрического пробоя в разделяющих электроды изоляционных элементах или непосредственно в рабочем промежутке. Кроме того, попадание ионов на стенки пролетных каналов может вызвать разрушение электродов реактивного ионного двигателя.

Для устранения этого недостатка в патенте US №6318069 «Ion thruster having grids made of oriented pyrolytic graphite» предложено выполнять сетки трехэлектродного ионного двигателя из пиролитического графита.

Дальнейшее увеличение скорости ионного потока возможно в четырехсеточном ионном двигателе (см. Feam D.G. "The use of ion thruster for orbit raising // J. Brit. Interplan Soc. V. 33, 1980-PP 129-137).

В данном устройстве ионы ускоряют в две стадии. Плазма имеет потенциал, примерно равный анодному U_a=+(20…30) kV. На первой стадии ускорения ионы извлекают из газоразрядной камеры, используя первые две сетки (экранную и извлекающую) с ограничением разности потенциалов между ними до величины, меньшей 0.85 U_a. Это необходимо для предотвращения чрезмерного искривления поверхности плазмы и, соответственно, исключения направленного попадания части ионов на извлекающую сетку.

Вторая стадия ускорения происходит между двумя последовательно расположенными электродами (извлекающим и ускоряющим) за счет наличия на ускоряющем электроде постоянного потенциала, достигающего величины примерно - 0.07 U_a. Эти электроды удалены друг от друга на расстояние, исключающее вероятность электрического пробоя. Четвертый электрод в данном устройстве играет такую же роль, как третий (замедляющий) электрод в трехэлектродной схеме. На него подают нулевой потенциал. Этот электрод уменьшает расходимость ионных лучей, связанную с влиянием пространственного заряда. В конечном итоге на выходе из двигателя ионы могут ускориться до скорости порядка 150 -200 (км/с).

Однако в данном двигателе регулировка силы тяги также затруднена, как и в случае двухэлектродной ускоряющей системы. При этом импульс тяги можно менять только путем варьирования частоты включений ионного двигателя, а также изменением длительности импульсов за счет импульсной модуляции тока разряда в ионизационной камере.

Для осуществления космических полетов к дальним планетам необходимы реактивные двигатели со скоростью ионного потока более 200 (км/сек) при регулируемой в широких пределах величине силы тяги. Этого можно добиться в электрических ионных двигателях, позволяющих регулировать силу тяги за счет дополнительного ускорения ионов в высокочастотном поле.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе (патент на полезную модель RU №73405, МПК: F03H 1/00, B64G 1/40), содержащее газоразрядную камеру, оканчивающуюся экранным электродом, многолучевую ионно-оптическую систему (ИОС), состоящую из ряда последовательно установленных плоских электродов с пролетными отверстиями, соединенных с источниками постоянного ускоряющего, и тормозящего напряжения, генератор высокочастотных колебаний, имеющий две высокочастотных линии связи, одна из которых (входная) включает в себя аттенюатор и связана с помощью первого витка связи с входным параллельным резонансным контуром, настроенным на рабочую частоту генератора и соединенным с ускоряющим и входным управляющим электродами многолучевой ИОС, установленными во входной секции устройства, а вторая высокочастотная линия включает в себя фазовращатель и связана с помощью выходного витка связи с выходным параллельным резонансным контуром, также настроенным на рабочую частоту генератора и соединенным с выходным управляющим электродом, установленным в выходной секции устройства непосредственно перед замедляющим электродом.

В данном устройстве появляется дополнительная возможность высокочастотного ускорения модулированного по плотности ионного потока в выходной секции устройства, то есть, в промежутке между выходным управляющим и замедляющим электродами, на которых действует максимальное по амплитуде ВЧ напряжение генератора. Это напряжение синхронизировано по фазе с фазой ионных сгустков, образующихся во входной секции прибора за счет модуляции ионов синусоидальным сигналом малой амплитуды, действующим на первом ускоряющем промежутке между ускоряющим и входным управляющим электродами. За счет аттенюатора можно изменять амплитуду ВЧ напряжения на первом ускоряющем промежутке и, следовательно, плавно регулировать силу тяги.

Одним из недостатков прототипа является малая эффективность процесса группировки ионов в сгустки. Это связано с тем, что модуляция ионов по скорости осуществляется гармоническим синусоидальным сигналом одной частоты F₀. Поэтому в сгустки попадает только ионы, находящиеся в области полупериода модулирующего высокочастотного напряжения (T₁=π), в то время как в остальные полупериода ионы в сгустки не попадают.

Кроме того, сгустки ионов при чисто синусоидальной форме модулирующего ВЧ напряжения имеют значительную протяженность. Поэтому в выходной секции устройства, куда ионы приходят в отрицательной фазе ускоряющего ВЧ напряжения, также имеющего синусоидальную форму, максимально ускоряется только средняя часть сгустка, а начало и конец этого сгустка приобретают значительно меньшую энергию. В результате средняя скорость ионного потока на выходе двигателя падает. Полный КПД устройства при высокочастотном ускорении в прототипе не превышает 50%.

Кроме того, при наличии большой амплитуды переменного ВЧ напряжения между электродами может проявиться эффект динамической «расфокусировки» ионов, которые при наличии ВЧ модуляции могут изменять траекторию движения и попадать на электроды ИОС, вызывая их эрозию и разрушение.

Технической проблемой изобретения является необходимость достижения в новом устройстве более высокой и плавно регулируемой скорости ионной струи, обеспечивающей увеличение силы тяги и ее регулировку в широком диапазоне. Кроме того, проблемой изобретения является необходимость увеличения долговечности устройства за счет уменьшения эрозии и вероятности разрушения электродов ИОС.

Для решения поставленных проблем в устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе, содержащем газоразрядную камеру, оканчивающуюся экранным электродом, многолучевую ионно-оптическую систему (ИОС), состоящую из ряда последовательно установленных с зазорами плоских электродов с пролетными отверстиями, соединенных с источниками постоянного ускоряющего и тормозящего напряжения, генератор высокочастотных колебаний, имеющий две высокочастотных линии связи, одна из которых (входная) включает в себя входной аттенюатор и связана с помощью входного витка связи с входным параллельным резонансным контуром, настроенным на рабочую частоту генератора F₀ и соединенным с ускоряющим и входным управляющим электродами многолучевой ИОС, установленными во входной секции устройства, а вторая (выходная) высокочастотная линия включает в себя фазовращатель и связана с помощью выходного витка связи с выходным параллельным резонансным контуром, также настроенным на рабочую частоту генератора F₀ и соединенным с выходным управляющим электродом, установленным в выходной секции устройства непосредственно перед замедляющим электродом; введены дополнительные, последовательно чередующиеся, управляющие и фокусирующие электроды с пролетными отверстиями, симметрично отделенные друг от друга экранирующими электродами; причем дополнительные управляющие электроды, расположенные во входной секции устройства соединены с двумя дополнительными параллельными колебательными контурами, настроенными, соответственно, на две рабочие частоты, равные удвоенной (F₂=2F₀) и утроенной (F₃=3F₀) частотам генератора высокочастотных колебаний, связанного с этими контурами через две дополнительные линии связи, в каждой из которых включены, соответствующие по частоте умножители частоты, регулируемые фазовращатели, аттенюаторы, а также дополнительные витки связи; кроме того, первый управляющий электрод в группе электродов, находящихся в выходной секции устройства, соединен с дополнительным выходным параллельным колебательным контуром, настроенным, соответственно, на рабочую частоту, равную утроенной (F₃=3F₀) частоте генератора высокочастотных колебаний, связанного с этим контуром через третью дополнительную линию связи, содержащую, соответствующие по частоте усилитель мощности, фазовращатель и виток связи; помимо этого второй управляющий электрод в группе электродов, находящихся в выходной секции устройства, соединен с выходным управляющим электродом, а все фокусирующие электроды, расположенные во входной и выходной секциях устройства электрически соединены общим проводом с входным ускоряющим электродом. Причем радиус пролетных отверстий в управляющих и экранирующих электродах и отношение амплитуд ВЧ напряжения на параллельных резонансных контурах, находящихся во входной и выходной секциях устройства выбирают из следующих соотношений:

где: а - радиус пролетных отверстий в управляющих и экранирующих электродах,

β=V_i/с - относительная скорость ионного потока;

с - скорость света;

λ₁=c/F₀ - рабочая длина волны генератора высокочастотных колебаний;

U_1(вх) - амплитуда ВЧ напряжения на входном параллельном резонансном контуре, имеющем резонансную частоту, равную частоте генератора высокочастотных колебаний F₀;

U_2(вх) - амплитуда ВЧ напряжения на дополнительном входном параллельном колебательном контуре, настроенным на удвоенную рабочую частоту (F₂=2F₀);

U_3(вх) - амплитуда ВЧ напряжения на дополнительном входном параллельном колебательном контуре, настроенном на утроенную рабочую частоту (F₃=3F₀);

U_3(вых) - амплитуда ВЧ напряжения на дополнительном выходном параллельном колебательном контуре, настроенном на утроенную рабочую частоту (F₃=3F₀).

Заявляемое устройство поясняется с помощью фиг. 1…4, на которых представлены: на фиг. 1 - схема электрического ионного двигателя; на фиг. 2 - коэффициенты связи для группирователя, работающего на трех кратных частотах; на фиг. 3 - несинусоидальная форма ВЧ модулирующего напряжения, действующая во входной (группирующей) секции прибора, полученная путем сложения сигналов основной, удвоенной и утроенной частот; на фиг. 4 - несинусоидальная форма ВЧ ускоряющего напряжения, действующая в выходной (ускорительной) секции прибора, полученная путем сложения сигналов основной и утроенной частот. Позициями 1…46 на фиг. обозначены:

1 - газоразрядная камера,

2 - экранный электрод;

3 - отверстия для пролета ионных лучей, выполненные в плоских электродах;

4 - источник постоянного ускоряющего напряжения;

5 - источник постоянного тормозящего напряжения;

6 - генератор высокочастотных колебаний;

7 - входная высокочастотная линия связи;

8 - входной аттенюатор;

9 - входной виток связи;

10 - входной параллельный резонансный контур, настроенный на основную частоту F₀;

11 - входной ускоряющий электрод;

12 - входной управляющий электрод;

13 - входная секция устройства;

14 - выходная высокочастотная линия связи, предназначенная для работы на основной частоте;

15 - выходной фазовращатель, предназначенный для работы на основной частоте;

16 - виток связи с входным параллельным резонансным контуром основной частоты;

17 - выходной параллельный резонансный контур, настроенный на основную частоту F₀;

18 - выходной управляющий электрод;

19 - выходная секция устройства;

20 - замедляющий электрод;

21 - дополнительные управляющие электроды, расположенные во входной секции устройства;

22 - фокусирующие электроды, расположенные во входной и выходной секциях устройства;

23 - экранирующие электроды, имеющие потенциал земли;

24 - дополнительный входной параллельный колебательный контур, настроенный на удвоенную рабочую частоту (F₂=2F₀);

25 - дополнительный входной параллельный колебательный контур, настроенный на утроенную рабочую частоту (F₃=3F₀);

26 - дополнительная входная линия связи, предназначенная для работы на частоте F₂=2F₀;

27 - дополнительная входная линия связи, предназначенная для работы на частоте F₃=3F₀;

28 - умножитель частоты с коэффициентом умножения K=F₂/F₀=2;

29 - умножитель частоты с коэффициентом умножения K=F₃/F₀=3;

30 - дополнительный регулируемый фазовращатель, предназначенный для работы на частоте F₂=2F₀;

31 - дополнительный регулируемый фазовращатель, предназначенный для работы на частоте F₃=3F₀;

32 - дополнительный регулируемый аттенюатор, предназначенный для работы на частоте F₂=2F₀;

33 - дополнительный регулируемый аттенюатор, предназначенный для работы на частоте F₃=3F₀;

34 - дополнительный виток связи с дополнительный входным параллельным колебательным контуром, настроенным на удвоенную рабочую частоту (F₂=2F₀);

35 - дополнительный виток связи с дополнительным входным параллельным колебательным контуром, настроенным на утроенную рабочую частоту (F3=3F₀);

36 - первый управляющий электрод в группе электродов, находящихся в выходной секции устройства;

37 - дополнительный выходной параллельный колебательный контур настроенный на утроенную рабочую частоту (F₃=3F₀);

38 - дополнительная выходная линия связи, предназначенная для работы на частоте F₃=3F₀;

39 - дополнительный усилитель мощности, предназначенный для работы на частоте F₃=3F₀;

40 - дополнительный фазовращатель, предназначенный для работы на частоте F₃=3F₀;

41 - дополнительный виток связи с дополнительным выходным параллельным колебательным контуром, настроенным на утроенную рабочую частоту (F₃=3F₀)

42 - второй управляющий электрод в группе электродов, находящихся в выходной секции устройства

43 - общий электрический провод;

44 - нейтрализатор;

45 - дополнительный усилитель мощности, работающий на основной частоте;

46 - источник питания нейтрализатора.

Заявляемое устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе содержит газоразрядную камеру 1, оканчивающуюся экранным электродом 2, после которого расположен ряд последовательно установленных плоских электродов с пролетными отверстиями 3, образующих многолучевую ионно-оптическую систему (ИОС). Эти электроды соединены с источниками постоянного ускоряющего 4, и тормозящего напряжения 5. В состав устройства также входит генератор высокочастотных колебаний 6, имеющий входную и выходную линии высокочастотной связи. Входная высокочастотная линия связи 7 включает в себя аттенюатор 8 и связана с помощью входного витка связи 9 с входным параллельным резонансным контуром 10. Этот колебательный контур настроен на рабочую частоту генератора F₀ и соединен с входным ускоряющим 11 и входным управляющим 12 электродами многолучевой ИОС, установленными во входной секции устройства 13. Вторая высокочастотная линия связи 14 включает в себя выходной фазовращатель, предназначенный для работы на основной частоте F₀. Она связана с помощью выходного витка связи 16 с выходным параллельным резонансным контуром 17, также настроенным на рабочую частоту генератора F₀. Этот колебательный контур соединен с выходным управляющим электродом 18, установленным в выходной секции 19 устройства непосредственно перед замедляющим электродом 20.

Для решения поставленных ранее задач, а именно - достижения в новом устройстве более высокой и плавно регулируемой скорости ионной струи в ускоряющей системе, при уменьшенной, по сравнению с прототипом, величине постоянного ускоряющего напряжения, а также с целью достижения большей долговечности устройства, в состав ИОС введены дополнительные, последовательно чередующиеся, управляющие и фокусирующие электроды с пролетными отверстиями.

Причем два дополнительных управляющих электрода 21, находящихся во входной секции, отделены от фокусирующих электродов 22 с помощью экранирующих электродов 23, которые находятся под потенциалом земли. Кроме того, эти дополнительные управляющие электроды соединены, соответственно, с двумя дополнительными параллельными колебательными контурами. При этом дополнительный входной параллельный колебательный контур 24 настроен на удвоенную рабочую частоту (F₂=2F₀), а дополнительный входной параллельный колебательный контур 25 настроен на утроенную рабочую частоту (F₃=3F₀).

Для связи этих колебательных контуров с генератором высокочастотных колебаний в предлагаемое устройство введены, соответственно, две дополнительные линии связи: дополнительная входная линия связи 26, предназначенная для работы на частоте F₂=2F₀ и дополнительная входная линия связи 27, предназначенная для работы на частоте F₃=3F₀. В этих линиях, соответственно, расположены: умножитель частоты 28 с коэффициентом умножения K₂=F₂/F₀=2, умножитель частоты 29 с коэффициентом умножения K₃=F₃/F₀=3, регулируемые дополнительные фазовращатели 30 и 31, аттенюаторы 32 и 33, а также дополнительные витки связи 34 и 35.

Кроме того, первый управляющий электрод 36, находящийся в выходной секции устройства, соединен с дополнительным выходным параллельным колебательным контуром 37, настроенным, соответственно, на утроенную рабочую частоту (F₃=3F₀), Для возбуждения этого колебательного контура в устройство введена дополнительная выходная линия высокочастотной связи 38, содержащая усилитель мощности 39, дополнительный фазовращатель 40 и дополнительный виток связи 41.

Второй управляющий электрод 42, находящийся в выходной секции устройства, соединен с выходным управляющим электродом. Все фокусирующие электроды, как во входной секции, так и в выходной секциях устройства, расположены в зазорах между двумя экранирующими электродами и электрически соединены общим проводом 43 с входным фокусирующим электродом. Оптимальные режимы работы устройства выбирают из указанных выше соотношений (1…4).

В состав устройства входит также нейтрализатор 44, предназначенный для получения квазинейтрального потока заряженных частиц, дополнительный усилитель мощности 45, работающий на основной частоте, и источник электропитания нейтрализатора 46.

Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ракетном двигателе работает следующим образом. Газоразрядную камеру заполняют рабочим газом, например, ксеноном (Хе) с атомной массой 131.3 а.е.м. После инициирования газового разряда, например, с помощью СВЧ энергии, ионы извлекают из газоразрядной камеры, используя первые два электрода ИОС (экранный -2 и входной ускоряющий электрод-11).

Например, на электрод 2 подают потенциал 27,25 kV, а на электрод 11 подают потенциал +25 kV. На этой стадии ускорения ионы приобретают скорость 57,470 (км/с).

Далее окончательное ускорение многолучевого потока ионов постоянным электрическим полем происходит в промежутке между электродом 11 и экранирующим электродом 23, который находится под нулевым потенциалом. Под действием большой ускоряющей разности потенциалов ионы входят в первый двойной высокочастотный (ВЧ) зазор, образованный двумя экранирующими электродами 23 и входным управляющим электродом.

Далее ионные лучи проходят через отверстия в первой группе разноименно заряженных электродов, образующих первую одиночную линзу. Находящиеся в центре этой линзы фокусирующие электроды заряжены положительно относительно экранирующих электродов. Проходя центральную область первой одиночной линзы пучки ионов расширяются, до тех пор пока не войдут во второй двойной ВЧ зазор, образованный двумя экранирующими электродами 23 и первым дополнительным управляющим электродом. В области этого зазора пучки сужаются, то есть происходит их фокусировка.

Аналогичным образом осуществляют периодическое движение лучей и их фокусировку при дальнейшем прохождении пучков ионов через систему последовательно чередующихся управляющих и фокусирующих электродов, как во входной, так и в выходной секции устройства. При этом чередующиеся электроды, образующие двухзазорные резонаторы и фокусирующие электроды в этих секциях образуют единую электростатическую периодическую фокусирующую систему.

Для подачи на фокусирующие электроды соответствующего положительного потенциала используют отдельный источник питания. Однако для упрощения системы питания двигателя целесообразно использовать режим фокусировки при потенциале фокусирующего электрода, равном потенциалу входного ускоряющего электрода, соединив их общим электрическим проводом. Для устранения токооседания на фокусирующие электроды диаметр отверстий в них выбирают немного большим, чем диаметр отверстий в управляющих и экранирующих электродах.

Все электроды ИОС удалены друг от друга на расстояние, исключающее вероятность электрического пробоя. Так как электрические потенциалы электродов одиночных линз на их входе и выходе одинаковы, то скорость реактивной струи на начальном этапе ускорения постоянным электрическим полем для рассматриваемого примера составляет 200 (км/с).

Небольшую прибавку скорости (для рассматриваемого выше примера, до 210 (км/час)) ионы получают на выходе устройства, проходя через отверстия в замедляющем электроде 20, который находится под отрицательным потенциалом по отношению к потенциалу экранирующего электрода.

На выходе устройства имеется полый катод - нейтрализатор 44. К катоду подают газ. После подачи ускоряющего напряжения от источника питания 46 в полом катоде 44 образуются электроны, которые нейтрализуют положительно заряженные ионы, образующие квазинейтральную плазменную реактивную струю на выходе устройства. Имеющийся на выходе небольшой скачок потенциала, создает условия для разрыва пучковой плазмы, предотвращая возвращение обратных потоков электронов в рабочий объем двигателя.

Далее регулирование величиной силы тяги в предлагаемом устройстве осуществляют за счет дополнительного ускорения их в сильном высокочастотном электрическом поле, величину которого плавно изменяют. Для этого небольшую часть (5…10%) мощности ВЧ генератора 6 подают через линию связи 7, аттенюатор 8 и виток связи 9 для возбуждения резонансного колебательного контура, настроенного на основную частоту F₀.

Эту частоту, а также радиус пролетных отверстий а выбирают из условия, определяемого соотношением (1), известным из теории клистрона (Ю.А. Кацман, Вопросы теории многорезонаторных клистронов. Издательство «Связьиздат», 1958 - 316 с). Оно определяет выбор предельно допустимых максимальных значений углов пролета по радиусу пролетного канала для частоты F, при которых эффективность взаимодействия ионов с ВЧ полем не мала. Для рассмотренного выше примера при U₀=27.25kV, β=0.000667 можно выбрать λ₁=12 м, тогда F₀=25 МГц, F₂=50 МГц, F₃=75 МГц, a=0,4 мм.

Одновременно часть ВЧ мощности подают в две дополнительные входные линии связи 26 и 27, где с помощью умножителей частоты 28 и 29 происходит преобразование частоты сигнала в частоту F₂=2F₀ и в частоту F₃=3F₀. Амплитуда и фаза сигналов в этих линиях регулируют с помощью дополнительных фазовращателей 30 и 31, а также аттенюаторов 32 и 33, согласно формулам (2)-(3).

После прохождения этих устройств сигналы удвоенной и утроенной частот с помощью соответствующих витков связи возбуждают входной параллельный колебательный контур 24, который настроен на удвоенную рабочую частоту (F₂=2F₀). Ионы, проходя через первый двойной ВЧ зазор с противофазным напряжением U_1(вх), будут получать модуляцию по скорости, которая затем на участке их движения в области дрейфа (область действия тормозящего потенциала одиночной линзы) переходит в модуляцию ионов по плотности.

Аналогичные процессы скоростной модуляции и процесс формирования сгустков буде происходить и в следующих двухзазорных участках взаимодействия, на которых будут действовать модулирующие напряжения U_2(вх), U_3(вх). Геометрические размеры двойных зазоров (длину зазора d, длину управляющего электрода L и расстояние между центрами зазоров S_вх=d+L выбирают, также как и в клистроне (см. Ю.А. Кацман, Вопросы теории многорезонаторных клистронов. Издательство «Связьиздат», 1958 - 316 с.) таким образом, чтобы обеспечить высокую эффективность взаимодействия (коэффициент связи M_k ионов с ВЧ полем) одновременно для всех трех (k=1,2,3) двойных зазоров (см. фиг. 2).

Например, для рассмотренного выше примера (к=1,2,3; β=0.000667; λ₁=12 м; λ₂=6 м; λ₃=4 м; d₁=d₂=d₃=1,25 мм; а=0,4 мм из уравнения (5) получаем, что при оптимальных длинах управляющих электродов (труб дрейфа L₁=L₃=2.5 мм L₂=4.5 мм) коэффициенты связи для на всех частотах находятся в диапазоне значений M₁=0,918, М₂=0,79, М₃=0,56, обеспечивающих высокую эффективность скоростной модуляции.

Из фиг. 3 видно, что во входной секции устройства, являющейся группирователем ионов, действует суммарное ВЧ модулирующее напряжение U_Σ(ωt) по форме, близкое к идеальной (пилообразной) форме. При этом эффективность нелинейной скоростной модуляции можно определить, оценивая безразмерную длительность T₃ суммарного модулирующего напряжения

В прототипе с периода ВЧ колебаний в сгустки собирается только половина всех ионов ϑ=50%. В случае модуляции тремя сигналами эффективность нелинейной скоростной модуляции составляет

ВЧ ускорение ионных сгустков осуществляется в выходной секции, пространство взаимодействия в которой образуют три последовательно расположенных двойных высокочастотных зазора, образованных между торцами управляющих электродов 36, 42, 18 и экранирующих электродов 23. Для ускорения ионов большую часть мощности ВЧ генератора 6 с помощью выходной высокочастотной линии связи 14 через виток связи 41 подают на выходной параллельный резонансный контур 17, настроенный на основную частоту F₀.

Далее этот сигнал поступает на второй управляющий электрод 42, находящийся в выходной секции устройства и соединенный с выходным управляющим электродом 18. Для регулировки фазы и амплитуды ВЧ напряжения U_1(вых) для сигнала основной частоты в линии связи 14 установлены дополнительный усилитель мощности 45 и выходной фазовращатель 15.

Одновременно подают ВЧ сигнал утроенной частоты (F₃=3F₀) на двойной ВЧ зазор, центральным электродом которого является первый управляющий электрод 36, соединенный с дополнительным выходным параллельным колебательным контуром 37. В этот контур ВЧ сигнал поступает по линии связи 38 через умножитель частоты 29 F₃=3F₀.

Фазу сигналов в этой линии регулируют с помощью дополнительного фазовращателя 40 таким образом, чтобы суммарное ВЧ напряжение, действующее в области ускорения было синхронизировано по фазе с фазой ионных сгустков, образующихся во входной секции прибора за счет скоростной модуляции и группировки ионов несинусоидальным синусоидальным сигналом. За счет усилителей ВЧ мощности 45 и 39 подбирают, согласно выражениям (3-4) амплитуды ВЧ напряжения для сигналов основной U_1(вых) и утроенной U_3(вых) частот для на ускоряющем промежутке. В результате форма суммарного ускоряющего ВЧ напряжения будет иметь протяженную плоскую вершину (фиг. 4).

Поэтому в выходной секции устройства, куда сгустки ионов приходят в отрицательной фазе ускоряющего ВЧ напряжения, максимально ускоряется не только средняя часть сгустков, но и их начало и конец. Так как скорости в двух ускоряющих двойных зазорах складываются, то можно приближенно принять суммарный коэффициент связи равным M_s≈2⋅M_lK_u, где K_u≈0.9 - коэффициент, зависящий от формы несинусоидального напряжения (фиг. 4).

При условии, что относительная амплитуда ускоряющего напряжения U_Σ/U₀≈1, максимальное изменение относительной скорости ионов V_i (следовательно, и силы тяги) на выходе из ускоряющей секции составит ±40%

Для рассматриваемого выше примера, скорость ионов можно изменять в диапазоне значений V_i=210±83 км/сек. В результате синхронного взаимодействия с ВЧ полем большой амплитуды (U_Σ/U₀≈1) ионы можно ускорить до скорости около 300 (км/ сек), что в 1,4 раза превышает скорость современного четырехсеточного ионного двигателя Dual-Stage (DS4G) (см. pcnews.ru/…/dual-stage-ds4g-esa-10-210-smart-orson-sutherland-roger-walker-10319).

В качестве рабочего газа вместо ксенона (Хе) можно выбрать аргон (Ar). Он также является инертным газом, но, в отличие от ксенона, имеет большую энергию ионизации при меньшей атомной массе.

Изобретение относится к ракетной технике, в частности к электрическим ионным двигателям, снабженным устройством для регулирования силы тяги за счет дополнительного ускорения ионов в высокочастотном поле. Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе содержит газоразрядную камеру, оканчивающуюся экранным электродом, многолучевую ионно-оптическую систему (ИОС), состоящую из ряда последовательно установленных с зазорами плоских электродов с пролетными отверстиями, соединенных с источниками постоянного ускоряющего и тормозящего напряжения, генератор высокочастотных колебаний, имеющий две высокочастотные линии связи. Одна из линий (входная) включает в себя входной аттенюатор и связана с помощью входного витка связи с входным параллельным резонансным контуром, настроенным на рабочую частоту генератора F₀ и соединенным с ускоряющим и входным управляющим электродами многолучевой ИОС, установленными во входной секции устройства. Вторая (выходная) высокочастотная линия включает в себя фазовращатель и связана с помощью выходного витка связи с выходным параллельным резонансным контуром, также настроенным на рабочую частоту генератора F₀ и соединенным с выходным управляющим электродом, установленным в выходной секции устройства непосредственно перед замедляющим электродом. Введены дополнительные, последовательно чередующиеся, управляющие и фокусирующие электроды с пролетными отверстиями, симметрично отделенные друг от друга экранирующими электродами; причем дополнительные управляющие электроды, расположенные во входной секции устройства соединены с двумя дополнительными параллельными колебательными контурами. При использовании изобретения обеспечивается достижение более высокой и плавно регулируемой скорости ионной струи, обеспечивающей увеличение силы тяги и ее регулировку в широком диапазоне, и увеличение долговечности устройства за счет уменьшения эрозии и вероятности разрушения электродов ионно-оптической системы (ИОС). 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе, содержащее газоразрядную камеру, оканчивающуюся экранным электродом, многолучевую ионно-оптическую систему (ИОС), состоящую из ряда последовательно установленных с зазорами плоских электродов с пролетными отверстиями, соединенных с источниками постоянного ускоряющего и тормозящего напряжения, генератор высокочастотных колебаний, имеющий две высокочастотных линии связи, одна из которых (входная) включает в себя входной аттенюатор и связана с помощью входного витка связи с входным параллельным резонансным контуром, настроенным на рабочую частоту генератора F₀ и соединенным с ускоряющим и входным управляющим электродами многолучевой ИОС, установленными во входной секции устройства, а вторая (выходная) высокочастотная линия включает в себя фазовращатель и связана с помощью выходного витка связи с выходным параллельным резонансным контуром, также настроенным на рабочую частоту генератора F₀ и соединенным с выходным управляющим электродом, установленным в выходной секции устройства непосредственно перед замедляющим электродом;

отличающееся тем, что в состав ИОС введены дополнительные, последовательно чередующиеся, управляющие и фокусирующие электроды с пролетными отверстиями, симметрично отделенные друг от друга экранирующими электродами; причем дополнительные управляющие электроды, расположенные во входной секции устройства соединены с двумя дополнительными параллельными колебательными контурами, настроенными, соответственно, на две рабочие частоты, равные удвоенной (F₂=2F₀) и утроенной (F₃=3F₀) частотам генератора высокочастотных колебаний, связанного с этими контурами через две дополнительные линии связи, в каждой из которых включены соответствующие по частоте умножители частоты, регулируемые фазовращатели, аттенюаторы, а также дополнительные витки связи; кроме того, первый управляющий электрод в группе электродов, находящихся в выходной секции устройства, соединен с дополнительным выходным параллельным колебательным контуром, настроенным, соответственно, на рабочую частоту, равную утроенной (F₃=3F₀) частоте генератора высокочастотных колебаний, связанного с этим контуром через третью дополнительную линию связи, содержащую соответствующие по частоте усилитель мощности, фазовращатель и виток связи; помимо этого второй управляющий электрод в группе электродов, находящихся в выходной секции устройства, соединен с выходным управляющим электродом, а все фокусирующие электроды, расположенные во входной и выходной секциях устройства электрически соединены общим проводом с входным ускоряющим электродом.

2. Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе по п. 1, отличающееся тем, что радиус пролетных отверстий в управляющих и экранирующих электродах и отношение амплитуд ВЧ напряжения на параллельных резонансных контурах, находящихся во входной и выходной секциях устройства выбирают из следующих соотношений:

a=(0.06÷0.08)βλ₁,

U_2(вх)=(0.45÷0.5) U_1(вх);

U_3(вx)=(0.18÷0.2) U_1(вх);

U_3(вых)=(0.1÷0.125) U_1(вых);

где: а - радиус пролетных отверстий в управляющих и экранирующих электродах,

β=V_i/с - относительная скорость ионного потока;

с - скорость света;

λ₁=c/F₀ - рабочая длина волны генератора высокочастотных колебаний;

U_1(вх) - амплитуда ВЧ напряжения на входном параллельном резонансном контуре, имеющем резонансную частоту, равную частоте генератора высокочастотных колебаний F₀;

U_2(вх) - амплитуда ВЧ напряжения на дополнительном входном параллельном колебательном контуре, настроенным на удвоенную рабочую частоту (F₂=2F₀);

U_3(вх) - амплитуда ВЧ напряжения на дополнительном входном параллельном колебательном контуре, настроенном на утроенную рабочую частоту (F₃=3F₀);

U_3(вых) - амплитуда ВЧ напряжения на дополнительном выходном параллельном колебательном контуре, настроенном на утроенную рабочую частоту (F₃=3F₀).