УЗЕЛ ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА ИСТОЧНИКА ПЛАЗМЫ Российский патент 2024 года по МПК H05H1/24 B64G99/00 F03H1/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей, в частности к ионным двигателям.

Конструктивно все ионные двигатели состоят из трех основных узлов: газоразрядной камеры, в которой происходит ионизация поступающего рабочего газа, ионно-оптической системы, с помощью которой происходит извлечение и ускорение образовавшихся ионов, и катода-нейтрализатора, который компенсирует истекающей из двигателя ионный пучок.

Существуют три типа ионизации или перевода рабочего тела в ионизованное состояние: на основе разряда постоянного тока, высокочастотного разряда или сверхвысокочастотного разряда.

Известен ионный двигатель NSTAR (J.E. Polk, R.Y. Kakuda, J.R. Anderson and J.R. Brophy «Performance of the NSTAR Ion Propulsion System on the Deep Space One Mission», 2001. - 24 p.), разработанный компанией Hughes Electron Dynamics, который содержит газоразрядную камеру, служащую также анодом, имеющую форму цилиндра с конической задней стенкой. Магнитное поле создается с помощью постоянных самарий-кобальтовых магнитов в виде колец, которые расположены по длине камеры. На задней стенке камеры расположен полый катод, который служит источником первичных электронов для зажигания разряда. Рабочее тело (ксенон) подается в газоразрядную камеру через основной ввод в камеру - полый катод, расположенный на оси камеры, и дополнительный ввод, который расположен также на задней стенке камеры, но в месте, где коническая часть переходит в цилиндрическую. Ионно-оптическая система состоит из двух молибденовых выпуклых сеток с 15000 пар соосных отверстий.

Недостатком ионных двигателей с разрядом постоянного тока, как и любого ионного двигателя является то, что на оси двигателя наблюдается наибольшее число заряженных частиц, что связанно с осевым расположением полого катода, являющегося источником электронов. Плотность заряженных частиц спадает от оси к стенкам камеры. Такое распределение плотности плазмы влияет на распределение плотности тока ионного пучка, которую можно создать в двигателе. В связи с этим на оси камеры будет наблюдаться наибольшее количество ионов, вытягиваемых через ионно-оптическую систему. Следовательно, центральная часть электродов ионно-оптической системы является самой теплонагруженной, что отрицательно сказывается на их ресурсе.

Еще одним недостатком ионных двигателей с разрядом постоянного тока является то, что перед запуском двигателя, необходимо первоначально запустить полый катод. Перед запуском плазменного полого катода происходит стартовый разогрев нагревателя. Этот недостаток делает невозможным мгновенное включение катода в работу, кроме этого, во время стартового разогрева нагревателя в катоде происходят дополнительные потери мощности.

Еще одним недостатком ионных двигателей с разрядом постоянного тока является то, что в системе электростатического ионного ускорителя с ионизационной камерой и анодным электродом, расположенным в ионизационной камере, и подводом газа для ввода рабочего газа в ионизационную, во время ввода рабочего газа обычно рабочий газ находится в диапазоне давления, в котором при высоком напряжении в несколько киловольт, приложенном во время работы между электродом и потенциалом массы, может возникать коронный разряд от анодного электрода в качестве первого конструктивного элемента через рабочий газ ко второму проводящему конструктивному элементу, который расположен выше по потоку в подводе газа, то есть в направлении потока подаваемого рабочего газа перед ионизационной камерой.

Известен ионный двигатель с ионизационной камерой на основе высокочастотного разряда, например, RIT-22 (H.W. Loeb, D. Feili, G.A. Popov, V.A. Obukhov, V.V. Balashov, A.I. Mogulkin, V.M. Murashko, A.N. Nesterenko, and S.A. Khartov: «Design of High-Power High-Specific Impulse RF-Ion Thruster», 32nd IEPC, Wiesbaden, Sept. 11-15, 2011). Данный двигатель содержит коническую диэлектрическую камеру с намотанным на нее индуктором, ионно-оптическую систему, выполненную из двух сеток, и катод-нейтрализатор. В газоразрядной камере атомы рабочего тела ионизуются электронным ударом. Энергию, необходимую для ионизации атомов, электрон получает в безэлектродном разряде в переменном электромагнитном поле частотой несколько мегагерц, создаваемом индуктором.

Недостатком ионных двигателей на основе высокочастотного разряда является то, что что в газоразрядной камере нет источника электронов, называемых первичными, которые необходимы для зажигания безэлектродного разряда. Поэтому роль источника электронов в этом случае выполняет катод-нейтрализатор, расположенный за ионно-оптической системой. И для того, чтобы затянуть электроны снаружи внутрь газоразрядной камеры, необходимо подать положительный потенциал на наружную сетку. Все процессы, связанные со стартовым разогревом нагревателя, запуска катода-нейтрализатора и затягиванием электронов внутрь разрядной камеры, отсрочивают запуск двигателя.

Известен аналог - система высоковольтного изолятора и система ионного ускорителя с такой системой высоковольтного изолятора (патент на изобретение, РФ, RU 2481753 C2, опубликован 26.03.2009). Изобретение относится к системе высоковольтного изолятора и системе ионного ускорителя с такой системой высоковольтного изолятора. Данный патент предполагает введение в подвод газа тела изолятора, которое содержит проницаемый для газа открытый (с открытыми порами) пористый диэлектрик, который предотвращает коронный разряд и одновременно обеспечивает возможность подачи рабочего газа в ионизационную камеру. Проницаемое для газа тело изолятора может быть образовано, например, с помощью имеющего открытые поры пены или же предпочтительно с помощью имеющего поры керамического материала. Тело изолятора предпочтительно выполнено в виде диска и ориентировано поверхностью диска поперек направления основного потока рабочего газа. Средняя величина пор имеющего открытые поры диэлектрика в направлении электрического поля, вызываемого высоким напряжением, между конструктивными элементами предпочтительно составляет меньше 100 мкм.

Данное устройство может быть применено также для более равномерного распределения потока поступающего через ввод рабочего газа в объеме газоразрядной камеры. Недостатком при применении для ионного двигателя с высокочастотным разрядом является только то, что данная система не решает вопрос со временем запуска двигателя.

Известен прототип - источник ионов (патент на изобретение, СССР, SU 1593501 A1, опубликован 06.04.1988). Изобретение относится к технологическим ионным источникам. Источник содержит диэлектрическую камеру с торцовой перфорированной стенкой - анкером и установленную на камере обмотку возбуждения высокочастотного поля. В камере выполнены пористые перегородки из материала с низким коэффициентом электропроводности, например, из запеченных стеклянных шариков. Со стороны анкера на перегородку нанесено покрытие из геттера. При подводе высокочастотной энергии в разряд происходит разогрев стенок диэлектрической камеры и перегородок, в результате чего покрытие начинает эмитировать электроны равномерно по сечению, что способствует повышению газовой экономичности. Перегородка предполагается однорядной.

Недостатком является то, что покрытие, имеющее эмиссионные свойства, необходимо делать тонким, в противном случае этот материал попадет в поры, что уменьшит эффективность пористой перегородки. Также недостатком является то, что ресурс покрытия, имеющего эмиссионные свойства, ограничен его испарением. При выходе из строя эмиттерного покрытия дальнейшее функционирование электроракетного двигателя невозможно.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение времени запуска источника плазмы и увеличение коэффициента использования рабочего тела.

Источник плазмы содержит газоразрядную камеру 1, систему ускорения заряженных частиц 2, узел подачи рабочего тела 3, магнитную систему 4 с электромагнитами или постоянными магнитами при ионизации в разряде постоянного тока, обмотку индуктора 5 при ионизации в высокочастотном разряде, установленную на газоразрядную камеру. Рабочее тело подается в ионизационную камеру через ввод 6. Газоразрядная камера 1 может иметь форму цилиндра, цилиндра с конической задней частью, цилиндра со сферической задней частью. Поперечное сечение газоразрядной камеры 1 может быть выполнено в форме кольца или поперечное речение газоразрядной камеры 1 может быть образовано двумя прямолинейными участками, соединенными симметричными криволинейными участками. Система ускорения заряженных частиц 2 образована не менее двумя электродами, выполненными в виде плоских перфорированных пластин с большим числом соосных отверстий, которые изолированы как от корпуса, так и друг от друга. В газоразрядной камере 1 размещен узел подачи рабочего тела 3, выполненный в виде структурированной пористой перегородки из не менее двух рядов одномерных тел вращения со сферическим элементом на взаимно расположенных друг к другу сторонах. Со стороны системы ускорения заряженных частиц 2 расположена изолирующая перегородка 7, которая выполнена из материала с низким коэффициентом электропроводности. Со стороны, противоположной системе ускорения заряженных частиц 2, расположена перегородка 8, которая выполнена из материала с термоэмиссионными свойствами и подключена к источнику электропитания.

На фиг. 1а представлены системы образования плазмы, основанная на разряде постоянного тока.

На фиг. 1б представлены системы образования плазмы, основанная на высокочастотном разряде.

На фиг. 2а представлена цилиндрическая газоразрядная камера.

На фиг. 2б представлена цилиндрическая газоразрядная камера с конической задней частью.

На фиг. 2в представлена цилиндрическая газоразрядная камера со сферической задней частью.

На фиг. 2г представлена кольцевая газоразрядная камера.

На фиг. 2д представлена кольцевая газоразрядная камера с прямолинейными участками.

На фиг. 3 представлена картина пор, получающихся при взаимном расположении двух рядов структурированных пористых перегородок, которые установлены со смещением, обеспечивающим установку соприкосновением или на расстоянии ее сферической части во впадину, образованную тремя соединенными сферическими элементами предыдущей перегородки.

Источник ионов работает следующим образом - рабочее тело попадает в объем газоразрядной камеры 1, проходя через пористую перегородку 3, выполняющую функцию газораспределителя и эмитирующей поверхности одновременно. При нагреве перегородки 8, выполненной из материала с высоким коэффициентом термоэмиссии, путем протекания через нее тока до температур термоэмиссии, происходит испускание электронов. Для схемы с разрядом постоянного тока (фиг. 1а) под действием разности потенциалов между катодом 8 и анодом 9 электроны, полученные в результате термоэмиссии, ускоряются и ионизуют рабочее тело электронным ударом. Для повышения эффективности ионизации внутри газоразрядной камеры организовано магнитное поле с помощью магнитной системы 4. Для схемы с высокочастотным разрядом (фиг. 1б) высокочастотная энергия подводится к обмотке индуктора 5, в камере зажигается безэлектродный разряд, энергия которого передается электронам для ионизации рабочего тела. В объеме газоразрядной камеры образуется плазма, которая формирует однородный слой вблизи системы ускорения заряженных частиц, с поверхности которого ионы извлекаются через отверстия в электродах. Наличие пористой перегородки позволяет распределить поступающее рабочее тело в объем газоразрядной камеры более равномерно, тем самым решается проблема распределения плотности заряженных частиц в объеме камеры, что сказывается на повышении однородности выходящего пучка.

Таким образом, изобретение позволяет сократить время запуска источника плазмы путем введения эмиссионной перегородки в узел подачи рабочего тела, а структурированная пористая перегородка из диэлектрического материала позволяет повысить однородность заряженных частиц в объеме газоразрядной камеры и выполняет роль высоковольтного изолятора.

На фиг. 4-7 представлены общие виды взаиморасположения рядов, состоящих из структурированных пористых перегородок из чередующихся соединенных между собой не менее двух элементов в виде тела вращения, где изолирующая перегородка 7 выполнена из материала с низким коэффициентом электропроводимости, а следующая за ним эмиссионная перегородка 8 установлена со смещением, обеспечивающим установку соприкосновением или на расстоянии ее тел вращения во впадину, образованную тремя соединенными телами вращения предыдущей перегородки, выполнена из материала с термоэмиссионными свойствами и подключена к источнику электропитания.

На фиг. 8 представлено расположение узла подачи рабочего тела, пористые перегородки которого структурированы путем прохождения через центральные отверстия составных элементов пористой перегородки нитей 10, выполненных из материала как с диэлектрическими свойствами, так и из электропроводного материала.

На фиг. 9 представлено расположение узла подачи рабочего тела 3, где эмиссионная перегородка 8 имеет помимо источника накала нити управляемый источник электропитания 11, который дает отрицательное смещение потенциала относительно эмиссионного электрода 12.

На фиг. 10 представлено расположение узла подачи рабочего тела 3, где эмиссионная перегородка 8 подключена, помимо источника накала нити, к высокочастотному генератору 13, который подключен к обмотке индуктора 5.

На фиг. 11 представлено расположение узла подачи рабочего тела 3, где тела вращения эмиссионной перегородки 8 по периферии или в зоне максимальных значений электромагнитной составляющей газоразрядной камеры 1 выполнены из материала с эмиссионными свойствами, а остальные тела вращения из материала с низким коэффициентом электропроводности.

На фиг. 12 представлено расположение узла подачи рабочего тела 3, в котором пористые перегородки выполнены выпукло-вогнутыми.

На фиг. 13 представлено расположение узла подачи рабочего тела 3, где эмиссионная перегородка 8 разделена на центральную и периферийную зону с разными расходами рабочего тела как по составу, так и по расходу.

Технический результат изобретения достигается за счет следующего:

1. Источник плазмы, выполненный по предложенной схеме, позволяет увеличить количество первичных электронов в газоразрядной камере за счет подключения пористой перегородки из эмиссионного материала, входящего в узел подачи рабочего тела, к источнику электропитания, тем самым сокращая время запуска источника плазмы, а структурированная пористая перегородка из диэлектрического материала позволяет повысить однородность заряженных частиц в объеме газоразрядной камеры и выполняет роль высоковольтного изолятора.

2. Источник плазмы, выполненный по предложенной схеме, позволяет увеличить количество первичных электронов в газоразрядной камере 1 за счет подключения пористой перегородки из эмиссионного материала 8 узла подачи рабочего тела 3 к источнику электропитания с помощью нитей 10, тем самым обеспечить равномерный и быстрый нагрев эмиссионного слоя и более жесткую структуру пористых перегородок, что позволит сократить время запуска источника плазмы.

3. Источник плазмы, выполненный по предложенной схеме, позволяет вытягивать электроны из эмиссионной перегородки с большей эффективностью за счет смещения потенциала эмиссионного электрода относительно источника питания накала нити.

4. Источник плазмы, выполненный по предложенной схеме, позволяет увеличить количество первичных электронов в газоразрядной камере за счет подключения пористой перегородки из эмиссионного материала узла подачи рабочего тела к источнику электропитания, что позволит сократить время запуска источника плазмы.

5. Источник плазмы, выполненный по предложенной схеме, позволяет вытягивать электроны из эмиссионной перегородки в периферийных зонах или зоне максимальных значений электромагнитной составляющей, где происходит наиболее эффективная ионизация, тем самым сократить время запуска источника плазмы и скорректировать эффективность его работы.

6. Источник плазмы, выполненный по предложенной схеме, позволяет подавать рабочее тело так, что концентрация рабочего тела по газоразрядной камере становится более равномерной.

7. Источник плазмы, выполненный по предложенной схеме, позволяет осуществлять подвод рабочего тела с разными характеристиками как по составу, так и по расходу, в центральную и периферийную зоны газоразрядной камеры, что позволит сократить время запуска источника плазмы.

Изобретение относится к области источников плазмы и, в частности, к электроракетным двигателям. Технический результат - снижение времени запуска источника плазмы и увеличение коэффициента использования рабочего тела. Узел подачи рабочего тела источника плазмы, установленный на газоразрядную камеру, выполнен в виде структурированной пористой перегородки из чередующихся соединенных между собой не менее двух рядов, состоящих из одинаковых тел вращения, со сферическим элементом на взаимно расположенных друг к другу сторонах. Один ряд, обращенный в сторону системы ускорения заряженных частиц, выполнен из диэлектрического материала, а следующий за ним ряд установлен со смещением, обеспечивающим установку соприкосновением или на расстоянии ее сферической части, во впадину, образованную тремя соединенными сферическими элементами предыдущего ряда, выполнен из эмиссионного материала и подключен к источнику электропитания. 6 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Узел подачи рабочего тела источника плазмы, содержащий газораспределитель, выполненный в виде пористой перегородки из диэлектрического материала, установленный в газоразрядной камере на противоположной стороне относительно системы ускорения заряженных частиц, состоящей из эмиссионного и ускоряющего электродов, закрепленных на наружной стенке газоразрядной камеры, изолированных от нее и друг от друга, отличающийся тем, что узел подачи рабочего тела, установленный в газоразрядной камере в виде цилиндра или тела торообразной формы, представляющей в поперечном сечении кольцо или образованную форму с симметричными прямолинейными участкам, соединенными криволинейными участками, выполнен в виде структурированной пористой перегородки из чередующихся соединенных между собой не менее двух рядов, состоящих из одинаковых тел вращения, со сферическим элементом на взаимно расположенных друг к другу сторонах, где один ряд, обращенный в сторону системы ускорения заряженных частиц, выполнен из диэлектрического материала, а следующий за ним ряд установлен со смещением, обеспечивающим установку соприкосновением или на расстоянии ее сферической части, во впадину, образованную тремя соединенными сферическими элементами предыдущего ряда, выполнен из эмиссионного материала и подключен к источнику электропитания.

2. Узел подачи рабочего тела источника плазмы по п. 1, отличающийся тем, что структурирование перегородок обеспечивается путем прохождения через сферические элементы одинаковых тел вращения направляющих, выполненных из материала с диэлектрическими или электропроводящими свойствами.

3. Узел подачи рабочего тела источника плазмы по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что ряд структурированной пористой перегородки, выполненный из эмиссионного материала, имеет электрическую связь с эмиссионным электродом системы ускорения заряженных частиц через дополнительный управляемый источник электропитания.

4. Узел подачи рабочего тела источника плазмы по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что ряд структурированной пористой перегородки, выполненный из эмиссионного материала, подключен к высокочастотному генератору.

5. Узел подачи рабочего тела источника плазмы по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что ряд, обращенный в сторону системы ускорения заряженных частиц, выполнен в виде набора одинаковых тел вращения, где по периферии или в зоне максимальных значений электромагнитной составляющей расположены элементы, выполненные из эмиссионного материала, а остальные одинаковые тела вращения выполнены из материала, обладающего диэлектрическими свойствами.

6. Узел подачи рабочего тела источника плазмы по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что ряды структурированной пористой перегородки выполнены выпукло-вогнутыми.

7. Узел подачи рабочего тела источника плазмы по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что узел подачи рабочего тела разделен на центральную и периферийную зоны.