ИСТОЧНИК ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2025 года по МПК F03H1/00 B64G1/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей.

Конструктивно все ионные двигатели состоят из трех основных узлов: газоразрядная камера, в которой происходит ионизация поступающего рабочего газа, ионно-оптическая система, с помощью которой происходит извлечение и ускорение образовавшихся ионов электростатическим полем, катод-нейтрализатор, компенсирующий истекающий из двигателя ионный пучок. В таком двигателе разделены процессы ионизации и ускорения, что позволяет вкладывать большую мощность в ускорение заряженных частиц.

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

Рассматривая крупногабаритные двигатели диаметром ионно-оптической системы более 500 мм предпочтительно использовать газоразрядную камеру, поперечное сечение которой образует форму кольца или вытянутого кольца. Применительно к разряду постоянного тока кольцевая разрядная камера увеличивает эффективную площадь поверхности анода по сравнению с обычным ионным двигателем, что дает возможность получать плотность тока пучка ионов заметно превышающую типичные значения для ионного двигателя. Применительно к высокочастотному разряду дополнительная обмотка возбуждения высокочастотного поля, которая установлена с внутренней стороны газоразрядной камеры, позволяет повысить эффективность генерации однозарядных ионов за счет повышения равномерности напряженности магнитного поля по поперечному сечению газоразрядной камеры.

Известен аналог - ионный двигатель (патент на изобретение, РФ, RU 2543103 C2, опубликован 24.06.2013). Изобретение относится к области электроракетных двигателей. Ионный двигатель, содержащий корпус, закрепленные жестко на наружной поверхности корпуса газоразрядную камеру, ионно-оптическую систему и катод-нейтрализатор, установленный на корпусе, при этом корпус ионного двигателя имеет торообразную форму, причем катод-нейтрализатор установлен по центральной оси корпуса, электроды ионно-оптической систему и газоразрядная камера выполнены кольцеобразной формы, при этом их внутренние поверхности по периметру жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса ионного двигателя.

Недостатком данного ионного двигателя является то, что на выходе ионного двигателя нельзя получить слаборасходящийся пучок заряженных частиц, а, следовательно, не достигается цель, которая рассматривается в предлагаемом изобретении. Не рассматриваются вопросы уменьшения расходимости пучка.

Известен аналог - ионный двигатель (патент на изобретение, РФ, RU 2565646 C1, опубликован 18.03.2014). Изобретение относится к области электроракетных двигателей. Ионный двигатель, содержащий заключенную в корпус газоразрядную камеру, включающую узел подачи рабочего тела, ионно-оптическую систему, состоящую из плазменного и ускоряющего электродов, закрепленных на наружной стенке корпуса и изолированных от него и друг от друга, и катод-нейтрализатор, закрепленный на корпусе. Вдоль центральной оси корпус имеет внутреннюю стенку, образующую сквозное отверстие, в котором установлен катод-нейтрализатор, электроды ионно-оптической системы выполнены в виде колец, внутренние периметры которых закреплены на внутренней стенке корпуса и изолированы друг от друга и от него, причем газоразрядная камера содержит, по крайней мере, один кольцевой магнитопровод и кольцевую разрядную камеру, узел подачи рабочего тела которой выполнен в виде установленного внутри нее кольцевого анода - газораспределителя, при этом разрядная камера размещена внутри охватывающего ее кольцевого магнитопровода, полюса которого охватывают кольца разрядной камеры, причем магнитопровод снабжен магнитом.

Недостатком данного ионного двигателя является то, что на выходе ионного двигателя нельзя получить слаборасходящийся пучок заряженных частиц, а, следовательно, не достигается цель, которая рассматривается в предлагаемом изобретении. Не рассматриваются вопросы уменьшения расходимости пучка.

Известен прототип - высокочастотный ионный источник (патент на изобретение, СССР, SU 1831965 A3, опубликован 10.10.1988). Изобретение относится к высокочастотным источникам ионов и может быть использовано для создания источников ионов с большим выходным сечением. Высокочастотный ионный источник, содержащий диэлектрическую газоразрядную камеру с торцовой перфорированной стенкой, соединенную с системой подачи рабочего тела, обмотку возбуждения высокочастотного поля, расположенную с внешней стороны камеры, проводящий экран, окружающий обмотку возбуждения, и ионно-оптическую систему, электроды которой расположены напротив перфорированной торцовой камеры. Диэлектрическая камера выполнена торообразной формы и снабжена дополнительной обмоткой возбуждения высокочастотного поля, установленной со стороны внутренней стенки камеры, и дополнительно проводящим экраном, окружающим дополнительную обмотку возбуждения с внутренней стороны.

Недостатком данного ионного двигателя является то, что на выходе ионного двигателя нельзя получить слаборасходящийся пучок заряженных частиц, а, следовательно, не достигается цель, которая рассматривается в предлагаемом изобретении. Не рассматриваются вопросы уменьшения расходимости пучка.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение угла расходимости выходящего из источника пучка заряженных частиц.

Источник заряженных частиц содержит газоразрядную камеру, заключенную в корпус и включающую узел подачи рабочего тела, ионно-оптическую систему, состоящую из не менее двух электродов, систему образования плазмы и катод-нейтрализатор.

На фиг. 1 представлен общий вид источника заряженных частиц, который включает в себя газоразрядную камеру 1, ионно-оптическую систему 2, узел подачи рабочего тела 3 и катод-нейтрализатор 4.

Газоразрядная камера может быть выполнена как из диэлектрического материала, так и из электропроводного материала. Газоразрядная камера выполнена в виде кольца или в виде фигуры, образованной двумя прямолинейными участками, соединенными симметричными криволинейными участками, причем выходное сечение газоразрядной камеры обращено внутрь оси источника заряженных частиц таким образом, что выходное сечение газоразрядной камеры обращено к оси источника заряженных частиц таким образом, что нормаль, проведенная к поверхности выходного сечения газоразрядной камеры, образует с осью источника острый угол 5, равный значению половины угла расходимости пучка заряженных частиц 6 для выбранного типа ионно-оптической системы. На газоразрядной камере установлены электроды ионно-оптической системы. В данной конфигурации газоразрядной камеры система образования плазмы может быть представлена в виде магнитной системы с внутренней анодной поверхностью для разряда с постоянным током или в виде двух обмоток индуктора подвода высокочастотной мощности для высокочастотного разряда. Рабочее тело подается в газоразрядную камеру 1 через узел подачи рабочего тела 3, расположенный в центральной части камеры. Причем сечение газоразрядной камеры с системой образования плазмы схоже с сечением типового цилиндрического ионного двигателя. Катод-нейтрализатор может располагаться как на центральной оси двигателя в случае с кольцевой камерой, так и на заднем торце газоразрядной камеры в азимутальном внеосевом положении. В случае с вытянутой кольцевой газоразрядной камерой в центральной части двигателя можно расположить два катода-нейтрализатора, что обеспечит катодное резервирование.

На фиг. 2 представлен источник заряженных частиц, содержащий газоразрядную камеру, которая имеет кольцевую форму.

На фиг. 3 представлен источник заряженных частиц, содержащий газоразрядную камеру, которая имеет форму, образованную двумя прямолинейными участками, соединенными двумя симметричными криволинейными участками.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что источник заряженных частиц, выполненный по предложенной схеме, имеет на выходе слаборасходящийся пучок заряженных частиц, что уменьшает потери в создании направленного импульса тяги из-за его расходимости. Это позволяет повысить точность ориентации космического аппарата и облегчить точность выставки вектора тяги. При установке катода-нейтрализатора по центральной оси корпуса на выходе можно получить осесимметричный поток, что обеспечивает равномерность управления космическим аппаратом.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей. Источник заряженных частиц содержит охватываемую корпусом газоразрядную камеру, поперечное сечение которой имеет форму кольца или образовано двумя прямолинейными участками, соединенными двумя симметричными криволинейными участками, узел подачи рабочего тела, систему образования плазмы в газоразрядной камере, ионно-оптическую систему. Причем геометрия газоразрядной камеры выполнена таким образом, что выходное сечение газоразрядной камеры обращено к оси источника заряженных частиц таким образом, что нормаль, проведенная к поверхности выходного сечения газоразрядной камеры, образует с осью источника острый угол, равный значению половины угла расходимости пучка заряженных частиц для выбранного типа ионно-оптической системы. Источник заряженных частиц, выполненный по предложенной схеме, имеет на выходе слаборасходящийся пучок заряженных частиц, что уменьшает потери в создании направленного импульса тяги из-за его расходимости. Это позволяет повысить точность ориентации космического аппарата и облегчить точность выставки вектора тяги. При установке катода-нейтрализатора по центральной оси корпуса на выходе можно получить осесимметричный поток, что обеспечивает равномерность управления космическим аппаратом. 3 ил.

Источник заряженных частиц, содержащий газоразрядную камеру, которая имеет кольцевую форму или форму, образованную двумя прямолинейными участками, соединенными двумя симметричными криволинейными участками, ионно-оптическую систему, систему образования плазмы в газоразрядной камере и катод-нейтрализатор, отличающийся тем, что выходное сечение газоразрядной камеры обращено к оси источника заряженных частиц таким образом, что нормаль, проведенная к поверхности выходного сечения газоразрядной камеры, образует с осью источника острый угол, равный значению половины угла расходимости пучка заряженных частиц для выбранного типа ионно-оптической системы.