Стационарный плазменный двигатель Советский патент 1993 года по МПК F03H1/00 H05H1/54 

плавкого термоэмиссионного материала, установленных на обращенной к зоне разряда стороне наружной или внутренней стенки разрядной камеры. Дополнительный катод может быть выполнен в форме кольца. Двигатель содержитузел подвода рабочего тела. (4), диэлектрическую разрядную камеру (3), магнитную систему с магнитопроводом (1) и внутренней и наружной магнитными катушками (2), (6), а также анод (5) и катОд-компёнеатор (7), размещённые по разные сторону магнитного зазора, и дополнительный катод (8). В пусковом режиме, непосредственно по- еле включения разряда между катодом-компенсатором (7) и анодом (5), происходит

разогрев дополнительного катода (8) до температуры, обеспечивающей уровень термо- эмиссйи, при котором эмиссионный ток несколько превышает обратный электронный ток в разрядной камере (3). При этом зона ускорения пускового режима с выпуклыми линиями магнитной индукции (9) шунтируется дополнительным катодом (8) и смещается вглубь канала к зоне ионизации, в область с малыми радиальными компонентами магнитной индукции и, соответственно, электрического поля, что в свою очередь обеспечивает высокую фокусировку ускоренных ионов и существенно снижает эрозию стенок разрядной камеры. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Использование: плазменная техника, электроракетные двигатели, применяемые в космических двигательных установках. Сущность изобретения: стационарный плазменный двигатель оснащен дополнительным катодом, подключенным в питающую цепь под потенциалом катода и размещенным в разрядной камере в зоне магнитного поля, не имеющей выпуклости магнитных силовых линий. Дополнительный катод может быть выполнен 8 виде одного или нескольких кольцевых секторов из туго

Изобретение относится к плазменной технике и может найти применение в ускорителях, используемых, в частности л качестве электроракетных двигателей космических двигательных установок.

Известны стационарные плазменные двигатели (СПД),- содержащие в своем составе узлы подвода рабочего тела (РТ) и электропитания, разрядную камеру, магнитную систему, включающую магнитные катушки и коаксиальный мэгнитопровод с полюсамии межполюсным магнитнымзазором, а также систему электродов (анод и катод-компенсатор)- размещенных по разные стороны межполюсного магнитного за- зора. . ,- ; ;..;.-. . /, ; .

Другим примером может служить конструктивная схема СПД, приведенная в 2 и принятая в качестве прототипа. Одной из специфических особенностей двигателей такого типа является анизотропность электрических свойств материальной среды в зоне межполюсного зазора, а именно высокая электронная проводимость вдоль линий магнитной индукции и низкая проводимость в направлении нормалей к поверхностям постоянной магнитной индукции. Удельное сопротивление в нормальном направлении в зоне межполюсного зазора пропорциональна величине магнитной ин- дукции. В результате конфигурация электрического поля в зоне разряда довольно точно повторяет конфигурацию поля магнитной индукции. Недостатком известных аналогов и прототипа является наличие ра- диальных составляющих напряженности электрического поля в зоне выхода из разрядной камеры, что обусловлено выпуклостью магнитного поля вследствие рассеяния на границе магнитных полюсов.

Наличие радиальных составляющих приводит к отклонению траекторий ускоряющихся ионов от осевого направления и, как следствие, к повышенной эрозии стенок разрядной камеры и существенным тяго- энергетическим потерям, связанным с радиальным расхождением струи.

Цель изобретения - увеличение ресурса и повышение тяго-энергетических характеристик за счет исключения или уменьшения радиальной составляющей напряженности электрического поля на выходе из ускоряющего канала и уменьшение на этой основе эрозии стенок канала и затрат на радиальное ускорение струи.

Указанная цель достигается оснащением известного СПД дополнительным электродом - катодом, находящимся под потенциалом катода-компенсатора и размещенным внутри разрядной камеры в зоне, где выпуклость магнитных силовых линий достаточно слаба или полностью отсутствует. Дополнительный электрод может быть выполнен в виде кольца или одного или нескольких кольцевых секторов, установленных на обращенной к разряду поверхности внутренней или наружной стенки изоляционной камеры. Подключение дополнительного катода может осуществляться посредством проводников из тугоплавкого материала, проходящих через тело изолятора камеры или проложенных по поверхности изолятора со стороны выхода.

На чертеже представлена схема варианта исполнения предлагаемого двигателя.

Магнитопровод.1, служащий для формирования магнитного поля в зоне разряда, выполнен из ферромагнитного сплава и содержит в своем составе два магнитных по- люса (внутренний и наружный), задний

фланец, а также центральный и несколько периферийных стержней, соединяющих полюса с задним фланцем. Источник магнитодвижущей силы катушек состоит из центральной катушки 2 и нескольких периферийных б, установленных, соответственно, на центральном и периферийных стержнях магнитопровода. Разрядная камера 3 с кольцевым ускорительным каналом, выполненная из диэлектрического материала, имеет коаксиальную форму и занимает внутреннюю зону магнитной системы и зону межполюсного зазора. Узел подвода ТР 4 совмещен с анодом 5, установленным на заднем торце разрядной камеры 3. Положение катода-компенсатора 7 может выбираться со значительной степенью произвола за пределами внешней границы за метного действия магнитного поля, в частности - в центральном стержне магнитопровода (центральное расположение катода-компенсатора). Штриховыми линиями 9 условно показаны магнитные силовые линии в межполюсном зазоре. Дополнительный катод 8 размещен на рабочей поверхности разрядной камеры в зоне, где магнитные силовые линии не имеют выпуклости.

Двигатель работает следующим образом.

В начальном режиме, т.е. в некоторый период времени непосредственно после включения разряд зажигается и горит между катодом-компенсатором 7 и анодом 5, и конфигурация ускоряющего электрического поля в промежутке между фронтом ионизации и эквипотенциалью, проходящей через катод-компенсатор, повторяет конфигурацию магнитных силовых линий 9, т.е. имеет выраженную выпуклость на выходе из канала ускорения. Такая картина наблюдается, пока дополнительный катод 8 находится в холодном состоянии. По мере разогрева дополнительного катода 8, происходящего в результате бомбардировки ионами его поверхности, эмиссия электронов с него возрастает и происходит насыщение электронами слоя разряда, определяемого линиями магнитной индукции 9, проходящими через плоскость размещения дополнительного катода. Происходит перестроение электрического поля с перемещением катодного слоя в сторону дополнительного катода. При достижении определенного уровня эмиссии, т.е. достижении стационарного режима, катодный слой устанавливается на поверхности, определяемой линиями магнитной индукции, проходящими через дополнительный катод. При этом электрическое поле сосредотачивается между новым положением катодного слоя и фронтом ионизации, и разгон ионов происходит между этими двумя слоями. Оставшуюся зону действия магнитного поля струя ускоренных ионов преодоле5 вает по инерции в условиях практического отсутствия электрического поля. Компенсация положительного заряда струи осуществляется в основном за пределами действия магнитного поля аналогично тому, как это про0 исходит в прототипе. Поскольку положение дополнительного катода выбирается целенаправленно в зоне, не имеющей выраженной выпуклости магнитных силовых линий, напряженность электрического поля

5 также не имеет радиальной составляющей, что способствует уменьшению радиального раскрытия струи и уменьшению или исключению эрозии стенок канала.

Таким образом, предложенный двига0 тель, оснащенный дополнительным катодом, будет обладать повышенным ресурсом и тяго-энергетическими характеристиками. Выполнение дополнительного катода в виде нескольких кольцевых секторов позволит

5 увеличить его ресурс за счет возможности поочередного включения одного из секторов, т.е. имеет место возможность резервирования.. .

0 Формула изобретения

5 анод со стороны подачи рабочего тела, катод-компенсатор, размещенный за срезом ускорительного канала, магнитную систему с источником магнитодвижущей силы и маг- нитопроводом, образующим кольцевой

0 межполюсный зазор, сорсный ускорительному каналу и расположенный в области его выходного сечения, узлы подвода рабочего тела и электропитания, отличающийся тем, что, с целью улучшения тяго-энергетиS ческих характеристик двигателя и снижения эрозионного износа стенок разрядной камеры за счет уменьшения радиального расхождения компенсированного ионного потока путем исключения радиальной со0 сбавляющей напряженности электрического поля в зоне ускорения, двигатель снабжен дополнительным катодом, - электрически соединенным с основным катодом- компенсатором и размещенным на стенке

5 разрядной камеры в зоне межполюсного зазора, в которой магнитные силовые поверхности имеют плоскую форму.

ла в форме кольцевых секторов, установлен-3. Двигатель по п. 1,отличающийся

ных в ускорительном канале на наружнойтем, что дополнительный катод выполнен в

или внутренней стенке разрядной камеры.форме кольца.