Ионный двигатель Советский патент 1979 года по МПК F03H5/00 

(54) ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

k - коэффициент электропроводности материала ускоряющего, электрода, мо-см; f - толщина ускоряющего электрода, см..

По зависимым признакам ускорякяяи электрод выполнен из диэлектрика, а боковые стенки отверстий - проводящими, электрически соединенными одна с другой. Ускоряющий электрод может быть выполнен из графита, обмотка возбуждения установлена на расстоянии от ускоряющего электрода составляющем не менее 1/10 ее длины, а вокруг обмотки возбуждения установлен проводящий экран.

На фиг. 1 изображен двигатель, продольный разрез; на фиг. 2 схематично показано распределение силовых линий высокочастотного поля в камере ионизации.

Двигатель содержит высокочастотный источник ионов, включающий в себя диэлектрическую камеру 1 с торцогюй перфорированной стенкой-анкером 2, и установленную на камере обмотку 3 возбуждения поля.На задней торцовой стенке 4 камеры установлен гаэораспределитель 5 системы подачи рабочего тела. Со стороны анкера установлена ионооптическая система, образованная ускоряющим 6 и замедляю 1им 7 электродами, установленными на камере 1 с помощью изоляторных узлов крепления 8. В анкере и обоих электродах выполнено большое число соосных отверстий 9, 10 11, соответственно. На камере установлен также проводящий экран 12, охватывающий обмотку 3. Показаны также силовые линии поля 13.

Двигатель работает следующим образом. Рабочее тело подается через газораспределитель 5 в камеру ионизации 1 и заполняет ее объем. При подводе высокочастотной энергии от генератора к обмотке источника 3 в камере зажигается безэлектродный высокочастотный разряд. Образующаяся газоразрядная плазма соприкасается со стенкой-анкером i. Ионы, попадающие в отверстия 9, извлекаются ионо-оптической системой, а электроны отражаются в объем камеры ионизации. В результате формируется .ионный пучок,k состоящий из множества элементарных пучков, формируемых каждой элементарной ячейкой, образованной отверстиями 9, 10, 11. в анкере 2 с ускоряющим б и замедляющим 7 электродами. Для компенсации пространственного заряда ионов на выходе из двигателя в пучок эмиттируются электроны из нейтрализатора (на чертеже не показан) .

Наличие проводящего ускоряющего электрода 6 приводит к искажению силовых линий высокочастотного поля из-за экранирующего, эффекта.

Эти искажения оказывают существенное влияние на скорос|-ь генерации ионов и на плотность ионизации плазмы в области перед анкером на границе плазмы. Вследствие хорошей проводимости плазмы это приводит также к неоднородностям электростатичес-кого ускоряющего поля перед анкером на границе плазмы. Искажения электростатического ускоряющего поля вызывают снижение миделевой тяги двгателя и дефокусировку части элемен.тарных пучков, что приводит к возрастанию доли ионов, перехватываемых ускоряющим электродом 6 и ограничению его ресурса.

При выборе материала ускоряющего электрода и его толщины в соответствии с приведенной выше формулой обеспечивается глубина проникновения высокочастотного поля в этот электрод, сравниваемая или превышающая толщину электрода. За счет этого достигается получение практическ продольного высокочастотного поля вблизи анкера.

Эксперименты показали, что названное условие «южет быть выполнено например, при использовании в качестве материала ускоряющего электрода толщиной 2 мм графита с удельным сопротивлением 10 ом и выше.

Влияние ускоряющего электрода на электромагнитное переменное поле может быть уменьшено, если его изготовить из изолятора, а в отверстия вставить втулки из проводящего материала, электрически соединенного . друг с другом.

Собственно электродом в случае являются лишь места с электрически проводящим материалом, которые безусловно необходимы для создания электростатического ускоряющего поля.

Далее расстояние между электродом 6 и концом обмотки возбуждения 3, расположенным со стороны катода, выбирают так, что искривление силовых линий переменного поля у границы плазмы незначительно. Это достигается когда расстояние между концом обмотки 3 и электродом 6 составляет как минимум, 10% от длины обмотки возбуждения.

Чем меньше воздействие электрода 6 на ход силовых линий переменного поля 13,.тем меньше может быть расстояние между ним и концом обмотки возбуждения.

Целесообразно для хода силовых линий электромагнитного переменного поля 13 также то, чтобы обмотка

возбуждения снаружи была окружена на некотором расстоянии экраном 12. Это мероприятие оказывается особенно выгодным, когда обмотка возбуждения является относительно короткой. Изобретение позволяет выровнять параметры плазмы по радиусу вблизи; анкера и за. счет этого повысить эне гетическую и газовую экономичность двигателя, а также его корпус. Формула изобретения 1. Ионный двигатель, содержащий высокочастотный источник ионов, вкл чающий в себя диэлектрическую камеру с торцовой перфорированной стенкой - анкером и установленную на камере обмотку возбуждения высокочастотного поля, а также ионно-оптическую систему, образованную уско ряющим и замедляющим электродами с отверстиями, отличающийся , что, с целью повышения КПД двигателя путем создания вбли зи стенки -айкера продольного высокочастотного поля, материал и толщи на ускоряющего электрода выбираются , что выполняется условие . : 2,g--to f.lctfS где f - частота высокочастотного поля, ГЦ; /Of. - относительная магнитная проницаемость k - коэффициент электропроводности материала ускоряющег эле ктрода, мосм / - толщина ускоряющего электрода, см. 2.Двигатель по п.1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что ускоряющий электрод выполнен из диэлектрика, а боковые стенки отверстий - проводящими, электрически соединенными одна с другой. 3.Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что ускоряющий электрод выполнен из графита. 4.Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что обмотка возбуждения установлена на расстоянии от ускоряющего электрода, составляющем не менее 1/10 ее длины. 5.Двигатель по п. 1 и 4, отличающийся тем, что установлен охватывающий обмотку возбуждения проводящий экран. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Айленберг С.Л., Хюбнер А.Л. Технические и научные проблеьм движения при помощи ионов в сб. Ионные плазменные и дуговые ракетные двигатели , Госатомиздат, 1961 с. 36. 2.H.W.Loeb Reacent work on radio fraguency ion thrusters Journal spacecraft and rockts v.8 5 с 494-500, 1971.