RU98492U1

RU98492U1 - DEVICE FOR CREATING AN ADJUSTABLE THROUGH POWER IN AN ELECTRIC ION ENGINE

Info

Publication number: RU98492U1
Application number: RU2010116029/06U
Authority: RU
Inventors: Владислав Алексеевич Царев; Александр Александрович Скрипкин; Виктор Андреевич Сенчуров
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2010-10-20

Abstract

1. Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе, содержащее осесимметричную газоразрядную камеру, источники постоянного ускоряющего и тормозящего напряжения, генератор высокочастотных колебаний, входной и выходной параллельный резонансные контуры, соединенные с четырьмя последовательно расположенными по направлению движения ионного потока экранным, извлекающим, ускоряющим и замедляющим электродами, имеющими отверстия для пролета отдельных ионных пучков, так что входной параллельный резонансный контур включен между экранным и извлекающим электродами, а выходной параллельный резонансный контур включен между ускоряющим и замедляющим электродами, при этом отверстия в экранном и извлекающем электродах выполнены соосно, оба резонансных контура соединены с генератором высокочастотных колебаний с помощью витков связи и двух высокочастотных линий связи, одна из которых включает в себя аттенюатор и соединена с входным параллельным резонансным контуром, а другая включает в себя фазовращатель и соединена с выходным параллельным резонансным контуром, отличающееся тем, что оно содержит источник возбуждения газового разряда, подключенный к газоразрядной камере, которая снабжена источником магнитного поля, расположенным с возможностью создания направления индукции магнитного поля и оси шнура газового разряда перпендикулярно направлению движения многолучевого ионного потока, при этом газоразрядная камера расположена таким образом, что ее ось ориентирована перпендикулярно направлению движения ионного потока. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней ме� 1. A device for creating an adjustable traction force in an electric ion engine, containing an axisymmetric discharge chamber, sources of constant accelerating and braking voltage, a high-frequency oscillation generator, input and output parallel resonant circuits connected to four screen, extracting, sequentially arranged in the direction of the ion flow direction, accelerating and slowing down electrodes having openings for the passage of individual ion beams, so that the input parallel resonant a circuit is connected between the screen and the extraction electrodes, and the output parallel resonant circuit is connected between the accelerating and slowing electrodes, while the holes in the screen and the extracting electrodes are made coaxially, both resonant circuits are connected to the high-frequency oscillation generator using communication coils and two high-frequency communication lines, one of which includes an attenuator and is connected to the input parallel resonant circuit, and the other includes a phase shifter and is connected to the output parallel resonance a characteristic circuit, characterized in that it contains a gas discharge excitation source connected to a gas discharge chamber, which is equipped with a magnetic field source arranged to create a magnetic field induction direction and an axis of the gas discharge cord perpendicular to the direction of movement of the multipath ion stream, wherein the gas discharge chamber is located so that its axis is oriented perpendicular to the direction of movement of the ion flux. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that at least

Description

Полезная модель относится к ракетной технике, в частности, к электрическим ионным двигателям.The utility model relates to rocket technology, in particular, to electric ion engines.

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.A device is known for creating an adjustable traction force in an electric rocket engine (US patent No. 4838021, IPC: F03H 1/00), comprising an ionization chamber and an ion-optical system with two electrodes (screen and accelerating), between which a constant accelerating difference is applied potentials. The modulation of the multipath ion current is carried out by pulse modulation of the discharge current in the ionization chamber.

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.However, the implementation of this device requires a bulky electric energy storage device (usually a large capacitor bank), as well as a complex switching unit for exciting a pulse discharge, which includes a microcontroller.

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.There is also known a device for accelerating a spacecraft with a stream of charged particles (patent for invention RU No. 2104411, IPC: F03H 1/00, B64G 1/40) containing a plasma source (ionizer) and a multipath ion-optical system having three electrodes in series on away from each other, and the first electrode (screen) is the end wall of the ionizer and is positively charged. The second, negatively charged electrode, serves to accelerate the ion flow. To improve the structure of the ion flux, after the accelerating electrode, a third slowing electrode is installed, which slows down the fastest ions. The multipath flow is formed due to the fact that the electrodes of the ion-optical system have a set of separate longitudinal channels for the passage of individual ion beams, and the channel centers and the centers of the focusing surfaces on the outside of the screen electrode corresponding to these channels are located on more than one concentric circles relative to the axis of the engine.

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 кВ), 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.The disadvantage of this device is that in order to achieve a high speed of the ion flux in the accelerating system between the screen and accelerating electrodes, it is necessary to maintain a high accelerating voltage (10 ... 50 kV), which is associated with the danger of electrical breakdown in the insulating elements separating the electrodes or directly in the working gap. In addition, the ingress of ions on the walls of the passage channels can cause destruction of the electrodes of the jet ion engine.

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.To eliminate this drawback in US patent No. 6318069 "Ion thruster having grids made of oriented pyrolytic graphite" it is proposed to make a grid of a three-electrode ion engine of pyrolytic graphite.

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).A further increase in ion flow rate is possible in a four-mesh ion engine (see 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 Ua=+(20…30) кВ. 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 Ua. 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 Ua. 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 км/с.In this device, ions are accelerated in two stages. Plasma has a potential approximately equal to the anode Ua = + (20 ... 30) kV. At the first stage of acceleration, ions are extracted from the gas discharge chamber using the first two grids (screen and extraction) with the potential difference between them being limited to a value less than 0.85 Ua. This is necessary to prevent excessive curvature of the plasma surface and, accordingly, to eliminate the directed ingress of part of the ions onto the extraction grid. The second stage of acceleration occurs between two consecutively arranged electrodes (extracting and accelerating) due to the presence of a constant potential on the accelerating electrode, reaching approximately -0.07 Ua. These electrodes are spaced apart from each other, eliminating the possibility of electrical breakdown. The fourth electrode in this device plays the same role as the third (decelerating) electrode in the three-electrode circuit. It serves zero potential. This electrode reduces the divergence of ion beams associated with the influence of space charge. Ultimately, at the exit from the engine, ions can accelerate to a speed of about 150 km / s.

Однако в данном двигателе регулировка силы тяги также затруднена, как и в случае двухэлектродной ускоряющей системы. При этом импульс тяги можно менять путем варьирования частоты включений ионного двигателя и изменением длительности импульсов за счет импульсной модуляции тока разряда в ионизационной камере.However, in this engine, adjusting the traction force is also difficult, as in the case of a two-electrode accelerating system. In this case, the thrust impulse can be changed by varying the frequency of switching on the ion engine and changing the pulse duration due to pulse modulation of the discharge current in the ionization chamber.

Для осуществления космических полетов к дальним планетам необходимы реактивные двигатели с большей скоростью ионного потока и регулируемой силой тяги.To perform space flights to distant planets, jet engines with a higher ion flow rate and adjustable thrust are needed.

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), включающее газоразрядную камеру, источники постоянного ускоряющего и тормозящего напряжения, генератор высокочастотных колебаний и два параллельных резонансных контура, соединенных с четырьмя последовательно расположенными на удалении друг от друга экранным, извлекающим, ускоряющим и замедляющим электродами с отверстиями для прохождения ионного потока. При этом входной параллельный резонансный контур включен между экранным и извлекающим электродами, отверстия в которых выполнены соосно, а выходной параллельный резонансный контур, включен между ускоряющим и замедляющим электродами, причем оба контура соединены с генератором высокочастотных колебаний с помощью витков связи и двух высокочастотных линий связи, одна из которых включает в себя аттенюатор и соединена с входным параллельным резонансным контуром, а другая включает в себя фазовращатель и соединена с выходным параллельным резонансным контуром.The closest analogue to the claimed technical solution is a device for creating controlled traction in an electric ion motor (utility model patent RU No. 73405, IPC: F03H 1/00, B64G 1/40), including a gas discharge chamber, sources of constant accelerating and braking voltage , a generator of high-frequency oscillations and two parallel resonant circuits connected to four screen, extracting, accelerating and decelerating electrodes with openings for passages, sequentially located at a distance from each other denia ion flow. In this case, the input parallel resonant circuit is connected between the screen and the extraction electrodes, the holes in which are made coaxially, and the output parallel resonant circuit is connected between the accelerating and slowing electrodes, both circuits being connected to the generator of high-frequency oscillations by means of communication coils and two high-frequency communication lines, one of which includes an attenuator and is connected to the input parallel resonant circuit, and the other includes a phase shifter and is connected to the output parallel by a contour loop.

В данном устройстве сохраняются все достоинства аналога и появляется дополнительная возможность высокочастотного ускорения ионного потока в промежутке между ускоряющим и тормозящим электродами, на котором действует ВЧ напряжение генератора. Это напряжение синхронизировано по фазе с фазой ионных сгустков, образующихся за счет модуляции ионов по плотности в пространстве «экранный и извлекающий электроды». За счет аттенюатора можно изменять амплитуду ВЧ напряжения на первом ускоряющем промежутке и, следовательно, плавно регулировать силу тяги.In this device, all the advantages of the analog are preserved and there is an additional possibility of high-frequency acceleration of the ion flux in the gap between the accelerating and braking electrodes, on which the RF voltage of the generator acts. This voltage is synchronized in phase with the phase of ionic bunches formed due to modulation of ions by density in the “screen and extraction electrodes” space. Due to the attenuator, it is possible to change the amplitude of the RF voltage at the first accelerating gap and, therefore, to smoothly adjust the traction force.

Одним из недостатков прототипа, имеющего четырехэлектродную конструкцию электродов, предназначенную для пропускания многолучевого ионного потока, является трудность точной механической центровки осей всех пролетных каналов ионных пучков. При высокочастотном ускорении невозможно полностью предотвратить попадание на ускоряющие отрицательные электроды разгоняемых ионов. Это ведет к их бесполезной потере, снижению потенциала ускоряющего электрода (и в результате - к дополнительному расходованию электроэнергии), а также к возникновению во внешней межэлектродной цепи вредного электрического тока, вызывающего нагрев конструкции. Кроме того, столкновение быстро движущихся ионов с ускоряющими электродами, выполненными из молибдена, может привести к эрозии и разрушению этих электродов. Положение плазменной границы сильно зависит от величины приложенного напряжения между экранным и извлекающим электродами. При наличии переменного ВЧ напряжения между этими электродами может произойти уменьшение электрической прочности извлекающего зазора (пробой) за счет появления в этом зазоре электронов, движущихся перпендикулярно к плазменной границе. Это ограничивает величину ускоряющего напряжения и, следовательно, скорость реактивной струи.One of the disadvantages of the prototype, having a four-electrode design of electrodes, designed to transmit a multipath ion flow, is the difficulty of precise mechanical alignment of the axes of all the passage channels of ion beams. With high-frequency acceleration, it is impossible to completely prevent accelerated ions from reaching accelerating negative electrodes. This leads to their useless loss, decrease in the potential of the accelerating electrode (and, as a result, to additional expenditure of electricity), as well as to the occurrence of a harmful electric current in the external interelectrode circuit, which causes heating of the structure. In addition, the collision of rapidly moving ions with accelerating electrodes made of molybdenum can lead to erosion and destruction of these electrodes. The position of the plasma boundary strongly depends on the magnitude of the applied voltage between the screen and the extraction electrodes. In the presence of an alternating RF voltage between these electrodes, a decrease in the electric strength of the extracting gap (breakdown) can occur due to the appearance of electrons moving in this gap perpendicular to the plasma boundary. This limits the magnitude of the accelerating voltage and, therefore, the speed of the jet.

Задачей полезной модели является увеличение скорости ионного потока за счет повышения величины ускоряющего напряжения на первой стадии ускорения при увеличенной электрической прочности извлекающего зазора, а также уменьшение вероятности эрозии и разрушения экранного, извлекающего, ускоряющего и замедляющего электродов путем рационального выбора формы отверстий для прохождения ионного потока и материала этих электродов.The objective of the utility model is to increase the speed of the ion flow by increasing the accelerating voltage in the first stage of acceleration with increased electric strength of the extraction gap, as well as reducing the likelihood of erosion and destruction of the screen, extraction, accelerating and slowing electrodes by rational selection of the shape of the holes for the passage of the ion flow and material of these electrodes.

Поставленная задача решается тем, что устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе, содержащее осесимметричную газоразрядную камеру, источники постоянного ускоряющего и тормозящего напряжения, генератор высокочастотных колебаний, входной и выходной параллельный резонансные контуры, соединенные с четырьмя последовательно расположенными по направлению движения ионного потока экранным, извлекающим, ускоряющим и замедляющим электродами, имеющими отверстия для пролета отдельных ионных пучков, так что входной параллельный резонансный контур включен между экранным и извлекающим электродами, а выходной параллельный резонансный контур включен между ускоряющим и замедляющим электродами, при этом отверстия в экранном и извлекающем электродах выполнены соосно, оба резонансных контура соединены с генератором высокочастотных колебаний с помощью витков связи и двух высокочастотных линий связи, одна из которых включает в себя аттенюатор и соединена с входным параллельным резонансным контуром, а другая включает в себя фазовращатель и соединена с выходным параллельным резонансным контуром, согласно предлагаемому решению содержит источник возбуждения газового разряда, подключенный к газоразрядной камере, которая снабжена источником магнитного поля, расположенным с возможностью создания направления индукции магнитного поля и оси шнура газового разряда перпендикулярно направлению движения многолучевого ионного потока.The problem is solved in that a device for creating an adjustable traction force in an electric ion engine containing an axisymmetric gas discharge chamber, sources of constant accelerating and braking voltage, a high-frequency oscillation generator, input and output parallel resonant circuits connected to four sequentially arranged in the direction of movement of the ion flow screen, extracting, accelerating and decelerating electrodes having openings for the passage of individual ion beams, so that о the input parallel resonant circuit is connected between the screen and extraction electrodes, and the output parallel resonant circuit is connected between the accelerating and slowing electrodes, while the holes in the screen and extraction electrodes are made coaxially, both resonant circuits are connected to the generator of high-frequency oscillations by means of communication coils and two high-frequency communication lines, one of which includes an attenuator and is connected to an input parallel resonant circuit, and the other includes a phase shifter and soy inena parallel with the output resonant circuit, according to the proposed solution comprises a source of excitation of a gas discharge connected to the discharge chamber which is provided with a magnetic field source arranged to generate the magnetic field induction and gas discharge pinch axis perpendicular to the direction of movement of multipath ion flux.

Ось газоразрядной камеры ориентирована перпендикулярно направлению движения ионного потока. По крайней мере, экранный и извлекающий электроды выполнены из ориентированного пиролитического графита, при этом отверстия в экранном и извлекающем электродах расположены, по крайней мере, в два ряда, параллельные оси газоразрядной камеры, а количество отверстий в каждом ряду превышает количество рядов. Отверстия в ускоряющем и замедляющем электродах выполнены в виде щелей, расположенных параллельно оси газоразрядной камеры для пропускания общего многолучевого ленточного ионного потока.The axis of the gas discharge chamber is oriented perpendicular to the direction of movement of the ion flux. At least the screen and extraction electrodes are made of oriented pyrolytic graphite, while the holes in the screen and extraction electrodes are located at least in two rows parallel to the axis of the gas discharge chamber, and the number of holes in each row exceeds the number of rows. The holes in the accelerating and slowing down electrodes are made in the form of slots located parallel to the axis of the gas discharge chamber for transmitting a common multipath ion-beam stream.

Устройство снабжено также нейтрализатором ионного потока.The device is also equipped with an ion flux neutralizer.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого устройства. Позициями на чертеже обозначены:The utility model is illustrated in the drawing, which shows a diagram of the proposed device. The positions in the drawing indicate:

1 - газоразрядная камера; 2, 3, 4 - источники постоянного ускоряющего напряжения; 5 - источник тормозящего напряжения; 6 - генератор высокочастотных колебаний; 7, 8 - входной и выходной параллельные резонансные контуры, соответственно; 9 - экранный электрод; 10 - извлекающий электрод; 11 - ускоряющий электрод; 12 - замедляющий электрод; 13 - отверстия для пролета отдельных ионных пучков; 14 - витки связи; 15, 16 - высокочастотные линии связи; 17 - аттенюатор; 18 - фазовращатель; 19 - источник возбуждения газового разряда; 20 - источник магнитного поля; 21 - отверстия в ускоряющем и замедляющем электродах; 22 - нейтрализатор ионного потока; 23 - питатель; 24 - вольфрамовая спираль; 25 - анод.1 - gas discharge chamber; 2, 3, 4 - sources of constant accelerating voltage; 5 - source of braking voltage; 6 - generator of high-frequency oscillations; 7, 8 - input and output parallel resonant circuits, respectively; 9 - screen electrode; 10 - extracting electrode; 11 - accelerating electrode; 12 - retarding electrode; 13 - holes for the passage of individual ion beams; 14 - turns of communication; 15, 16 - high-frequency communication lines; 17 - attenuator; 18 - phase shifter; 19 is a source of excitation of a gas discharge; 20 - source of a magnetic field; 21 - holes in the accelerating and decelerating electrodes; 22 - ion stream neutralizer; 23 - feeder; 24 - tungsten spiral; 25 - anode.

Утройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе содержит осесимметричную газоразрядную камеру 1, ось которой ориентирована перпендикулярно направлению движения ионного потока, четыре последовательно расположенных на удалении друг от друга электрода: экранный электрод 9, являющийся торцевой стенкой газоразрядной камеры 1, извлекающий электрод 10, установленный на расстоянии d₁ от экранного, ускоряющий электрод 11 и замедляющий электрод 12, установленный на расстоянии d₂ от ускоряющего электрода. Экранный 9 и извлекающий 10 электроды выполнены с соосными отверстиями для пролета отдельных ионных пучков 13, при этом отверстия расположены на более чем одном линейном ряде относительно оси газоразрядной камеры, а количество рядов отверстий в продольном, относительно оси газоразрядной камеры, направлении превышает количество рядов в поперечном направлении. Ускоряющий 11 и замедляющий 12 электроды снабжены отверстиями 21, выполненными в виде щелей, расположенных параллельно оси газоразрядной камеры, при этом продольный размер щелей соответствует длине продольных рядов отверстий в экранном и извлекающем электродах.The device for creating an adjustable traction force in an electric ion engine contains an axisymmetric discharge chamber 1, the axis of which is oriented perpendicular to the direction of movement of the ion flow, four consecutively spaced apart electrodes: a shield electrode 9, which is the end wall of the discharge chamber 1, extracting electrode 10, installed at a distance d ₁ from the screen, an accelerating electrode 11 and a decelerating electrode 12 installed at a distance d ₂ from the accelerating electrode. The screen 9 and extracting 10 electrodes are made with coaxial holes for the passage of individual ion beams 13, while the holes are located on more than one linear row relative to the axis of the gas discharge chamber, and the number of rows of holes in the longitudinal, relative to the axis of the gas discharge chamber, exceeds the number of rows in the transverse direction. Accelerating 11 and slowing down 12 electrodes are provided with holes 21 made in the form of slots located parallel to the axis of the gas discharge chamber, while the longitudinal size of the slots corresponds to the length of the longitudinal rows of holes in the screen and extraction electrodes.

Электроды 9, 10, 11 соединены с источниками 2, 3, 4 постоянного ускоряющего напряжения, соответственно, а электрод 12 - с источником тормозящего напряжения 5. Между экранным 9 и извлекающим 10 электродами включен входной параллельный резонансный контур 7, соединенный с источником постоянного ускоряющего напряжения 3. Между ускоряющим 11 и замедляющим 12 электродами включен выходной параллельный резонансный контур 8, соединенный с источником постоянного ускоряющего напряжения 4. Оба резонансных контура 7, 8 соединены посредством витков связи 14 и двух высокочастотных линий связи 15, 16 с генератором высокочастотных колебаний 6. В линии связи с входным параллельным резонансным контуром 7 включен аттенюатор 17, а в линии связи с выходным параллельным резонансным контуром 8 - фазовращатель 18. Устройство содержит подключенный к газоразрядной камере 1 источник возбуждения газового разряда 19, а газоразрядная камера 1 снабжена источником магнитного поля 20, расположенным с возможностью создания направления индукции магнитного поля и оси шнура газового разряда перпендикулярно направлению движения многолучевого ионного потока. На выходе двигателя установлен нейтрализатор ионного потока 22.The electrodes 9, 10, 11 are connected to sources 2, 3, 4 of a constant accelerating voltage, respectively, and the electrode 12 is connected to a source of braking voltage 5. Between the screen 9 and the extracting 10 electrodes, an input parallel resonant circuit 7 connected to a source of constant accelerating voltage is connected 3. Between the accelerating 11 and the slowing down 12 electrodes, an output parallel resonant circuit 8 is connected, connected to a source of constant accelerating voltage 4. Both resonant circuits 7, 8 are connected by means of communication coils 14 and two high-frequency communication lines 15, 16 with a high-frequency oscillation generator 6. An attenuator 17 is connected in a communication line with an input parallel resonant circuit 7, and a phase shifter 18 is connected in a communication line with an output parallel resonant circuit 18. The device contains a gas discharge excitation source connected to the gas discharge chamber 1 19, and the gas discharge chamber 1 is provided with a magnetic field source 20 located with the possibility of creating the direction of induction of the magnetic field and the axis of the gas discharge cord perpendicular to the direction of motion I multibeam ion flow. At the engine output, an ion flux neutralizer 22 is installed.

Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе работает следующим образом.A device for creating an adjustable traction in an electric ion engine operates as follows.

Сначала из питателя 23 в газоразрядную камеру 1 подают рабочее вещество (например, газ ксенон (Хе)). Источником электронов может служить, например, вольфрамовый катод (К) прямоугольной формы, тыльная сторона которого бомбардируется пучком ускоренных электронов, испускаемых вольфрамовой спиралью 24. Между подогревным катодом К и стенками осесимметричной разрядной камеры 1 для создания потока электронов, необходимого для возбуждения дугового разряда, прикладывают постоянное напряжение от источника 19, равное примерно 100…150 В. Так как газоразрядная камера ориентирована вдоль силовых линий магнитного поля, формируемых источником магнитного поля 20, то электронный пучок имеет в поперечном сечении ленточную форму, то есть форму полоски, ширина и толщина которой определяется размерами катода. Интенсивная ионизация газа электронным пучком приводит к возникновению ленточного по форме шнура интенсивного дугового газового разряда, широкой стороной ориентированного параллельно поверхностям экранного 9 и извлекающего 10 электродов. При этом плазма проникает из газоразрядной камеры 1 в высоковакуумную область, где происходит извлечение и формирование пучков через множество отверстий, выполненных в экранном электроде, образуя большое число плазменных эмиттеров, расположенных на более чем одном линейном ряду относительно оси газоразрядной камеры 1.First, a working substance (for example, xenon gas (Xe)) is supplied from the feeder 23 to the gas discharge chamber 1. An electron source can be, for example, a rectangular tungsten cathode (K), the back side of which is bombarded by a beam of accelerated electrons emitted by a tungsten helix 24. Between the heated cathode K and the walls of the axisymmetric discharge chamber 1, they apply an electron stream necessary for exciting an arc discharge constant voltage from the source 19, equal to about 100 ... 150 V. Since the gas discharge chamber is oriented along the magnetic field lines generated by the source magnetically If the field is 20, then the electron beam has a ribbon shape in cross section, that is, the shape of a strip, the width and thickness of which is determined by the dimensions of the cathode. Intense gas ionization by an electron beam leads to the appearance of a ribbon-shaped cord of intense arc gas discharge, with the wide side oriented parallel to the surfaces of the screen 9 and extracting 10 electrodes. In this case, the plasma penetrates from the gas-discharge chamber 1 into the high-vacuum region, where the beams are extracted and formed through many holes made in the screen electrode, forming a large number of plasma emitters located on more than one linear row relative to the axis of the gas-discharge chamber 1.

После этого на экранный 9 и извлекающий 10 электроды подают постоянное напряжение смещения от источника питания 2. Этим обеспечивается первая стадия извлечения и ускорения многолучевого ионного потока из газоразрядной камеры. На этой стадии скорость ионного потока равна, примерно, половине скорости потока на выходе устройства, а форма (максимальные продольные и поперечные размеры) многолучевого ионного потока на выходе из ускоряющего электрода 11 определяется количеством рядов плазменных эмиттеров в поперечном и продольном направлениях относительно оси газоразрядной камеры 1.After that, a constant bias voltage from the power supply 2 is supplied to the screen 9 and the extracting 10 electrodes. This ensures the first stage of extraction and acceleration of the multipath ion flow from the gas discharge chamber. At this stage, the ion flow rate is approximately half the flow rate at the output of the device, and the shape (maximum longitudinal and transverse dimensions) of the multipath ion flow at the output of the accelerating electrode 11 is determined by the number of rows of plasma emitters in the transverse and longitudinal directions relative to the axis of the gas discharge chamber 1 .

Поскольку ось газоразрядной камеры 1 ориентирована перпендикулярно направлению движения ионного потока, и эта камера снабжена источником возбуждения газового разряда 19 и источником магнитного поля 20, выполненных с возможностью создания направления индукции магнитного поля параллельно поверхностям экранного 9 и извлекающего 10 электродов, то в этом случае в извлекающем зазоре (между экранным и извлекающим электродами) на электроны, которые могут попасть в этот зазор из плазмы или за счет вторичной электронной эмиссии с электродов, действуют скрещенные электрические и магнитное поля. При этом эти электроны будут выводиться из первой зоны ускорения в поперечном направлении за счет действия силы Лоренца. Следовательно, электрическая прочность извлекающего зазора будет повышена и, поэтому, на первой стадии ускорения можно увеличить ускоряющее напряжение и скорость многолучевого ионного потока, проходящего через множество мелкоструктурных отверстий для пролета отдельных ионных пучков 13. Однако при этом могут появиться эффекты, связанные с нагревом и распылением экранного 9 и извлекающего 10 электродов за счет ухудшения ионно-оптических характеристик пучков. Так как эти электроды выполнены из пиролитического графита, то эти эффекты будут сведены к минимуму. Пирографит идеально подходит для изготовления сеточных электродов ионного двигателя. Его синтезируют путем термического крекинга углеводородных газов. Высокая прочность этого материала позволяет делать очень тонкую структуру сетки с большей долей площади для пропускания ионов. В отличие от молибдена жесткость пирографита, его прочность на разрыв и изгиб повышаются с ростом температуры. Поэтому сетки не деформируются и не провисают при рабочих температурах (обычно 700…1000°С). Другими преимуществами пирографита, используемыми при изготовлении сеток, являются его высокая теплоизлучательная способность и низкий коэффициент вторичной эмиссии электронов. Отверстия для пролета отдельных ионных пучков 13 в экранном и извлекающем электродах могут быть образованы путем лазерной обработки поверхности этих электродов. В результате такой обработки эти электроды приобретают вид сеток.Since the axis of the gas discharge chamber 1 is oriented perpendicular to the direction of movement of the ion flux, and this chamber is equipped with a source of excitation of the gas discharge 19 and a source of magnetic field 20, configured to create a direction of magnetic field induction parallel to the surfaces of the screen 9 and extracting 10 electrodes, in this case the gap (between the screen and the extraction electrodes) on the electrons that can get into this gap from the plasma or due to secondary electron emission from the electrodes They cross crossed electric and magnetic fields. In this case, these electrons will be removed from the first acceleration zone in the transverse direction due to the action of the Lorentz force. Consequently, the dielectric strength of the extracting gap will be increased, and therefore, in the first stage of acceleration, the accelerating voltage and the velocity of the multipath ion flow passing through many fine-structure holes for the passage of individual ion beams 13 can be increased. However, effects associated with heating and sputtering may occur. screen 9 and extracting 10 electrodes due to the deterioration of the ion-optical characteristics of the beams. Since these electrodes are made of pyrolytic graphite, these effects will be minimized. Pyrographite is ideal for manufacturing mesh electrodes of an ion motor. It is synthesized by thermal cracking of hydrocarbon gases. The high strength of this material allows you to make a very fine mesh structure with a larger fraction of the area for transmission of ions. In contrast to molybdenum, the stiffness of pyrographite, its tensile strength and bending increase with increasing temperature. Therefore, the mesh does not deform and does not sag at operating temperatures (usually 700 ... 1000 ° C). Other advantages of pyrographite used in the manufacture of grids are its high heat-emitting ability and low coefficient of secondary electron emission. Holes for the passage of individual ion beams 13 in the shield and extraction electrodes can be formed by laser surface treatment of these electrodes. As a result of such processing, these electrodes take the form of grids.

Вторая стадия ускорения многолучевого ионного потока постоянным напряжением происходит между двумя последовательно расположенными извлекающим 10 и ускоряющим 11 электродами при подаче на эти электроды напряжения от источника постоянного ускоряющего напряжения 3.The second stage of acceleration of the multipath ion beam by constant voltage occurs between two sequentially located extracting 10 and accelerating 11 electrodes when voltage is applied to these electrodes from a source of constant accelerating voltage 3.

Источник тормозящего напряжения 5 обеспечивает подачу на замедляющий электрод 12 тормозящего, относительно ускоряющего электрода 11, потенциала. Это уменьшает расходимость ионных лучей, связанную с влиянием пространственного заряда, и ограничивает движение электронов из нейтрализатора ионного потока 22 в сторону зоны ускорения.The source of inhibitory voltage 5 provides the supply to the slowing-down electrode 12 of a braking potential relative to the accelerating electrode 11. This reduces the divergence of ion beams associated with the influence of the space charge, and restricts the movement of electrons from the ion flux neutralizer 22 towards the acceleration zone.

Двигаясь по направлению к электродам 11 и 12, ускоренный многолучевой ионный поток перемешивается и приобретает по форме вид поперечного сечения, близкий к форме ленточного потока. Поэтому отверстия в ускоряющем 11 и замедляющем 12 электродах выполнены (для пропускания общего многолучевого ленточного потока) в виде щелей, расположенных параллельно оси газоразрядной камеры. Все это предотвращает попадание на электроды 11 и 12 разгоняемых ионов. При этом снижаются требования к точности механической центровки осей всех пролетных каналов ионных пучков в электродах 10 и 11.Moving towards the electrodes 11 and 12, the accelerated multipath ion flux is mixed and takes on a cross-sectional shape close to the shape of a ribbon flow. Therefore, the holes in the accelerating 11 and slowing down 12 electrodes are made (for transmission of a common multipath tape flow) in the form of slots located parallel to the axis of the gas discharge chamber. All this prevents hit on the electrodes 11 and 12 of accelerated ions. This reduces the requirements for the accuracy of the mechanical alignment of the axes of all the passage channels of ion beams in the electrodes 10 and 11.

Далее осуществляется третья (высокочастотная) стадия ускорения ионного потока. Для этого настраивают оба параллельных резонансных контура 7 и 8 на одну резонансную частоту и возбуждают с помощью витка связи 14 входной параллельный резонансный контур 7 небольшой частью высокочастотной мощности от генератора высокочастотных колебаний 6. Для подачи входного сигнала используют высокочастотную линию связи 15. Регулировку уровня этого сигнала, необходимую для выбора положения рабочей точки на вольтамперной характеристике ионного источника, осуществляют с помощью аттенюатора 17.Next, the third (high-frequency) stage of acceleration of the ion flux is carried out. For this, both parallel resonant circuits 7 and 8 are tuned to one resonant frequency and the input parallel resonant circuit 7 is excited with a coupling loop 14 by a small part of the high-frequency power from the high-frequency oscillation generator 6. A high-frequency communication line is used to supply the input signal 15. This signal level is adjusted necessary to select the position of the operating point on the current-voltage characteristic of the ion source is carried out using an attenuator 17.

Таким образом, в зазоре d₁ между экранным 9 и извлекающим 10 электродами действует, помимо постоянного напряжения смещения, высокочастотное напряжение, с помощью которого осуществляется модуляция ионов по плотности и формирование ионных сгустков. По своей физической сути этот процесс аналогичен процессу электростатической модуляции, осуществляемой в электронных СВЧ приборах с управляющей сеткой (триодах, тетродах, клистродах), только, вследствие большой массы заряженных частиц, он реализуется на более низких частотах (порядка 5-8 МГц).Thus, in the gap d ₁ between the screen 9 and the extracting 10 electrodes, in addition to a constant bias voltage, a high-frequency voltage also acts with the help of which the density is modulated by ions and the formation of ionic clots. In its physical essence, this process is similar to the process of electrostatic modulation carried out in electronic microwave devices with a control grid (triodes, tetrodes, klystrods), only, due to the large mass of charged particles, it is realized at lower frequencies (of the order of 5-8 MHz).

Образованные в результате такой модуляции ионные сгустки, попадая в выходной высокочастотный зазор между электродами 11 и 12, могут забирать энергию от внешнего высокочастотного поля и ускоряться. Для этого большую часть выходной мощности генератора подают через высокочастотную линию связи 16 на выходной параллельный резонансный контур. При этом фазу высокочастотного напряжения, действующего между ускоряющим и замедляющим электродами, подбирают с помощью фазовращателя 18 так, чтобы она совпадала с фазой сгустков ионов в сгруппированном многолучевом ионном потоке.The ionic bunches formed as a result of this modulation, falling into the high-frequency output gap between the electrodes 11 and 12, can take energy from an external high-frequency field and accelerate. To do this, most of the output power of the generator is fed through a high-frequency communication line 16 to the output parallel resonant circuit. In this case, the phase of the high-frequency voltage acting between the accelerating and slowing-down electrodes is selected using the phase shifter 18 so that it coincides with the phase of the ion clusters in the grouped multipath ion beam.

Скорость ионного потока Vi за счет высокочастотного ускорения можно увеличить до 200-250 км/сек. Силу тяги плавно регулируют с помощью аттенюатора, изменяя величину амплитуды высокочастотного напряжения, действующего между экранным и извлекающим электродами. Силу тяги можно также регулировать изменением фазы высокочастотного напряжения, действующего в зазоре между ускоряющим и замедляющим электродами.The speed of the ion flow Vi due to high-frequency acceleration can be increased to 200-250 km / s. The traction force is smoothly regulated using an attenuator, changing the magnitude of the amplitude of the high-frequency voltage acting between the screen and the extracting electrodes. The traction force can also be controlled by changing the phase of the high-frequency voltage acting in the gap between the accelerating and slowing electrodes.

Установленный на выходе двигателя нейтрализатор ионного потока 22 обеспечивает нейтрализацию пространственного заряда ионного потока.The ion flux neutralizer 22 installed at the engine output neutralizes the space charge of the ion flux.

Claims

1. A device for creating an adjustable traction force in an electric ion engine, containing an axisymmetric discharge chamber, sources of constant accelerating and braking voltage, a high-frequency oscillation generator, input and output parallel resonant circuits connected to four screen, extracting, sequentially arranged in the direction of the ion flow direction, accelerating and slowing down electrodes having openings for the passage of individual ion beams, so that the input parallel resonant a circuit is connected between the screen and the extraction electrodes, and the output parallel resonant circuit is connected between the accelerating and slowing electrodes, while the holes in the screen and the extracting electrodes are made coaxially, both resonant circuits are connected to the high-frequency oscillation generator using communication coils and two high-frequency communication lines, one of which includes an attenuator and is connected to the input parallel resonant circuit, and the other includes a phase shifter and is connected to the output parallel resonance a characteristic circuit, characterized in that it contains a gas discharge excitation source connected to a gas discharge chamber, which is equipped with a magnetic field source arranged to create a magnetic field induction direction and an axis of the gas discharge cord perpendicular to the direction of movement of the multipath ion stream, wherein the gas discharge chamber is located so that its axis is oriented perpendicular to the direction of movement of the ion flux.

2. The device according to claim 1, characterized in that at least the screen and the extraction electrodes are made of oriented pyrolytic graphite, while the holes in the screen and the extraction electrodes are located at least in two rows oriented parallel to the axis of the gas discharge chamber , and the number of holes in each row exceeds the number of rows; the holes in the accelerating and slowing electrodes are made in the form of slots located parallel to the axis of the gas discharge chamber for transmitting a common multipath ion-beam stream.