DE602004008091T2

DE602004008091T2 - Beschleuniger mit gepulstem plasma und betriebsverfahren dazu

Info

Publication number: DE602004008091T2
Application number: DE602004008091T
Authority: DE
Inventors: Nikolay Nikolaevich Moscow ANTROPOV; Grigory Alexandrovich Moscow DIYAKONOV; Michail Michailovich Moscow ORLOV; Garry Alekseevich Moscow POPOV; Valery Konstantinovich Moscow TYUTIN; Vladimir Nikolaevich Moskovskaya obl. YAKOVLEV
Original assignee: G NAUCHNOE UCHREZHDENIE GNI I; GOSUDARSTVENNOE NAUCHNOE UCHREZHDENIE "GOSUDARSTVENNY NAUCHNO-ISSLEDOVATELSKY I
Current assignee: G NAUCHNOE UCHREZHDENIE GNI I; GOSUDARSTVENNOE NAUCHNOE UCHREZHDENIE "GOSUDARSTVENNY NAUCHNO-ISSLEDOVATELSKY I
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2004-09-20
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2024-09-21
Also published as: RU2253953C1; WO2005029927A2; WO2005029927A3; RU2003128090A; EP1668966A2; EP1668966B1; US7408303B2; US20060244385A1; DE602004008091D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Plasmaanlage und Plasmaprozesse, insbesondere auf Plasmabeschleuniger und Plasmabeschleunigungsverfahren, die hauptsächlich zur Erzeugung einer Vortriebskraft, beispielsweise als elektrischer Antrieb an Bord von Raumflugkörpern, sowie zur Erzeugung von Hochgeschwindigkeits-Plasmaströmen bei experimentellen Untersuchungen und Modellversuchen verwendet werden können. Die Erfindung kann auch zur Ausführung verschiedener Prozesse zur Behandlung von Produkten und zur Modifizierung von Materialeigenschaften eingesetzt werden.
Hintergrund der Erfindung
Gewöhnlich wird davon ausgegangen, dass Plasmabeschleuniger Vorrichtungen sind, die zur Ionisierung einer Arbeitssubstanz ausgelegt sind, was von einer Beschleunigung eines ionisierten Gases (Plasma) unter der Wirkung einer elektromagnetischen Kraft und einer Gasdruckkraft nach Erzeugung einer elektrischen Entladung begleitet wird.
Die Plasmabeschleunigung tritt in Plasmabeschleunigern als Folge eines elektrischen Durchschlags in einem Spalt von Elektrode zu Elektrode auf. Bei stationären Plasmabeschleunigern ist die elektrische Entladungszeit ausreichend lang – die typische Durchschlagszeit t beträgt wenigstens 1 s. Den Beschleunigern mit gepulstem Plasma ist die Dauer der elektrischen Entladung kürzer. Die gepulste Entladungszeit t betraft etwa 1 bis 100 μs.
Beschleuniger mit gepulstem Plasma werden gegenwärtig in Aktivierungssystemen in Steuersystemen von Raumfahrzeugen und als Injektoren von gepulstem Niedertemperaturplasma verwendet.
Man weiß, dass zum Halten eines Raumfahrzeugs in einer gewünschten Umlaufposition während eines Verzögerns in einer relativ dichten Restatmosphäre des äußeren Weltraums es vorteilhaft ist, Vortriebseinheiten geringer Größe und geringem Leistungsverbrauch zu verwenden. Solchen Anforderungen wird durch die Verwendung von Antriebseinheiten genügt, die auf Beschleunigern mit gepulstem Plasma basieren. Die meisten dieser Antriebs einheiten verwenden als Arbeitssubstanz ein massives Dielektrikum, das in Folge von Ablation unter der Wirkung von thermischer und Strahlungsenergie einer erzeugten elektrischen Entladung gasförmige Produkte freisetzt.
Es besteht heutzutage eine starke Tendenz, in großem Umfang im äußeren Weltraum Raumfahrzeuge niedriger Umlaufbahn (mit einer Umlaufhöhe H_orb = 400 bis 1000 km) geringem Gewicht und geringer Größe mit einem relativ einfachen Aufbau und niedrigen Kosten zu verwenden, wobei das typische Gewicht der Raumfahrzeuge im Bereich von 50 kg bis 500 kg liegt. Diese leichten und kleinen Raumfahrzeuge haben stark beschränkte Leistungseinspeiskapazitäten für elektrische Antriebe, wobei für eine hohe Genauigkeit bei der Beibehaltung von Umlaufparameter sowohl einzelner Raumfahrzeuge als auch von Gruppen solcher Raumfahrzeuge gesorgt wird. Für diesen Zweck braucht man hoch wirksame elektrische Antriebe mit geringer Größe, die in der Lage sind, die Umlaufbahnen des Raumfahrzeugs bei minimalem Leistungsverbrauch zu korrigieren und zu stabilisieren.
Stationäre Plasmabeschleuniger, die zur Steuerung der elektrischen Antriebe von Raumfahrzeugen verwendet werden, haben eine Anzahl schwerwiegender Nachteile, zu denen die Komplexität des Aufbaus des Plasmabeschleunigers, die Komplexität des Herstellungsprozesses und des Betriebs eines Beschleunigers, die gesteigerten Herstellungs- und Betriebskosten sowie ein unzureichender Vortriebswirkungsgrad (Plasmabeschleunigungswirkungsgrad) und eine geringe Betriebssicherheit, bei einem Leistungsverbrauch von weniger als 150 W gehören.
Ein Ablations-Beschleuniger mit gepulstem Plasma ist hinsichtlich eines einfachen Aufbaus, der Betriebssicherheit, geringer Kosten und der richtigen Funktionsweise bei einem Leistungsverbrauch von mehreren W bis hunderten W der vielversprechendste Antrieb für ein Raumfahrzeug. Ein Beschleuniger mit gepulstem Plasma sorgt auch für eine maximale Genauigkeit der Raumfahrzeugsteuerung verglichen mit anderen Arten von Vortriebseinheiten, die als Aktivierungssysteme verwendet werden. Der Wirkungsgrad von Beschleunigern mit gepulstem Plasma des Standes der Technik genügt jedoch den Betriebsanforderungen zur Handhabung der Mehrheit der Steuerprobleme von Raumfahrzeugen nicht.
Eine wesentliche Steigerung des Betriebswirkungsgrades eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma, hauptsächlich über dem Bereich eines Leistungsverbrauchs von 20 W bis 300 W, innerhalb dessen die Grundprobleme zum Steuern von Umlaufparametern von Raumfahrzeugen gegenwärtig gelöst sind und in naher Zukunft gelöst werden, ist von wesentlicher Bedeutung zur Erweiterung des Funktionsbereichs eines Raumfahrzeugs.
Gegenwärtig sind die technischen Grundprobleme eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma die übermäßige Verlangsamung die Verdampfung einer Arbeitssubstanz im Hinblick auf einen Entladungsstrom und als Folge einer nicht effektiven Beschleunigung eines wesentlichen Teils des erzeugten Plasmas, was als Ganzes den Wirkungsgrad des Beschleunigers (den Wirkungsgrad der Plasmabeschleunigung) nachteilig beeinflusst.
In den allerersten Studien über die Untersuchung von Plasmabeschleunigungsprozessen in einem Beschleuniger mit gepulstem Plasma (Artsymovitch L.A. et al, „Elektrodynamische Beschleunigung von Plasmakoagulaten", ZHETF, Moskau, 1957, Band 33, Nr. 1) wurde bereits ausgeführt, dass der Plasmabeschleunigungswirkungsgrad von dem dimensionslosen Parameter q abhängt: q = I2C2U2 0/2mL0,wobei I[H/m] die lineare Induktivität der Beschleunigerelektroden,
C[F] die Kapazität eines Entladungsaussenkreises,
U₀[V] die Anfangsspannung eines Entladungsaussenkreises,
m[kg] das Gewicht des Plasmakoagulats und
L₀[H] die Anfangsinduktivität eines Entladungsaussenkreises sind.
Die physikalische Bedeutung des Parameters q besteht darin, das Verhältnis zwischen einem typischen Wert einer magnetischen Druckkraft und einem typischen Wert einer Trägheitskraft eines beschleunigten Plasmakoagulats zu definieren. Man hat festgestellt, dass eine Zunahme des Parameters q dazu führt, dass sich eine Entladung einer nichtperiodischen Form bei ansteigendem Plasmabeschleunigungswirkungsgrad annähert. Eine der bekannten Eigenschaften eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma besteht darin, dass das Gewicht m von beschleunigtem Plasma üblicherweise proportional der an die Entladung angelegten Leistung W₀ ist, m ≈ kW0,wobei W₀ = CU² ₀/2 und
k = 10^-8 bis 10^-9 kg/J ein Proportionalitätsfaktor sind.
Wenn die Abhängigkeit für W₀ in das vorherige Verhältnis eingeführt wird, nimmt die Abhängigkeit für den Parameter q die Form an: q = I2C2U2 0/2k(CU2 0/2)L0 = (I2/k)(C/L0).
Bei der zugeordneten Ausgestaltung und den zugehörigen Größen eines Beschleunigungskanals eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma zeichnet sich somit der Wirkungsgrad der Plasmabeschleunigung durch das Verhältnis von C/L₀ aus.
Die spezifischen technischen Lösungen, die auf eine Steigerung des Wirkungsgrads einer Plasmabeschleunigung mit Hilfe eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma und in Zuordnung zur Ausführung einer theoretischen Beweisführung von q von etwa C/L₀ zielen, sind noch nicht entwickelt.
Beispielsweise ist ein Beschleuniger mit gepulstem Plasma bekannt, der zur Verwendung eines elektrischen Antriebs eines Systems zum Steuern der Position eines Satelliten mit geostationärer Erdumlaufbahn für ein globales Kommunikationssystem ausgelegt ist (A.I. Rudikov, N.N. Antropov, G.A. Popov, „Pulsed Plasma Thruster of Erosion Type for a Geostationary Artificial Earth Satellite", (Triebwerk mit gepulstem Plasma in Erosionsbauweise für einen geostationären künstlichen Erdsatelliten), 44. Kongress der International Astronautical Federation, IAF-93-S.5.487, Graz, Österreich: IAF, 16. bis 22. Oktober 1993). Von einer solchen Antriebseinheit erzeugte Vortriebsimpulse müssen die Einwirkungen von äußeren Faktoren auf das Raumfahrzeug in einem geostationären Orbit neutralisieren.
Der Beschleuniger mit gepulstem Plasma, der in eine Antriebseinheit nach dem Stand der Technik eingebaut ist, weist Elektroden (eine Kathode und eine Anode), von denen eine in Form eines Kupferstabes und die andere in Form einer Platte ausgebildet ist, eine dielektrische Feststoff-Arbeitssubstanz, die unter der Wirkung einer elektrischen Entladung einer Ablation unterliegt, ein System zum Zuführen einer Arbeitssubstanz in einen Entladungskanal in Schienebauweise sowie ein System zum Einleiten der Entladung auf. Über Stromzuführen wird den Beschleunigerelektroden aus einem äußeren Energieakkumulator mit einer Kapazität von 36 μF bei einer maximalen Spannung von etwa 3 kV Leistung zugeführt.
Ein solcher Beschleuniger arbeitet bei einem Gasdruck von weniger als 10^-4 Torr in einem Beschleunigungskanal. Die mit jedem Puls freigesetzte Energie beträgt etwa 160 J bei der Strompulsamplitude von 35 kA. Der Nachteil der bekannten Antriebseinheit ist ein niedriger Vortriebswirkungsgrad, der dadurch, dass eine Entladungsstromänderung während jeder Pulszeit oszilliert, weniger als 10% beträgt.
Bei einem anderen Beschleuniger mit gepulstem Plasma nach dem Stand der Technik (P.J. Turchi, „Directions for Improving PPT Perfomance" (Richtlinien zum Verbessern der PPT-Leistung), 25. International Electric Propulsion Conference, IEPC 97-038, USA, Cleveland, Ohio: IEPC, 24. bis 28 August 1997) werden gepulste oszillierende Ladungen in einem Entladungssignal mit einer Leistung erzeugt, die den Elektroden von einem kapazitiven Starkstromakkumulator zugeführt wurde. Die gespeicherte Energie des Akkumulators betrug 20 J bei einer Ausgangsspannung von 2 kV, während die Kapazität des Akkumulators bei 10 μF lag. Die Induktivität einer externen elektrischen Schaltung war 400 nH. Trotz der Versuche, die Pulszeit zu erhöhen, und einen quasi kontinuierlichen Entladungsstrom bei jedem Puls zu erzeugen, erreichte jedoch der gesamte Vortriebswirkungsgrad der Vortriebseinheit keine 10%. Der erreichte Vortriebswirkungsgrad lässt eine Verwendung solcher Plasmabeschleuniger in kommerziellen Raumfahrzeugen nicht zu.
Unter Berücksichtigung der vorstehenden Veröffentlichung ist zu erwähnen, dass ein richtiger Schluss für die Notwendigkeit gezogen wurde, die Widerstände für interne und externe Schaltungen in einem Beschleuniger mit gepulstem Plasma zu koordinieren. Zur Handhabung des angegebenen Problems wurden jedoch sehr komplizierte und wenig effektive Lösungen geboten, zu denen der Einschluss von zusätzlichen Komponenten in die elektrische Schaltung gehört. Die erwähnten Komponenten, wie Kondensatoren, Induktionsspulen und Kommutatoren erlauben ein Koordinieren der inneren und äußeren Schaltungen und ein Erreichen einer quasi nicht periodischen Entladung in einem Beschleuniger mit gepulstem Plasma, obwohl der positive Effekt durch Leistungsverluste wesentlich verringert wird, die derartigen Komponenten zugeordnet sind.
Unabhängig davon gibt es einen anderen Gesichtspunkt, der sich mit einer Steigerung des Wirkungsgrads eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma befasst. Beispielsweise ist ein Beschleuniger (Antrieb mit gepulstem Plasma bekannt, der einen Beschleunigungskanal, der von zwei Elektroden gebildet wird, einen zum Trennen dieser Elektroden angepassten und als Arbeitssubstanz dienenden Isolator, ein System zur Einleitung der Entladung sowie einen Energieakkumulator aufweist, der auf Starkstromkondensatoren basiert und über eine Stromzuführung mit den Elektroden verbunden ist. Der erwähnte Antrieb verwendet Teflon als Arbeitssubstanz (Gregory G. Spanjers et al. „Investigation of Propellant Inefficiencies in a Pulsed Plasma Thruster" (Untersuchung von Treibmittelunzulänglichkeiten in einem Triebwerk mit gepulstem Plasma), AiAA-96-2723, 32. JPC, Lake Buena Vista, FL, USA: AIAA/ASME/SAE/ASSE, 1. bis 3. Juli 1996). Es wurde der Einfluss der elektrischen Entladungsenergie auf den Wirkungsgrad unter Verwendung einer Arbeitssubstanz untersucht, während der Antrieb in Betrieb war. Trotz der sich ergebenden Erhöhung des Vortriebsimpulses und des Antriebswerts, schwankte der gesamte Vortriebswirkungsgrad des Plasmabeschleunigers bei der Entladungsenergie von etwa 40 J von 7% bis 8%. Der relativ niedrige Vortriebswirkungsgrad beruhte auf der oszillierenden Natur der Entladungsstromänderung während eines jeden Pulses.
In der erwähnten Veröffentlichung wurde der Schluss gezogen, dass zur Steigerung des Wirkungsgrads eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma die erste Halbperiodenzeit eines Entladungsstroms verringert und seine Amplitude erhöht werden muss. Die vorstehende Schlussfolgerung wurde durch zuverlässige experimentelle Ergebnisse gestützt, sie berücksichtigte jedoch nicht die Nichtlinearität von Prozessen, die in der elektrischen Eingangsschaltung des Beschleunigers mit gepulstem Plasma auftraten und in dem Plasma verursacht wurden.
Zur Erhöhung der Vortriebseigenschaften von Beschleunigern mit gepulstem Plasma (Antrieben) wurden Beschleuniger für einen hohen Wert der elektrischen Entladungsenergie ausgelegt (W.J. Guman und D. J. Palumbo „Pulsed Plasma Propulsion System for North-South Stationkeeping" (Antriebssystem mit gepulstem Plasma für ein Nord-Süd-Stationshalten), AIAA-76-999, AIAA International Propulsion Conference, Key Biscane, FL, USA: AIAA, 14. bis 17. November 1976). Ein bekannter gepulster Beschleuniger (Antrieb) hat zwei Elektroden, die einen Beschleunigungskanal bilden, dielektrische Stäbe, die aus Teflon hergestellt und zwischen den Elektroden angeordnet sind, einen keramischen Endisolator und einen kapazitiven Akkumulator. Die Kapazität des Akkumulators war für die Erzeugung einer elektrischen Entladung von etwa 750 J in dem Beschleunigungskanal ausgelegt.
Die in dem Beschleunigungskanal des vorliegenden Plasmabeschleunigers erzeugte Entladung oszilliert. Der maximale Gesamtvortriebswirkungsgrad des Antriebs bei der Entladungsspannung von 2,5 kV betrug 25,6%. Bei dem angegebenen Niveau der Entladungsenergie kann jedoch der Vortriebswirkungsgrad des Plasmaantriebs nicht als ausreichend akzeptiert werden, da der Wirkungsgrad von konkurrierenden Plasma-(magnetisches Plasma)Antrieben, wie stationäre Plasmaantriebe, bei diesem Energieniveau bis zu 45% beträgt.
Bekannt ist ein Beschleuniger mit gepulstem Plasma (Antrieb), der zwei flache Kupferelektroden, zwei dielektrische Stäbe, die aus einem Ablationsmaterial hergestellt und zwischen den Elektroden angeordnet sind, eine die Entladung einleitende Vorrichtung und einen Energieakkumulator aufweist (N. Antropov et al. „Parameters of Plasmoids injected by PPT" (Parameter von Plasmoiden, die durch PPT eingespritzt werden), AIAA 97-2921, 33. AIAA/ASME/SEA/ASEE Joint Propulsion Conference, Seattle, WA, USA: AIAA/ASME/SAE/ASSE, 6. bis 9. Juli 1997). Ein Beschleunigungskanal des Plasmabeschleunigers wird von Oberflächen der Elektroden und Seitenflächen der dielektrischen Stäbe gebildet. Der Energieakkumulator hat fünf Starkstromkondensatoren mit einer gesamten gespeicherten Energie von 80 bis 100 J. Die Betriebsspannung der Kondensatorbatterie beträgt 2,5 bis 2,8 kV. Die Induktivität einer externen elektrischen Schaltung, die mit den Elektroden des Beschleunigers verbunden ist, liegt bei 20 nH. Der Wirkungsgrad des Plasmabeschleunigers hat 13% bei der Energie der elektrischen Entladung von 100 J nicht überschritten.
Der der beanspruchten Erfindung am nächsten kommende Stand der Technik ist ein Erosions-(Ablations-)Plasmaantrieb (Beschleuniger), der in dem RU-Patent 2143586 C1 (IPC-6 F03H1/00, H05H1/54, veröffentlicht am 27.12.1999) offenbart ist. Der bekannte Prototyp hat Elektroden (eine Kathode und eine Anode), die über einen ohmschen und einen induktiven Lastwiderstand mit Kondensatorplatten (Energieakkumulator) verbunden sind, einen keramischen Endisolator, der die Elektroden voneinander trennt, sowie dielektrische Stäbe aus Ablationsmaterial, die zwischen den Elektroden angeordnet sind. Der Energieakkumulator ist mit den Elektroden über dünne Kupfersammelschienen (Stromzuführungen) verbunden. Die Entladungskanalwände werden von den Oberflächen der Elektroden und der dielektrischen Stäbe gebildet. Die Elektroden des bekannten Plasmabeschleunigers sind in Form von Platten ausgeführt. In einem in dem Endisolator ausgebildeten Schlitz ist eine Vorrichtung zum Einleiten der Entladung (Zünder) angeordnet.
Die bei dem bekannten Plasmabeschleuniger verwendeten dielektrischen Stäbe sind zu einer Entladekanal-Mittellinie mithilfe einer speziellen Bewegungsvorrichtung (Federschieber) bewegbar. Die dielektrischen Stäbe werden zu einer Bewegung bis zum Anliegen an einem Anschlag veranlasst, der in Form einer Schulter an der Elektrodenfläche ausgebildet ist.
Das Plasma wird in dem Entladekanal des Plasmakanals wie folgt beschleunigt. Von einer Ladungseinleiteinheit wird den Elektroden der Vorrichtung zum Einleiten der Entladung ein normaler Hochspannungsimpuls zugeführt. Ein Oberflächendurchschlag führt zur Erzeugung eines Plasmakoagulats, das ein Kurzschließen in dem Schlitz des Endisolators verursacht, wo eine elektrische Lichtbogenentladung erzeugt wird. Während des Durchschlags befinden sich die Elektroden auf einem „Warte"-Potenzial. Von den Oberflächen der dielektrischen Stäbe wird durch Entladungsstrahlungsenergie Arbeitssubstanz verdampft, ionisiert und von der elektromagnetischen Kraft und dem dynamischen Gasdruck beschleunigt.
Während des Betriebs des Plasmabeschleunigers nach dem Prototyp wird ein schnurförmiges, stabiles Plasma am vorderen Ende des Beschleunigungskanals erzeugt, um die Abscheidung eines Kohlenstofffilms in diesem Teil des Kanals zu verhindern und somit einen ungleichförmigen Verbrauch der Arbeitsfläche der dielektrischen Stäbe auszuschließen. Dieses Phänomen erhöht die stabilen Vortriebseigenschaften des Beschleunigers aufgrund der gleichförmigen Verdampfung der Arbeitssubstanz.
Die elektrische Entladung in dem Beschleunigungskanal des Plasmabeschleunigers hat eine oszillierende Natur, wobei die Anzahl von Halbperioden der Pulsentladungs-Stromänderungen drei beträgt. Als Folge überschreitet der maximale Vortriebswirkungsgrad des Plasmabeschleunigers 14% nicht.
Bei dem bekannten Ablationsbeschleuniger mit gepulstem Plasma beruht eines der größten Probleme, das die Wirkungsgradcharakteristika des Beschleunigers unmittelbar beeinflusst, auf den Arbeitssubstanzverlusten, die in dem Beschleunigungskanal während des Plasmabeschleunigungsprozesses auftreten. Der Grund für die Arbeitssubstanzverluste hat mit räumlichen und zeitlichen Widersprüchen der beiden Prozesse zu tun, die in dem Beschleunigungskanal des Beschleunigers mit gepulstem Plasma auftreten, nämlich

– ein relativ schneller Prozess (t_pr, von etwa 1,5 bis 3 μs) der Bildung und Beschleunigung eines Entladungsstrombereichs (ein Stromlichtbogen) und
– ein relativ langsamer Prozess des Erhitzen der Arbeitsflächen der Arbeitssubstanzstäbe, der Ionisierung der Arbeitssubstanz, der Erzeugung eines Plasmastroms und dessen Beschleunigung (t_pr beträgt etwa 7 bis 12 μs).

Die gesamte oszillierende elektrische Entladungsszeit des bekannten Beschleunigers mit gepulstem Plasma nach dem Prototyp beträgt 8 bis 15 μs abhängig von den Größen des Beschleunigungskanals und den Eigenschaften der Entladungsschaltung. Wie jedoch festgestellt wurde, ergab sich ein effektiver elektromagnetischer Prozess für die Plasmabeschleunigung nur während des ersten Entladens des Akkumulators (der ersten Halbperiode des Entladestroms), wobei die Entladung von 1,5 bis 3,0 μs von der Energie und Größe des Beschleunigers abhängt. Ferner trat im Verlauf des Entladungsprozesses nur die Ablation (Verdampfung) der Arbeitssubstanz und die thermische (gasdynamische) Plasmabeschleunigung aus.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung ist auf die Steigerung des Anteils der Arbeitssubstanz gerichtet, die von der elektromagnetischen Kraft in einem Beschleunigungskanal eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma wirksam beschleunigt wird, indem die synchronisierten Prozesse einer intensiven Ablation von dielektrischen Stäben und der Erzeugung der dreidimensionalen elektromagnetischen Kraft verwendet werden, wobei die Kraft zur Beschleunigung einer ionisierten Arbeitssubstanz eingesetzt werden kann. Die Synchronisierung der vorstehenden Prozesse kann durch die größtmögliche Annäherung der Widerstände der externen und internen elektrischen Schaltungen eines Plasmabeschleunigers vorgesehen werden.
Durch Verwendung der Erfindung sind folgende technische Ergebnisse erreichbar: ein gesteigerter Wirkungsgrad bei der Verwendung einer Arbeitssubstanz, reduzierte elektrische Leistungsverluste in einer externen elektrischen Schaltung sowie ein gesteigerter Wirkungsgrad der Plasmabeschleunigung in einem Entladungskanal des Beschleunigers mit gepulstem Plasma (Antriebswirkungsgrad eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma, der als elektrischer Antrieb verwendet wird). Die angegebenen technischen Ergebnisse stehen miteinander in Wechselbeziehung und bestimmen insgesamt die Effektivität eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma und eines Plasmabeschleunigungsprozesses.
Die vorstehenden Ergebnisse werden durch Verwendung eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma erreicht, der zwei Elektroden, dielektrische Stäbe, die aus einem Ablationswerkstoff hergestellt und zwischen den Elektroden angeordnet sind, einen Entladekanal mit einem offenen Endteil und Wänden, die von den Oberflächen der Elektroden und der dielektrischen Stäbe gebildet werden, einen Energieakkumulator, Stromzuführungen, die zum Verbinden der Elektroden mit dem Energieakkumulator angepasst sind und in Verbindung mit den Elektroden und dem Akkumulator eine externe elektrische Schaltung bilden, einen Isolator, der zwischen den Elektroden an dem Endteil des Entladungskanals über dem offenen Endteil angeordnet ist, und eine Einrichtung zum Einleiten des Entladens aufweist.
Nach der vorliegenden Erfindung zeichnet sich der Plasmabeschleuniger dadurch aus, dass Parameter des Außenkreises des Beschleunigers auf der Basis der folgenden Bedingung ausgewählt werden: 2 ≤ C/L ≤ 5,wenn C die elektrische Kapazität des elektrischen Außenkreises in μF und
L die Induktivität des elektrischen Außenkreises in nH ist, wobei der Wert der Induktivität entsprechend der Bedingung L ≤ 100nH ausgewählt wird.
Die vorstehenden Bedingungen zur Auswahl der Parameter des elektrischen Außenkreises (C und L) bedeuten aktuell, dass konzentriert in dem Akkumulator die elektrische Kapazität des Entladungskreises des Beschleunigers von dem für Beschleuniger mit gepulstem Plasma üblichen Wert von etwa 10 bis 30 μF auf den Wert von etwa 40 bis 500 μF abhängig von dem Wert der Entladeenergie und der Induktivität L des elektrischen Außenkreises des Beschleunigers mit gepulstem Plasma erhöht werden kann.
Die Wahl des Bereichs der Werte für L oder C wurde durch folgende Betrachtungen angeregt.
Bei einer Steigerung der in dem Akkumulator konzentrierten Kapazität des Schaltkreises steigt die Zeit der ersten Halbperiode der elektrischen Entladung von etwa 1,5 bis 3 μs auf etwa 7 bis 10 μs an, wobei die Entladung von einer Sinus-Glimm-Entladung mit einer charakteristischen Zahl von ein Halbperioden von 4 bis 6 zu einer quasi nicht periodischen Entladung umgewandelt wird, mit der Folge, dass dies die physikalischen Mechanismen des Prozesses in dem Beschleunigungskanal des Beschleunigers mit gepulstem Plasma beträchtlich beeinflusst.
Mit den ausgewählten Bedingungen für den Beschleuniger mit gepulstem Plasma bei einer relativ niedrigen Ladungsenergie von etwa 20 bis 60 J kann ein Entladestrompuls mit zwei Oszillations-Halbperioden erzeugt werden, wobei die Energie der zweiten Entladung des Beschleunigers weniger als 20% der Energie der ersten Entladung beträgt.
Aus heutiger Sicht entweichen nur 20 bis 40% der von der dielektrischen Wandoberfläche verdampften Arbeitssubstanz aus dem Beschleunigungskanal des Beschleunigers mit gepulstem Plasma mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 20 bis 30 km/s. Dieser Teil der Arbeitssubstanz wird durch eine dreidimensionale magnetische Kraft (JxB), die sich aus der Interaktion des Entladestroms mit dem Eigenmagnetfeld ergibt, beschleunigt. Die verbleibenden 60 bis 80% der Arbeitssubstanz entweichen aus dem Beschleunigungskanal des Beschleunigers mit gepulstem Plasma bei subthermischen und thermischen Geschwindigkeiten von etwa 0,5 bis 5,0 km/s. Der Grund dafür besteht darin, dass der verdampften Arbeitssubstanz keine Zeit zur Verfügung steht, um mit dem Entladestrom während der Strompulszeit zu interagieren. Als Folge überschreiten die gewichteten mittleren Geschwindigkeitswerte des Plasmas an dem beschleunigenden Kanalauslassende bei akzeptablen Werten eines einzigen Vortriebsimpulses normalerweise 8 bis 12 km/s nicht. Dies ist charakteristisch für einen Antrieb einer „schnellen" Strom-Halbperiode (≤ 3 μs). Eine Steigerung der Zeit der Strom-Halbperiode führt zu einer Steigerung bei der Masse der Arbeitssubstanz, die durch eine elektromagnetische Kraft wirksam beschleunigt wird, und demzufolge zu einer Steigerung des Vortriebswirkungsgrads des Plasmabeschleunigers.
Die gewichtete mittlere Geschwindigkeit des Mengenstroms der Arbeitssubstanz, die aus dem Beschleunigungskanal in der Zeit der ersten Halbperiode von etwa 7 bis 10 μs entweicht, beträgt 15 bis 22 km/s, was zu der Geschwindigkeit eines Stromlichtbogens (Entladungsstrom) längs der Elektroden des Beschleunigers mit gepulstem Plasma ausreichend nahe ist. Nach den Berechnungen beträgt eine solche Geschwindigkeit 20 bis 30 km/s für den in Betracht gezogenen Beschleuniger mit gepulstem Plasma und ist die maximale Plasmaströmungsgeschwindigkeit. Es sind offensichtlich keine 20 bis 40% der Arbeitssubstanz, die in einem elektromagnetischen Beschleunigungsprozess eingeschlossen sind, wie es gewöhnlich im Falle einer „schnellen" Entladung der Fall ist, sondern etwa 70% der Arbeitssub stanz, die in dem Beschleunigungskanal erzeugt wird. Das angegebene Phänomen wird durch Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen mit Labormodellen für Beschleuniger mit gepulstem Plasma gestützt.
Hinsichtlich einer Steigerung des Wirkungsgrads des Beschleunigers mit gepulstem Plasma ist eine wesentliche Verringerung (um 30 bis 40%) des Verbrauchs an Arbeitssubstanz von Bedeutung. Eine solche Verringerung tritt bei einer erhöhten Entladezeit auf. Das Phänomen ist der verringerten Entladestromamplitude als Folge der verringerten Energieemissionsstärke aus der Stromlichtbogenzone zuzurechnen. Die Emission des Stomlichtbogens ist die Bedingung zum Erhitzen und Verdampfen der dielektrischen Arbeitssubstanz.
Der verringerte Verbrauch an Arbeitssubstanz ist auch den Änderungen in der Entladestromdynamik in dem Beschleuniger mit gepulstem Plasma zuzurechnen. Solche Änderungen beruhen darauf, dass die Zone mit größerer Dichte von Stromkanälen (dem Stromlichtbogen) sofort zu den Rändern der Elektroden herauskommt, wie es bei den gattungsgemäßen Beschleunigern mit gepulstem Plasma der Fall ist. Im Gegensatz zu den bekannten gattungsgemäßen Beschleunigern hört jedoch die Entladung der gegebenen Zone während der Wiederladung eines Akkumulators nicht auf (mit darauffolgenden Umkehr vom vorderen Teil des Entladekanals), sondern befindet sich 5 bis 6 ms in einer fixierten Position. Somit befindet sich die Stromdichte relativ weit entfernt von den Arbeitssubstanzstäben bei einem relativ verlängerten Zeitintervall, was in einer wesentlich reduzierten Verdampfung der Stäbe resultiert.
Auch die Verringerung der Energieverluste in einem elektrischen Außenkreis können eine Schlüsselrolle bei der Zunahme des Vortriebswirkungsgrads eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma spielen. Die Reduzierung der Verluste findet hauptsächlich in dem kapazitiven Energieakkumulator aufgrund der verbesserten Koordination von Parametern des elektrischen Außenkreises (der Energieakkumulator, die Stromzuführungen zum Zuführen von Strom zu den Elektroden) und des elektrischen Innenkreises (der Stromlichtbogen-Elektroden) des Beschleunigers mit gepulstem Plasma auf.
Nach früher erhaltenen Versuchsdaten liegt der charakteristische Induktivitätswert der Außenschaltung bei den Beschleunigern mit gepulstem Plasma und bekannter Bauweise bei wenigsten 100 nH und die Kapazität bei 10 bis 30 μF. Somit beträgt die aus dem Ausdruck Z_ext = 2(L/C)^1/2 errechnete Impedanz des Außenkreises etwa 200 mOhm (der aktive elektrische Widerstand des Kreises kann aufgrund seines niedrigen Werts verglichen mit dem reaktiven elektrischen Widerstand vernachlässigt werden).
Die von der linearen Induktivität I des Entladekanals und der Geschwindigkeit V des Stromlichtbogens abhängige Impedanz des Innenkreises wird aus der Beziehung Z_int = IV/2 berechnet. Die Impedanz des Innenkreises hat im Mittel etwa eine Größenordnung, die kleiner ist als die Impedanz des Außenkreises und liegt bei etwa 20 mOhm.
Eine unzureichende Koordinierung der Impedanz des elektrischen Außen- und Innenkreises führt zu einer Dissipation eines beträchtlichen Teils von Entladungsenergie in dem elektrischen Außenkreis, hauptsächlich in dem Energieakkumulator, der einen relativ höheren aktiven elektrischen Widerstand hat, der auf der Entwicklung eines Oszillationsprozesses in dem elektrischen Außenkreis beruht. In einem solchen Fall ist die Stromkurve als Sinusdämpfung geformt. Experimentell wurde jedoch gefunden, dass der Stromlichtbogen das Plasma nur während der ersten Halbperiode des Entladestroms effektiv beschleunigt, wenn an die Entladung merkliche Energie angelegt wird und die elektromagnetische Kraft (JxB) einen beträchtlichen Wert hat.
Bei dem beanspruchten Beschleuniger mit gepulstem Plasma kann die Impedanz Z_ext des elektrischen Außenkreises ≈40 mOhm aufgrund der Optimierung des Außenkreises durch Auswahl der Parameter C und L nach den vorstehenden Bedingungen betragen. Der angegebene Impedanzwert ist dem des elektrischen Innenkreises wesentlich näher als bei den bekannten Beschleunigern. Durch Einsatz der vorliegenden Erfindung werden somit die Parameter des elektrischen Außen- und Innenkreises maximal koordiniert, ohne das Leistungszuführsystem kompliziert zu machen und ohne dass zusätzliche Leistungsverluste auftreten.
Basierend auf Versuchsdaten lag der Wirkungsgrad des Plasmabeschleunigungsprozesses in dem Beschleuniger mit gepulstem Plasma nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform im Bereich von 12% bis 35%, wobei die verbrauchte Energie von 20 bis 150 J variiert.
Der angegebene Wirkungsgrad des Beschleunigers mit gepulstem Plasma ist im Mittel etwa zweimal so groß wie der Vortriebswirkungsgrad der bekannten Beschleuniger für den diskutierten Bereich an verbrauchter Energie. Außerdem haben die Approximationsabhängigkeiten gezeigt, dass bei den Werten von bis zu 500 J der Vortriebswirkungsgrad des beanspruchten Beschleunigers mit gepulstem Plasma ebenfalls etwa zweimal so groß wie der des den Prototyp bildenden Beschleunigers sein kann.
Bei einer Erhöhung der verbrauchten Energie neigt die Bereichsüberschreitung des Wirkungsgrads zu einer Abnahme, so dass bei der Leistung von 0,9 bis 1,0 kJ die Wirkungsgradwerte des beanspruchten Beschleunigers mit gepulstem Plasma und die des Prototyp-Beschleunigers im Wesentlichen gleich sind. Dies ergibt sich aufgrund einer unvermeidbaren Annäherung der kritischen Parameter (L und C) ihrer elektrischen Kreise und auch aufgrund einer Steigerung der Entladungsspannung mit dem Anstieg der verbrauchten Energie.
Auf der Basis der vorstehenden Gründe ist für die Kennwerte des elektrischen Außenkreises des Beschleunigers mit gepulstem Plasma eine Grenze von 2 ≤ C/L ≤ 5 gegeben. Die angegebene Bedingung zeigt die Begrenzung des Werts der in dem Akkumulator gespeicherten Energie. Die bedeutendste Steigerung des Wirkungsgrads des Plasmabeschleunigungsprozesses im Vergleich zu dem des Prototypbeschleunigers erhält man, wenn die vorstehende Bedingung Beachtung findet.
Die Induktivität des elektrischen Außenkreises des Beschleunigers mit gepulstem Plasma wird vorzugsweise im Bereich von I = 20 bis 100 nH ausgewählt. Die vorstehend angegebene Bedingung ist auch darauf gerichtet, eine beträchtliche Steigerung bei dem Wirkungsgrad des Plasmabeschleunigungsprozesses bei Einsatz des beanspruchten Beschleunigers mit gepulstem Plasma verglichen mit dem Prototypplasmabeschleuniger beizubehalten.
Basierend auf Untersuchungsergebnissen wurde gefunden, dass eine Steigerung der Induktivität des elektrischen Außenkreises um mehr als 100 nH, was nicht Teil der Erfindung ist, zu der allmählichen Annäherung an Parameter des Prototypbeschleunigers führt. In Betracht zu ziehen ist jedoch, dass der minimale Energieverbrauch für die minimale Induktivität des Kreises passend sein muss. Der Wert der Induktivität von unter 20 nH ist bei einem aktionsfähigen elektrischen Kreis eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma unter akzeptablen Bedingungen für den vorgegebenen Typ von Vorrichtungen praktisch nicht verwirklichbar.
Um den Aufbau des Beschleunigers mit gepulstem Plasma zu vereinfachen, können die Elektroden in Form von Platten ausgeführt sein.
Die Länge der Elektroden geht vorzugsweise über die Querschnittsgröße der dielektrischen Stäbe in der Richtung der Plasmabeschleunigung hinaus, um für eine zusätzliche Steigerung des Wirkungsgrads des Plasmabeschleunigungsprozesses zu sorgen.
Die dielektrischen Stäbe können zu einer Entladekanalmittellinie hin bewegbar ausgeführt sein. Der Beschleuniger ist mit Haltern zum Befestigen der dielektrischen Stäbe in einer geeigneten Position und mit einer Vorrichtung für deren Bewegung versehen. Die vorliegende Ausgestaltung des Beschleunigers ermöglicht eine wesentliche Steigerung der Betriebszeit des Beschleunigers mit gepulstem Plasma ohne Austausch der dielektrischen Stäbe.
Der zwischen den Elektroden angeordnete Isolator kann mit einem Schlitz versehen sein, der einem Beschleunigungskanal zugewandt ist. Eine solche Ausgestaltung des Beschleunigers mit gepulstem Plasma verbessert die Gleichförmigkeit der Verdampfung der Arbeitssubstanz von der dielektrischen Staboberfläche über der Zeit.
Um ein Abscheiden von Kohlenstoff von der Arbeitssubstanz (Teflon oder Fluorkunststoff) auf der Oberfläche der dielektrischen Stäbe der bevorzugten Ausgestaltung des Beschleunigers mit gepulstem Plasma auszuschließen, ist der zwischen den Elektroden angeordnete Isolator mit den dielektrischen Stäben zugewandten Vorsprüngen versehen. In diesem Fall sind die dielektrischen Stäbe mit Aussparungen versehen, die so gestaltet sind, dass sie zu der Form der Vorsprünge des Isolators konform sind.
Jeder der dielektrischen Stäbe kann mit wenigstens einem Längsvorsprung versehen sein, der der jeweiligen Elektrode zugewandt ist. Eine solche Ausgestaltung der dielektrischen Stäbe und Elektroden ermöglicht es, effektive Verluste an Arbeitssubstanz zu verringern.
Man möchte, dass die Oberflächen der dielektrischen Stäbe, die dem Entladekanal zugewandt sind, bezüglich der Mittellinie des Entladekanals abgeschrägt sind.
In einem solchen Fall muss der Abstand b_min zwischen den gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Stäbe auf der Seite des Isolators und der Abstand b_max zwischen den gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Stäbe auf der Seite des offenen Endes des Entladekanals der Bedingung genügen b_max/b_min ≥ 1,2. Die vorliegende Ausgestaltung des Beschleunigers mit gepulstem Plasma ermöglicht es, den Plasmabeschleunigungsprozess über der Zeit zu stabilisieren.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Plasmabeschleunigungsprozesses können bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des Beschleunigers mit gepulstem Plasma die hinter den dielektrischen Stäben in der Richtung der Plasmabeschleunigung angeordneten Teile der Elektroden in einem Winkel α bezüglich der Entladekanalmittellinie angeordnet werden, wobei der Winkel α nach der Bedingung ausgewählt wird, dass 10° ≤ α ≤ 40°.
Zur Steigerung des Wirkungsgrads des Plasmabeschleunigungsprozesses in dem Beschleunigungskanal des Beschleunigers mit gepulstem Plasma können die hinter den dielektrischen Stäben in Richtung der Plasmabeschleunigung angeordneten Teile der Elektroden sich in der Richtung der Plasmabeschleunigung fortlaufend verengend ausgeführt sein.
Die maximale Breite d_max und die minimale Breite d_min der Elektroden werden entsprechend der Bedingung ausgewählt d_max/d_min ≥ 2.
Empfehlenswert ist, dass die Länge und die Breite einer der Elektroden, die als Anode dient, größer ist als die Länge und Breite der anderen Elektrode, die als Kathode dient. Eine gesteigerte Länge der Anode ermöglicht es, an der Oberfläche der Elektroden in dem Beschleuniger mit gepulstem Plasma eine Gleichförmigkeit der Stromdichte, insbesondere an ihren Endteilen angrenzend an den Entladekanalrand zu erhalten. Das Ergebnis ist, dass bei minimalen Größen und minimalem Gewicht der Elektroden die Leistungszuverlässigkeit des Beschleunigers mit gepulstem Plasma verbessert wird. Das Ergebnis wird erreicht, indem die Betriebsweisen ausgeschlossen werden, zu denen eine erhöhte lokale Stromdichte gehören, bei denen ein Durchschlag der Anode auftreten kann.
Die Möglichkeit, das vorstehende Ergebnis zu erreichen, ist den folgenden physikalischen Prozessen zuzurechnen, die durch Versuchsdaten gestützt sind.
Zu dem Teil des Entladedkanals des Beschleunigers, der von den dielektrischen Stäben begrenzt wird, ist die Plasmakonzentration an der Anode zweimal so groß wie die Plasmakonzentration an der Kathode. Die dielektrischen Stäbe werden demzufolge in der Nähe der Anodenoberfläche verglichen mit dem Verbrauch der dielektrischen Stäbe in der Nähe der Kathodenoberfläche stärker verbraucht. Ein Entladespalt besetzt die Fläche an der Anode, die größer ist als an der Kathode. Wenn die Elektroden gleiche Größe (Fläche) insbesondere Breite, haben, ist der Hauptteil des Entladestroms an den Längsrändern der Anode konzentriert. Als Folge dieses Phänomens sind die Ränder der Anode einer erhöhten Erosion mit nachfolgender Zerstörung ausgesetzt. Eine vergrößerte Breite der Anode verglichen mit der der Kathode verringert die Wahrscheinlichkeit beträchtlich, dass sich das angegebene nachteilige Phänomen aufgrund der erhöhten Gleichförmigkeit der Stromdichte über den Oberflächen der Elektroden einstellt.
Die Geschwindigkeit der Vorwärtsbewegung des Enladepunkts längs der Oberfläche der Anode hinter den Rändern der dielektrischen Stäbe ist um 30% größer als die Geschwindigkeit der Vorwärtsbewegung des Entladepunkts über der Oberfläche der Kathode aufgrund des Hall-Effekts, was sich dadurch zeigt, dass sich der Stromlichtbogen bezüglich der Oberfläche der Elektroden in die Richtung der Plasmabeschleunigung dreht (neigt). Eine Vergrößerung der Länge der Anode (verglichen mit der der Kathode) beseitigt ein Halten des Entladepunkts an ihrem Außenrand und verringert somit die Wahrscheinlichkeit der Zerstörung der Elektrode aufgrund der gesteigerten Gleichförmigkeit der Entladestromdichte an der Oberfläche der Elektroden.
Die vorstehenden technischen Ergebnisse werden auch dadurch erreicht, dass ein Verfahren zur Plasmabeschleunigung ausgeführt wird, das die Schritte aufweist, eine Entladung im Entladekanal des Plasmabeschleunigers mithilfe einer Einrichtung zum Einleiten des Entladens zu zünden und eine Entladespannung aus einem Energieakkumulator über einen elektrischen Außenkreis an Elektroden des Plasmabeschleunigers gepulst anzulegen, zwischen denen di-elektrische Stäbe aus Ablationswerkstoff angeordnet sind. Nach der Erfindung werden quasi-nichtperiodische gepulste Entladungen in ihrem Entladekanal gezündet und auf der Entladespannung U von wenigsten 1000 V gehalten, während die Eigenschaften des elektrischen Außenkreises der Bedingung genügen 2 ≤ C/L ≤ 5, wenn C die Kapazität des elektrischen Außenkreises in μF und L die Induktivität des elektrischen Außenkreises in nH sind und der Wert der Induktivität unter der Bedingung ausgewählt wird, dass L ≤ 100 nH.
Beim Ausführen des beanspruchten Plasmabeschleunigungsverfahrens kann die Impedanz des elektrischen Außenkreises sich maximal der Impedanz des elektrischen Innenkreises annähern. Eine solche Koordinierung von Parametern der elektrischen Kreise wird ohne Einsatz zusätzlicher Einrichtungen und demzufolge ohne zusätzliche Energieverluste erreicht. Das Ergebnis ist, dass der Wirkungsgrad des Plasmabeschleunigungsprozesses bei einer verbrauchten Energie im Bereich von 20 bis 150 J etwa doppelt so groß wie der Vortriebswirkungsgrad der bekannten Beschleuniger mit gepulstem Plasma ist. Bei der Ausführung des beanspruchten Verfahrens verläuft der Plasmabeschleunigungsprozess auf stabile Weise und zeichnet sich durch einen hocheffektiven Verbrauch an Arbeitssubstanz aus.
Die quasi-nichtperiodischen Entladungen werden bei der Charakteristik des elektrischen Außenkreises gezündet und aufrechterhalten, die auf der Basis der Bedingung 2 ≤ C/L ≤ 5 ausgewählt wird. Die gegebene Bedingung gibt die Begrenzung des Entladeenergiewerts, bei dem ein wesentlicher Anstieg des Plasmabeschleunigungswirkungsgrads und des Arbeitssubstanzverbrauchs verglichen mit den bekannten Plasmabeschleunigungsverfahren gezeigt ist.
Die Annäherungsabhängigkeiten beweisen, dass bis zu dem Entladeenergiewert von etwa 500 J der Vortriebswirkungsgrad des Plasmabeschleunigungsverfahrens den Wirkungsgrad der gattungsgemäßen bekannten Verfahren um das 2- bis 2,5-fache überschreitet. Bei einer Entladeenergie von über 1000 J nähern sich jedoch die Wirkungsgrade der Plasma beschleunigungsprozesse des beanspruchten Verfahrens und der bekannten gattungsgemäßen Verfahren einander stark an.
Durch Untersuchungen wurde auch festgestellt, dass die Wirkung einer wesentlichen Steigerung des Wirkungsgrads des Plasmabeschleunigungsprozesses sich bei einer Spannung von nicht mehr als 2000 V zeigt. Mit den angegebenen Spannungsgrenzen beträgt die maximale Entladeenergie etwa 1000 J.
Hinsichtlich der gesetzten Abhängigkeiten ist es ratsam, dass quasi-nichtperiodische gepulste Entladungen bei der Entladespannung U im Bereich von 1000 bis 2000 V erzeugt und aufrechterhalten werden.
Man möchte auch, dass die Induktivität L des elektrischen Außenkreises im Bereich von L = 20 bis 100 nH ausgewählt wird. Die vorstehende zusätzliche Begrenzung zielt auch auf das Beibehalten der merklichen Bereichsüberschreitung des Wirkungsgrades des Plasmabeschleunigungsprozesses, wenn eine bevorzugte Ausführungsform des beanspruchten Verfahrens im Vergleich zu einem Prototypverfahren ausgeführt wird. Experimentelle Untersuchungen haben auch gezeigt, dass eine Steigerung der Induktivität des elektrischen Außenkreises von mehr als 100 nH, was nicht Teil der Erfindung ist, zu einer allmählichen Annäherung von Parametern des beanspruchten und des bekannten Verfahrens führt.
Zur Vereinfachung der Plasmabeschleunigungsvorrichtung hat man plattenförmige Elektroden verwendet.
Die Länge der Elektroden überschreitet vorzugsweise die Querschnittsgröße der dielektrischen Stäbe in der Richtung der Plasmabeschleunigung. Die vorgegebene Ausführungsform der Einrichtungen zur Ausführung des Verfahrens ermöglicht, dass der Wirkungsgrad des Plasmabeschleunigungsprozesses weiter gesteigert wird.
Zweckmäßigerweise werden während des Plasmabeschleunigungsprozesses die dielektrischen Stäbe zu der Entladekanalmittellinie hin bewegt, bis die Stäbe in einer festgelegten Position bezüglich der Oberflächen der Elektroden stehen. Die vorgegebene Ausführungsform der Einrichtungen zur Ausführung des Verfahrens ermöglicht einen kontinuierlichen Plasmabeschleunigungsprozess ohne Austausch der dielektrischen Stäbe.
Zweckmäßigerweise wird die Plasmabeschleunigung in einem Entladekanal ausgeführt, wobei die Oberflächen der dielektrischen Stäbe bezüglich der Entladekanalmittellinie abgeschrägt sind. Der Abstand b_min zwischen den gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Stäbe auf der Seite des Isolators und der Abstand b_max zwischen den gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Stäbe auf der Seite eines offenen Endes des Entladekanals muss der Bedingung genügen b_max/b_min ≥ 1,2.
Die beschriebene Ausführungsform der Vorrichtung ermöglicht eine Stabilisierung des Plasmabeschleunigungsprozesses über der Zeit. Experimentell wurde festgestellt, dass während der Funktion des beanspruchten Beschleunigers mit gepulstem Plasma der Maximalverbrauch der Arbeitssubstanz (dielektrische Stäbe) nicht in dem Mittelabschnitt des Entladekanals, wie es normalerweise bei dem bekannten gattungsgemäßen Beschleuniger mit gepulstem Plasma der Fall ist, sondern angrenzend an den Auslassabschnitt des Entladekanals auftrat. Der Prozess führt zu einem allmählichen „Herumdrehen" der Arbeitsflächen der dielektrischen Stäbe. Der Prozess ist ausreichend verlängert und erfordert Entladungen in der Größenordnung von 10⁵ des Energieakkumulators. Charakteristika des Beschleunigers mit gepulstem Plasma ändern sich (zu einem Anstieg hin) während des obigen Prozesses. Die vorstehende Version der Ausführungsform der dielektrischen Stäbe zielt auf eine Reduzierung der Zeit des Einlaufs des Kanals des Beschleunigers mit gepulstem Plasma und auf eine Stabilisierung der Charakteristika des Plasmabeschleunigungsarbeitsprozesses beginnend mit dem ersten Start des Beschleunigers.
In dem Entladekanal wird vorzugsweise Plasma beschleunigt, wobei die Teile der Elektroden, die hinter den dielektrischen Stäben in der Richtung der Plasmabeschleunigung angeordnet sind, mit einem Winkel α bezüglich der Entladekanalmittellinie angeordnet sind. Der Winkel α wird nach der Bedingung ausgewählt 10° ≤ α ≤ 40°. Bei den vorstehenden Bedingungen wird der Wirkungsgrad des Plasmabeschleunigungsprozesses weiter verbessert.
Zweckmäßigerweise wird der Plasmabeschleunigungsprozess auch in dem Entladekanal vorgesehen, wo die Teile der Elektroden, die hinter den dielektrischen Stäben in der Richtung der Plasmabeschleunigung angeordnet sind, sich fortlaufend verengend in der Richtung der Plasmabeschleunigung ausgeführt sind. Die maximale Breite d_max und die minimale Breite d_min der Elektroden werden entsprechend der Bedingung ausgewählt d_max/d_min ≤ 2. In diesem Fall wird die Induktivität des Entladekanals erhöht, was eine vorteilhafte Wirkung auf die Koordinierung der Parameter des elektrischen äußeren und inneren Kreises ergibt. Wie sich durch Versuche zeigt, wird der Wirkungsgrad des Plasmabeschleunigungsprozesses bei Verwendung der sich kontinuierlich verengenden Elektroden im Vergleich zu Rechteckselektroden weiter um 10 bis 12% erhöht.
Zweckmäßigerweise wird die Plasmabeschleunigung in einem Entladekanal bereitgestellt, der von einem Isolator gebildet wird, der mit einem Schlitz versehen ist, der an der Entladekanalseite angeordnet ist. Eine solche Ausgestaltung des Beschleunigers mit gepulstem Plasma, der als Einrichtung zur Verwirklichung des Plasmabeschleunigungsverfahrens eingesetzt wird, ermöglicht eine Steigerung der Gleichförmigkeit der Verdampfung der Arbeitssubstanz von den Oberflächen der dielektrischen Stäbe über der Zeit und dementsprechend wird der Wirkungsgrad des Plasmabeschleunigungsprozesses weiter gesteigert.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Plasmabeschleunigung in dem Entladekanal, wobei die Länge und Breite einer der Elektroden, die als Anode dient, diejenigen der anderen Elektroden, die als Kathode dient, überschreitet. Die aufgeführte Ausgestaltungsversion ermöglicht eine Minimierung der Erosion der Anodenränder und als Folge ein Unterbinden ihrer Zerstörung bei minimalen Größen und Gewicht der Elektroden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Gruppe der Erfindungen wird durch Beschreiben spezifischer Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht.
1 zeigt eine Seitenansicht des Beschleunigers mit gepulstem Plasma nach der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen abgestuften Abschnitt in den Ebenen A-A des in 1 gezeigten Beschleunigers mit gepulstem Plasma.
3 zeigt eine schematische Schnittansicht des Entladekanals der Ausführungsform des Beschleunigers mit gepulstem Plasma, wobei dielektrische Stäbe verwendet werden, die mit Schlitzen versehen sind, welche in dem Bereich des Kontakts mit dem Isolator angeordnet sind, der die Elektroden trennt.
4 zeigt schematisch einen Querschnitt in der Ebene B-B des Entladekanals des in 3 gezeigten Beschleunigers mit gepulstem Plasma.
5 zeigt eine schematische Schnittansicht von dielektrischen Stäben, die mit Längsvorsprüngen versehen sind, die den Elektroden des Beschleunigers mit gepulstem Plasma zugewandt sind.
6 zeigt eine schematische Schnittansicht des Entladekanals des Beschleunigers, wobei die dielektrischen Stäbe mit Längsvorsprüngen nach der Version der in 5 gezeigten Ausführungsform angeordnet sind.
7 ist eine graphische Darstellung der Abhängigkeit einer Änderung des Entladestroms I gemessen in kA während der Zeit T des Stromimpuls gemessen in μs für einen Prototypbeschleuniger mit gepulstem Plasma.
8 ist eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Änderung des Entladestroms I gemessen in kA während der Zeit T eines Stromimpuls gemessen in μs für den Beschleuniger mit gepulstem Plasma nach der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine graphische Darstellung der Abhängigkeiten einer Änderung des Entladestroms I gemessen in kA während der Zeit T eines Stromimpulses gemessen in μs für verschiedene C-und-L-Parameterverhältnisse von elektrischen Außenkreisen des Beschleunigers mit gepulstem Plasma.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Die folgende Beschreibung ist ein Beispiel der auf den Aufbau des Beschleunigers mit gepulstem Plasma bezogenen Ausführungsform, die nach der Erfindung ausgeführt ist, sowie eines Verfahrens zur Plasmabeschleunigung, das mithilfe des Beschleunigers mit gepulstem Plasma verwirklicht ist. Der in 1 bis 6 gezeigte Beschleuniger mit gepulstem Plasma hat zwei Elektroden 1 in Form von Platten, wobei eine der Platten als Anode und die andere als Kathode dient. Zwischen den Elektroden sind zwei dielektrische Stäbe 2 aus Ablationswerkstoff angeordnet. Im vorliegenden Fall ist ein Ablationswerkstoff ein Fluorkunststoff. Die Länge der Elektroden 1 ist größer als der Querschnitt der dielektrischen Stäbe 2 in Richtung der Plasmabeschleunigung.
Von Oberflächen der Elektroden 1 und der dielektrischen Stäbe 2 werden Wände eines Entladekanals für den Beschleuniger mit gepulstem Plasma begrenzt. Ein Endteil des Entladekanals ist offen gestaltet, während am gegenüberliegenden Endteil des Kanals zwischen den Elektroden 1 ein Endisolator 3 angeordnet ist. Als Material für den Isolator werden feuerfeste Keramiken, wie AL₂O₃ verwendet. Der Isolator 3 ist mit einem Schlitz versehen, der einem Beschleunigungskanal zugewandt ist.
Bei dem diskutierten Ausführungsbeispiel wird der Schlitz des Isolators 3 von dielektrischen Platten gebildet, die miteinander so verbunden sind, dass die Oberfläche eines Plattensubstrats als eine Endwand des Schlitzes in dem Isolator dient, während die abgeschrägten Ränder der beiden anderen Platten als Seitenwände für diesen Schlitz dienen.
Der Beschleuniger hat auch eine Vorrichtung 4 zum Einleiten der Entladung, zu der zwei Elektroden 5 aus Kupferdraht gehören. Die Elektroden 5 sind voneinander und von der Elektrode 1 durch eine Schicht aus isolierender feuerfester Keramik getrennt. Die Vorrichtung 4 ist in die Elektrode 1 eingebaut und die Kupferdrahtelektroden 5 der Vorrichtung 4 weisen nach innen zu dem Hohlraum des Entladekanals des Beschleunigers.
Die hinter den dielektrischen Stäben 2 in Richtung der Plasmabeschleunigung angeordneten Teile der Elektroden 1 sind in einem Winkel α = 15° bezüglich der Mittellinie des Entladekanals angeordnet. Der Wert des Winkels α wird nach der Bedingung ausgewählt 10° ≤ α ≤ 40°. Bei der vorstehenden Ausgestaltung der Elektroden beträgt die Entfernung zwischen den Elektroden in dem Bereich des Entladekanals, wo die dielektrischen Stäbe 2 angeordnet sind, 45 mm und am Entladekanalrand 60 mm.
Der Teil der Elektroden, der hinter den dielektrischen Stäben 2 in Richtung der Plasmabeschleunigung angeordnet ist, verengen sich ebenfalls in dieser Richtung. Die maximale Breite d_max und die minimale Breite d_min der Elektroden werden nach der Bedingung ausgewählt d_max/d_min ≥ 2. Bei der Version der erörterten Ausführungsform liegt das angegebene Verhältnis (d_max/d_min) bei 7.
Die Größen einer der Elektroden 1, die als Anode dient, überschreitet die der anderen Elektrode, die als Kathode dient (siehe 1 und 2). Bei der angegebenen Version der Ausgestaltung überschreiten die Größen der Anode (die Länge und Breite der Anode) die jeweiligen Größen der Kathode um 10 mm. Bei den angegebenen Bedingungen wird eine gleichmäßige Stromverteilung (eine gleichmäßige Stromdichte an der Oberfläche der Elektroden) bei minimalen Größen und minimalem Gewicht des Beschleunigers mit gepulstem Plasma bereitgestellt.
Die Oberflächen der dielektrischen Stäbe 2, die dem Entladekanal zugewandt sind, sind bezüglich der Mittellinie des Entladekanals abgeschrägt ausgeführt. Der Abstand b_min zwischen den gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Stäbe auf der Seite des Endisolators 3 und der Abstand b_max zwischen den gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Stäbe 2 auf der Seite des offenen Endes des Entladekanals werden nach der Bedingung ausgewählt b_max/b_min ≥ 1,2. Bei der Version der diskutierten Ausführungsform beträgt b_max/b_min = 2.
Die dielektrischen Stäbe 2 sind für eine Bewegung zur Mittellinie des Entladekanals hin angeordnet. Als Mittel zum Bewegen der dielektrischen Stäbe 2 sind Federschieber 6 verwendet. Die Arbeitsflächen der dielektrischen Stäbe 2 werden in geeigneter Position mithilfe eines speziellen Halters 7 gehalten, der als Vorsprung an der Oberfläche der Elektrode 1 ausgebildet ist, die als Kathode dient.
Zum Ausrichten der dielektrischen Stäbe 2 auf der Bewegungsbahn und zum Erleichtern der gleichförmigen Ablation des Dielektrikums können Aussparungen 8 auf der Seitenfläche der Stäbe 2 (siehe 3 und 4) ausgeführt werden. In diesem Fall ist der zwischen den Elektroden 1 angeordnete Isolator 3 mit entsprechend gestalteten Vorsprüngen 9 versehen, die den dielektrischen Stäben 2 zugewandt sind. In der Version der in 5 und 6 gezeigten Ausführungsform ist jeder der dielektrischen Stäbe 2 mit Längsvorsprüngen 10 versehen, die den Elektroden 1 zugewandt sind. In 6 zeigen Pfeile die Richtung der Vorwärtsbewegung der dielektrischen Stäbe 2 während des Betriebs des Beschleunigers mit gepulstem Plasma.
In der Version der in Betracht gezogenen Ausführungsform wird ein Längsvorsprung 10 an einer Seite des dielektrischen Stabs 2 ausgebildet, die der Elektrode 1 zugewandt ist, während zwei Vorsprünge 10 auf der gegenüberliegenden Seite ausgebildet werden. Diese Ausgestaltung stellt einerseits eine stabile Position für den dielektrischen Stab 2 und andererseits eine minimale Kontaktoberfläche mit der Elektrode 1 bereit, um einen ineffektiven Verbrauch der Arbeitssubstanz zu verringern.
Der Plasmabeschleuniger hat einen kapazitiven Energieakkumulator 11 mit vier Kondensatoren 12, von denen in 1 zwei gezeigt sind. Der Energieakkumulator ist baulich mit dem Isolator 3 und dementsprechend mit den Elektroden 1 mithilfe von Halteelementen 13 verbunden, die als Sockelverbindungsstücke ausgebildet sind.
Der Plasmabeschleuniger hat auch Stromzuführungen 14 und 15, die aus Kupferblech hergestellt sind, das wenigstens 0,3 mm dick ist. Ein Endteil der Stromzuführungen 14 und 15 ist mit elektrischen Leitern 16 des Kondensators 12 verbunden, während der andere Endteil mit der diesbezüglichen Elektrode verbunden ist, nämlich eine der Elektroden 1 des Plasmabeschleunigers. Die Leitungen 16 des Kondensators sind mit den Stromzuführungen 14 und 15 mithilfe von Gewindeverbindungen verbunden. Um den elektrischen Kontakt zu verbessern, können die Gewindeverbindungsstücke verschweißt werden.
Die Stromzuführungen 14 und 15 bilden in Verbindung mit den Elektroden 1 und dem Energieakkumulator 11 den elektrischen Außenkreis des Plasmabeschleunigers. Um die Induktivität L des elektrischen Außenkreises zu verringern, sind die Stromzuführungen mit einem minimalen Spalt zwischen ihnen angeordnet. Die erforderliche Durchschlagfestigkeit in dem Spalt zwischen den Stromzuführungen 14 und 15 wird dadurch vorgesehen, dass in dem obigen Spalt eine 0,5 mm dicke dielektrische Fluorkunststoffschicht (Film) 17 angeordnet wird. Diese Ausgestaltung einer Verbindungseinheit zum Verbinden des Energieakkumulators 11 mit den Elektroden 1 ist bedingt durch die Notwendigkeit eines Minimalwerts der Induktivität L des elektrischen Außenkreises (L ≤ 100 nH).
Den Elektroden 5 der Vorrichtung zum Einleiten der Entladungsleistung wird durch eine Leistungszuführeinheit 18 der Vorrichtung 4 für das Einleiten der elektrischen Entladung Leistung zugeführt.
Die Eigenschaften des elektrischen Außenkreises des Plasmabeschleunigers werden im Hinblick darauf ausgewählt, dass der Wirkungsgrad des gegebenen Beschleunigers mit gepulstem Plasma wesentlich größer als bei der Prototypvorrichtung ist, nämlich 2 ≤ C/L ≤ 5,wenn C die elektrische Kapazität des elektrischen Außenkreises in μF und L die Induktivität des elektrischen Außenkreises in nH ist, wobei der Wert der Induktivität unter der Bedingung von L ≤ 100 nH ausgewählt wird.
Zu erwähnen ist, dass die Kapazität des elektrischen Außenkreises in den Zwischenbereich der Kondensatoren 12 des Energieakkumulators 11 konzentriert ist.
Parameter des elektrischen Außenkreises, die den maximalen Wirkungsgrad des Plasmabeschleunigungsprozesses in dem Entladekanal des Plasmabeschleunigers bilden, werden nach der folgenden zusätzlichen Bedingung ausgewählt, nämlich L = 20 bis 100 nH.
Die Optimalwerte von Induktivität und Kapazität des elektrischen Aussenkreises für die Ausgestaltung des in Frage stehenden Plasmabeschleunigers sind: L beträgt etwa 50 nH; C beträgt etwa 150 μF.
Der Betrieb des Plasmabeschleunigers und demzufolge das Plasmabeschleunigungsverfahren werden wie folgt ausgeführt.
Nach dem Starten des Beschleunigers mit gepulstem Plasma wird in dem Entladekanal des Beschleunigers eine Entladung gezündet. In der Stromzuführungseinheit 14 der Vorrichtung zum Einleiten der Entladung wird ein enger Hochspannungsimpuls von etwa 1 μs erzeugt und den Elektroden 5 der Vorrichtung 4 zum Einleiten des Entladens zugeführt. Als Folge des elektrischen Hochspannungsdurchschlags über der Oberfläche des Dielektrikums wird ein leitendes Plasmakoagulat erzeugt, um die Elektroden 1 während der Bewegung des Koagulats in dem Entladekanal kurzzuschließen.
Nach Zünden der anfänglichen Entladung tritt ein elektrischer Durchschlag in einem Hauptspalt von Elektrode zu Elektrode zwischen den Elektroden 1 auf, an die die Spannung vorherrschend aus den Kondensatoren 12 des Energieakkumulators 11 über die Stromzufüh rungen 14 und 15 angelegt worden ist. Die Stromzuführungen 14 und 15 sind mithilfe einer Fluorkunststoffschicht 17 elektrisch isoliert, die zwischen den Stromzuführungen angeordnet ist.
Die Größe der Entladespannung U wird in dem Bereich von 1000 V bis 2000 V ausgewählt. Die Spannungsimpulse werden durch das äußere elektrische Feld gefördert, das von dem Energieakkumulator 11 und den Stromzuführungen 14 und 15 gebildet wird.
Das Plasmabeschleunigungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die quasi-nichtperiodischen Pulsentladungen in dem Entladekanal des Plasmabeschleunigers bei einer Größe der Entladespannung U von wenigstens 1000 V bei Eigenschaften des elektrischen Außenkreises des Beschleunigers erzeugt und aufrecht erhalten werden, die der Bedingung 2L ≤ C/L ≤ 5 genügt, wenn C die elektrische Kapazität des elektrischen Außenkreises in μF und L die Induktivität des elektrischen Außenkreises in nF ist, wobei der Wert der Induktivität nach der Bedingung ausgewählt wird L ≤ 100 nH.
Die geforderte Induktivität des elektrischen Außenkreises in dem funktionsmäßigen Beschleuniger mit gepulstem Plasma wird dadurch bereitgestellt, dass die Elektroden 1 unmittelbar mit den Stromzuführungen 14 und 15 verbunden werden, die gut entwickelte Oberflächen (große Fläche) haben, vorausgesetzt, dass die Länge der Stromzuführungen und die Entfernung zwischen den Stromzuführungen und den Elektroden minimal sind.
Bei dem Beispiel der in Betracht gezogenen Ausgestaltung wurden die optimalsten Eigenschaften L und C des elektrischen Außenkreises bezüglich des Erreichens eines maximalen Plasmabeschleunigungswirkungsgrades nach den folgenden Grenzbedingungen ausgewählt, wobei der Induktivitätswert L des elektrischen Außenkreises im Bereich von 20 bis 100 nH gewählt wird.
Ausgehend von den vorstehend beobachteten Bedingungen wurde die beste Koordination für die Parameter des elektrischen Außen- und Innenkreises zur Herbeiführung eines technischen Ergebnisses angegeben, das insgesamt durch eine Steigerung des Plasmabeschleunigungswirkungsgrades und durch eine Verringerung der ineffektiven Verluste an Arbeitssubstanz und Leistung ausgedrückt wurde.
Unter der Wirkung von Emission und Konvektion wird aus dem Bereich der elektrischen Entladung die Arbeitssubstanz von den Arbeitsoberflächen der dielektrischen Stäbe 2 verdampft (unterliegt der Ablation). Die Arbeitssubstanz ist teilweise in dem Entladungskanal des Plas mabeschleunigers ionisiert, worauf die Beschleunigung des sich ergebenden Plasmakoagulats durch die elektromagnetischen und gasdynamischen Kräfte folgt. Aus dem Entladekanal des Plasmabeschleunigers ausströmendes Plasma erzeugt einen reaktiven Vortrieb.
Die Ausgestaltung des endseitigen Keramikisolators 3 mit einem Schlitz auf der Seite des Entladekanals ermöglicht die Bereitstellung eines optimalen Plasmaflusses in dem anfänglichen Entladestadium, das Vermeiden einer Abscheidung von Kohlenstoff an den dielektrischen Stäben und schließlich eine Steigerung der Lebensdauer des Plasmabeschleunigers.
Um die elektromagnetische Wirkung während der Beschleunigung in dem Entladekanal des Plasmakoagulats, das als Stromlichtbogen zwischen den Elektroden 1 dient, am besten zu nutzen, werden Elektroden benutzt, deren Länge die Querschnittsgröße der dielektrischen Stäbe 2 in Richtung der Plasmabeschleunigung überschreitet, wobei die Elektroden in Form von Platten ausgeführt sind.
Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Entladepunkts über der Oberfläche einer der Elektroden 1, die als Anode dient, überschreitet um etwa 30% die Bewegungsgeschwindigkeit eines Entladepunkts über der Oberfläche der anderen als Kathode dienenden Elektrode. Gleichzeitig ist die Plasmakonzentration in der Nähe der dielektrischen Stäbe nahe an der Oberfläche der Elektrode, die als Anode dient, etwa doppelt so groß wie die in der Nähe der Oberfläche der als Kathode dienenden Elektrode. Die Verwendung von Elektroden 1 mit den Größen (Breite und Länge) einer der als Anode dienenden Elektrode, die sich von denen der anderen als Kathode dienenden Elektrode um 10 mm unterscheidet, ermöglicht eine beträchtliche Steigerung der Gleichförmigkeit der Stromdichte über der Oberfläche der Elektroden. Als Folge dieser Ausgestaltung wird die Leistungszuverlässigkeit des Beschleunigers mit gepulstem Plasma bei minimalen Größen und Gewicht der Elektroden dadurch gesteigert, dass Betriebsweisen des Plasmabeschleunigers ausgeschlossen werden, bei denen der Entladepunkt lokal gehalten wird.
Wenn die dielektrischen Stäbe 2 in dem Ablationsprozess ihrer Arbeitsoberflächen verbrauchen, werden die Stäbe automatisch zu der Mittellinie des Entladekanals mithilfe der Federdrücker 6 hin bewegt. Die dielektrischen Stäbe sind bezüglich der Elektroden 1 in einer richtigen Position mithilfe der Halter 7 fixiert.
Beim Verdampfen des Materials der dielektrischen Stäbe 2 wird die abgeschrägte Form ihrer Oberflächen bezüglich ihrer Mittellinie des Entladekanals beibehalten. Der Abstand b_min zwischen den gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Stäbe auf der Seite des Isolators und der Abstand b_max zwischen den gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Stäbe auf der Seite des offenen Endes des Entladekanals genügen der Bedingung b_max/b_min ≥ 1,2.
Die vorstehende Ausgestaltung der dielektrischen Stäbe 2 ermöglicht eine Stabilisierung des Plasmabeschleunigungsprozesses über der Zeit, indem dem Entladekanal vorbereitend die Form gegeben wird, die nahe an der optimalen Ausgestaltung liegt.
Die Ausgestaltung des endseitigen Keramikisolators 3, der zwischen den Elektroden 1 angeordnet und mit den Vorsprüngen 9 (siehe 3 und 4) versehen ist, die den dielektrischen Stäben 2 zugewandt sind, und die Ausgestaltung der dielektrischen Stäbe 2, die mit Aussparungen 8 versehen sind, die so gestaltet sind, dass sie der Form der Vorsprünge 8 entsprechen, ermöglichen es, dass die Abscheidung von Kohlenstoff auf der Oberfläche des vorderen Endes der dielektrischen Stäbe 2 vermieden wird. Man weiß, dass Kohlenstoff als Komponente einer Zusammensetzung der Arbeitssubstanz Fluorkunststoff verdampft, was von der Abscheidung auf den Arbeitsoberflächen der Stäbe in dem Anfangsbetriebsmodus des Beschleunigers begleitet wird. Dieses Phänomen verhindert die Ausbildung eines optimalen Verbrauchsmodus der Arbeitssubstanz aufgrund der ungleichförmigen Ablation der Oberflächen der Stäbe 2.
Die Ausgestaltung der dielektrischen Stäbe, die Längsvorsprünge 10 (siehe 5 und 6) verwenden, die den Elektroden zugewandt sind, erlaubt es, dass der Hauptteil des relativ kalten Stabs 2 von den heißen Elektroden getrennt ist. Dies führt zu einem reduzierten Einfluss des so genannten „Verdampfungnacheffekts" der dielektrischen Stäbe 2. Der vorstehende Effekt ergibt sich aufgrund der Verdampfung von Fluorkunststoff von der Oberfläche des überhitzten Stabs während der gepulsten Entladeintervalle. In diesem Fall ist der Wirkungsgrad des Plasmabeschleunigungsprozesses erheblich reduziert, da ein beträchtlicher Teil der Arbeitssubstanz während der Spannungspulsintervalle nur durch einen gasdynamischen Druck beschleunigt wird.
Die Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen haben gezeigt, dass bei Hinzukommen eines Spalts zwischen den Stäben 2 und den heißen Elektroden 1 der Verbrauch der Arbeitssubstanz um 15 bis 25% abhängig von der Energie reduziert werden kann, die an einer Entladung anliegt, während der Plasmabeschleunigungswirkungsgrad entsprechend gesteigert werden kann.
Der Einsatz der Elektroden 1, bei denen der Teil auf der Seite des Auslassendes des Entladekanals sich fortlaufend verengend in der Richtung der Plasmabeschleunigung ausgebildet ist, ermöglicht eine Steigerung der linearen Induktivität des Entladekanals und eine Verbes serung des Plasmabeschieunigungswirkungsgrads um 10 bis 12% verglichen mit in der Draufsicht rechteckigen Elektroden aufgrund der verbesserten Koordinierung der Parameter des elektrischen Außen- und Innenkreises. Zu erwähnen ist, dass eine Erhöhung der Induktivität des elektrischen Innenkreises im Vergleich zu einer Verringerung der Induktivität des elektrischen Außenkreises wirksamer ist, die zur Koordinierung der Parameter des elektrischen Innen- und Außenkreises ausgeführt wird.
Eine zusätzliche Steigerung der linearen Induktivität des Entladekanals und dementsprechend eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Plasmabeschleunigung wurde bei der Verwendung der Elektroden 1 gezeigt, deren Auslassteile, die hinter den dielektrischen Stäben 2 in der Richtung der Plasmabeschleunigung angeordnet sind, mit einem Winkel α bezüglich der Mittellinie des Kanals positioniert werden. Der optimale Wert für den Winkel α wird nach der Bedingung gewählt 10° ≤ α ≤ 40°.
Eine Steigerung des Anteils der Arbeitssubstanz, die von der elektromagnetischen Kraft beschleunigt wird, wird bei der Gesamtreduktion im Verbrauch der Arbeitssubstanz wird insgesamt vorgesehen, da die Charakteristika des elektrischen Außenkreises auf der Basis der Bedingung 2 ≤ C/L ≤ 5 ausgewählt werden, wobei C die elektrische Kapazität des elektrischen Außenkreises in μF und L die Induktivität des elektrischen Außenkreises in nH ist, und der Wert der Induktivität nach der Bedingung L ≤ 100 nH bei der Entladespannung U von wenigstens 1000 V ausgewählt wird.
Bei den vorstehenden Bedingungen werden quasi-nichtperiodisch gepulste Entladungen erzeugt und in dem Entladekanal des Beschleunigers mit gepulstem Plasma in Folge der Annäherung der Impedanzwerte des elektrischen Außen- und Innenkreises aufrechterhalten. Das gezeigte Ergebnis ermöglicht es, dass der Plasmabeschleunigungswirkungsgrad durch eine vorteilhaftere Verwendung der Arbeitssubstanz und durch reduzierte ineffektive Energieverluste in dem elektrischen Außenkreis, hauptsächlich in dem Energieakkumulator, wesentlich gesteigert wird. Die reduzierte Erwärmung des Energieakkumulators aufgrund der verringerten Energieverluste ermöglicht eine Steigerung der Leistungsparameter und der Lebensdauer des Beschleunigers.
Der Wirkungsgrad der Plasmabeschleunigung in dem Beschleuniger mit gepulstem Plasma (der Vortriebswirkungsgrad eines Beschleunigertriebwerks) bei Einsatz des Beschleunigers mit gepulstem Plasma und des Plasmabeschleunigungsverfahrens, welche die Realisierung der vorstehenden Bedingungen bei der Entladeenergie im Bereich von 20 bis 150 J ermöglichen, kann bis zu 12 bis 35% verglichen mit dem Wirkungsgrad von 6 bis 16% gesteigert werden, der für die bekannten gattungsgemäßen Beschleuniger und Plasmabeschleunigungsverfahren typisch ist.
Das Erreichen des vorstehenden technischen Ergebnisses bei Verwendung der Erfindung wird durch die erhaltenen Versuchsdaten (siehe 7 bis 9) gestützt.
In 7 und 8 sind Kurven von Variationen im Entladestrom I (kA) während der Strompulszeit T (μs) bei der Energie W von 100 J gezeigt, die in dem Energieakkumulator 8 gespeichert ist, wobei die Kurven während des Betriebs eines Prototyps eines Beschleunigers mit gepulstem Plasma (7) und des beanspruchten Beschleunigers mit gepulstem Plasma (8) erhalten werden.
Aus den dargestellten graphischen Abhängigkeiten folgt, dass in dem ersten Fall (siehe 7) die Kurve des Entladestroms I eine gedämpfte Sinusform mit vier Halbperioden hat, während sich die maximale Stromamplitude 60 kA annähert und die erste Halbperiodenzeit etwa 3 μs beträgt.
In dem zweiten Fall (siehe 8) dämpfen Vibrationen des Entladestroms 1 während einer Halbperiode der Schwingung. Die Analyse des Prozesses hat gezeigt, dass nach dem ersten Entladen des Akkumulators in ihm weniger als 15% gespeicherter Energie zurückbleiben. Die in dem Akkumulator zurückbleibende Energiemenge reicht nicht aus, für den zweiten Durchschlag des Entladespalts während der gepulsten Entladung des Akkumulators zu sorgen. Die maximale Amplitude des Stroms während der ersten Halbperiode beträgt etwa 43 kA und die Zeit der ersten Halbperiode liegt bei etwa 10 μs.
Die in 9 angegebenen Untersuchungsergebnisse sind Oszillogramme des Entladestroms I des Beschleunigers mit gepulstem Plasma. Der Beschleuniger mit gepulstem Plasma wurde dazu verwendet, das beanspruchte Plasmabschleungigungsverfahren zu verwirklichen. Die in dem Energieakkumulator gespeicherte Energiemenge betrug 20 J. Es wurden Untersuchungen für verschiedene C- und L-Parameterverhältnisse des elektrischen Außenkreises des Beschleunigers mit gepulstem Plasma ausgeführt. Es wurden an drei Versionen der Außenkreise für den Beschleuniger mit gepulstem Plasma Untersuchungen ausgeführt, bei denen der elektrische Kreis zwei Kondensatoren (die nicht Teil der Erfindung sind) oder drei oder vier Kondensatoren hat. Die in 9 gezeigten Kurven 2C, 3C und 4C entsprechen den vorstehenden Versionen des elektrischen Außenkreises.
Das C- und L-Parameterverhältnis ändert sich entsprechend dem Kapazitätswert des Energieakkumlators für jede der vorstehenden Variationen des elektrischen Außenkreises.
Das C/L-Parameterverhältnis für die Kurve 2C hat den Wert 1, für die Kurve 3C den Wert 2,6 und für die Kurve 4C den Wert 3,7. Der Plasmabeschleunigungswirkungsgrad (der Vortriebswirkungsgrad eines Beschleunigertriebwerks mit gepulstem Plasma) für die drei Versionen des elektrischen Außenkreises des Beschleunigers mit gepulstem Plasma betrug 6% (Kurve 2C), 9% (Kurve 3C) bzw. 11% (Kurve 4C).
Auf der Basis von Untersuchungen wurde festgestellt, dass sich eine beträchtliche Steigerung des Plasmabeschleunigungswirkungsgrads in dem Fall ergibt, in welchem die allgemeinen Bedingungen für die Wahl der Charakteristika des Außenkreises des Beschleunigers mit gepulstem Plasma wie folgt lauten: 2 ≤ CL ≤ 5, wenn C die elektrische Kapazität des elektrischen Außenkreises in μF und L die Induktivität des elektrischen Außenkreises in nH sind, wobei der Induktivitätswert nach der Bedingung gewählt wird, L ≤ 100 nH.
Es wurden auch Eigenschaften des Beschleunigers mit gepulstem Plasma bei unterschiedlichen Werten der Energie untersucht, die in dem Akkumulator gespeichert ist. Bei einem Wert der gespeicherten Energie von W = 20 J, ist der maximale Plasmabeschleunigungswirkungsgrad 11%, bei W = 60 J beträgt er 20%, bei W = 100 J beträgt er 27% und bei W = 150 J beträgt er 33%. Es wurden Änderungen der Eigenschaften mit gepulstem Plasma mit den größeren Werten W durch Approximieren der Abhängigkeiten geschätzt, die sich aus den Versuchen im Bereich hoher Werte gespeicherter Energie in dem Akkumulator ergeben.
Die erhaltenen Daten lassen vermuten, dass der Wirkungsgrad des Plasmabeschleunigungsprozesses, der mithilfe einer Ausführungsform des beanspruchten Beschleunigers mit gepulstem Plasma erreicht und mit dem beanspruchten Verfahren ausgeführt wird, doppelt so groß wie der Vortriebswirkungsgrad der bekannten Prototypen bei gleichen Werten für die in dem Akkumulator gespeicherte Energie beträgt.

Die nachstehende Tabelle stellt die Ergebnisse von Vergleichsversuchen für Beschleuniger mit gepulstem Plasma dar, d.h. für den Prototyp und für eine Ausführungsform des beanspruchten Beschleunigers mit gepulstem Plasma, der zur Ausführung des beanspruchten Plasmabeschleunigungsverfahrens eingesetzt wird. Die Nennkapazität der Energieakkumulatoren (Kondensatorbatterien) der verglichenen Beschleuniger wurden auf den gleichen Wert W = 100 J gestellt. Tabelle

Grundeigenschaften der Beschleuniger mit gepulstem Plasma	Prototyp für den Beschleuniger mit gepulstem Plasma	Beschleuniger mit gepulstem Plasma nach der Erfindung
Einzelner Vortriebspuls Hs	2,3 × 10^-3	2,8 × 10^-3
Verbrauch an Arbeitssubstanz kg/Puls	1,9 × 10^-7	1,5 × 10^-7
Spezifischer Impuls s	1,25 × 10³	1,85 × 10³
Maximaler Plasmabeschleunigungswirkungsgrad (Vortriebswirkungsgrad eines Beschleunigertriebwerks mit gepulstem Plasma) in %	14	26

Aus den vorstehenden Versuchsdaten ergibt sich, dass, obwohl die Grundcharakteristika des Prototypbeschleunigers mit gepulstem Plasma höher sind als diejenigen der Mehrzahl bekannter gattungsgemäßer Beschleuniger, die Charakteristika viel niedriger sind als die entsprechenden Charakteristika des beanspruchten Beschleunigers mit gepulstem Plasma.
Der beanspruchte Beschleuniger mit gepulstem Plasma und das Plasmabeschleunigungsverfahren sorgen für einen höheren Plasmabeschleunigungswirkungsgrad, weil ein größerer Teil an Arbeitssubstanz in dem elektromagnetischen Beschleunigungsprozess verglichen mit den bekannten gattungsgemäßen Prozessen eingeschlossen ist, was zur Folge hat, dass der ineffektive Verbrauch an Arbeitssubstanz beseitigt und Energieverluste in dem elektrischen Außenkreis verringert werden. Das Erreichen des vorstehenden technischen Ergebnisses ermöglicht eine beträchtliche Ausweitung des Anwendungsfeldes des Beschleunigers mit gepulstem Plasma, dessen Leistungszuverlässigkeit unter den Bedingungen strikter Begrenzungen hinsichtlich Gewicht und Größeneigenschaften gesteigert und dessen Betriebskosten reduziert werden.
Gewerbliche Verwertbarkeit der Erfindung
Der Beschleuniger mit gepulstem Plasma und das Plasmabeschleunigungsverfahren, das mit dem Beschleuniger mit gepulstem Plasma verwirklicht wird, können in verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt werden. Der Beschleuniger mit gepulstem Plasma und das Plasmabeschleunigungsverfahren werden hauptsächlich in der elektrischen Triebwerksausrüstung für Raumfahrzeuge verwendet. Zusätzlich dazu kann der Beschleuniger mit gepuls tem Plasma dazu verwendet werden, im Weltraum verschiedene Versuche auszuführen, die die Erzeugung von Plasmahochgeschwindigkeitsströmen erfordern.
Außerdem kann die Erfindung eine breite Anwendung in Oberflächenbehandlungsprozessen, Abscheidungsprozessen sowie bei der Herstellung von neuen Verbundmaterialien finden. Eine weitere wichtige Tendenz für die Anwendung der Erfindung ist die Ausführung von landgestützten experimentellen Untersuchungen und das Prüfen der neuesten Geräteproben durch Simulieren der Auswirkungen von Hochgeschwindigkeitsplasmaströmen auf die zu untersuchenden Objekte.
Obwohl das vorstehende Beispiel die bevorzugte Ausführungsform ist, umfasst die Erfindung alle Ausführungsformen, die in den Rahmen der beiliegenden Ansprüche fallen, die mithilfe der Ausrüstung und Verfahren verwirklicht werden können, die dem Fachmann bekannt sind.

Claims

Beschleuniger mit gepulstem Plasma, welcher – zwei Elektroden (1), – dielektrische Stäbe (2), die zwischen den Elektroden angeordnet sind und aus einem Ablationswerkstoff bestehen, – einen Entladekanal mit einem offenen Endteil, wobei die Entladekanalwände von den Oberflächen der Elektroden (1) und der dielektrischen Stäbe (2) gebildet werden, – einen Energieakkumulator (11), – Stromzuführungen (14, 15) zum Verbinden der Elektroden (1) mit dem Energieakkumulator (11), die zusammen mit den Elektroden (1) und dem Energieakkumulator (11) einen elektrischen Außenkreis bilden, – einen Isolator (3), der zwischen den Elektroden (1) an dem Endteil des Entladungskanals gegenüber dem offenen Endteil angeordnet ist, und – eine Vorrichtung (4) zum Einleiten des Entladens aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Eigenschaften des elektrischen Außenkreises des Beschleunigers nach der Bedingung gewählt werden 2 ≤ C/L ≤ 5, wenn C die elektrische Kapazität des elektrischen Außenkreises in μF und L die Induktivität des elektrischen Außenkreises in nH ist und der Wert der Bedingung L ≤ 100 nH genügt.
Beschleuniger nach Anspruch 1, bei welchem die Induktivität des elektrischen Außenkreises im Bereich von L = 20 bis 100 nH ausgewählt wird.
Beschleuniger nach Anspruch 1, bei welchem die Elektroden (1) in Form von Platten ausgeführt sind.
Beschleuniger nach Anspruch 1, bei welchem die Länge der Elektroden (1) die Querschnittsgröße der dielektrischen Stäbe (2) in Richtung der Plasmabeschleunigung überschreitet.
Beschleuniger nach Anspruch 1, bei welchem dielektrische Stäbe für eine Vorwärtsbewegung zu der Ladekanalmittellinie hin angepasst sind, wobei der Beschleuniger mit einem Halter (7) zum Halten der dielektrischen Stäbe (2) in einer richtigen Position und mit einer Einrichtung (6) zum Vorwärtsbewegen der dielektrischen Stäbe versehen ist.
Beschleuniger nach Anspruch 1, bei welchem der zwischen den Elektroden (1) angeordnete Isolator (3) mit einem Schlitz versehen ist, der einem Beschleunigungskanal zugewandt ist.
Beschleuniger nach Anspruch 1, bei welchem der zwischen den Elektroden (1) angeordnete Isolator (3) mit Vorsprüngen (9) versehen ist, die den dielektrischen Stäben (2) zugewandt sind, und die dielektrischen Stäbe (2) mit Aussparungen (8) versehen sind, die so gestaltet sind, dass sie zu der Form der Vorsprünge (9) des Isolators (3) konform sind.
Beschleuniger nach Anspruch 1, bei welchem jeder der dielektrischen Stäbe (2) mit wenigstens einem Längsvorsprung (10) versehen ist, der der Elektrode (1) zugewandt ist.
Beschleuniger nach Anspruch 1, bei welchem die Oberflächen der dielektrischen Stäbe (2), die dem Entladekanal zugewandt sind, bezüglich der Mittellinie des Entladekanals so abgeschrägt sind, dass der Abstand b_min zwischen den gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Stäbe (2) auf der Seite des Isolators (3) und der Abstand b_max zwischen den gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Stäbe (2) auf der Seite des offenen Endes des Entladekanals der Bedingung genügen: b_max/b_min ≥ 1,2.
Beschleuniger nach Anspruch 1, bei welchem die Teile der Elektroden (1), die hinter den dielektrischen Stäben (2) in der Richtung der Plasmabeschleunigung angeordnet sind, mit einem Winkel α bezüglich der Entladekanalmittellinie positioniert sind, wobei der Wert des Winkels α aus der Bedingung ausgewählt wird: 10° ≤ α ≤ 40°.
Beschleuniger nach Anspruch 1, bei welchem die Teile der Elektroden (1), die hinter den dielektrischen Stäben (2) in Richtung der Plasmabeschleunigung angeordnet sind, in dieser Richtung sich fortlaufend verengend ausgebildet sind, wobei die maximale Breite d_max und die minimale Breite d_min der Elektroden (1) entsprechend der Bedingung ausgewählt werden: d_max/d_min ≥ 2.
Beschleuniger nach Anspruch 1, bei welchem die Länge und die Breite einer der Elektroden (1), die als Anode dient, größer ist als die Länge und Breite der anderen Elektrode (1), die als Kathode dient.
Verfahren zur Plasmabeschleunigung mit den Schritten, eine Entladung im Entladekanal des Plasmabeschleunigers mit Hilfe einer Einrichtung (4) zum Einleiten des Entladens zu zünden und eine Entladespannung aus einem Energieakkumulator (11) über einen elektrischen Außenkreis an Elektroden (1) des Plasmabeschleunigers gepulst anzulegen, zwischen denen dielektrische Stäbe (2) aus einem Ablationswerkstoff angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass quasi-nichtperiodische Pulsentladungen gezündet und in dem Entladekanal bei der Entladespannung U von wenigstens 1000 V aufrechterhalten werden, und dass die Eigenschaften des elektrischen Außenkreises der Bedingung genügen: 2 ≤ C/L ≤ 5, wenn C die elektrische Kapazität des elektrischen Außenkreises in μF und L die Induktivität des elektrischen Außenkreises in nH ist, wobei der Kapazitätswert der Bedingung genügt: L ≤ 100 nH.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die quasi-nichtperiodischen Entladungen gezündet und mit der Entladespannung U = 1000 bis 2000 V aufrechterhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Induktivität L des elektrischen Außenkreises im Bereich von L = 20 bis 100 nH ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem eine Plasmabeschleunigung mit Hilfe von Elektroden (1) vorgesehen wird, die in Form von Platten ausgeführt sind.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Plasmabeschleunigung mit Hilfe von Elektroden (1) vorgesehen wird, die eine Länge haben, die die Querschnittsgröße der dielektrischen Stäbe (2) in Richtung der Plasmabeschleunigung überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem bei dem Prozess der Plasmabeschleunigung die dielektrischen Stäbe (2) zu einer Mittellinie des Entladekanals hin bewegbar sind, bis sie bezüglich der Oberfläche der Elektroden (1) festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem in dem Entladekanal eine Plasmabeschleunigung vorgesehen wird, wobei die Oberflächen der dielektrischen Stäbe (2) bezüglich der Entladekanalmittellinie so abgeschrägt sind, dass der Abstand b_min zwischen den gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Stäbe (2) auf der Seite des Isolators (3) und der Abstand b_max zwischen den gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Stäbe (2) auf der Seite des offenen Endes des Entladekanals der Bedingung genügen: b_max/b_min ≥ 1,2.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem eine Plasmabeschleunigung in dem Entladekanal vorgesehen wird, wobei die Teile der Elektroden (1), die hinter den dielektrischen Stäben (2) in Richtung der Plasmabeschleunigung angeordnet sind, mit einem Winkel α zur Entladekanalmittellinie positioniert sind, und wobei der Wert des Winkels α aus der Bedingung ausgewählt wird: 10° ≤ α ≤ 40°.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem eine Plasmabeschleunigung in dem Entladekanal vorgesehen wird, wobei die Teile der Elektroden (1), die hinter den dielektrischen Stäben (2) in Richtung der Plasmabeschleunigung angeordnet sind, sich in dieser Richtung fortlaufend verengend ausgeführt sind, wobei die maximale Breite d_max und die minimale Breite d_min der Elektroden (1) nach der Bedingung ausgewählt werden: d_max/d_min ≥ 2.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem eine Plasmabeschleunigung in dem Entladekanal vorgesehen wird, der von dem Isolator (3) begrenzt wird, wobei auf der Seite des Entladekanals ein Schlitz ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem eine Plasmabeschleunigung in dem Entladekanal vorgesehen wird, wobei die Breite und Länge einer der Elektroden (1), die als Anode dient, größer sind als diejenigen der anderen Elektrode (1), die als Kathode dient.