RO134720A2

RO134720A2 - Sursă de plasmă de radiofrecvenţă pentru aplicaţii în propulsia spaţială a sateliţilor de mici dimensiuni

Info

Publication number: RO134720A2
Application number: ROA201900419A
Authority: RO
Inventors: Maximilian Vlad Teodorescu; Gheorghe Dinescu; Cristian Stancu; Theodora Ana - Maria Andreescu; Adrian Stoicescu
Original assignee: Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Fizica Laserilor, Plasmei Şi Radiaţiei-Inflpr; Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Fizica Laserilor
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2021-01-29

Abstract

Invenţia se referă la o sursă de plasmă de dimensiuni mici, cu funcţionare la presiune joasă, utilizabilă în propulsia spaţială. Sursa de plasmă, conform invenţiei, este prevăzută cu o antenă (2) de radiofrecvenţă tip Helicon sau Nagoya III care permite generarea unei descărcări de densitate electronică mai mare, comparativ cu sursele clasice utilizate în domeniu, configuraţia de generare a plasmei fiind alcătuită dintr-un tub (1) dielectric, realizat din cuarţ sau sticlă, care are rol de cameră de descărcare, în interiorul căruia se generează şi se întreţine plasma, gazul de lucru fiind introdus pe la unul din capete, la celălalt capăt având loc evacuarea sub formă de jet de plasmă, pentru accelerarea şi confinarea jetului de plasmă, sursa utilizând o duză (4) magnetică, iar pentru a dezvolta o descărcare de densitate mare, în dreptul antenei (2) de radiofrecvenţă sunt plasaţi nişte magneţi (3) permanenţi, în două configuraţii. Prin varierea fluxului gazului de lucru şi a puterii de radiofrecvenţă aplicate se poate modifica densitatea electronilor şi ionilor plasmei şi, deci, mărimea forţei de tracţiune dezvoltate.

Description

SURSĂ DE PLASMĂ DE RADIOFRECVENȚĂ PENTRU APLICAȚII IN PROPULSIA SPAȚIALĂ A SATELIȚILOR DE MICI DIMENSIUNI

Autori:

INFLPR: Maximilian-Vlad TEODORESCU, Gheorghe DINESCU, Cristian STANCU

COMOTI: Theodora Ana-Maria ANDREESCU, Adrian STOICESCU

DESCRIEREA INVENȚIEI

Domeniul invenției

Invenția se referă la o sursă de plasmă de dimensiuni mici cu funcționare la presiune joasă utilizabilă în propulsia spațială. Sursa de plasmă este prevăzută cu o antena de radiofrecvență tip Helicon ce permite generarea, comparativ cu sursele de tip clasic utilizate deja în domeniu, a unei descărcări cu densitate electronică mai mare. Datorită designului compact, această sursă are un consum (gaz de lucru, putere aplicata) reduse. în plus, plasma generată nu ajunge în contact cu componente ce pot fi erodate în timp; astfel sursa poate funcționa un timp îndelungat.

Baza invenției

Conceptul de propulsie electrică este cunoscută de mult timp, diferite tipuri de propulsoare electrice fiind dezvoltate și testate în spațiu. Propulsia electrica poate fi utilizata fie pentru misiuni de explorare spațială, fie pentru manevre orbitale ale sateliților. De-a lungul vieții satelitului, devierea de pe orbita corectă indusa de presiunea radiației solare și de gradienți gravitaționali, trebuie corectată constant.

Principiul de baza al propulsiei electrice este de a aplica energie electrică propulsorului dintr-o sursă de energie externă, astfel încât o masa ionizată este accelerată într-un câmp electromagnetic, fiind apoi expulzată producând tracțiune propulsorului. Forțele care o pot accelera pot fi electrostatice (Coulomb) sau electromagnetice (Lorentz).

Propulsia electrică este o tehnologie care urmărește obținerea de viteze mari de evacuare, conducând la tracțiune utilizând cantități de combustibil cat mai reduse. Masa redusă a propulsorului poate diminua semnificativ masa de lansare a unei nave spațiale sau a unor sateliți, ceea ce conduce la costuri de lansare mai mici. Datorită puterii electrice limitate^t^cSinișa este mult mai slabă în comparație cu rachetele chimice; în schimb propulsia electrică oferă o forță de tracțiune de valoare mică pentru o lungă perioadă de timp. Propulsoarele electrice sunt capabile să accelereze particule la viteze mult superioare față de cele generate in propulsia chimică.

Sunt cunoscute mai multe metode de a realiza generarea unei descărcări in spații înguste în scopul de a crește densitatea electronică și tracțiunea rezultată.

Se cunoaște din patentul US 6293090 Bl un propulsor ce utilizează o undă hibrid pentru a încălzi plasma într-un câmp magnetic, generând astfel deplasarea plasmei în lungul liniilor de câmp magnetic și producând forța de propulsie. Acest sistem este compus dintr-un sistem magnetic, o antena RF ce are rolul de a lansa în plasma undele produse de generatorul RF si o sursă de alimentare de curent continuu. Undele hibride joase sunt excitate de inelele antenei din jurul plasmei. La rândul lor inelele antenei sunt montate pe un tub de cuarț sau de teflon. în exteriorul antenei este poziționat un solenoid în vederea generării câmpului magnetic axial. Principalii parametrii funcționali și performante sunt: frecvența RF 300MHz, gaz de lucru Argon, inducție magnetică 500 Gauss, densitate nominală 1 · IO¹³ cm~³, temperatura electronică 5 eV, diametrul plasmei 2 cm, puterea de alimentare 3.2 kW.

Se cunoaște din patentul US 6640535 B2 un propulsor ionic linear ce utilizează în locul grilelor de accelerare curenți electronici de tipul Hali în vederea accelerării fluxului ionic. Din punct de vedere architectural, populsorul este divizat în doua trepte: treapta de ionizare compusă dintr-un catod tubular, un anod și un câmp magnetic ce au rolul de a ioniza agentul de lucru, iar a doua treapta de acceleare formată dintr-un catod dispus în amonte, un anod dispus în aval si un câmp magnetic radial cu rol în accelerarea fluxului ionic. Operarea unui astfel de propulsor s-a do venit a avea o eficiența redusa la puteri de alimentare mai mici de 6 kW.

Se cunoaște din US 7436122 Bl un propulsor ce utilizează o combinație între o sursă de ionizare de tip helicon și un fenomen de accelerare bazat pe efect Hali.

Se cunoaște in US 8179050 B2 o sursă de plasmă RF fără electrozi imersați direct în fluxul de plasmă, fiind compus din doua trepte, o primă treaptă de ionizare bazată pe descărcări de tipul Helicon si o treaptă de accelerare. Camera de ionizare prezintă un sistem de confînare atat în avalul cat și în amontele primei trepte pentru a controla fluxul de plasmă, gradul de ionizare si distribuția spațială.

US 2016/0200458 Al Acest patent face referire la un ajutaj magnetic (avand un contur convergent/divergent) cu aplicații directe în propulsia spațială, avand rolul funcțional de a transforma energia termică a combustibilului în energie cinetică directionată.

US 2016/0207642 Al Propulsorul Ambipolar CubeSAT (CAT) este un sistem de propulsie electromagnetică fără electrozi. O antenă de radiofrecventă (RF) generează descărcări de tip inductiv sau helicon în plasmă. Pentru a dezvolta forța de propulsie, plasma este accelerata printrun ajutaj magnetic. Propulsorul CAT are o masă totală de aproximativ lkg. Plasma de argon generată este caracterizată de o temperatură electronică de 5 eV pana la 20 eV. A fost proiectat să funcționeze și la puteri mai mari de 50 W, generând o forță de tracțiune de ordinul mN.

RO 134720 A2 η

Sumarul invenției

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este generarea și menținerea unei descărcări de radiofrecvență intr-un spațiu de descărcare mic, la presiune joasă, și fără ca aceasta sa fie în contact direct cu elemente constructive degradabile în timp datorită prezenței descărcării. Prin utlizarea unor configurații de tip DBD (Descărcare cu Barieră de Dielectric), plasma generată este în contact doar cu peretele de sticlă al tubului de descărcăre, astfel eliminandu-se erodarea electrozilor și alte probleme termice ce ar rezulta din aceasta. Prin utilizarea unei antene de tip Nagoya III ori Helicon de dimensiuni mici atat consumul de gaz cat și cel electric sunt reduse față de o descărcare cu caracteristici dimensionale apropiate, funcționând fără antene. Ținând cont de aceste aspecte, sursa în ambele configurații descrise, se pretează în propulsia spațială a nanosateliților.

Prezentarea pe scurt a figurilor

Figura 1 prezintă o vedere schematică în secțiune longitudinală (A) și o vedere transversala în secțiune (B) a configurației de descărcare generatoare de plasmă, cu doi magneți permanenți inelari amplasați în dreptul capetelor antenei Helicon.

Figura 2 prezintă o vedere schematică în secțiune longitudinală (A) si o vedere transversală în secțiune (B) a configurației de descărcare generatoare de plasmă, cu patru magneți permanenți paralelipipedici amplasați paralel cu antena Nagoya III.

Figura 3 prezintă o vedere schematică tridimensională a antenei de tip Helicon.

Figura 4 prezintă o vedere schematică tridimensională a antenei de tip Nagoya III.

Figura 5 prezină doua imagini ale configurațiilor de descărcare cu antenă tip Netoya III (Stanga) si Helicon (Dreapta).

Definiția termenilor

In general termenii tehnici sau frazele care apar sunt folosiți ca atare, dar pentru o mai bună înțelegere a lor au fost selectate definiții, după cum urmează.

Plasma', se referă la un mediu gazos ionizat ce conține purtători liberi de sarcină (electroni și ioni) și particule neutre excitate (atomi, molecule, radicali). Datorită prezenței purtătorilor liberi de sarcină, plasma este puternic conductivă, prezintă un grad ridicat de interacție între constituenții săi și, în plus, răspunde la acțiunea câmpurilor electrice și magnetice.

Ajutaj magnetic, se referă la un câmp magnetic divergent sau convergent ce ghidează, expandeaza și accelerează un jet de plasmă în vid în scopul de a genera propulsie. Ajutajul magnetic convertește energia interna a plasmei în energie cinetică direcțională pe axa longitudinală a jetului de plasmă. Operarea se bazează pe interacția câmpului magnetic aplicat cu sarcinile electrice în mișcare din plasmă. xXțywA

Descărcare Helicon·. în aceste aceste descărcări se produce o excitare suplimentară a plasmei cu unde Helicon. Față de descărcările cu cuplaj inductiv, sursele de tip Helicon prezintă avantajul unui câmp magnetic direcționat de-alungul direcției de curgere a gazului. Astfel se asigură generarea unei densități electronice mai mari față de o descărcare tipică, cu un grad înalt de ionizare.

Prezentarea detaliata a invenției

Obiectul invenției îl constituie dezvoltarea unei surse de plasmă bazată pe o descărcare de radiofrecvență, în configurație cu bariera de dielectric și generare de unde Helicon, care se poate utiliza în propulsia spațială a nanosateliților.

Această sursă prezintă următoarele avantaje:

- Complexitate redusă, avantaj and astfel realizarea elementelor constructive.

- Dimensiuni fizice reduse, compatibile cu cele ale nanosateliților;

- Domeniu larg de puteri aplicate (10-100W),

- Consum mic de gaz (50-300 sccm);

- Durata de viața mare și utilizări repetate datorită lipsei de contact direct între electrozi și plasmă;

- Posibilitate de utilizare atat pentru propulsie cat și pentru orientarea pe orbită (corecții de atitudine);

Obiectivul invenției constă în:

Elaborarea unei surse de plasmă de radiofrecvență de dimensini mici cu funcționare la presiune joasă pentru aplicații in domeniul propulsiei spațiale pentru nanosateliți. Se urmărește realizarea unui surse de mici dimensiuni fizice și creșterea eficienței de ionizare prin utilizarea unei antene Helicon, diminuând astfel consumul de gaz și micșorând valoarea puterii de radiofrecvență aplicată.

Exemple:

Exemplul 1. Configurații de descărcare:

Configurațiile construite au fost realizate din tuburi de cuarț și sticlă, cu diametrul interior de 12 mm și cel exterior de 15 mm, și lungime de 60 mm. Descărcările au fost realizate la presiune joasă (3x10'⁵ mbar) utilizând ca și gaz de lucru Argonul (puritate 99.9998%). Descărcarea a fost aprinsă și întreținută în toate cazurile folosind un generator de radiofrecvență (RF), cu frecvența de funcționare de 13.56 MHz. Cuplarea puterii generatorului la descărcare s-a realizat prin intermediul unei cutii de adaptare a impedanței.

R0 134720 Α2 $

a) Prima configurație (Figura 1) este realizată dintr-un tub de sticla (1), avand ca electrod de putere o antenă de radiofrecvență helicoidala - Helicon (2). Patru magneți permanenți paralelipipedici (dimensiune 40xl0x3mm) de NdFeBr (Neodim) (3) sunt amplasați de-alungul tubului de descărcare și în jurul antenei Helicon la 90 de grade unul fața de altul. Un al cincilea magnet (4) de formă toroidală este amplasat în apropierea capătului de ieșire a gazului. Acesta are rolul de duză magnetică, adică de a confina jetul de plasmă emergent și a accelera ionii la viteze mari. Puterea de lucru folosită variază în domeniul 10-100 W, iar fluxul de argon este în domeniul 100-500 sccm. Datorită geometriei configurației, descărcarea la interiorul tubului este uniformă, iar jetul de plasmă emergent este confinat datorită duzei magnetice.

b) A doua configurație (Figura 2) are o geometrie asemănătoare cu precedenta, diferența venind de la prezența unor magneți toroidali (3) în locul celor paralelipipedici. Aceștia sunt amplasați in dreptul capetelor antenei de radiofrecvența (2). Datorită acestei configurații magnetice în locul antenei tip Helicon (Figura 3) poate fi utilizată cu succes și o antentă tip Nagoya III (Figura 4). Aceasta descărcare poate fi întreținută la valori ale puterii de radiofrecvență de 30-100W și un consum de gaz de 200-500sccm. Doua imagini ale descărcării de acest tip, cu antena Nagoya III sunt prezentate in Figura 5.

RO 134720 Α2 $

b) A doua configurație (Figura 2) are o geometrie asemănătoare cu precedenta, diferența venind de la prezența unor magneți toroidali (3) în locul celor paralelipipedici. Aceștia sunt amplasați in dreptul capetelor antenei de radiofrecvență (2). Datorită acestei configurații magnetice în locul antenei tip Helicon (Figura 3) poate fi utilizată cu succes și o antentă tip Nagoya III (Figura 4). Aceasta descărcare poate fi întreținută la valori ale puterii de radiofrecvență de 30-100W și un consum de gaz de 200-500sccm. Doua imagini ale descărcării de acest tip, cu antena Nagoya III sunt prezentate in Figura 5.

Claims

REVENDICĂRI:

Sursă de plasmă de dimensiuni mici cu funcționare la presiune joasă utilizabilă în propulsia spațială, prevăzută cu o antenă de radiofrecvență tip Helicon sau Nagoya III, cu un consum (gaz de lucru, putere aplicată) redus și geometrie care previne erodarea în timp a componentelor, prin utilizarea de electrozi exteriori și configurații de câmpuri magnetice pentru confinarea și accelerarea plasmei.