RU136234U1

RU136234U1 - ION ENGINE

Info

Publication number: RU136234U1
Application number: RU2013136530/07U
Authority: RU
Inventors: Артем Сергеевич Жиркин
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2013-12-27

Abstract

Ионный двигатель, содержащий газоразрядную камеру с катодом, корпус цилиндрической формы с установочным фланцем со стороны катода газоразрядной камеры, ионно-оптическую систему, анод, катод-нейтрализатор и заземляющий электрод, отличающийся тем, что корпус ионного двигателя состоит из двух частей, при этом часть корпуса, расположенная между установочным и монтажным фланцами, жестко соединенными между собой несущими стойками, снабжена в местах крепления газоразрядной камеры к корпусу усиленными изоляторами с чехлами, изоляторы расположены по двум поясам внутренней поверхности корпуса, один из которых расположен на уровне монтажного фланца, другая часть корпуса выполнена облегченной и соединена с монтажным фланцем поддерживающими стойками, причем несущие и поддерживающие стойки обтянуты защитными сетками.An ion engine comprising a gas discharge chamber with a cathode, a cylindrical body with a mounting flange on the side of the gas discharge chamber cathode, an ion-optical system, an anode, a cathode-neutralizer and a ground electrode, characterized in that the ion engine housing consists of two parts, while the housing, located between the mounting and mounting flanges, rigidly interconnected by the supporting racks, is equipped at the points of attachment of the gas discharge chamber to the housing with reinforced insulators with covers, insulators are located wives in two belts of the inner surface of the housing, one of which is located at the level of the mounting flange, the other part of the housing is made lightweight and connected to the mounting flange by supporting posts, and the supporting and supporting posts are covered with protective nets.

Description

Предлагаемое техническое решение касается полезной модели, как объекта промышленной собственности, и относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при разработке и изготовлении ионных двигателей (ИД).The proposed technical solution relates to a utility model, as an object of industrial property, and relates to rocket and space technology and can be used in the development and manufacture of ion engines (ID).

Известен патент на полезную модель №127511 (опубл. 27.04.2013 г., Бюл. №12) "Ионно-оптическая система ионного двигателя", в котором приведена конструкция ионного двигателя, включающего в себя корпус ИД, газорязрядную камеру (ГРК), ионно-оптическую систему (ИОС), катод ГРК, анод, катод-нейтрализатор и заземляющий электрод. Корпус ИД выполнен в форме цилиндра с одинаковой толщиной стенок и соединен с заземляющим электродом. ГРК крепится к корпусу в двух местах: через изоляторы на уровне катода ГРК и через изоляторы на уровне ИОС.Known patent for utility model No. 127511 (published on April 27, 2013, Bull. No. 12) "Ion-optical system of an ion engine", which shows the design of an ion engine, which includes an ID housing, gas discharge chamber (GRC), ion -optical system (IOS), cathode GRK, anode, cathode-converter and ground electrode. The ID housing is made in the form of a cylinder with the same wall thickness and is connected to the ground electrode. The GRK is attached to the housing in two places: through insulators at the level of the GRK cathode and through insulators at the IOS level.

Крепление ГРК к корпусу ИД с двух противоположных сторон обеспечивает определенную жесткость конструкции, но соединение корпуса ИД с заземляющим электродом, через который передаются нагрузки от ГРК на весь корпус, ведет к необходимости повышения требований к жесткости и прочности конструкции корпуса ИД, что, в свою очередь, приведет к увеличению массы ИД в целом и ухудшению вибростойкости конструкции.The mounting of the GRK to the ID housing from two opposite sides provides a certain structural rigidity, but the connection of the ID housing with the ground electrode, through which loads from the GRK to the entire housing are transferred, leads to the need to increase the stiffness and structural strength of the ID housing, which, in turn, , will lead to an increase in the mass of the ID as a whole and a deterioration in the vibration resistance of the structure.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является снижение массы ИД, повышение механической прочности конструкции с одновременным уменьшением экономических затрат.The technical problem to which the utility model is directed is to reduce the mass of the ID, increase the mechanical strength of the structure while reducing economic costs.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в ионном двигателе, содержащем газоразрядную камеру с катодом, корпус цилиндрической формы с установочным фланцем со стороны катода газоразрядной камеры, ионно-оптическую систему, анод, катод-нейтрализатор и заземляющий электрод, корпус ионного двигателя состоит из двух частей. Часть корпуса, расположенная между установочным и монтажным фланцами, жестко соединенными между собой несущими стойками, снабжена в местах крепления газоразрядной камеры к корпусу усиленными изоляторами с чехлами. Изоляторы расположены по двум поясам внутренней поверхности корпуса, причем один пояс расположен на уровне монтажного фланца. Другая часть корпуса выполнена облегченной и соединена с монтажным фланцем поддерживающими стойками. Несущие и поддерживающие стойки обтянуты защитными сетками.The solution to this problem is achieved by the fact that in an ion engine containing a gas discharge chamber with a cathode, a cylindrical body with a mounting flange on the side of the gas discharge chamber cathode, an ion-optical system, an anode, a cathode-converter and a ground electrode, the ion engine housing consists of two parts . The part of the housing located between the mounting and mounting flanges, rigidly interconnected by the supporting posts, is equipped with reinforced insulators with covers in the places where the gas-discharge chamber is attached to the housing. The insulators are located in two zones of the inner surface of the housing, with one belt located at the level of the mounting flange. The other part of the housing is made lightweight and is connected to the mounting flange by supporting posts. The supporting and supporting racks are covered with protective nets.

Часть корпуса ИД, расположенная между установочным и монтажным фланцами, выполнена жесткой, прочной и принимает на себя все механические нагрузки. Усиленные керамические изоляторы с чехлами со всех сторон обеспечивают надежное соединение ГРК с корпусом, при этом разделяют электрические потенциалы ГРК и корпуса, исключая пробой (короткое замыкание). Чехлы выполняют функцию защиты керамики от возможного напыления металлических пленок, которые возникают во время работы ИД, что может привести к пробою по керамике при отсутствии защиты.The part of the housing ID located between the mounting and mounting flanges is made rigid, strong and takes on all mechanical loads. Reinforced ceramic insulators with covers on all sides provide a reliable connection between the GRK and the housing, while sharing the electrical potentials of the GRK and the housing, eliminating breakdown (short circuit). Covers perform the function of protecting ceramics from the possible deposition of metal films that occur during the operation of the ID, which can lead to breakdown in ceramics in the absence of protection.

Другая часть корпуса сделана облегченной (тонкостенной) и крепится с помощью поддерживающих обтянутых сеткой стоек, которые прикреплены к монтажному фланцу корпуса. На эту часть корпуса ИД не действует нагрузка от ГРК, она держит только заземляющий электрод, а сетка снаружи стоек служит как экран от проникновения плазмы.The other part of the case is made lightweight (thin-walled) and is fastened with the help of supporting upholstered with a grid racks that are attached to the mounting flange of the case. The load from the GRK does not act on this part of the ID housing, it only holds the grounding electrode, and the grid outside the racks serves as a screen against the penetration of plasma.

ИОС к корпусу ИД не крепится, а закреплена на электромагнитных катушках ГРК. При механических нагрузках жесткости электромагнитных катушек хватает с запасом для обеспечения жесткости ГРК. Соответственно ИОС выполнена облегченной и упрощенной в плане изготовления крепежных и переходных фланцев.IOS is not attached to the ID housing, but is mounted on the electromagnetic coils of the GRK. With mechanical loads, the stiffness of the electromagnetic coils is enough with a margin to ensure the rigidity of the GRK. Accordingly, the IOS is made lightweight and simplified in terms of the manufacture of mounting and adapter flanges.

Все перечисленные выше конструкционные изменения в устройстве ИД приводят к снижению массы ИД, повышению механической прочности конструкции с одновременным уменьшением экономических затрат.All of the above structural changes in the ID device lead to a decrease in the mass of the ID, an increase in the mechanical strength of the structure with a simultaneous decrease in economic costs.

Предлагаемая конструкция ионного двигателя поясняется представленными чертежами: на Фиг. 1 изображена общая конструкция ионного двигателя, на Фиг. 2 представлен корпус ИД и на Фиг. 3 представлен сборочный чертеж усиленного изолятора крепления ГРК к корпусу ИД.The proposed design of the ion engine is illustrated by the drawings: FIG. 1 shows the general construction of the ion engine; FIG. 2 shows an ID housing, and FIG. 3 is an assembly drawing of a reinforced insulator for attaching a hydraulic distribution system to an ID housing.

Ионный двигатель (Фиг. 1) включает в себя: ГРК 1, ИОС 2, катод ГРК 3, анод 4, электромагнитные наклонные катушки 5, электромагнитные прямые катушки 6, корпус ИД 7, катод-нейтрализатор 8, эмиссионный электрод 9, ускоряющий электрод 10, фланец установочный 11, фланец монтажный 12 и заземляющий электрод 13.The ion engine (Fig. 1) includes: GRK 1, IOS 2, cathode GRK 3, anode 4, electromagnetic inclined coils 5, electromagnetic direct coils 6, housing ID 7, cathode-converter 8, emission electrode 9, accelerating electrode 10 , mounting flange 11, mounting flange 12 and ground electrode 13.

В состав корпуса ИД (Фиг. 2) входят фланец установочный 11, фланец монтажный 12, заземляющий электрод 13, несущие стойки 14, поддерживающие стойки 15, задняя крышка 16, кронштейны 17 и усиленные изоляторы 18. Защитная сетка на чертеже не показана.The housing ID (Fig. 2) includes an installation flange 11, a mounting flange 12, a grounding electrode 13, support racks 14, support racks 15, a back cover 16, brackets 17 and reinforced insulators 18. A protective mesh is not shown in the drawing.

Фланец установочный 11 скреплен с фланцем монтажным 12 при помощи несущих стоек 14, на которых закреплены кронштейны 17 для передачи нагрузки от ГРК 1 к корпусу ИД 7 через усиленные изоляторы 18. Корпус ИД 7 и ГРК 1 соединены через усиленные изоляторы 18 с помощью фланца монтажного 12 и фланца ГРК 21 (Фиг. 3). Однако на Фиг. 1 видно, что имеет место консольность в части ГРК 1 со стороны ИОС 2. К корпусу ИД 7 ИОС 2 не прикреплена и выполнена облегченной и упрощенной из-за отсутствия крепежных и переходных фланцев и нагрузка от нее минимальна, т.к. в данной конструкции несущими всю нагрузку являются электромагнитные прямые катушки 6, а именно их сердечники. При механических нагрузках жесткости электромагнитных катушек 6 хватает с запасом для обеспечения жесткости ГРК 1.Mounting flange 11 is fastened to mounting flange 12 by means of support racks 14, on which brackets 17 are mounted to transfer load from GRK 1 to housing ID 7 through reinforced insulators 18. Housing ID 7 and GRK 1 are connected through reinforced insulators 18 using mounting flange 12 and flange GRK 21 (Fig. 3). However, in FIG. 1 it can be seen that there is a cantilevered part in the part of the GRK 1 from the IOS side 2. The IOS 2 is not attached to the housing 7 and made lightweight and simplified due to the lack of mounting and adapter flanges and the load from it is minimal, because In this design, the electromagnetic load-bearing coils 6, namely their cores, are bearing the entire load. With mechanical loads, the stiffness of the electromagnetic coils 6 is enough with a margin to ensure the rigidity of the GRK 1.

Усиленный изолятор представлен на виде А (Фиг. 3). Основным элементом является керамический изолятор 19 (можно использовать материал AL₂O₃ + присадки), который состоит из двух одинаковых втулок. Втулки устанавливаются на металлическую шпильку 20 через фланец 21 (принадлежит ГРК) и стягиваются гайкой 22 с одной стороны шпильки, другой конец шпильки проходит сквозь кронштейн 17 (принадлежит корпусу ИД) и притягивается к нему гайкой 23. Сверху керамические втулки закрыты двумя металлическими чехлами 24, 25, которые крепятся к фланцу 21. Чехлы обеспечивают защиту керамических изоляторов от попадания на них распыленного металла во время работы ИД.The reinforced insulator is shown in form A (Fig. 3). The main element is a ceramic insulator 19 (you can use the material AL ₂ O ₃ + additives), which consists of two identical bushings. The bushings are mounted on a metal stud 20 through a flange 21 (belongs to the gas distribution group) and are tightened with a nut 22 on one side of the stud, the other end of the stud passes through the bracket 17 (belongs to the ID housing) and is attracted to it with a nut 23. On top of the ceramic bushings are closed by two metal covers 24, 25, which are attached to the flange 21. The covers protect ceramic insulators from the ingress of atomized metal during operation of the ID.

Ионный двигатель, с корпусом ИД 7 (Фиг. 1) работает следующим образом: подают напряжение на катод ГРК 3, запускают рабочее тело (ксенон/аргон) через катод ГРК 3 и ГРК 1, подают напряжение на анод 4, активируют магнитную систему ГРК состоящую из электромагнитных наклонных катушек 5 и электромагнитных прямых катушек 6. Перевод двигателя в рабочий режим осуществляют путем одновременной подачи высокого положительного потенциала на эмиссионный электрод 10 ИОС 2 и отрицательного потенциала на ускоряющий электрод 9 ИОС 2. Ионы из ГРК 1 через отверстия в эмиссионном электроде 10 попадают в межэлектродный зазор, где ускоряются под действием электрического поля. Компенсация положительного объемного заряда за срезом двигателя осуществляется за счет электронного тока, идущего с катода-нейтрализатора 8. Отрицательный потенциал, подаваемый на ускоряющий электрод 9, создает потенциальный барьер, препятствующий попаданию электронов из пучковой плазмы в ГРК 1.The ion engine with housing ID 7 (Fig. 1) works as follows: apply voltage to the cathode of GRK 3, start the working fluid (xenon / argon) through the cathode of GRK 3 and GRK 1, apply voltage to the anode 4, activate the magnetic system of the GRK consisting from electromagnetic inclined coils 5 and electromagnetic direct coils 6. The engine is put into operation by simultaneously supplying a high positive potential to the emission electrode 10 of IOS 2 and a negative potential to the accelerating electrode 9 of IOS 2. Ions from GRK 1 through holes in e issionnom electrode 10 fall into the interelectrode gap, where they are accelerated by the electric field. Compensation of the positive space charge behind the cut of the engine is carried out due to the electron current coming from the cathode-converter 8. The negative potential applied to the accelerating electrode 9 creates a potential barrier preventing the entry of electrons from the beam plasma into the GRK 1.

Во время выведения на орбиту ИД в составе КА возникают высокие нагрузки как на самом КА, так и на ИД. При этом основную нагрузку на себя берет корпус ИД 7, который в первую очередь жестко закреплен на КА через фланец установочный 11 и фланец монтажный 12. ГРК 1 жестко соединен с корпусом ИД 7 через усиленные изоляторы 18 по двум параллельным поясам, распределяя равномерно нагрузку от ГРК 1.During the launch of an ID into orbit, the spacecraft contains high loads both on the spacecraft itself and on the ID. In this case, the main load is borne by the housing ID 7, which is first rigidly fixed to the spacecraft through the installation flange 11 and mounting flange 12. The GRK 1 is rigidly connected to the ID 7 housing through reinforced insulators 18 in two parallel belts, distributing the load from the GRK evenly one.

Жесткость ГРК 1 вместе с ИОС 2 обеспечивается при помощи жестких электромагнитных прямых катушек 6, на которых закреплена ИОС 2. Облегченная часть корпуса 7 служит только для поддержания заземляющего электрода, в свою очередь тоже облегченного, и катода-нейтрализатора 8.The rigidity of the GRK 1 together with IOS 2 is ensured by means of rigid electromagnetic direct coils 6, on which IOS 2 is fixed. The lightweight part of the housing 7 serves only to maintain the grounding electrode, which in turn is also lightweight, and the cathode-converter 8.

Предложенная конструкция ИД позволяет снизить массу ИД, повысить механическую прочность конструкции с одновременным уменьшением экономических затрат.The proposed design of ID allows you to reduce the mass of ID, to increase the mechanical strength of the structure while reducing economic costs.

Образец конструкции ИД по предлагаемой полезной модели был просчитан на вибростойкость при помощи компьютера. Результаты показали значительное увеличение жесткости конструкции, что ведет к повышению надежности и вибростойкости двигателя. Эти данные были получены с учетом того, что ИД стал легче на ~30%.The design model of the ID according to the proposed utility model was calculated for vibration resistance using a computer. The results showed a significant increase in structural rigidity, which leads to increased reliability and vibration resistance of the engine. These data were obtained taking into account that the ID became lighter by ~ 30%.

Claims

An ion engine comprising a gas discharge chamber with a cathode, a cylindrical body with a mounting flange on the side of the gas discharge chamber cathode, an ion-optical system, an anode, a cathode-converter and a ground electrode, characterized in that the ion engine body consists of two parts, while the housing, located between the mounting and mounting flanges, rigidly interconnected by the supporting racks, is equipped at the points of attachment of the gas discharge chamber to the housing with reinforced insulators with covers, insulators are located wives in two belts of the inner surface of the housing, one of which is located at the level of the mounting flange, the other part of the housing is made lightweight and connected to the mounting flange by supporting posts, and the supporting and supporting posts are covered with protective nets.