RU152775U1 - Стационарный плазменный двигатель с модифицированным каналом - Google Patents

Abstract

1. Стационарный плазменный двигатель малой мощности, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, кольцеобразный анод, соосно установленный каналу разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему из двух кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания магнитного поля в главном канале, обеспечивающих наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала, кольцевой анод, концентричный кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, расположен на расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, а со стороны заднего фланца закреплено кольцо из немагнитной нержавеющей стали, для формирования симметричной конфигурации силовых линий магнитного поля с помощью двух разнесенных в поперечном направлении относительно разрядной камеры источников магнитного поля кольцеобразных магнитных устройств магнитной системы, отличающийся тем, что пол�

Description

Полезная модель относится к плазменной технике и преимущественно предназначено для использования в космической технике в качестве исполнительного органа электрореактивной двигательной установки. Изобретение относится к плазменным двигателям, применяемым на космических аппаратах, в частности, к плазменным двигателям с замкнутым дрейфом электронов, называемых двигателями со стационарной плазмой или “холловскими двигателями”.

Такие двигатели предназначены, в основном, для применения при движении в условиях космоса. В качестве источников ионов или плазмы они также используются для наземного применения, в частности, для ионной обработки. Благодаря их высокому удельному импульсу (от 1500 до 6000 с) они обеспечивают в спутниках значительный выигрыш по массе в сравнении с химическими реактивными двигателями.

Плазменные двигатели с замкнутым дрейфом электронов характеризуются низкой энергетической ценой тяги за счет создания условий, благоприятных для ионизации, при этом создаваемый ими ионный поток квазинейтрален, что снимает ограничения величины плотности ионного тока за счет действия объемного заряда. В связи с этим такой плазменный двигатель может работать в широком диапазоне ускоряющих напряжений. Ионный ток в хороших моделях плазменных ускорителей такого типа близок к разрядному и определяется лишь величиной массового расхода рабочего тела. Таким образом, в известных плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом электронов, в отличие от ионных, имеется возможность независимо изменять массовый расход и ускоряющее напряжение, то есть тягу и скорость истечения при высоком КПД двигателя.

Стационарные плазменные двигатели (СПД) находят широкое применение на борту современных космических аппаратов. В настоящее время значительно вырос интерес к СПД малой мощности (меньше 200 Вт) как в России (Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов // О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. Академика РАН А.С. Коротеева. М.: Машиностроение, 2008, с. 31-42, 184-189; К.Н. Козубский, В.М. Мурашко, Ю.П. Рылов и др. СПД работают в космосе // Физика плазмы, 2003, т.29, №3, с.277-292; Г.Э. Бугров, А.В. Десятсков, М.В. Козинцева, А.С.Липатов. Интегральные параметры стационарного плазменного двигателя АТОН малой мощности в стационарном и “пулеметном” режимах // Космонавтика и ракетостроение, 2008, 3 (52), с. 69-74; М.Б. Беликов, О.А. Горшков, Е.Н. Дышлюк и др. Разработка холловского двигателя малой мощности с ресурсом до 3000 часов // Космонавтика и ракетостроение, 2008, 3 (52), с. 131-141; Bugrova Α Ι., Desiatskov A.V., Kaufman H.R. et al. “Design and experimental investigation of a small closed drift thruster”, 27^th International Electronic Propulsion Conference, 2001. - IEPC-2001-344), так и за рубежом (Polk J. “Electric propulsion in the USA”, 30∗ International Electronic Propulsion Conference, Florence, Italy, 2007, -IEPC-2007-368; Polzin K.A., Markusie Т.Е., Stanoev B.J. et al. “Performance of a low power cylindrical Holl thruster”, 29^th International Electronic Propulsion Conference, 2005, - IEPC-2005-011; Biagioni L., Cesari U., Saverdi M., “Development status of the HT-100 miniaturized hall effect thruster system", 41^th Join Propulsion Conference, 2005, - AIAA-2005-3875; Tahara H., Fujioka Т., Kitano T. et al, “Optimization on magnetic field and acceleration channel for low power hall thrusters”, 28^th International Electronic Propulsion Conference, 2003, - IEPC-2003-015).

Это связано, в основном, с расширением работ по созданию малых космических аппаратов нового поколения, которые могут быть использованы для решения задач телекоммуникации и дистанционного зондирования Земли. Функции, которые выполняет СПД на борту космического аппарата - это коррекция орбит космических аппаратов, удержание его на заданной орбите, сохранение нужной ориентации аппарата в пространстве.

Создание современных стационарных плазменных двигателей малой мощности идет как по пути масштабирования двигателей классической схемы, так и на основе модификации их магнитной системы. В первом случае работы выполняются в кооперации ОКБ “Факел” с Исследовательским центром им. М.В. Келдыша (Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов // О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. Академика РАН А.С. Коротеева. Μ.: Машиностроение, 2008, с. 31-42, 184-189; М.Б. Беликов, О.А. Горшков, Е.Н. Дышлюк и др. Разработка холловского двигателя малой мощности с ресурсом до 3000 часов // Космонавтика и ракетостроение, 2008, 3 (52), с. 131-141). Во втором случае работы выполняются ОКБ “Факел” совместно с НИИ прикладной механики и электродинамики (К.Н. Козубский, В.М. Мурашко, Ю.П. Рылов и др. СПД работают в космосе // Физика плазмы, 2003, т. 29, №3, с. 277-292). Многочисленные экспериментальные данные в приведенных публикациях показывают, что с уменьшением потребляемой СПД мощности анодный тяговый к. п.д. классических СПД снижается и при мощностях 100 - 200 Вт не превышает 30.

В МГТУ МИРЭА при конструировании плазменных двигателей, потребляющих малую мощность используется метод масштабирования, основанный на критерии Меликова-Морозова, подробно описанном в публикациях (А.И. Бугрова, Н.А. Масленников, А.И. Морозов, Законы подобия интегральных характеристик в УЗДП // ЖТФ, 1991, том 61, вып. 6, с. 45-51; А.И. Бугрова, А.В. Десятсков, А.С. Липатов и др., Экспериментальные исследования стационарных плазменных двигателей семейства АТОН // Физика плазмы, 2010, т. 36, №4, с. 395-400), так и метод оптимизации магнитного поля, запатентованный в 1999 г.(RU 2139647).

Так, известен созданный в МГТУ МИРЭА стационарный плазменный двигатель малой мощности, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, кольцеобразный анод, соосно установленный каналу разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему из двух кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания магнитного поля в главном канале, обеспечивающих наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала, причем кольцевой анод, концентричный кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, расположен на расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер кольцеобразного канала ионизации и ускорения, газовводы для подачи ионизируемого газа сообщены в направлении к аноду через кольцевой распределитель с зоной, отличной от зоны расположения анода, при этом со стороны заднего фланеца закреплено кольцо из немагнитной нержавеющей стали, для формирования симметричной конфигурации силовых линий магнитного поля с помощью двух разнесенных в поперечном направлении относительно разрядной камеры источников магнитного поля кольцеобразных магнитных устройств магнитной системы (RU 2527898, H05H 1/54, опубл. 10.09.2014).

В данном разработанном и созданном стационарный плазменный двигатель малой мощности (СПД) опыт, накопленный при отработке СПД, как в России, так и за рубежом, показывает, что одной из основных причин, ограничивающих ресурс СПД, является эрозия стенок разрядного канала, которая происходит в результате воздействия плазмы. Все летные модели СПД до настоящего времени функционировали с напряжением разряда до 350 В и их конструкция была оптимизирована под этот режим работы. Для того, чтобы повысить удельный импульс до 2000 с и выше при работе на ксеноне необходимо поднимать напряжение разряда до 500 В и более. Изменение физических процессов в канале СПД, вызванное повышением напряжения, приводит к сокращению ресурса двигателя и деградации его удельного импульса. Одним из методов борьбы с этими негативными явлениями является применение в составе стенок разрядного канала материалов с повышенной стойкостью к ионному распылению. В качестве материала разрядного канала, стойкого к распылению, используется керамика БГП-10 (60% BN, 40% SiO₂).

Выбор этого материала БГП-10 обусловлен тем, что к СПД, нашедшему применение на борту современных космических аппаратов (КА) выставлены определенные требования к тяговым, удельным и ресурсным характеристикам двигателей. В современных технических заданиях (ТЗ) на разработку электроракетных двигателей (ЭРД) одним из основных является требование обеспечения срока активного существования КА до 12…15 лет, что возможно при существенном увеличении суммарного импульса и ресурса СПД до 3000 часов и более. Кроме того, в перспективных программах в ходе выполнения маневров требуется многорежимность работы СПД по мощности, тяге, скорости истечения рабочего тела. Эти требования существенно усложняют и удорожают разработку и создание новых двигателей, что определяет необходимость: исследования характеристик существующих СПД при длительной работе и выявление возможностей улучшения их параметров, а также разработки новых моделей СПД и прогнозирования их ресурса.

Испытания, проведенные (более 3000 часов) в условиях криогенного вакуума (при давлениях в вакуумной камере не более 1,33∗10″2 Па по воздуху) показали, что динамика изменения тяговых характеристик различных двигателей “параметрического ряда” имеет общий характер, связанный с изменением конфигурации выходной части ускорительного канала, свойств стенок разрядной камеры и электропроводящих свойств анода-газораспределителя из-за напыления на них материала, распыленного с выходных участков стенок разрядной камеры. При этом выявлены новые закономерности износа стенок разрядной камеры при больших степенях ее эрозии, а именно: показано, что характер износа качественно меняется при больших наработках - происходит выдвижение границы зоны эрозии ближе к срезу разрядной камеры и на последней стадии эрозия элементов конструкции может быть объяснена их распылением потоком ионов, обратным основному потоку.

Анализа методик расчета износа разрядных камер для прогноза эрозии керамики СПД была выбрана за основу логарифмическая модель, предложенная В.П. Кимом, одна из разновидностей которой применялась В.А. Петросовым, согласно которой величина эрозии зависит от времени работы, размеров двигателя, материала разрядной камеры и режима работы двигателя.

Анализ длительных испытаний показал, что эффективная работа СПД во многом определяется конфигурацией магнитного поля, которое связано с формой и взаимным расположением деталей магнитной системы. Поэтому в расчете ресурса двигателя важным представляется определение момента времени начала эрозии элементов магнитной системы. Процесс укорочения наружного изолятора в сторону анода при увеличении толщины стенки камеры позволяет замедлить эрозионные процессы при изменении угла падения ионов, уменьшении плотности ионного тока и энергии ионов, выпадающих на изолятор.

Установлено:

- при достижении степени уширения канала разрядной камеры ~45° из-за эрозии стенок, имеет место стабилизация положения зоны эрозии с образованием геометрических уступов на стенках разрядной камеры, а при дальнейшем увеличении наработки происходит выдвижение границы зоны эрозии к срезу изолятора;

- эрозия камеры и других элементов конструкции двигателя, находящихся вне зоны действия основного потока ионов, что было объяснено их распылением потоком “медленных” ионов, образованных на выходе зоны ускорения.

“Медленные” ионы могут ускоряться в направлении обратном основному потоку электрическим полем, искривленным изменением параметров плазмы в “теневых” зонах, где реализуется большой градиент электронного давления, и под воздействием потенциала металлических элементов конструкции двигателя, вскрывшихся из-за эрозии наружного изолятора у “медленными” ионами в обратном направлении наружного полюса.

Так как технология получения изолирующего (электроизоляционного) материала БГП-10 довольно сложна и имеет повышенную стоимость, то используя выводы исследований ставится задача оптимизации и замены этого материала на более простые и доступные, которые могли бы обеспечить эксплуатационную надежность СПД.

При этом усчитывается, что СПД используется в качестве исполнительного органа электрореактивной двигательной установки. Кроме того, СПД может применяться в научных исследованиях, для моделирования направленных плазменных потоков.

Стационарные плазменные двигатели (СПД) находят широкое применение на борту современных космических аппаратов (КА). В настоящее время значительно вырос интерес к СПД малой мощности (меньше 200 Вт) как в России (Горшков О.А., Муравлев В.А., Шагайда А.А. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / под ред. акад. РАН А.С. Коротеева. М.: Машиностроение, 2008. С. 31-42; 184-189; Козубский К.Н., Мурашко В.М., Рылов Ю.П., Трифонов Ю.В., Ходненко В.П., Ким В., Попов Г.А., Обухов В.А. СПД работают в космосе // Физика плазмы. 2003. Т. 29, №3. С. 277-292; Бугров Г.Э., Десятсков А.В., Козинцева М.В., Липатов А.С. Интегральные параметры стационарного плазменного двигателя АТОН малой мощности в стационарном и “пулеметном” режимах // Космонавтика и ракетостроение. 2008. №3(52). С. 69-74; Беликов МБ., Горшков О.А., Дышлюк Е.Н., Ловцов А.С., Шагайда А.А. Разработка холловского двигателя малой мощности с ресурсом до 3000 часов // Космонавтика и ракетостроение. 2008. №3 (52). С. 131-141; Bugrova Α Ι., Desiatskov A.V., Kaufman H.R., et al. Design and experimental investigation of a small closed drift thruster // Proc. of the 27^th International Electronic Propulsion Conference. 2001. ГЕРС-2001-344), так и за рубежом (Polk J. Electric propulsion in the USA // Proc. of the 30^th International Electronic Propulsion Conference (Florence, Italy, 2007). ГЕРС-2007-368; Polzin K.A., Markusie Т.Е., Stanoev B.J., et al. Performance of a low power cylindrical Holl thruster // Proc. of the 29^th International Electronic Propulsion Conference. 2005. IEPC-2005-011; Biagioni L., Cesari U., Saverdi M. Development status of the HT-100 miniaturized hall effect thruster system // Proc. of the 41 Join Propulsion Conference. 2005. AIAA-2005-3875; Tahara H., Fujioka Т., Kitano T. Optimization on magnetic field and acceleration channel for low power hall thrusters // Proc. of the 28^th International Electronic Propulsion Conference, 2003. IEPC-2003-015). Это связано, в основном, с расширением работ по созданию малых КА нового поколения, которые могут быть использованы для решения задач телекоммуникации и дистанционного зондирования Земли. Функции, которые выполняет СПД на борту КА - это коррекция орбит КА, удержание его на заданной орбите, сохранение нужной ориентации аппарата в пространстве.

Учитывая данные области применения и сроки жизненной эксплуатации этих аппаратов появляется возможность уйти от ранее установленных высоких требований по сроку активного существования до 12…15 лет и ресурса СПД до 3000 часов и более. Это объективное следствие того, что сами КА, выполненные для решения кратковременных задач до 4-5 лет, не требуют применения в их составе СПД со сроком службы в 15 лет. Если СПД используются в качестве двигателей для коррекции направления движения, то их эксплуатационный срок может быть существенно снижен.

Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции при обеспечении гарантированного времени непрерывной работы за счет оптимизации используемых материалов для разрядной камеры с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения.

Указанный технический результат достигается тем, что в стационарном плазменном двигателе малой мощности, содержащем разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, кольцеобразный анод, соосно установленный каналу разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему из двух кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания магнитного поля в главном канале, обеспечивающих наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала, кольцевой анод, концентричный кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, расположен на расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, а со стороны заднего фланца закреплено кольцо из немагнитной нержавеющей стали, для формирования симметричной конфигурации силовых линий магнитного поля с помощью двух разнесенных в поперечном направлении относительно разрядной камеры источников магнитного поля кольцеобразных магнитных устройств магнитной системы, полая буферная камера выполнена заодно с разрядной камерой с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения в виде единой или сборной детали из корундовой керамики с содержанием более 95% α-Al₂O₃ и пределом прочности при сжатии, МПа, не менее 1100 при 20°С и не менее 20 при 1500°C.

При этом в качестве корундовой керамики использована керамика марки 22ХС(ВК94-1).

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 - конструкция плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов;

Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов. Этот двигатель содержит главный кольцевой канал ионизации и ускорения, ограниченный конструкционными элементами из изолирующего материала и открытый на своем выходном конце. По крайней мере один полый катод сообщен с линией для подачи ионизируемого газа. Кольцевой анод, концентричный главному каналу, расположен на расстоянии от его открытого конца. Во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер главного кольцевого канала. Трубы для подачи ионизируемого газа сообщаются в направлении к аноду через кольцевой распределитель с зоной, отличной от зоны расположения анода. Средства для создания магнитного поля в главном канале обеспечивают наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала.

Патентуемый СПД содержит (фиг. 1) разрядную камеру 1, выполненную из изолирующего (электроизоляционного) материала из корундовой керамики с содержанием более 95% α-Al₂O₃ и пределом прочности при сжатии, МПа, не менее 1100 при 20°C и не менее 20 при 1500°C. В частности может использоваться керамика марки 22ХС (ВК94-1). Основные характеристики керамики 22ХС (ВК94-1):

Корундовая керамика, керамика на основе корунда - α-Al₂O₃, одной из кристаллических модификаций оксида алюминия, обладающего высокими электрическими, механическими и тепловыми свойствами. В составе корундовой керамики свыше 95% Al₂O₃, остальную часть составляет стеклофаза. Параметры корундовой (алюмооксидной) керамики варьируются незначительно, в зависимости от содержания оксида алюминия.(95-99%). Ее изготавливают при высоких температурах обжига (1700-2000°C). В состав сырья входят технический глинозем и электрокорунд, используются добавки MgO (до 1,5%), тормозящие рост кристаллитов, TiO₂ (до 1%). Содержание пор в этой керамике минимальное (около 1%), Этот материал отличается низкими диэлектрическими потерями и при повышенных температурах, обладает высокой нагревостойкостью (до 1600°C), а также большой механической прочностью и хорошей теплопроводностью. Корундовая керамика для стойкого к истиранию применения используется для обкладки поверхностей с большими нагрузками истирания абразивными материалами.

Разрядная камера 1 с главным кольцевым каналом 2 ионизации и ускорения имеет открытый выход 3. С кольцевым каналом 2 со стороны его входа сообщается полость буферной камеры, выполненной так же из изолирующего материала (электроизоляционного, например, из корундовой керамики с содержанием более 95% α-Al₂O₃ и пределом прочности при сжатии, МПа, не менее 1100 при 20°C и не менее 20 при 1500°C, в частности, керамика марки 22ХС (ВК94-1). В рассматриваемом примере буферная камера выполнена в разрядной камере и составляет конструкционную часть последней в виде ад иной детали. Возможно исполнение сборной конструкции разрядной камеры и буферной камеры. Со стороны закрытой части кольцевого канала 2 установлен по крайней мере один полый анод, сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа (немагнитная газовводная трубка 4, закрепленная посредством изолирующей втулки 5 в стенке, несущей немагнитные шпильки 6 для прикрепления СПД к опоре).

Кольцевой анод 7 выполнен в виде втулки (сталь 12Х18Н10Т). При этом анод 7 расположен на расстоянии от его открытого конца. Кольцевой анод 7 через прижимную лапку 9 прижат (контактирует) с поверхностью кольцевой камеры 10 из немагнитного материала (сталь 12X18Н10Т), имеющей отверстия для впрыска газового агента (например, газа ксенона), поступающего из газовводной трубки 4 в полость кольцевой камеры 10 и из нее в канал 2. Кольцеобразный анод 7 устанавливается с помощью жестких лапок 9 прижима к корпусу кольцевой камеры 10. Выполнение прижимных лапок 9 из электропроводного материала обеспечивает электрическое соединение анода с линией электропитания от положительного полюса источника постоянного напряжения.

Катод и анод 7 соответственно подключены к отрицательному и положительному полюсам источника постоянного напряжения, образуя цепь электропитания. Кольцевая камера 10 размещена в полости буферной камеры и представляет собой кольцеобразное газораспределительное устройство без перекрытия входа в кольцеобразный канал 2. Ионизируемый газ подается в полый катод и в газораспределительное устройство 7 от отдельных или от общего источника сжатого газа. В качестве рабочего ионизируемого газа используется инертный газ, в рассматриваемом случае ксенон (Xe). В кольцевом газораспределительном устройстве (камере 10) выполнено отверстие для подачи в него ионизируемого газа посредством подводящей газовводной трубки 4. Ионизируемый газ подается в буферную камеру через отверстия в камере 10, которые ориентированы перпендикулярно оси симметрии разрядной камеры 1, по окружности максимального диаметра. Выполнение отверстий для подвода ионизируемого газа в буферную камеру радиально направленными способствует созданию равномерной по плотности рабочего газа зоны, занимающей практически весь объем буферной камеры.

Кольцевая буферная камера расположена в входной части главного канала за зоной расположений анода, размер кольцевой буферной камеры в радиальном направлении превышает радиальный размер главного кольцевого канала 2.

Магнитное поле в полостях буферной и разрядной камер создается с помощью магнитной системы из двух магнитных устройств. Первое магнитное устройство включает в себя центральный цилиндрический сердечник 11 из Ст3-10, с источниками магнитного поля 12 (внутренняя катушка) и магнитными полюсами 13. Второе магнитное устройство включает в себя корпус 14 из Ст3-10 Г-образной формы, внутри которого установлена кольцевая опора 15, по бокам которой расположены два дисковых ограничителя 16 из немагнитного материала (сталь 12Х18Н10Т). Таким образом, образуется кольцевая полость для источника магнитного поля 17 (наружная катушка). Вся сборка укрепляется опорным диском 18, несущим элементы присоединения магнитопроводящих стержневых элементов 19 из Ст3-10. Второе магнитное устройство выполнено в виде кольцевой сборки, которая одевается на разрядную камеру 1 со стороны открытого выхода 3. Посредством магнитопроводящих стержневых элементы 19 идет скрепление магнитной системы. Внешние стержневые элементы 19 равномерно расположены вокруг камеры 10 и канала 2 по окружности и скрепляют торцевые части плазменного ускорителя.

Конструкция магнитной системы СПД позволяет создать путем подбора внутренних диаметров магнитных полюсов и взаимного расположения полюсов требуемую конфигурацию магнитного поля, которая характеризуется заданным градиентом поля (не менее 100 Э/см) от нулевого значения в области размещения анода до максимального значения на выходе из кольцеобразного канала 2 и углом между ветвями сепаратрис силовых линий поля, равным примерно 90°, причем сепаратрисы пересекают стенки канала 2 под углом примерно 45°. Такая конфигурация магнитного поля обеспечивает создание фокусирующей ионы геометрии магнитных силовых линий в выходной части канала 2 и положительного градиента магнитного поля от анода до выхода из канала. Причем вблизи анода создается магнитное поле с направлением сепаратрис под углом 45°, что обеспечивает условия для отрыва потока ионов от стенок канала и его фокусировку на срединную поверхность разрядной камеры.

Моделирование магнитного поля проводилось по стандартной компьютерной программе с использованием табличных характеристик магнитных материалов двигателя. Определялось положение полюсов магнитопровода, плотности токов во внутренней и наружной катушках намагничивания, толщина полюсов, а также положение и размер магнитной «дырки» в заднем фланце модели, наличие которой необходимо для моделей нового поколения типа “α” (RU 2139647).

В результате проведенной оптимизации была сконструирована и изготовлена лабораторная модель СПД (фиг. 1). Габаритные размеры модели: диаметр ~70 мм, длина ~60 мм. Модель была испытана как на стенде МГТУ МИРЭА. Экспериментально измеренные интегральные параметры, полученные на стенде практически показали возможность применения корундовой керамики для СПД в условиях достаточно длительно постоянной эксплуатации.

По установленным критериям ресурс определяется временем непрерывной работы двигателя, при котором толщина изоляторов разрядной камеры на срезе становится равной нулю. Для расчета толщины стенок изолятора по данному ресурсу необходимо определить скорость эрозии на срезе в радиальном направлении. Были проведены кратковременные ресурсные испытания СПД, работающей в режиме U_p=210 B,

при вкладываемой мощности N_Σ=150 Вт в течение 50 часов. Эксперименты показали, что средняя скорость эрозии на срезе СПД для внутренней стенки составила 3 мкм/час, наружной - 2,25 мкм/час. По этим данным, используя логарифмическую аппроксимацию, был рассчитан ресурс не менее 2500 при некотором увеличении толщины стенок камеры по отношению к модели прототипа.

Такой плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов согласно патентуемой полезной модели может использоваться, в первую очередь, в космической технике в качестве исполнительного органа электрореактивной двигательной установки. Кроме того, плазменный ускоритель может применяться в научных исследованиях, для моделирования направленных плазменных потоков.

Claims (2)

1. Стационарный плазменный двигатель малой мощности, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, кольцеобразный анод, соосно установленный каналу разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему из двух кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания магнитного поля в главном канале, обеспечивающих наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала, кольцевой анод, концентричный кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, расположен на расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, а со стороны заднего фланца закреплено кольцо из немагнитной нержавеющей стали, для формирования симметричной конфигурации силовых линий магнитного поля с помощью двух разнесенных в поперечном направлении относительно разрядной камеры источников магнитного поля кольцеобразных магнитных устройств магнитной системы, отличающийся тем, что полая буферная камера выполнена заодно с разрядной камерой с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения в виде единой или сборной детали из корундовой керамики с содержанием более 95%

и пределом прочности при сжатии, МПа, не менее 1100 при 20°С и не менее 20 при 1500°С.

2. Стационарный плазменный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве корундовой керамики использована керамика марки 22ХС (ВК94-1).

Images