RU208147U1

RU208147U1 - Ionic micromotor

Info

Publication number: RU208147U1
Application number: RU2021122193U
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Ловцов; Сергей Викторович Мадеев; Артем Сергеевич Жиркин
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2021-12-06

Abstract

Полезная модель относится к ракетно-космической технике и может быть использована при разработке и изготовлении ионных двигателей (ИД). Ионный микродвигатель содержит газоразрядную камеру с катодом, катод-нейтрализатор, ионно-оптическую систему и гибридную магнитную систему, состоящую из кольцевых постоянных магнитов и электромагнитных катушек. Газоразрядная камера состоит из цилиндрической и конической секций. Причем кольцевые постоянные магниты расположены в прикатодной области, на границе секций и на выходе из газоразрядной камеры, а электромагнитные катушки размещены на внешней поверхности конической и цилиндрической секций газоразрядной камеры. Технический результат - повышение эффективности атомов рабочего тела при неизменных расходах рабочего тела.The utility model relates to rocket and space technology and can be used in the development and manufacture of ion engines (ID). The ion micromotor contains a gas-discharge chamber with a cathode, a cathode-neutralizer, an ion-optical system and a hybrid magnetic system consisting of ring permanent magnets and electromagnetic coils. The gas discharge chamber consists of cylindrical and conical sections. Moreover, the ring permanent magnets are located in the cathode region, at the section boundary and at the outlet of the gas discharge chamber, and the electromagnetic coils are placed on the outer surface of the conical and cylindrical sections of the gas discharge chamber. The technical result is an increase in the efficiency of the atoms of the working fluid at constant costs of the working fluid.

Description

Полезная модель относится к ракетно-космической технике и может быть использована при разработке и изготовлении ионных двигателей (ИД).The utility model relates to rocket and space technology and can be used in the development and manufacture of ion engines (ID).

Известен ионный двигатель, содержащий газоразрядную камеру с катодом, корпус цилиндрической формы с установочным фланцем со стороны катода газоразрядной камеры (ГРК), ионно-оптическую систему, анод, катод-нейтрализатор и заземляющий электрод. Причем 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, а другая часть корпуса выполнена облегченной и соединена с монтажным фланцем поддерживающими стойками, причем несущие и поддерживающие стойки обтянуты защитными сетками (патент Российской Федерации №136234, опубликованный 27.12.2013).Known ion engine containing a gas discharge chamber with a cathode, a cylindrical body with a mounting flange on the cathode side of the gas discharge chamber (GDK), ion-optical system, anode, cathode neutralizer and ground electrode. Moreover, the body of the ion engine consists of two parts, while the part of the body, located between the mounting and mounting flanges, rigidly connected to each other by supporting posts, is equipped with reinforced insulators with covers at the points of attachment of the gas discharge chamber to the body, the insulators are located along two belts of the inner surface of the body, one of which is located at the level of the mounting flange, and the other part of the body is made lightweight and is connected to the mounting flange by supporting posts, and the supporting and supporting posts are covered with protective nets (patent of the Russian Federation No. 136234, published 12/27/2013).

Наиболее близкой по технической сущности (прототипом) к предлагаемой полезной модели является конструкция ионного двигателя, представленная в описании международной заявки WO 2018112184 А1, опубликованной 21.06.2018. Известная конструкция двигателя включает газоразрядную камеру с цилиндрической боковой стенкой, находящейся под анодным потенциалом, задней торцевой стенкой, изолированной относительно боковой стенки и находящейся под катодным потенциалом, и катода, расположенного на задней торцевой стенке; гибридную магнитную систему, состоящую из кольцевых постоянных магнитов, расположенных на задней панели, и электромагнитных катушек, расположенных на боковой стенке; и расположенный между каспами кольцевой электрод, изолированный относительно задней панели, находящейся под анодным потенциалом, поверхность которого эквидистантно удалена от задней торцевой стенки ГРК.The closest in technical essence (prototype) to the proposed utility model is the design of the ion engine, presented in the description of the international application WO 2018112184 A1, published on 06/21/2018. The known engine design includes a gas discharge chamber with a cylindrical side wall under the anode potential, a rear end wall isolated from the side wall and under the cathode potential, and a cathode located on the rear end wall; a hybrid magnetic system consisting of annular permanent magnets located on the rear panel and electromagnetic coils located on the side panel; and an annular electrode located between the cusps, isolated relative to the rear panel, which is under the anode potential, the surface of which is equidistant from the rear end wall of the GDK.

Кольцевые постоянные магниты расположены таким образом, что области каспов (полюсы постоянных магнитов) расположены за задней торцевой поверхностью, находящейся под катодным потенциалом, а магнитные силовые лини прикрывают анодные поверхности (кольцевой электрод, изолированный и расположенный эквидистантно относительно задней торцевой поверхности, и цилиндрическая боковая стенка ГРК). В данном двигателе реализован уход электронов на анод за счет дрейфа поперек магнитных силовых линий (аналогичный уход электронов на анод реализован в схеме Кауфмана). На боковой поверхности, находящейся под анодным потенциалом, предусматривается доводочный электромагнит, создающий аксиальное поле внутри ГРК. Создаваемое электромагнитом аксиальное поле ослабляет поле на оси ГРК и усиливает поле, закрывающее цилиндрическую боковую стенку ГРК, находящуюся под анодным потенциалом. Наличие электромагнита на боковой стенке позволяет увеличить объем ГРК, занимаемый первичными электронами, поступающими с катода ГРК, и, одновременно, препятствует их уходу на анодные поверхности, что повышает эффективность ионизации атомов рабочего тела и позволяет снизить потребляемую мощность двигателя, что делает двигатель более экономичным с точки зрения энергопотребления.The annular permanent magnets are located in such a way that the cusp regions (permanent magnet poles) are located behind the rear end surface under the cathodic potential, and the magnetic field lines cover the anode surfaces (an annular electrode, insulated and located equidistantly relative to the rear end surface, and a cylindrical side wall GRK). This engine implements the escape of electrons to the anode due to drift across the magnetic field lines (a similar escape of electrons to the anode is implemented in the Kaufman scheme). A finishing electromagnet is provided on the lateral surface under the anode potential, which creates an axial field inside the GDK. The axial field created by the electromagnet weakens the field on the axis of the GRC and enhances the field covering the cylindrical side wall of the GRC, which is under the anode potential. The presence of an electromagnet on the side wall makes it possible to increase the volume of the GDK occupied by the primary electrons coming from the cathode of the GDK, and, at the same time, prevents them from leaving the anode surfaces, which increases the efficiency of ionization of the atoms of the working fluid and reduces the power consumption of the engine, which makes the engine more economical with power consumption point of view.

Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является повышение эффективности ионизации атомов рабочего тела при неизменных расходах рабочего тела.The technical result, the achievement of which is aimed at the useful model, is to increase the efficiency of ionization of atoms of the working fluid with constant consumption of the working fluid.

Указанный технический результат решается тем, что ионный микродвигатель содержит газоразрядную камеру с катодом, катод-нейтрализатор, ионно-оптическую систему и гибридную магнитную систему, состоящую из кольцевых постоянных магнитов и электромагнитных катушек. При этом газоразрядная камера состоит из цилиндрической и конической секций. Причем кольцевые постоянные магниты расположены в прикатодной области, на границе секций и на выходе из газоразрядной камеры, а электромагнитные катушки размещены на внешней поверхности конической и цилиндрической секций газоразрядной камеры.The specified technical result is solved in that the ionic micromotor contains a gas-discharge chamber with a cathode, a cathode-neutralizer, an ion-optical system and a hybrid magnetic system consisting of annular permanent magnets and electromagnetic coils. In this case, the gas-discharge chamber consists of cylindrical and conical sections. Moreover, the annular permanent magnets are located in the cathode region, at the border of the sections and at the outlet from the gas-discharge chamber, and the electromagnetic coils are placed on the outer surface of the conical and cylindrical sections of the gas-discharge chamber.

При таком конструктивном исполнении стенки ГРК находятся под анодным потенциалом, при этом в ГРК реализуется два способа ухода электронов на анод: при попадании в конус потерь в касповой области и за счет дрейфа поперек магнитных силовых линий. Электромагнитные катушки предназначены для создания ослабляющего аксиального магнитного поля на оси двигателя для увеличения объема ГРК, занимаемого первичными электронами, поступающими с катода ГРК.With such a design, the walls of the GDK are under the anode potential, while in the GDK there are two ways of electron escape to the anode: when they enter the loss cone in the cusp region and due to drift across the magnetic field lines. Electromagnetic coils are designed to create a weakening axial magnetic field on the axis of the motor to increase the volume of the GRC occupied by the primary electrons coming from the cathode of the GRK.

На Фигуре схематично показана конструкция предлагаемого ионного микродвигателя.The figure schematically shows the design of the proposed ionic micromotor.

Ионный микродвигатель является плазменным электроракетным двигателем, работающим в вакууме и предназначенным для использования в космическом пространстве.The ion micromotor is a plasma electric rocket motor operating in a vacuum and intended for use in outer space.

Ионный микродвигатель (Фигура) состоит из ионно-оптической системы 1, газоразрядной камеры 4, катода газоразрядной камеры 5, газораспределителя 10, катода-нейтрализатора 9 и гибридной магнитной системы, состоящей из постоянных кольцевых магнитов 2, 3, 6 и электромагнитов 7, 8, выполненных в виде электромагнитных катушек. ГРК 4 представляет собой двухсекционную камеру, находящуюся под анодным потенциалом, состоящую из цилиндрической и конической секций, с гибридной магнитной системой, расположенной на внешней стороне ГРК 4. Магнитная система состоит из трех кольцевых постоянных магнитов 2, 3, 6, расположенных соответственно на боковой поверхности в области ионно-оптической системы 1 (т.е. на выходе из газоразрядной камеры), в области перехода конической секции в цилиндрическую (на границе секций) и в области катода ГРК 4, а также электромагнитной катушки 7, намотанной на внешней поверхности конической части ГРК 4, и электромагнитной катушки 8, намотанной на внешней поверхности цилиндрической части ГРК 4.The ionic micromotor (Figure) consists of an ion-optical system 1, a gas-discharge chamber 4, a cathode of a gas-discharge chamber 5, a gas distributor 10, a cathode-neutralizer 9 and a hybrid magnetic system consisting of permanent ring magnets 2, 3, 6 and electromagnets 7, 8, made in the form of electromagnetic coils. GRK 4 is a two-section chamber under the anode potential, consisting of cylindrical and conical sections, with a hybrid magnetic system located on the outer side of the GRK 4. The magnetic system consists of three annular permanent magnets 2, 3, 6, located respectively on the lateral surface in the area of the ion-optical system 1 (i.e. at the exit from the gas-discharge chamber), in the area of the transition of the conical section into the cylindrical one (at the boundary of the sections) and in the area of the cathode GRK 4, as well as the electromagnetic coil 7 wound on the outer surface of the conical part GRK 4, and an electromagnetic coil 8 wound on the outer surface of the cylindrical part of GRK 4.

Устройство работает следующим образом. В газоразрядной камере 4 генерируется плазма, в ионно-оптической системе 1 ускоряются ионы, идущие из ГРК 4, катод-нейтрализатор 9 компенсирует объемный заряд ионного пучка, выходящего из двигателя. В ГРК 4 расположен катод 5, электроны с которого движутся в направлении поверхностей, находящихся под анодным потенциалом. Ионизация в газоразрядной камере 4 осуществляется при соударении электронов высоких энергий с атомами рабочего тела. Для увеличения вероятности соударений электронов с атомами, прежде чем они уйдут на анод, в ГРК 4 создается магнитное поле. Электроны движутся по магнитным силовым линиям, увеличивая длину пробега по объему газоразрядной камеры 4, тем самым увеличивая вероятность столкновения с атомами рабочего тела. Магнитные поля в предлагаемом ионном микродвигателе осуществляются гибридной магнитной системой, позволяющей увеличить эффективности процесса ионизации атомов рабочего тела за счет добавления в конструкцию электромагнитов, расположенных на боковой стенке, ослабляющих осевую компоненту магнитного поля внутри ГРК.The device works as follows. In the gas-discharge chamber 4, plasma is generated, in the ion-optical system 1, the ions coming from the GDK 4 are accelerated, the cathode-neutralizer 9 compensates for the volume charge of the ion beam leaving the engine. In GRK 4 there is a cathode 5, the electrons from which move in the direction of the surfaces under the anode potential. Ionization in the gas-discharge chamber 4 is carried out by the collision of high-energy electrons with the atoms of the working fluid. To increase the likelihood of collisions of electrons with atoms before they leave for the anode, a magnetic field is created in GRK 4. The electrons move along magnetic lines of force, increasing the path length over the volume of the gas-discharge chamber 4, thereby increasing the probability of collision with the atoms of the working fluid. The magnetic fields in the proposed ionic micromotor are carried out by a hybrid magnetic system, which makes it possible to increase the efficiency of the process of ionization of the atoms of the working fluid by adding electromagnets to the structure located on the side wall, which weaken the axial component of the magnetic field inside the GDK.

Достижение высокой эффективности процесса ионизации атомов рабочего тела позволяет снизить потребляемую мощность двигателя. Мощность двигателя рассчитывается следующим образом:Achievement of high efficiency of the process of ionization of atoms of the working fluid allows to reduce the power consumption of the engine. The engine power is calculated as follows:

где U_Sи I_b - напряжение и ток в цепи эмиссионного электрода,where U _S and I _b - voltage and current in the circuit of the emission electrode,

U_ac и I_ас - напряжение и ток в цепи ускоряющего электрода,U _ac and I _ac - voltage and current in the accelerating electrode circuit,

U_d и I_d - напряжение и ток разряда,U _d and I _d - voltage and discharge current,

U_keep и I_кеер - напряжение и ток в цепи поджигного электрода,U _keep and I _keer - voltage and current in the ignition electrode circuit,

U_m и I_m - напряжение и ток в цепи электромагнита,U _m and I _m - voltage and current in the electromagnet circuit,

U_n и I_n - напряжение и ток в цепи поддержки катода-нейтрализатора.U _n and I _n - voltage and current in the cathode-neutralizer support circuit.

Эффективность ионизации атомов рабочего тела определяется следующим соотношением:The efficiency of ionization of atoms of the working fluid is determined by the following relationship:

Повышение эффективности ионизации атомов рабочего тела, при неизменных расходах рабочего тела в катод ГРК и газораспределитель, может быть реализовано за счет вытягивания требуемого тока пучка (ток в цепи эмиссионного электрода) при меньшей мощности разряда в ГРК.An increase in the efficiency of ionization of atoms of the working fluid, with constant flow rates of the working fluid into the cathode of the GDV and the gas distributor, can be realized by pulling the required beam current (current in the emission electrode circuit) at a lower discharge power in the GDG.

Ионизация атомов рабочего тела осуществляется первичными электронами, поступающими с катода ГРК. Электроны получают энергию за счет разности потенциалов между катодом и анодом. Магнитное поле используется для предотвращения прямого попадания электронов на анод, что увеличивает вероятность их соударения с нейтральными атомами рабочего тела и повышает эффективность ионизации. Однако в двигателе с диаметром пучка менее 50 мм при использовании кольцевых касповых постоянных магнитов происходит удержание первичных электронов вблизи оси двигателя, что ограничивает область ионизации в ГРК. В предлагаемой полезной модели добавлены электромагниты, генерирующие ослабляющее аксиальное магнитное поле, позволяющее расширить область ионизации атомов рабочего тела, тем самым повысить эффективность ионизации.Ionization of the atoms of the working fluid is carried out by primary electrons coming from the cathode of the GRC. The electrons receive energy from the potential difference between the cathode and the anode. The magnetic field is used to prevent electrons from directly hitting the anode, which increases the likelihood of their collision with neutral atoms of the working fluid and increases the ionization efficiency. However, in an engine with a beam diameter of less than 50 mm, when using annular cusp permanent magnets, primary electrons are retained near the axis of the engine, which limits the ionization region in the HRC. In the proposed utility model, electromagnets are added that generate a weakening axial magnetic field, which makes it possible to expand the ionization region of the atoms of the working fluid, thereby increasing the ionization efficiency.

Claims

An ionic micromotor containing a gas discharge chamber with a cathode, a cathode-neutralizer, an ion-optical system and a hybrid magnetic system consisting of annular permanent magnets and electromagnetic coils, characterized in that the gas discharge chamber consists of cylindrical and conical sections, and the annular permanent magnets are located in near the cathode region, at the boundary of the sections and at the outlet from the gas-discharge chamber, and electromagnetic coils are placed on the outer surface of the conical and cylindrical sections of the gas-discharge chamber.