RU2139646C1 - Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области плазменной техники, более конкретно к ускорителям плазмы с замкнутым дрейфом электронов, и может быть использовано при разработке электроракетных двигателей, а также технологических ускорителей, применяемых в процессах вакуумно-плазменной технологии. Наружная и внутренняя стенки плазменного ускорителя выполнены из электропроводящего материала и изолированы от остальных элементов конструкции. Магнитная система ускорителя содержит по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы и магнитопровод. Наружный и внутренние магнитные полюса магнитопровода образуют межполюсный зазор, в котором размещены выходные участки стенок камеры, выполненные из диэлектрического материала. Ширина кольцеобразного канала в области диэлектрических вставок стенок камеры составляет не более 0,8 ширины канала в области размещения электропроводных стенок. Обращенные к аноду-газораспределителю торцевые поверхности диэлектрических вставок расположены в зоне интенсивного роста радиального магнитного поля в полости канала. Изобретение позволяет значительно повысить ресурс и тяговую эффективность плазменных ускорителей типа УЗДЭ, снизить расходимость истекающей из него струи. 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к области плазменной техники, а более конкретно касается конструирования ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов (УЗДЭ), и может быть использовано при разработке электроракетных двигателей, а также технологических ускорителей, применяемых в процессах вакуумно-плазменной технологии.

Ускорители заряженных частиц и плазменных потоков, в том числе и УЗДЭ, широко известны в науке и технике и используются для решения различных практических задач (см. Плазменные ускорители - под ред. Л.А. Арцимовича. М.: Машиностроение, 1974 г., с. 54-95).

Были предложены и изучены ускорители двух схем. Один из них, так называемый ускоритель с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДП), имеет диэлектрическую разрядную камеру с кольцевым ускорительным каналом, выходная часть которого размещена между полюсами магнита, анод-газораспределитель, расположенный в глубине канала (см. Плазменные ускорители - под ред. Л.А. Арцимовича, М.: Машиностроение, 1974 г., с. 75-81). Второй - ускоритель с так называемым анодным слоем (УАС) имеет похожую схему с, как правило, полностью металлической разрядной камерой.

Основные отличия этих ускорителей сводятся к следующему (см. A.S. Bober, V. Kim, A. S. Koroteev el.al. State of work on Electrical Thrusters in the USSR // AIAA Paper IEPC -91- 003, 6 pp.): УЗДП имеет принципиально неоднородное магнитное поле в относительно длинном ускорительном канале, стенки которого непосредственно ограничивают ускоряемый плазменный поток. Так можно записать следующие соотношения, определяющие параметры УЗДП и УАС:
УЗДП: Lc/Lв~1,Lc/bc≥1,bo/bc~1,
УАС: Lc/Lв<1,Lc/bc<1,bo/bc<l, (1)
где L_с и L_в - соответственно, длина ускорительного канала и характерная протяженность зоны с достаточно большим значением магнитной индукции;
bc и bo - соответственно, ширина ускорительного канала и ускоряемого потока в нем.

Указанные отличия являются существенными и определяют различия в организации рабочих процессов в рассматриваемых ускорителях. В частности, в УАС потенциалы стенок ускорительного канала (как в одно, так и в двухступенчатой схемах) задаются, как правило, с помощью внешних источников напряжения, что во многом определяет продольные размеры ступеней ускорения. В УЗДП же положение и продольные размеры слоя ионизации и ускорения связаны с распределением магнитного поля в ускорительном канале и определяются в значительной мере процессами взаимодействия ускоренного потока со стенками разрядной камеры. Таким образом, распределение электрического поля в большей части ускорительного канала УЗДП в отличие от УАС формируется без использования дополнительных источников напряжения и электродов.

Известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий диэлектрическую разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему с источниками магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими рабочий межполюсный зазор в области выходных кромок разрядной камеры, анод-газораспределитель, расположенный в полости ускорительного канала на расстоянии от его выходного сечения, превышающем ширину канала, и катод-компенсатор (см. A.S. Bober, V. Kim, A.S. Koroteev el.al. State of work on Electrical Thrusters in the USSR // AIAA Paper IEPC -91- 003, 6 pp.). Данное устройство обладает интегральными параметрами, позволившими создать на его базе двигатели для космических летательных аппаратов и технологические ускорители. Однако известный ускоритель обладает относительно невысокой тяговой эффективностью (КПД) и значительной расходимостью струи. Так, КПД современного УЗДЭ типа СПД-100 не превышает 50% при удельном импульсе ~ 16 км/с. При этом для 95% ионного потока полуугол β_0,95 расходимости струи составляет ~45^o.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, по совокупности существенных признаков, является плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным ускорительным каналом, образованным коаксиальными наружной и внутренней стенками, выполненными из электропроводящего материала и изолированными от остальных элементов конструкции, магнитную систему, по меньшей мере, с одним источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими межполюсный зазор, в котором размещены выходные участки стенок камеры, выполненные из диэлектрического материала, анод-газораспределитель, расположенный в полости канала на расстоянии от его выходного сечения, превышающем ширину кольцеобразного канала, и катод-компенсатор, установленный за выходным сечением канала (см. заявку ЕП 0781921. A1 F 03 H 1/00, опубликована 02.7.97, фиг. 11, 12 и пункты формулы 19- 22 европейской заявки). Данный ускоритель предназначен в основном для использования в процессах ионно-плазменной технологии. КПД данного плазменного ускорителя ограничен ввиду недостаточной фокусировки ионного потока, что и определяет значительные энергетические потери в рабочем процессе. Ускоритель также обладает недостаточным ресурсом из-за интенсивного распыления электропроводящих стенок ускоренными ионами.

Предложенное изобретение направлено на повышение КПД УЗДЭ, снижение расходимости струи истекающих из него ионов, повышение ресурса его работы, применение плазменного ускорителя в прикладных задачах.

Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем разрядную камеру с кольцеобразным ускорительным каналом, образованным коаксиальными наружной и внутренней стенками, выполненными из электропроводящего материала и изолированными от остальных элементов конструкции, магнитную систему, по меньшей мере, с одним источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими межполюсный зазор, в котором размещены выходные участки стенок камеры, анод-газораспределитель, расположенный в полости канала на расстоянии от его выходного сечения, превышающем ширину кольцеобразного канала, и катод-компенсатор, установленный за выходным сечением канала, выходные участки стенок камеры выполнены из диэлектрического материала, а ширина кольцеобразного канала в области диэлектрических вставок составляет не более 0.8 ширины канала в области размещения электропроводящих стенок, при этом обращенные к аноду-газораспределителю торцевые поверхности диэлектрических вставок расположены в зоне интенсивного роста радиального магнитного поля в полости канала.

Предпочтительно размещение обращенных к аноду - газораспределителю торцевых поверхностей диэлектрических вставок в зоне, в пределах которой при работе ускорителя значения радиальной, по отношению к ускорительному каналу, составляющей индукции магнитного поля B_r на воображаемой серединной поверхности ускорительного канала изменяются от значения 0.8 B_rmax до B_rmax, где B_rmax - максимальная величина B_r на указанной серединной поверхности.

Целесообразно также выполнение, при котором наружная и внутренняя электропроводящие стенки соединены между собой со стороны анода-газораспределителя. Возможно также электрическое соединение данных стенок с анодом- газораспределителем.

Для снижения веса конструкции возможно выполнение электропроводящих участков стенок камеры из магнитомягкого материала. При этом они образуют магнитный экран, охватывающий анод-газораспределитель, и заменяют аналогичный элемент магнитной системы ускорителя.

Исходя из особенностей конструкции при изготовлении ускорителя возможно выполнение диэлектрических вставок, размещенных на противоположных стенках канала, выступающими в радиальном направлении по отношению к внутренней поверхности электропроводящих стенок канала как на одинаковое, так и на различные расстояния.

Для предотвращения возникновения электрических разрядов во внутренних полостях ускорителя внешняя поверхность стенок разрядной камеры выполнена с плавным пространственным сопряжением образующих ее элементов. С этой же целью возможна установка, по меньшей мере, одного дополнительного электропроводящего экрана, между внешней поверхностью камеры и ближайшими к ней элементами конструкции ускорителя. С целью снижения давления во внутренних полостях ускорителя соединение электропроводящих участков стенок разрядной камеры с диэлектрическими вставками должно выполняться газонепроницаемым.

Из конструктивных соображений целесообразно выполнение диэлектрических вставок из керамических материалов. При этом электропроводящие участки стенок разрядной камеры соединены с диэлектрическими вставками с помощью кольцеобразных электропроводящих упругих элементов, одна часть каждого из которых опирается (или выполнена как единое целое) на внутреннюю поверхность электропроводящих участков стенок камеры, а другая - на внешнюю поверхность соответствующей диэлектрической вставки.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - конструктивная схема ускорителя;
на фиг. 2 - распределение величины поперечной составляющей B_r индукции магнитного поля вдоль канала на срединной его поверхности и потенциала стенок канала;
на фиг. 3 -5 - распределение силовых линий магнитного поля и качественная картина эквипотенциалей и структуры ионных потоков в традиционной и заявляемой конструктивных схемах разрядной камеры УЗДЭ;
на фиг. 6 - 7 - конструктивные схемы вариантов крепления диэлектрических вставок с электропроводящими стенками.

Ускоритель с замкнутым дрейфом электронов (фиг. 1) согласно изобретению содержит катод-компенсатор 1, магнитопровод 2, основные источники магнитодвижущей силы 3, наружный кольцеобразный полюс 4, внутренний кольцеобразный полюс 5, разрядную камеру 6, образованную наружной 7 и внутренней 8 электропроводящими секциями и наружной 9 и внутренней 10 диэлектрическими вставками, анод-газораспределитель 11 газоподводящим трактом 12. Ширина разрядной камеры 6 в области диэлектрических вставок 9 и 10 составляет 0.8 от ее ширины в области электропроводящих секций 7 и 8, при этом обращенные к аноду-газораспределителю 11 торцевые поверхности вставок 9 и 10 расположены в зоне интенсивного роста радиального магнитного поля в полости канала (фиг. 2). Стенки электропроводящей части разрядной камеры 6 выполнены с плавным сопряжением внешних по отношению к плазме разряда поверхностей и охватываются дополнительным электропроводящим экраном 13. Анод-газораспределитель 11, электропроводящие стенки разрядной камеры 7 и 8 и дополнительный электропроводящий экран 13 электрически изолированы друг от друга с помощью диэлектрических вставок 14. Возможно исполнение, когда электропроводящие стенки разрядной камеры 7 и 8 электрически соединены с анодом-газораспределителем 11.

Для достижения максимального эффекта по созданию фокусирующей геометрии эквипотенциалей электрического поля предпочтительно размещение обращенных к аноду-газораспределителю 11 торцевых поверхностей диэлектрических вставок 9 и 10 в зоне, в пределах которой при работе ускорителя значения радиальной, по отношению к ускорительному каналу, составляющей индукции магнитного поля B_r на воображаемой серединной поверхности ускорительного канала 15 изменяются от значения 0,8 B_rmax до B_rmax, где B_rmax - максимальная величина B_r на указанной серединной поверхности 15 (фиг. 2).

Исходя из конструктивных соображений возможно выполнение канала ускорителя с диэлектрическими вставками 9 и 10, размещенными на противоположных стенках канала, выступающими в радиальном направлении по отношению к внутренней поверхности электропроводящих стенок канала 7 и 8 на как одинаковое, так и различное расстояние. Целесообразно также выполнение, при котором наружная и внутренняя электропроводящие стенки камеры 7 и 8 соединены между собой со стороны анода-газораспределителя 11. Для снижения веса конструкции возможно выполнение электропроводящих участков стенок камеры 7 и 8 из магнитомягкого материала. При этом они образуют магнитный экран, охватывающий анод-газораспределитель 11, и заменяют аналогичный элемент конструкции магнитной системы ускорителя.

С целью снижения давления газа во внутренних полостях ускорителя и тем самым предотвращения электрического пробоя между поверхностями с различным потенциалом соединение электропроводящих участков стенок разрядной камеры 7 и 8 с диэлектрическими вставками 9 и 10 выполнено газонепроницаемым. Для предотвращения возникновения электрических разрядов во внутренних полостях ускорителя внешняя поверхность электропроводящих стенок разрядной камеры 7 и 8 выполнена с плавным пространственным сопряжением образующих ее элементов. С той же целью возможна установка, по меньшей мере, одного дополнительного электропроводящего экрана 13, между внешней поверхностью камеры и ближайшими к ней элементами конструкции ускорителя.

Из конструктивных соображений целесообразно выполнение диэлектрических вставок 9 и 10 из керамических материалов. При этом электропроводящие участки стенок разрядной камеры 7 и 8 соединяются с диэлектрическими вставками с помощью кольцеобразных электропроводящих упругих элементов 16 (фиг. 6 и 7), одна часть каждого из которых опирается (или выполнена как единое целое) на внутреннюю поверхность электропроводящих участков стенок камеры, а другая - на внешнюю поверхность соответствующей диэлектрической вставки.

Ускоритель работает следующим образом. В ускорительном канале разрядной камеры 6 в области полюсов магнитной системы 4 и 5 с помощью источников магнитодвижущей силы 3 создается преимущественно поперечное по отношению к направлению ускорения магнитное поле. В разрядную камеру через анод-газораспределитель 11 (возможны и другие варианты организации подачи газа) подается рабочее вещество в газообразном виде. Разрядное напряжение прикладывается между анодом 11 и катодом 1 и зажигается разряд в потоке рабочего газообразного вещества. Наличие поперечного магнитного поля препятствует свободному движению электронов в продольном электрическом поле от катода к аноду. Взаимодействие электрического и магнитного полей вызывает дрейф электронов в азимутальном направлении. Перемещение электронов к аноду происходит за счет столкновений с тяжелыми частицами и стенками канала и колебательных процессов в плазме. В процессе движения электроны ионизуют атомы рабочего вещества. В образовавшейся плазме за счет приложенного между анодом 11 и катодом 1 напряжения создается электрическое поле, ускоряющее ионы преимущественно в осевом направлении. Часть ионов, ионизовавшихся в области, близкой к аноду-газораспределителю 11, вследствие расфокусирующей топологии электрического поля не покидают канал ускорителя, а выпадают на стенки разрядной камеры 6. Это приводит к росту затрат энергии на рабочий процесс и, как результат, снижение КПД.

Формирование электрического поля в канале УЗДЭ обусловлено в основном азимутальным дрейфом электронов и существованием градиента электронного давления. При этом для современных моделей УЗДЭ с достаточно большим градиентом магнитного поля по длине канала dB_r/dx, на характер распределения потенциала плазмы в области, прилегающей к аноду- газораспределителю 11, преобладающее воздействие оказывает градиент электронного давления. Вследствие этого, в промежутке между анодом и выходным сечением разрядной камеры реализуется максимум потенциала, определяемый самосогласованным электрическим полем (фиг. 2).

Возможными способами управляющего воздействия на формирование самосогласованного электрического поля являются изменения распределения магнитного поля B_r(х) и градиента электронного давления ▽p_e по длине канала. Эффективным способом управления ▽p_e является изменение непосредственно разницы давлений электронов Δp_e по длине разрядной камеры. Варьируя шириной канала у анода, и соответственно, объемом прианодной области, можно управлять концентрацией и давлением электронов. Так, понизив p_e у анода и тем самым увеличив градиент электронного давления, ▽p_e,, можно воздействовать на распределение электрического поля Ex(Ex = -▽Ф_пл) по длине канала. Другим, не менее важным аспектом является роль стенок канала в формировании электрического поля в прианодной области. В прианодной зоне магнитные силовые линии имеют значительную кривизну (фиг. 3), вследствие этого механизм переноса электронов на стенки канала должен быть таким же, что и на анод, а именно поперек магнитного поля. Для современных моделей УЗДЭ характерна плотность ионного тока на стенку в прианодной области j_iст~100 А/м², при плотностях разрядного тока в канале j_p~1000 А/м². Влияние стенки канала на формирование электрического поля выражается в повышенных абсолютных значениях E_ст<0 в направлении стенки и в дефокусирующей структуре электрического поля в прианодной области, качественно показанной на фиг. 4 Поскольку j_iст<j_p, то влияние стенки канала на формирование электрического поля много сильнее влияния анода. Увеличение ширины канала в прианодной области - b_na приведет к уменьшению градиента концентрации электронов в направлении стенки, в результате увеличения характерного размера b_na~ Δг. Это, в свою очередь, должно уменьшить напряженность электрического поля E_ст в направлении стенки канала и улучшить фокусировку ионного потока (фиг. 5). Достоинством предлагаемого решения является снижение интенсивности ионизации атомов рабочего тела в прианодной области, вследствие уменьшения концентрации нейтральных и заряженных частиц, а также уменьшение плотности тепловых потоков на элементы конструкции, что приводит к снижению результирующей цены иона и повышению энергетической эффективности ускорителя.

Положение области расширения канала задается на основе следующих соображений. Так, например, в современных моделях УЗДЭ типа СПД граница зоны ускорения и прианодной зоны разряда с E_x~0 располагается в области 8-12 мм от среза канала. Так как расширение прианодной части должно привести к сужению слоя основного падения потенциала, то целесообразно, чтобы расширение располагалось несколько ближе к срезу канала. Таким образом, при проектировании перспективных моделей ускорителя можно рекомендовать, чтобы расширение совпадало с границей зоны эрозии стенок канала. При этом обращенные к аноду-газораспределителю торцевые поверхности диэлектрических вставок расположены в зоне интенсивного роста радиального магнитного поля в полости канала, где и происходят основные процессы ионизации и ускорения рабочего тела.

Повышение фокусировки ионного потока достигается также и за счет более рациональной организации рабочего процесса в прианодной зоне разрядной камеры 6 при ее уширении. В частности, удается выровнять распределение потенциала в ней и снизить соответствующие потери. Кроме того, можно уменьшить интенсивность колебаний в этой зоне. Эксперименты показывают, что перечисленных эффектов можно добиться, если торцы диэлектрических вставок 9 и 10, обращенные к аноду-газораспределителю 11, в зоне, в пределах которой при работе ускорителя значения радиальной, по отношению к ускорительному каналу, составляющей индукции магнитного поля B_r на воображаемой серединной поверхности ускорительного канала 15 изменяются от значения 0.8 B_rmaxдо B_rmax, где B_rmax - максимальная величина. При этом ширина кольцеобразного канала в области диэлектрических вставок 9 и 10 составляет не более 0.8 ширины канала в области размещения электропроводящих стенок 7 и 8.

Для обеспечения высокой стабильности рабочего процесса в ускорителе и выравнивания параметров плазмы в прианодной зоне разряда наружная 7 и внутренняя 8 электропроводящие стенки выполняются электрически изолированными от элементов конструкции ускорителя. Это позволяет в широком диапазоне интегральных параметров достигать высокой эффективности работы ускорителя. Однако в практике эксплуатации УЗДЭ часто необходимо обеспечивать его функционирование в ограниченном диапазоне параметров (так называемой рабочей точке). В последнем случае целесообразно выполнение, при котором наружная 7 и внутренняя 8 электропроводящие стенки соединены между собой со стороны анода-газораспределителя. Возможно даже в отдельных случаях электрическое соединение данных стенок с анодом-газораспределителем.

Основным процессом, определяющим ресурс ускорителя, является эрозия выходных кромок стенок разрядной камеры 6 под действием выпадающих на них ускоренных ионов. Известно, что интегральные характеристики УЗДЭ во многом определяются топологией магнитного поля в ускорительном канале и остаются стабильными даже при значительном уширении выходной части разрядной камеры в результате ионного распыления. Заметное ухудшение характеристик наблюдается лишь при полном распылении стенок разрядной камеры в межполюсном зазоре и значительном распылении полюсов 4 и 5 магнитной системы. Происходящее при этом отклонение топологии магнитного поля от оптимальных значений и является причиной указанного ухудшения. В устройстве-прототипе выходные кромки разрядной камеры выполнены из электропроводящего материала, обладающего, как правило, слабой стойкостью к ионному распылению по сравнению с керамическими материалами. Установка на выходных участках стенок разрядной камеры колец 9 и 10 из диэлектрического материала с повышенной стойкостью к распылению ускоренными ионами позволит увеличить ресурс работы ускорителя. Предлагаемое конструктивное решение для разрядной камеры УЗДЭ с уширенным каналом при выполнении по традиционной технологии целиком из керамических материалов должно существенно увеличить вес конструкции. При выборе материала стенок разрядной камеры для УЗДЭ обычно исходят из возможности обеспечения высокой стойкости к термическим ударам и распылению ускоренными ионами. Наибольшей стойкостью к ионному распылению обладают керамики на основе окиси алюминия, но их недостаточная термическая прочность обычно приводит к быстрому растрескиванию под воздействием тепловых ударов, происходящих при запуске ускорителя. Авторам известно о возможности изготовления относительно узких колец из материалов на основе окиси алюминия, обладающих удовлетворительной термической прочностью. Установка таких колец на выходе разрядной камеры позволит более чем в три раза повысить ресурс УЗДЭ.

Исходя из особенностей реального конструирования при реализации изобретения возможно выполнение диэлектрических вставок, размещенных на противоположных стенках канала, выступающими в радиальном направлении по отношению к внутренней поверхности электропроводящих стенок канала как на одинаковое, так и на различные расстояния. При этом, как показывает опыт, не наблюдается существенных отклонений в рабочем процессе в ускорителе.

Для управления топологией магнитного поля и снижения веса конструкции возможно выполнение электропроводящих участков стенок камеры 7 и 8 из магнитомягкого материала. При этом за счет перепускания через них части магнитного потока, проходящего в зазоре между полюсами магнитной системы, обеспечивается высокий градиент магнитного поля в ускорительном канале и тем самым высокая эффективность УЗДЭ. В данном случае участки стенок камеры 7 и 8 образуют магнитный экран, охватывающий анод-газораспределитель, и заменяют аналогичный элемент магнитной системы ускорителя.

С целью снижения веса целесообразно изготавливать разрядную камеру за исключением выходных участков целиком из, например, металла или композиционного электропроводящего материала. При этом необходимо учитывать, что потенциал электропроводящих стенок при работе ускорителя будет близким к потенциалу анода, а потенциал окружающих камеру конструктивных элементов ускорителя будет близким к катодному. Для предотвращения возникновения электрических разрядов во внутренних полостях ускорителя необходимо устранить факторы, способствующие возникновения пробоя. Источником первичных электронов являются острые кромки электропроводящих элементов. Для борьбы с этим внешняя поверхность стенок разрядной камеры должна быть выполнена с плавным пространственным сопряжением образующих ее элементов. С целью повышения электрической прочности возможна также установка, по меньшей мере, одного дополнительного электропроводящего экрана 13, между внешней поверхностью камеры и ближайшими к ней элементами конструкции ускорителя. При этом экран выполняется эквидистантным наружным стенкам разрядной камеры с постоянным зазором относительно последних, выбираемых из условия отсутствия возможности возникновения пробоя. С целью снижения давления во внутренних полостях ускорителя соединение электропроводящих участков стенок разрядной камеры с диэлектрическими вставками должно выполняться газонепроницаемым. Как уже отмечалось выше, из конструктивных соображений целесообразно выполнение диэлектрических вставок из керамики. При этом соединение керамики с электропроводящими участками стенок разрядной камеры должно выполняться таким образом, чтобы не происходило разрушения керамики под действием напряжений, возникающих в результате разности термических коэффициентов расширения при запуске ускорителя. Поскольку при воплощении предлагаемой конструкции практически невозможно подобрать электропроводящий и диэлектрический материал с одинаковыми коэффициентами расширения, то предлагается реализовать фиксацию диэлектрических вставок с помощью кольцеобразных электропроводящих упругих элементов 16 (фиг. 6), одна часть каждого из которых опирается на внутреннюю поверхность электропроводящих участков стенок камеры, а другая - на внешнюю поверхность соответствующей диэлектрической вставки. Возможно выполнение элемента 16 как единого целого с электропроводящими участками 7 и 8 (фиг. 7).

Эксперименты показали, что при оптимальном положении и длине вставок 9 и 10 удается получить повышение тягового КПД на 5-10% при его исходном уровне 40-50%, снижение линейных скоростей износа не менее чем в два раза, уменьшение β_0,95 примерно в полтора раза.

Таким образом, реализация предложенной конструктивной схемы ускорителя позволит значительно повысить ресурс и тяговую эффективность плазменных ускорителей типа УЗДЭ, снизить расходимость его струи.

Claims (12)

1. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным ускорительным каналом, образованным коаксиальными наружной и внутренней стенками, выполненными из электропроводящего материала и изолированными от остальных элементов конструкции, магнитную систему по меньшей мере с одним источником магнитодвижущей силы, магнитопроводом, наружным и внутренним магнитными полюсами, образующими межполюсный зазор, в котором размещены выходные участки стенок камеры, выполненные из диэлектрического материала, анод-газораспределитель, расположенный в полости канала на расстоянии от его выходного сечения, превышающем ширину кольцеобразного канала, и катод-компенсатор, установленный за выходным сечением канала, отличающийся тем, что ширина кольцеобразного канала в области диэлектрических вставок составляет не более 0,8 от ширины канала в области размещения электропроводных стенок, при этом обращенные к аноду-газораспределителю торцевые поверхности диэлектрических вставок расположены в зоне интенсивного роста радиального магнитного поля в полости канала.

2. Плазменный ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что обращенные к аноду-газораспределителю торцевые поверхности диэлектрических вставок расположены в зоне, в пределах которой при работе ускорителя значения радиальной по отношению к ускорительному каналу составляющей индукции магнитного поля B_r на воображаемой серединной поверхности ускорительного канала изменяются от значения 0,8B_rmax до B_rmax, где B_rmax - максимальная величина B_r на указанной срединной поверхности.

3. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что наружная и внутренняя электропроводящие стенки соединены между собой со стороны анода-газораспределителя.

4. Плазменный ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что наружная и внутренняя электропроводящие стенки электрически соединены между собой и с анодом-газораспределителем.

5. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что электропроводные участки стенок камеры выполнены из магнитомягкого материала и образуют магнитный экран.

6. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что диэлектрические вставки, размещенные на противоположных стенках канала, выступают в радиальном направлении по отношению к внутренней поверхности электропроводных стенок канала на одинаковое расстояние.

7. Плазменный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что диэлектрические вставки, размещенные на противоположных стенках канала, выступают в радиальном направлении по отношению к внутренней поверхности электропроводных стенок канала на различное расстояние.

8. Плазменный ускоритель по пп.1 - 7, отличающийся тем, что внешняя поверхность стенок разрядной камеры выполнена с плавным пространственным сопряжением образующих ее элементов.

9. Плазменный ускоритель по пп.1 - 8, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере один дополнительный электропроводящий экран, установленный между внешней поверхностью камеры и ближайшими к ней элементами конструкции.

10. Плазменный ускоритель по пп.1 - 9, отличающийся тем, что соединение электропроводных участков стенок разрядной камеры с диэлектрическими вставками выполнено газонепроницаемым.

11. Плазменный ускоритель по пп.1 - 10, отличающийся тем, что диэлектрические вставки выполнены из керамики.

12. Плазменный ускоритель по пп.1 - 11, отличающийся тем, что электропроводные участки стенок разрядной камеры соединены с диэлектрическими вставками с помощью кольцеобразных электропроводных упругих элементов, одна часть каждого из которых опирается на внутреннюю поверхность электропроводных участков стенок камеры, а другая - на внешнюю поверхность соответствующей диэлектрической вставки.

Images