RU2188337C2 - Closed electron drift plasma jet engine - Google Patents
Closed electron drift plasma jet engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2188337C2 RU2188337C2 RU2000118657A RU2000118657A RU2188337C2 RU 2188337 C2 RU2188337 C2 RU 2188337C2 RU 2000118657 A RU2000118657 A RU 2000118657A RU 2000118657 A RU2000118657 A RU 2000118657A RU 2188337 C2 RU2188337 C2 RU 2188337C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- compensator
- main
- engine
- cathodes
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области космической техники, а именно к электрореактивным двигательным установкам, и может быть использовано в стационарных плазменных двигателях и двигателях с анодным слоем, а также в области прикладного применения плазменных ускорителей. The invention relates to the field of space technology, namely to electric propulsion systems, and can be used in stationary plasma engines and engines with an anode layer, as well as in the field of application of plasma accelerators.
Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий катодный блок с катодами-компенсаторами, анодный блок с анодом, причем катоды-компенсаторы размещены по одну строну анодного блока [1]. Known plasma engine with a closed electron drift containing a cathode block with cathode-compensators, anode block with an anode, and the cathode-compensators are placed on one side of the anode block [1].
Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий основной и резервный катод-компенсатор, каждый из которых содержит поджигной электрод, анодный блок с анодом, причем основной и резервный катоды-компенсаторы размещены по одну строну анодного блока [2]. Known plasma engine with a closed electron drift, including the main and backup cathode-compensator, each of which contains a firing electrode, anode block with an anode, and the main and backup cathode-compensators are placed on one side of the anode block [2].
Конструкция известных двигателей имеет существенные недостатки:
- пониженные ресурс и надежность из-за повышенной эрозии резервного катода-компенсатора при функционировании основного катода-компенсатора;
- загрязнение продуктами эрозии элементов катода-компенсатора поверхностей космического аппарата (КА) в процессе выработки ресурса.The design of the known engines has significant disadvantages:
- reduced resource and reliability due to increased erosion of the backup cathode-compensator during the operation of the main cathode-compensator;
- contamination by products of erosion of the elements of the cathode-compensator of the surfaces of the spacecraft (SC) in the process of developing a resource.
В стационарных плазменных двигателях снижение вероятности отказа при работе и повышение его надежности достигается путем резервирования наиболее критичных элементов, в частности катода-компенсатора. Для этого в состав двигателя вводят дополнительный катод-компенсатор, который находится в резерве при работе основного катода-компенсатора. По завершении выработки ресурса или в случае отказа основного катода-компенсатора подключается резервный. In stationary plasma engines, a reduction in the probability of failure during operation and an increase in its reliability is achieved by backing up the most critical elements, in particular a compensating cathode. To do this, an additional compensator cathode is introduced into the engine, which is in reserve during operation of the main compensator cathode. Upon completion of the development of the resource or in case of failure of the main cathode-compensator, a backup one is connected.
При работе стационарных плазменных двигателей струя ускоренного ионного потока за срезом разрядной камеры представляет собой конус с полууглом 40... 45o, в котором сосредоточено около 90% всех ускоренных ионов [3]. Истечение ускоренного ионного потока происходит с одновременной закруткой его в азимутальном направлении. Эффект закрутки при этом зависит от направления протекания электрического тока в источниках намагничивающей силы магнитной системы. В известных двигателях резервный катод-компенсатор расположен первым в направлении азимутальной закрутки ускоренных ионов, а основной катод-компенсатор - вторым. Такое размещение катодов-компенсаторов приводит к тому, что в процессе функционирования двигателя с основным катодом-компенсатором резервный катод-компенсатор подвержен эрозии более высокой, чем эрозия основного катода-компенсатора в процессе выработки ресурса [4]. В первую очередь ионной бомбардировке подвергается резервный катод-компенсатор, как катод, размещенный первым в направлении азимутальной закрутки ускоренного потока плазмы. При таком размещении катодов резервирование является слабо эффективным, так как неработающий резервный катод подвергается сильной эрозии, при работе двигателя на основном катоде, с последующим разрушением деталей, причем еще до своего начала функционирования с двигателем.When stationary plasma engines are in operation, the accelerated ion stream jet behind a section of the discharge chamber is a cone with a half-angle of 40 ... 45 o , in which about 90% of all accelerated ions are concentrated [3]. The expiration of the accelerated ion flux occurs with its simultaneous swirling in the azimuthal direction. The swirl effect in this case depends on the direction of flow of electric current in the sources of the magnetizing force of the magnetic system. In known engines, the backup cathode-compensator is located first in the direction of the azimuthal swirl of accelerated ions, and the main cathode-compensator is second. This arrangement of compensator cathodes leads to the fact that, during the operation of the engine with the main compensator cathode, the backup compensator cathode is subject to higher erosion than the erosion of the main compensator cathode during the development of the resource [4]. First of all, the backup cathode-compensator is subjected to ion bombardment, as the cathode placed first in the direction of the azimuthal swirl of the accelerated plasma flow. With this arrangement of cathodes, redundancy is poorly effective, since an idle backup cathode undergoes severe erosion when the engine is operating on the main cathode, followed by the destruction of parts, even before it starts functioning with the engine.
Кроме того, дополнительными факторами повышенной эрозии неработающего резервного катода-компенсатора могут быть наличие расхода рабочего тела в резервный катод и потенциала на нем при работе двигателя на основном катоде, например, при существовании электрической и пневматической связях с основным катодом-компенсатором. Электрическая связь обоих катодов-компенсаторов обусловлена объединением электрических цепей поджигных электродов и собственно катодов. Пневматическая связь в известных двигателях обусловлена наличием перетекания рабочего газа из магистрали подачи рабочего газа к основному катоду-компенсатору в магистраль питания резервного катода-компенсатора через анодные дроссельные устройства за счет наличия противотока. При условиях, когда в резервный катод-компенсатор поступает малый расход рабочего газа и имеется плазма от работающего двигателя, на выходе резервного катода-компенсатора образуется слабый тлеющий разряд. В результате этого поджигающие электроды обоих катодов-компенсаторов оказываются в зонах с различными потенциалами плазмы. Совокупность перечисленных факторов вовлекает резервный катод-компенсатор, при неоптимальных режимах его функционирования, во взаимодействие с ускоренным потоком ионов, усиливая тем самым собственную скорость эрозии по сравнению со скоростью эрозии основного катода-компенсатора. In addition, additional factors of increased erosion of the idle backup cathode-compensator may be the presence of the flow of the working fluid into the reserve cathode and the potential on it when the engine is operating on the main cathode, for example, when there are electrical and pneumatic connections with the main cathode-compensator. The electrical connection of both cathode-compensators is due to the combination of electric circuits of the ignition electrodes and the cathodes themselves. Pneumatic communication in known engines is caused by the flow of working gas from the working gas supply line to the main cathode-compensator to the supply line of the backup cathode-compensator through the anode chokes due to the presence of counterflow. Under conditions when a low flow rate of the working gas enters the backup cathode-compensator and there is plasma from the working engine, a weak glow discharge is formed at the output of the backup cathode-compensator. As a result, the ignition electrodes of both compensator cathodes are in zones with different plasma potentials. The combination of these factors involves a backup cathode-compensator, at non-optimal modes of its functioning, in interaction with an accelerated ion flow, thereby enhancing the intrinsic erosion rate compared to the erosion rate of the main compensator cathode.
Образовавшиеся продукты эрозии элементов катодов-компенсаторов распыляются струей ускоренного плазменного потока, а затем осаждаются на различных поверхностях как двигателя, так и самого КА. При этом происходит деградация основных свойств материалов и поверхностей. Так, например, для некоторых элементов будет изменяться степень черноты поверхности, а значит будет изменяться тепловой баланс работы данных узлов и блоков по сравнению с заложенным при их разработке и наземной отработке. Попадая же на изоляционные поверхности продукты эрозии (в основном металлы) будут образовывать токопроводящие пленочные покрытия, приводящие к снижению электрической изоляции между различными электрическими цепями. А при осаждении металлических компонентов на поверхностях солнечных батарей КА приведет к ухудшению оптических свойств и, как следствие, снижению кпд солнечных батарей. The resulting erosion products of the elements of the cathode-compensators are sprayed with an accelerated plasma stream, and then deposited on various surfaces of both the engine and the spacecraft itself. In this case, the basic properties of materials and surfaces are degraded. So, for example, the degree of surface blackness will change for some elements, which means that the thermal balance of the operation of these nodes and blocks will change as compared to those laid down during their development and ground mining. If erosion products (mainly metals) fall on insulating surfaces, they will form conductive film coatings, leading to a decrease in electrical insulation between different electrical circuits. And during the deposition of metal components on the surfaces of solar cells, the spacecraft will lead to a deterioration in optical properties and, as a result, a decrease in the efficiency of solar cells.
Задачей изобретения является снижение эрозии резервного катода-компенсатора и повышение эффективности его использования при длительном ресурсе и, как следствие, повышение надежности и ресурса работы двигателя в процессе его эксплуатации. The objective of the invention is to reduce the erosion of the backup cathode-compensator and increase the efficiency of its use with a long resource and, as a result, increase the reliability and service life of the engine during its operation.
Это достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, включающим по меньшей мере один основной и один резервный катод-компенсатор, каждый из которых содержит поджигной электрод, анодный блок с анодом, причем основной и резервный катоды-компенсаторы размещены по одну строну анодного блока, согласно изобретению основной катод-компенсатор расположен первым в направлении азимутальной закрутки ускоренных ионов, а резервный катод-компенсатор - вторым. Геометрическая ось каждого катода-компенсатора расположена в одной плоскости с геометрической осью двигателя. Поджигные электроды и собственно катоды основного и резервного катодов-компенсаторов электрически изолированы друг от друга. Основной и резервный катоды-компенсаторы пневматически изолированы друг от друга. This is achieved by the fact that in a plasma engine with a closed electron drift, including at least one main and one backup cathode-compensator, each of which contains a firing electrode, an anode block with an anode, and the main and reserve cathode-compensators are placed on one side of the anode block, according to the invention, the main cathode-compensator is located first in the direction of the azimuthal swirl of accelerated ions, and the backup cathode-compensator is second. The geometric axis of each cathode-compensator is located in the same plane as the geometric axis of the motor. The ignition electrodes and the cathodes of the main and backup cathodes-compensators themselves are electrically isolated from each other. The main and backup cathode-compensators are pneumatically isolated from each other.
Задача по повышению надежности и ресурса двигателя решена за счет снижения эрозии резервного катода-компенсатора и повышения эффективности его использования в процессе работы двигателя при помощи оптимального расположения катодов-компенсаторов относительно азимутальной закрутки ускоренного потока плазмы. Оптимальное расположение катодов-компенсаторов достигается за счет их определенного размещения в зависимости от направления азимутальной закрутки ионов, а именно: основной катод-компенсатор, работающий с начала ресурсной наработки двигателя, располагается первым в направлении азимутальной закрутки ускоренного ионного потока; резервный катод-компенсатор, подключаемый при потере работоспособности основного, располагается вторым. Таким образом одновременно снижаются скорости эрозии как самого основного катода-компенсатора во время его работы, так и резервного катода-компенсатора до начала его применения по назначению. The task of increasing the reliability and resource of the engine was solved by reducing the erosion of the backup cathode-compensator and increasing the efficiency of its use in the process of the engine using the optimal location of the cathode-compensators relative to the azimuthal swirl of the accelerated plasma flow. The optimal location of the compensator cathodes is achieved due to their specific location depending on the direction of the azimuthal swirl of ions, namely: the main cathode-compensator, operating from the beginning of the engine’s operating life, is located first in the direction of the azimuthal swirl of the accelerated ion flow; the backup cathode-compensator, connected when the primary one is lost, is located second. Thus, at the same time, the erosion rates of both the main compensator cathode during its operation and the backup compensator cathode are reduced before its intended use.
Задача по дополнительному снижению эрозии резервного катода-компенсатора решена за счет расположения геометрических осей каждого катода-компенсатора в одной плоскости с геометрической осью двигателя. В таком положении торцевая поверхность катода-компенсатора оказывается касательной к конусообразной поверхности ускоренного ионного потока. При этом вся торцевая поверхность оказывается вне прямого воздействия бомбардировки ионами и скорость эрозии будет минимальна. The task of further reducing the erosion of the backup cathode-compensator is solved by the location of the geometric axes of each cathode-compensator in the same plane with the geometric axis of the motor. In this position, the end surface of the cathode-compensator is tangent to the conical surface of the accelerated ion flow. In this case, the entire end surface is outside the direct influence of ion bombardment and the erosion rate will be minimal.
Задача по снижению загрязняющего воздействия на окружающие элементы КА решена за счет снижения массы продуктов распыления (в основном металлов) в ускоренном потоке плазмы и последующего их осаждения на различных поверхностях. Существенное снижение скорости эрозии при этом достигается при помощи рационального размещения катодов-компенсаторов с ориентацией их геометрических осей на геометрическую ось двигателя. The problem of reducing the polluting effect on the surrounding spacecraft elements was solved by reducing the mass of the sputtering products (mainly metals) in the accelerated plasma flow and their subsequent deposition on various surfaces. A significant reduction in erosion rate is achieved by rational placement of compensating cathodes with orientation of their geometric axes to the geometric axis of the engine.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен предлагаемый плазменный двигатель со стороны ускоренного потока плазмы, на котором условно показаны направление азимутальной закрутки ускоренных ионов и "плазменный мост", который образуется при взаимодействии работающего катода-компенсатора с анодом двигателя при его работе; на фиг.2 изображен предлагаемый плазменный двигатель со стороны ускоренного потока плазмы, на котором геометрические оси соответствующих катодов-компенсаторов сориентированы на геометрическую ось двигателя. The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows the proposed plasma engine from the side of the accelerated plasma flow, which conventionally shows the direction of the azimuthal swirl of accelerated ions and the "plasma bridge", which is formed when the working cathode-compensator interacts with the anode of the engine during its operation; figure 2 shows the proposed plasma engine from the side of the accelerated plasma flow, on which the geometric axis of the respective cathode-compensators are oriented to the geometric axis of the engine.
Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит основной 1 и резервный 2 катоды-компенсаторы с соответствующими поджигными электродами и геометрическими осями 5 и 6, анодный блок 3 с анодом 4 с геометрической осью двигателя 8. The plasma engine with a closed electron drift contains the main 1 and
Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.
Запуск двигателя осуществляется путем электрического запитывания анодного блока 3 и подачи импульса на поджигной электрод основного катода-компенсатора 1. Одновременно с этим производится подача рабочего газа в основной катод-компенсатор 1 и анод 4. В анодном блоке 3 газ ионизируется и ускоряется в скрещенных полях. Ускоренный ионный поток на выходе из анодного блока компенсируется при помощи основного катода-компенсатора 1. В процессе функционирования между основным катодом-компенсатором 1 и анодом 4 образуется "плазменный мост", который под влиянием азимутальной закрутки ионного потока огибает резервный катод-компенсатор 2 и устремляется к аноду 4. Такая сложная пространственная конфигурация "плазменного моста" при работе двигателя играет функцию рассеивателя, расположенного на пути воздействующего ускоренного потока ионов на оба катода, который за счет столкновительных процессов плазмы рассеивает большую часть ионного потока, тем самым ослабляя его бомбардирующее воздействие. После выработки ресурса основного катода-компенсатора 1 или его отказа в работу двигателя подключается резервный катод-компенсатор 2. На его поджигной электрод подают импульс поджига, а во внутренний тракт подают рабочий газ. Дальнейшее функционирование двигателя аналогично работе с основным катодом-компенсатором 1.The engine is started by electrically energizing the
Источники информации
1. Патент РФ 2024785, кл. 5 Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00.Sources of information
1. RF patent 2024785, cl. 5 H 05 H 1/54, F 03 H 1/00.
2. Day, M., et. al., "SPT-100 Life Test with Single Cathode up to Total Impulse Two Million N*Sec", AIAA-98-3790, 34th Joint Propulsion Conference, Cleveland, 1998, Fig. 2, 18, 20 - прототип.2. Day, M., et. al., "SPT-100 Life Test with Single Cathode up to Total Impulse Two Million N * Sec", AIAA-98-3790, 34 th Joint Propulsion Conference, Cleveland, 1998, Fig. 2, 18, 20 - prototype.
3. Kozubsky, К. , et al, "Plume Study of Multimode Thruster SPT-140", IEPC-99-073, 26th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999, Fig. 5-8.3. Kozubsky, K., et al, "Plume Study of Multimode Thruster SPT-140", IEPC-99-073, 26 th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999, Fig. 5-8.
4. Garner, С., et. al., "Cyclic Endurance Test of a SPT-100 Stationary Plasma Thruster", 3rd Russian-German Conference on Electric Propulsion Engines and Their Technical applications, Stuttgart, Germany, 1994, Fig. 17-22.4. Garner, S., et. al., "Cyclic Endurance Test of a SPT-100 Stationary Plasma Thruster", 3 rd Russian-German Conference on Electric Propulsion Engines and Their Technical applications, Stuttgart, Germany, 1994, Fig. 17-22.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000118657A RU2188337C2 (en) | 2000-07-12 | 2000-07-12 | Closed electron drift plasma jet engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000118657A RU2188337C2 (en) | 2000-07-12 | 2000-07-12 | Closed electron drift plasma jet engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2188337C2 true RU2188337C2 (en) | 2002-08-27 |
Family
ID=20237826
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000118657A RU2188337C2 (en) | 2000-07-12 | 2000-07-12 | Closed electron drift plasma jet engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2188337C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105065221A (en) * | 2015-07-16 | 2015-11-18 | 兰州空间技术物理研究所 | Novel four-cathode ion thruster |
RU2610162C2 (en) * | 2011-12-29 | 2017-02-08 | Онера (Оффис Насьональ Д'Этюд Э Де Решерш Аэроспасьяль) | Plasma engine and method of generating actuating plasma traction |
-
2000
- 2000-07-12 RU RU2000118657A patent/RU2188337C2/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
DAY, M. et al. "SPT-100 Life Test with Single Cathode up to Total Impulse Two Million N.Sec", AIAA -98-3790, 34 th , Joint Propulsion Conference, Cleveland, 1998, Fig.2,18,20. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2610162C2 (en) * | 2011-12-29 | 2017-02-08 | Онера (Оффис Насьональ Д'Этюд Э Де Решерш Аэроспасьяль) | Plasma engine and method of generating actuating plasma traction |
CN105065221A (en) * | 2015-07-16 | 2015-11-18 | 兰州空间技术物理研究所 | Novel four-cathode ion thruster |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3083561B2 (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
Polk et al. | A theoretical analysis of vacuum arc thruster and vacuum arc ion thruster performance | |
JP4902926B2 (en) | Plasma accelerator | |
EP0505327B1 (en) | Electron cyclotron resonance ion thruster | |
US4452686A (en) | Arc plasma generator and a plasma arc apparatus for treating the surfaces of work-pieces, incorporating the same arc plasma generator | |
US5369953A (en) | Three-grid accelerator system for an ion propulsion engine | |
US8944385B2 (en) | Device for reducing the impact on a surface section by positively charged ions, and ion accelelerator arrangement | |
US5656819A (en) | Pulsed ion beam source | |
CN115898802A (en) | Hall thruster, space equipment comprising Hall thruster and using method of Hall thruster | |
TWI778706B (en) | Vacuum cathode arc-induced pulsed thruster | |
RU2188337C2 (en) | Closed electron drift plasma jet engine | |
RU2270491C2 (en) | High-frequency neutron source such as neutralizer | |
US4471224A (en) | Apparatus and method for generating high current negative ions | |
CN115681060B (en) | Hall thruster, space equipment and using method of space equipment | |
Piragino et al. | Experimental characterization of a 5 kW magnetically-shielded Hall thruster | |
US20090314952A1 (en) | Ion source for generating negatively charged ions | |
Herman et al. | Status of the NEXT ion thruster long-duration test after 10,100 h and 207 kg demonstrated | |
US6396211B1 (en) | Microwave discharge type electrostatic accelerator having upstream and downstream acceleration electrodes | |
US11540381B1 (en) | High propellant throughput hall-effect thrusters | |
RU2088802C1 (en) | Hall motor | |
Clauss et al. | Preliminary study of possibility to ensure large enough lifetime of SPT operating under increased powers | |
RU2188521C2 (en) | Plasma-jet engine with closed-circuit electron drift | |
Ashkenazy et al. | Low power scaling of Hall thrusters | |
Despeyroux et al. | Comparison of collision-induced dissociation and surface-induced dissociation mass spectra of peptides obtained using a four-sector mass spectrometer | |
Herman et al. | Performance Characteristics of the NEXT Long-Duration Test After 16,550 h of Operation and 337 kg of Xenon Processed |