RU2351800C1

RU2351800C1 - Magnetoplasmadynamic engine and method of its operation

Info

Publication number: RU2351800C1
Application number: RU2007129605/06A
Authority: RU
Inventors: Валерий Георгиевич Островский (RU); Валерий Георгиевич Островский
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2009-04-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to electrical rocket engines. The proposed magnetoplasmadynamic engine incorporates anode, neutral insert, isolators, mounting flange, cathode-evaporator furnished with multi-strip cathode, evaporator of lithium, tank with barium-based activator and heater. The aforesaid ring-shaped tank is made from refractory metal and envelopes the heater and evaporator of lithium. It houses a high-porosity insert impregnated with activating substance. One end face of the said tank is coupled with the mounting flange and, with the other one, is tightly jointed to the cathode evaporator of lithium. Note here that the tank wall communicating with the cathode inner space features metered orifices arranged regularly along the circumference. The method of operating the aforesaid engine consisting in measuring discharge current and working fluid flow rate values and keeping them constant, additionally comprises measuring the voltage between cathode and neutral insert. Given a 12% to 15% increase in the said voltage, the cathode heater is switched on.

EFFECT: simpler design, reduced weight.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).The present invention relates to the field of electric rocket engines (ERE).

Магнитоплазмодинамический двигатель (МПДД), в России его также называют торцевым сильноточным двигателем (ТСД), обладает рядом преимуществ по отношению к другим типам ЭРД: он имеет наиболее высокую плотность тяги (отношение тяги к площади максимального поперечного сечения двигателя), высокую электрическую мощность единичного модуля в сочетании с высокими достижимыми значениями тяги, удельного импульса и КПД и обладает возможностью непосредственной стыковки с космической энергоустановкой (без использования преобразователя напряжения энергоустановки).The magnetoplasma dynamic engine (MTDD), also called the high-current face engine (TSD) in Russia, has several advantages in relation to other types of electric propulsion: it has the highest thrust density (the ratio of thrust to the maximum cross-sectional area of the engine), high electrical power of a single module in combination with high achievable values of thrust, specific impulse and efficiency and has the ability to directly dock with a space power plant (without using a voltage converter power plants).

Известен МПДД [1], работающий на литии, включающий многополосной катод, нагреватель, анод, системы подачи лития и охлаждения. Для поддержания постоянной величины тяги в таком двигателе поддерживают постоянными ток разряда и расход лития. Значительным недостатком этого двигателя является функционирование его лишь в течение десятков часов.Known MTDD [1], operating on lithium, including a multiband cathode, heater, anode, lithium supply and cooling systems. To maintain a constant thrust in such an engine, the discharge current and lithium consumption are kept constant. A significant drawback of this engine is its functioning only for tens of hours.

Также известен МПДД [2], принятый за прототип, содержащий анод, нейтральную вставку, изоляторы, монтажный фланец, катод-испаритель, снабженный многополостным катодом, испарителем лития, емкостью активирующего вещества на основе бария и нагревателем. Емкость активирующего вещества в виде ампулы размещена в полости катода-испарителя. Такой двигатель на мощности до 500 кВт отработал около 500 часов.Also known MTDD [2], adopted for the prototype, containing the anode, neutral insert, insulators, mounting flange, cathode-evaporator, equipped with a multi-cavity cathode, a lithium evaporator, a barium-based activating agent capacity and a heater. The capacity of the activating substance in the form of an ampoule is placed in the cavity of the cathode-evaporator. Such an engine with a power of up to 500 kW worked for about 500 hours.

При работе МПД двигателя рабочее тело (литий) от специальной системы подачи и дозировки подается в жидком состоянии с заданным расходом (при мощности 500 кВт расход лития равен ~0,3-0,35 г/c) в нагретый до температуры 1000°С катод-испаритель, после которого пар лития ионизируется в каналах многополостного катода и поступает в разрядный промежуток. Образовавшаяся плазма ускоряется в собственном магнитном поле сильноточного дугового разряда. При этом измеряют и поддерживают постоянными величину тока разряда и расход рабочего тела (лития), что позволяет поддерживать номинальный режим работы двигателя. Использование активирующего вещества на основе бария в многополостных катодах МПДД позволяет снизить температуру катода с 3000-3100К до 1730-1750К, т.е. на несколько порядков уменьшить скорость эрозии вольфрама. Испытания показали, что при этом скорость уноса бария мала и составляет лишь ~0,1-0,5% от величины расхода лития. Учитывая, что размеры катода-испарителя не позволяют разместить во внутренней полости катода ампулу объемом более 150-200 см³, такого запаса бария хватает примерно на 500 часов. Необходимый ресурс двигателя должен на порядок превышать эту величину.During the operation of the MTD engine, the working fluid (lithium) from a special supply and dosage system is supplied in a liquid state with a given flow rate (at a power of 500 kW, the lithium flow rate is ~ 0.3-0.35 g / s) into a cathode heated to a temperature of 1000 ° C - an evaporator, after which lithium vapor is ionized in the channels of a multi-cavity cathode and enters the discharge gap. The resulting plasma is accelerated in the intrinsic magnetic field of a high-current arc discharge. At the same time, the discharge current and the flow rate of the working fluid (lithium) are measured and maintained constant, which makes it possible to maintain the nominal operating mode of the engine. The use of an activating substance based on barium in multi-cavity MTDD cathodes makes it possible to reduce the cathode temperature from 3000-3100K to 1730-1750K, i.e. reduce the rate of tungsten erosion by several orders of magnitude. Tests have shown that the barium ablation rate is low and amounts to only ~ 0.1-0.5% of the lithium consumption rate. Considering that the dimensions of the evaporator cathode do not allow to place an ampoule with a volume of more than 150-200 cm ³ in the inner cavity of the cathode, such a supply of barium is enough for about 500 hours. The required engine life should be an order of magnitude higher than this value.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение ресурса работы МПДД.The task of the invention is to increase the life of the MTDD.

Поставленная задача решается тем, что в магнитоплазмодинамическом двигателе, содержащем анод, нейтральную вставку, изоляторы, монтажный фланец, катод-испаритель, снабженный многополостным катодом, испарителем лития, емкостью активирующего вещества на основе бария и нагревателем, емкость активирующего вещества выполнена кольцеобразной формы из тугоплавкого металла и охватывает нагреватель и испаритель лития, внутри емкости расположен пористый вкладыш с высокой пористостью, пропитанный активирующим веществом, одним торцом емкость состыкована с монтажным фланцем, а другим герметично соединена с катодом и корпусом испарителя лития, при этом в стенке емкости, сообщающейся с внутренней полостью катода, выполнены равномерно расположенные по окружности калиброванные отверстия.The problem is solved in that in a magnetoplasma-dynamic engine containing an anode, a neutral insert, insulators, a mounting flange, a cathode-evaporator equipped with a multi-cavity cathode, a lithium vaporizer, a barium-based activating agent tank and a heater, the activating substance container is made of a ring-shaped refractory metal and covers the heater and lithium evaporator, inside the container there is a porous liner with high porosity, impregnated with an activating substance, one end of the container with docked to the mounting flange, and another hermetically connected to the cathode and the housing of the lithium evaporator, while in the wall of the vessel communicating with the internal cavity of the cathode, calibrated holes are uniformly spaced around the circumference.

Поставленная задача также решается тем, что в способе работы магнитоплазмодинамического двигателя, включающем измерение и поддержание постоянными величин тока разряда и расхода рабочего тела, дополнительно измеряют напряжение между катодом и нейтральной вставкой и при увеличении его на 12-15% включают нагреватель катода.The problem is also solved by the fact that in the method of operation of the magnetoplasma dynamic engine, which includes measuring and maintaining constant values of the discharge current and the flow rate of the working fluid, the voltage between the cathode and the neutral insert is additionally measured and, when it is increased by 12-15%, the cathode heater is turned on.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение и снижение веса двигательной установки, так как для увеличения ресурса работы не требуется специальной автономной системы подачи активирующего вещества на основе бария.The technical result of the invention is to simplify and reduce the weight of the propulsion system, since to increase the service life does not require a special autonomous system for supplying an activating substance based on barium.

На чертеже представлена конструкция предлагаемого МПДД.The drawing shows the design of the proposed MTDD.

МПДД состоит из анода 1, нейтральной вставки 2, изоляторов 3, управляющего соленоида 4, монтажного фланца 5, многополостного катода 6, испарителя лития 7 и нагревателя 8. Емкость активирующего вещества 9 выполнена из тугоплавкого металла и имеет кольцевую форму, охватывая нагреватель 8 и испаритель лития 7. Во внутренней полости емкости 9 расположен пористый вкладыш 10 с высокой пористостью (выше 50%), пропитанный активирующим веществом на основе бария. Со стороны одного торца емкость 9 состыкована с монтажным фланцем 5 и прикреплена к нему, а с другой стороны - герметично соединена с катодом 6 и корпусом испарителя лития 7, причем в стенке емкости 9, сообщающейся с внутренней полостью катода 6, выполнены равномерно расположенные по окружности калиброванные отверстия 11. Анод 1, управляющий соленоид 4, нейтральная вставка 2 и катод-испаритель, прикрепленный к монтажному фланцу 5, соединены с помощью изоляторов 3 и крепежных деталей 12.MTDD consists of an anode 1, a neutral insert 2, insulators 3, a control solenoid 4, a mounting flange 5, a multi-cavity cathode 6, a lithium evaporator 7 and a heater 8. The capacity of the activating substance 9 is made of refractory metal and has a ring shape, covering heater 8 and the evaporator lithium 7. In the inner cavity of the container 9 is a porous liner 10 with high porosity (above 50%), impregnated with an activating substance based on barium. On the side of one end, the capacitance 9 is joined to the mounting flange 5 and attached to it, and on the other hand, it is hermetically connected to the cathode 6 and the housing of the lithium evaporator 7, moreover, uniformly spaced calibrated holes 11. The anode 1, the control solenoid 4, the neutral insert 2 and the cathode-evaporator attached to the mounting flange 5 are connected using insulators 3 and fasteners 12.

Предлагаемый МПДД работает следующим образом. Литий с заданным расходом в жидком состоянии подают в испаритель лития 7, нагретый с помощью нагревателя 8 до температуры 1000-1100°С, из которого пар лития поступает во внутренние полости многополостного катода 6, где ионизируется. Плазма лития попадает в разрядный промежуток между катодом 6 и анодом 1 и ускоряется в собственном магнитном поле дугового разряда. Поступающий из источника активирующего вещества 9 барий и его окислы адсорбируются на вольфраме катода 6, значительно снижая работу выхода вольфрама, что приводит к уменьшению температуры катода 6 на примерно 1300°С. Эксперимент показал, что скорость уноса активирующего вещества на основе бария составляет ~0,1% от расхода лития, т.е. для работы МПДЦ мощностью ~500 кВт в течение 5000 часов необходимый запас активирующего вещества на основе бария составляет около 6,5 кг, занимающей объем ~1,5 литра. В ампуле двигателя-прототипа можно поместить на порядок меньше активирующего вещества. В предложенном двигателе при пористости вкладыша 10 порядка 70% объем источника активирующего вещества составит ~2 литра. При работе МПДЦ на указанной мощности на катоде выделяется более 10 кВт энергии, что достаточно, чтобы при выключенном нагревателе 8 испарять необходимый расход лития и активирующего вещества. Как показал эксперимент, достаточность расхода активирующего вещества с большой точностью определяется постоянным значением падения потенциала между катодом и нейтральной вставкой. Так при увеличении указанного падения потенциала на 12-15% температура катода возрастает на 30-40°С, что характеризует уменьшение степени покрытия катода активирующим веществом на основе бария. В предложенном способе работы двигателя на постоянном по расходу лития и по току разряда режиме при увеличении падения потенциала на 12-15% включают нагреватель 8 для увеличения температуры источника активирующего вещества, т.е. для увеличения его расхода. При восстановлении номинального значения падения потенциала между катодом и нейтральной вставкой нагреватель выключают.The proposed MTDD works as follows. Lithium with a predetermined flow rate in the liquid state is supplied to the lithium evaporator 7, heated with a heater 8 to a temperature of 1000-1100 ° C, from which lithium vapor enters the internal cavity of the multi-cavity cathode 6, where it is ionized. Lithium plasma enters the discharge gap between the cathode 6 and the anode 1 and is accelerated in the intrinsic magnetic field of the arc discharge. Barium and its oxides coming from the source of activating substance 9 are adsorbed on the tungsten of cathode 6, significantly reducing the work function of tungsten, which leads to a decrease in the temperature of cathode 6 by about 1300 ° C. The experiment showed that the ablation rate of the activating substance based on barium is ~ 0.1% of the lithium consumption, i.e. for MPDC to operate with a power of ~ 500 kW for 5000 hours, the necessary supply of barium-based activating agent is about 6.5 kg, which occupies a volume of ~ 1.5 liters. In the ampoule of the prototype engine, an order of magnitude smaller amount of activating substance can be placed. In the proposed engine with a liner porosity of 10 of the order of 70%, the volume of the source of activating substance will be ~ 2 liters. When the MPDC operates at the indicated power, more than 10 kW of energy is released at the cathode, which is enough to evaporate the required flow rate of lithium and an activating substance when the heater 8 is off. As the experiment showed, the sufficiency of the flow rate of the activating substance with high accuracy is determined by the constant value of the potential drop between the cathode and the neutral insert. So, with an increase in the indicated potential drop by 12-15%, the cathode temperature increases by 30-40 ° C, which characterizes a decrease in the degree of coating of the cathode with an activating substance based on barium. In the proposed method of operating the engine at a constant lithium flow rate and discharge current mode, when the potential drop is increased by 12-15%, the heater 8 is turned on to increase the temperature of the source of activating substance, i.e. to increase its consumption. When restoring the nominal value of the potential drop between the cathode and the neutral insert, the heater is turned off.

Преимуществом предлагаемого изобретения является увеличение ресурса работы МПДД в десять раз без использования специальной автономной системы подачи активирующей присадки на основе бария, что значительно упрощает и облегчает двигательную установку с использованием МПДД.The advantage of the invention is to increase the life of the MTDD by a factor of ten without using a special autonomous system for supplying an activating additive based on barium, which greatly simplifies and facilitates the propulsion system using MTDD.

Литература.Literature.

1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Ионные и плазменные ракетные двигатели. Т.4. М.: Наука, 2000, с.316-320.1. Encyclopedia of low-temperature plasma. Ion and plasma rocket engines. T.4. M .: Nauka, 2000, p. 316-320.

2. Агеев В.П., Островский В.Г. Магнитоплазмодинамический двигатель большой мощности непрерывного действия на литии. М.: Наука, «Известия Российской академии наук. Энергетика», 2007, №3, с.82-95.2. Ageev V.P., Ostrovsky V.G. High-power magnetoplasma-dynamic engine with continuous operation on lithium. M .: Nauka, “Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Energy ”, 2007, No. 3, pp. 82-95.

Claims

1. Magnetoplasma dynamic engine containing anode, neutral insert, insulators, mounting flange, cathode-evaporator, equipped with a multi-cavity cathode, lithium evaporator, a container with an activating substance based on barium and a heater, characterized in that the activating substance is made of a ring-shaped refractory metal and covers the heater and the lithium evaporator, inside the container there is a porous liner with high porosity, impregnated with an activating substance, from the side of one end, the capacity of the compost Hovhan the mounting flange of the engine, and from the other sealed to the cathode and the lithium body evaporator, while in the wall of the vessel communicating with the interior of the cathode, formed uniformly arranged on the circumference of the calibrated holes.

2. The method of operation of the magnetoplasma dynamic engine, including measuring and maintaining constant values of the discharge current and the flow rate of the working fluid, characterized in that they additionally measure the voltage between the cathode and the neutral insert and include a 12-15% increase in the cathode heater.