RU2426913C1 - Method for arranging cathode-compensator in plasma engine, and device for its implementation - Google Patents
Method for arranging cathode-compensator in plasma engine, and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2426913C1 RU2426913C1 RU2010113409/06A RU2010113409A RU2426913C1 RU 2426913 C1 RU2426913 C1 RU 2426913C1 RU 2010113409/06 A RU2010113409/06 A RU 2010113409/06A RU 2010113409 A RU2010113409 A RU 2010113409A RU 2426913 C1 RU2426913 C1 RU 2426913C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- cathode
- compensator
- magnetic field
- force
- Prior art date
Links
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при разработке, наземных испытаниях и эксплуатации электрореактивных двигателей (ЭРД), например холловских или плазменных двигателей, и электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ) на их основе, а также в области прикладного применения плазменных ускорителей.The invention relates to the field of space technology and can be used in the development, ground testing and operation of electric propulsion engines (ERE), for example, Hall or plasma engines, and electrical propulsion systems (ERE) based on them, as well as in the field of application of plasma accelerators.
В настоящее время с целью расширения функциональных возможностей и области применения плазменных двигателей ряд основных требований, предъявляемых к ЭРД, в том числе и к холловским двигателям, существенно изменился, а именно:Currently, in order to expand the functionality and scope of plasma engines, a number of basic requirements for electric propulsion, including Hall engines, have changed significantly, namely:
- требование обеспечения высокой эффективности работы плазменного двигателя, которое достигается путем увеличения удельного импульса тяги (2300 с и более);- the requirement to ensure high efficiency of the plasma engine, which is achieved by increasing the specific impulse of thrust (2300 s or more);
- требование обеспечения нескольких режимов работы, различающихся как по мощности разряда, так и по напряжению разряда;- the requirement to provide several operating modes, differing both in discharge power and in discharge voltage;
- требование обеспечения большого ресурса плазменных двигателей по времени работы (5000 часов и более) при надежном их функционировании.- the requirement to ensure a large resource of plasma engines in operating time (5000 hours or more) with reliable operation.
Эффективность работы плазменного двигателя и его надежность в значительной степени определяются эффективностью и надежностью работы катода-компенсатора, входящего в его состав.The efficiency of the plasma engine and its reliability are largely determined by the efficiency and reliability of the cathode-compensator included in its composition.
На эффективность же работы самого катода-компенсатора существенное влияние оказывает в первую очередь его размещение (место расположения) в составе ЭРД с учетом конструктивных особенностей и параметров плазменного двигателя [М.С.McDonald and A.D.Gallimore, "Cathode Position Orientation Effects on Cathode Coupling in a 6-kW Hall Thruster", IEPC-2009-ПЗ, 31st International Electric Propulsion Conference, University of Michigan, Michigan, USA, 20-24 September 2009; а также Daniel G.Courtney and Manuel Martinez-Sanchez, "Diverging Cusped-Field Hall Thruster (DCHT), IEPC-2007-39, Presented at the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007].The efficiency of the compensator cathode itself is primarily affected by its placement (location) as part of the electric propulsion engine, taking into account the design features and parameters of the plasma engine [M. McDonald and AD Gallimore, "Cathode Position Orientation Effects on Cathode Coupling in a 6-kW Hall Thruster ", IEPC-2009-PZ, 31 st International Electric Propulsion Conference, University of Michigan, Michigan, USA, 20-24 September 2009; and Daniel G. Courtney and Manuel Martinez-Sanchez, "Diverging Cusped-Field Hall Thruster (DCHT), IEPC-2007-39, Presented at the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007].
Так при неоптимальном размещении катода-компенсатора относительно выходной части ускорительного канала разрядной камеры плазменного двигателя эффективность функционирования катода-компенсатора и всего плазменного двигателя в целом может значительно снизиться. Эффективность же работы самого катода-компенсатора, а следовательно, и плазменного двигателя в целом, возрастает при выдвижении катода-компенсатора вдоль продольной оси разрядной камеры в направлении по потоку истечения из плазменного двигателя ускоренной плазмы, то есть при его перемещении из периферийной зоны магнитного поля рассеивания в зону силовых линий магнитного поля, замыкающихся на срезе разрядной камеры и вблизи нее [Jason D.Sommerville and Lyon В.King. "Effect of Cathode Position on Hall-Effect Thruster Performance and Cathode Coupling Voltage". IEPC-2007-78. Presented at the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007].So, when the cathode-compensator is not optimally positioned relative to the output part of the accelerating channel of the discharge chamber of the plasma engine, the functioning efficiency of the cathode-compensator and the entire plasma engine as a whole can significantly decrease. The efficiency of the compensator cathode itself, and consequently of the plasma engine as a whole, increases when the compensator cathode is extended along the longitudinal axis of the discharge chamber in the direction of the accelerated plasma flowing out of the plasma engine, that is, when it moves from the peripheral zone of the scattering magnetic field into the zone of magnetic field lines that close at and near the edge of the discharge chamber [Jason D. Sommerville and Lyon B. King. "Effect of Cathode Position on Hall-Effect Thruster Performance and Cathode Coupling Voltage." IEPC-2007-78. Presented at the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007].
В то же время, при выдвижении катода-компенсатора вдоль оси разрядной камеры плазменного двигателя, под воздействие ускоренного потока плазмы попадают элементы и узлы катода-компенсатора. И в первую очередь уже в начале ресурса бомбардировке ускоренными ионами будет подвергаться торцевая часть катода-компенсатора, на которой в большинстве случаев располагается выходное рабочее отверстие, что приведет к более интенсивному износу конструкционных материалов с последующим разрушением конструкции, что, в свою очередь, будет ограничивать ресурс как самого катода-компенсатора, так и плазменного двигателя в целом [Arkhipov. В., et al, "The Results of 7000 Hour SPT-100 Life Testing", IEPC-95-039, 24th International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995, Fig.1, 16]. В таком случае способ обеспечения высокой надежности ЭРД путем резервирования катода-компенсатора, как одного из наиболее критичных элементов конструкции плазменного двигателя, будет несостоятельным, так как разрушающему воздействию ускоренной струи плазменного потока будет одновременно подвергаться как основной (работающий), так и резервный (неработающий) катоды-компенсаторы.At the same time, when the compensator cathode is extended along the axis of the discharge chamber of the plasma engine, the elements and nodes of the compensator cathode fall under the influence of the accelerated plasma flow. And first of all, at the beginning of the resource, the end part of the compensator cathode will be subjected to accelerated ion bombardment, on which in most cases the outlet working hole is located, which will lead to more intensive wear of structural materials with subsequent destruction of the structure, which, in turn, will limit a resource of both the cathode-compensator and the plasma engine as a whole [Arkhipov. B., et al, "The Results of 7000 Hour SPT-100 Life Testing", IEPC-95-039, 24 th International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995, Fig.1, 16]. In this case, the method of ensuring the high reliability of the electric propulsion jet by redundant the cathode-compensator, as one of the most critical structural elements of the plasma engine, will be inconsistent, since both the main (working) and the backup (non-working) will be subjected to the destructive effect of the accelerated jet of the plasma stream. compensating cathodes.
Таким образом, важность задачи по размещению катода-компенсатора в плазменном двигателе состоит в выборе наиболее оптимального места его расположения, обеспечивающего одновременно, с одной стороны, высокие энергетические параметры ЭРД и, с другой стороны, надежную и эффективную работу самого катода-компенсатора в течение всего ресурса при эксплуатации ЭРД.Thus, the importance of the task of locating the cathode-compensator in the plasma engine is to choose the most optimal location for it, which simultaneously provides, on the one hand, high energy parameters of the electric propulsion and, on the other hand, reliable and efficient operation of the cathode-compensator throughout resource during operation of electric propulsion.
Известен способ размещения катода-компенсатора в плазменном двигателе, включающий определение топологии магнитного поля магнитной системы и размещение катода-компенсатора так, чтобы его торец с выходным отверстием находился вне зоны максимального воздействия ускоренного потока плазмы, реализованный в плазменном двигателе, содержащем магнитную систему, охватываемую силовыми линиями магнитного поля рассеивания, содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, между которыми в зоне ускоренного потока плазмы замыкаются силовые линии ускоряющего магнитного поля, источники намагничивающей силы, и катод-компенсатор с выходным отверстием на торце [патент РФ №2024785, кл. 5 H05H 1/54, F03H 1/00].A known method of placing a cathode-compensator in a plasma engine, including determining the topology of the magnetic field of the magnetic system and placing the cathode-compensator so that its end with the outlet is outside the zone of maximum exposure to the accelerated plasma flow, implemented in a plasma engine containing a magnetic system covered by power by the lines of the scattering magnetic field containing the magnetic circuit, the inner and outer magnetic poles, between which I close the zone of the accelerated plasma flow Xia accelerating force lines of magnetic field sources for magnetizing force, and a cathode-compensator on the outlet end [RF patent №2024785, Cl. 5 H05H 1/54, F03H 1/00].
Известный способ размещения катода-компенсатора и плазменный двигатель, в котором реализован такой известный способ размещения катода-компенсатора, имеют ряд недостатков.The known method of accommodating the cathode-compensator and the plasma engine, which implements such a known method of placing the cathode-compensator, have several disadvantages.
Так известный способ размещения катода-компенсатора предполагает предварительное определение конфигурации силовых линий магнитного поля плазменного двигателя за срезом разрядной камеры и размещение катода-компенсатора таким образом, чтобы его продольная ось симметрии была направлена по касательной к силовым линиям магнитного поля, замыкающимся на торцевой поверхности магнитных полюсов анодного блока ЭРД.The well-known method of placement of the compensator cathode involves preliminary determination of the configuration of the magnetic field lines of the plasma engine behind the slice of the discharge chamber and the placement of the compensator cathode so that its longitudinal axis of symmetry is directed tangentially to the magnetic field lines closing on the end surface of the magnetic poles anode block ERD.
Однако, при таком способе размещения катода-компенсатора для соблюдения условия направления продольной оси катода-компенсатора по касательной вдоль силовых линий магнитного поля, замыкающихся на торцевой поверхности анодного блока, возможны два случая: катод-компенсатор должен быть расположен непосредственно над торцевой поверхностью анодного блока (т.е. над магнитными полюсами магнитной системы) вблизи среза разрядной камеры, либо вдали от выходной части ускорительного канала разрядной камеры.However, with this method of positioning the compensating cathode in order to comply with the condition that the longitudinal axis of the compensating cathode is directed along the tangent along the magnetic field lines that close on the end surface of the anode block, two cases are possible: the compensating cathode should be located directly above the end surface of the anode block ( i.e., above the magnetic poles of the magnetic system) near the cut of the discharge chamber, or far from the output part of the accelerating channel of the discharge chamber.
В первом случае элементы конструкции катода-компенсатора будут подвергаться значительному разрушающему воздействию потока ускоренной плазмы. Так исследования структуры ускоренного ионного потока, выходящего за пределы среза разрядной камеры, показывают, что около 90% ионов сосредоточено в полуугле ~42° для плазменного двигателя, работающего при мощности 1350 Вт [Kozubsky. K., et al, "Plume Study of Multimode Thruster SPT-140", IEPC-99-073, 26th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999, Fig.5-8].In the first case, the structural elements of the cathode-compensator will be significantly destructive to the accelerated plasma flow. Thus, studies of the structure of an accelerated ion flux extending beyond the cutoff of the discharge chamber show that about 90% of the ions are concentrated in a half-angle of ~ 42 ° for a plasma engine operating at a power of 1350 W [Kozubsky. K., et al, "Plume Study of Multimode Thruster SPT-140", IEPC-99-073, 26th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999, Fig. 5-8].
Во втором же случае эффективность работы катода-компенсатора и известного плазменного двигателя в целом будет низка, так как для замыкания на анод, эмитируемых катодом-компенсатором электронов, будут необходимы дополнительные затраты энергии. Кроме того, в этом случае также увеличиваются габаритные размеры плазменного двигателя.In the second case, the efficiency of the cathode-compensator and the known plasma engine as a whole will be low, since additional energy costs will be required to short the electrons compensated by the cathode-compensator to the anode. In addition, in this case, the overall dimensions of the plasma engine also increase.
Известен способ размещения катода-компенсатора в плазменном двигателе, принятый за прототип, включающий выбор конфигурации и параметров магнитной системы, определение топологии магнитного поля и размещение катода-компенсатора таким образом, чтобы его торец с выходным отверстием находился в зоне минимального воздействия ускоренного потока плазмы [патент РФ №2188521, кл. 6 H05H 1/54, F03H 1/00].There is a method of placing a cathode-compensator in a plasma engine, adopted as a prototype, which includes choosing the configuration and parameters of the magnetic system, determining the topology of the magnetic field and placing the cathode-compensator so that its end face with the outlet is in the zone of minimal exposure to accelerated plasma flow [patent RF №2188521, class 6 H05H 1/54, F03H 1/00].
В таком известном способе размещения катода-компенсатора, в сравнении с аналогом, изменено месторасположение катода-компенсатора, что позволило снизить износ его различных элементов конструкции, происходящий вследствие суммарного разрушающего воздействия, оказываемого периферийной частью струи ускоренного потока плазмы за весь период выработки ресурса ЭРД. Кроме того, за счет приближения центра масс самого катода-компенсатора к анодному блоку плазменного двигателя удалось повысить механическую прочность узлов конструкции плазменного двигателя и уменьшить его габаритные размеры.In such a known method for accommodating the compensating cathode, in comparison with the analog, the location of the compensating cathode is changed, which allowed to reduce the wear of its various structural elements due to the total destructive effect exerted by the peripheral part of the jet of the accelerated plasma flow over the entire period of the production of the ERD resource. In addition, due to the approximation of the center of mass of the compensator cathode to the anode block of the plasma engine, it was possible to increase the mechanical strength of the plasma engine design units and reduce its overall dimensions.
Однако и такой способ имеет существенные недостатки.However, this method also has significant disadvantages.
Хотя катод-компенсатор и размещен таким образом, чтобы минимизировать эрозионное воздействие периферийной части струи ускоренного потока плазмы, отдельные его элементы конструкции, находящиеся над внешней поверхностью наружного магнитного полюса, все равно будут подвергаться процессам эрозии материалов. При этом степень эрозии материалов этих элементов будет возрастать с увеличением напряжения разряда и времени ресурса плазменного двигателя, так как с ростом напряжения разряда возрастает доля двух- и трехкратно заряженных ионов и соответственно возрастает энергия ионов периферийной части ускоренного потока плазмы, которая может составлять половину разрядного напряжения [Casey С.Farnell, Daniel L.Brown, Garret M.Willis and Richard D.Branam. «Remote Diagnostic Measurements of Hall Thruster Plumes». IEPC-2009-031. Presented at the 31st International Electric Propulsion Conference, University of Michigan Ann Arbor, Michigan, USA, September 20-24, 2009]. При увеличении времени ресурса (работы) и время воздействия периферийной части ускоренного потока будет также нарастать. Таким образом, такой известный способ размещения катода-компенсатора имеет ограничение при применении его для плазменных двигателей с высокими напряжениями разряда (с повышенными удельными характеристиками) и большими ресурсами.Although the cathode-compensator is positioned in such a way as to minimize the erosive effect of the peripheral part of the jet of the accelerated plasma flow, its individual structural elements located above the outer surface of the external magnetic pole will still undergo material erosion processes. In this case, the degree of erosion of the materials of these elements will increase with an increase in the discharge voltage and the lifetime of the plasma engine, since with an increase in the discharge voltage the fraction of doubly and triple charged ions increases and, accordingly, the ion energy of the peripheral part of the accelerated plasma flow increases, which can be half the discharge voltage [Casey C. Farnell, Daniel L. Brown, Garret M. Willis and Richard D. Branam. "Remote Diagnostic Measurements of Hall Thruster Plumes." IEPC-2009-031. Presented at the 31 st International Electric Propulsion Conference, University of Michigan Ann Arbor, Michigan, USA, September 20-24, 2009]. With an increase in the time of the resource (work) and the exposure time of the peripheral part of the accelerated flow will also increase. Thus, such a known method for accommodating a cathode-compensator has a limitation when it is used for plasma engines with high discharge voltages (with increased specific characteristics) and large resources.
Кроме того, при решении задачи уменьшения габаритных размеров плазменного двигателя катод-компенсатор будет располагаться в непосредственной близости от наружного магнитного полюса магнитной системы, попадая в периферийную зону рассеяния магнитного поля, где индукция магнитного поля будет значительной [Daniel G.Courtney and Manuel Martinez-Sanchez. "Diverging Cusped-Field Hall Thruster (DCHT)". IEPC-2007-39. Presented at the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007; а также М.С.McDonald and A.D.Gallimore, "Cathode Position Orientation Effects on Cathode Coupling in a 6-kW Hall Thruster", IEPC-2009-113, 31st International Electric Propulsion Conference, University of Michigan, Michigan, USA, 20-24 September 2009]. Большая же величина магнитной индукции в зоне расположения выходного торца катода-компенсатора приводит к существенному увеличению напряжения в цепи «катод-земля» ("cathode ground voltage"), которое понижает эффективность работы плазменного двигателя на 2-3% [Jason D.Sommerville_ and Lyon B.King. "Effect of Cathode Position on Hall-Effect Thruster Performance and Cathode Coupling Voltage". IEPC-2007-78. Presented at the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007].In addition, when solving the problem of reducing the dimensions of a plasma engine, the cathode-compensator will be located in close proximity to the external magnetic pole of the magnetic system, falling into the peripheral zone of magnetic field scattering, where the magnetic field induction will be significant [Daniel G. Courtney and Manuel Martinez-Sanchez . "Diverging Cusped-Field Hall Thruster (DCHT)." IEPC-2007-39. Presented at the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007; and M.S. McDonald and AD Gallimore, "Cathode Position Orientation Effects on Cathode Coupling in a 6-kW Hall Thruster", IEPC-2009-113, 31 st International Electric Propulsion Conference, University of Michigan, Michigan, USA, 20- 24 September 2009]. A large amount of magnetic induction in the area of the output end of the cathode-compensator leads to a significant increase in the voltage in the cathode-ground circuit, which reduces the efficiency of the plasma engine by 2-3% [Jason D. Sommerville_ and Lyon B. King. "Effect of Cathode Position on Hall-Effect Thruster Performance and Cathode Coupling Voltage." IEPC-2007-78. Presented at the 30 th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007].
Кроме того, при большой величине напряжения в цепи «катод-земля» возрастает и энергия ионов в зоне выходного отверстия катода-компенсатора. Рост же величины этого напряжения до 25 В и более приводит к более интенсивному процессу эрозии материалов элементов катода-компенсатора в зоне его выходного отверстия, так как при таких напряжениях будет превышен порог распыления материалов основных его конструкционных узлов [Плешивцев Н.В. «Катодное распыление». Атомиздат, 1968 г.], что, в конечном счете, приведет к уменьшению ресурса катода-компенсатора и плазменного двигателя в целом.In addition, with a large voltage in the cathode-ground circuit, the ion energy in the zone of the outlet of the cathode-compensator also increases. An increase in the magnitude of this voltage to 25 V or more leads to a more intensive process of erosion of the materials of the elements of the cathode-compensator in the area of its outlet, since at such voltages the sputtering threshold of materials of its main structural units will be exceeded [N. "Cathodic sputtering." Atomizdat, 1968], which, ultimately, will lead to a decrease in the resource of the cathode-compensator and the plasma engine as a whole.
Известен плазменный двигатель, принятый за прототип, содержащий разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, анод, магнитную систему, охватываемую силовыми линиями магнитного поля рассеивания и содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, между которыми в зоне ускоренного потока плазмы замыкаются силовые линии ускоряющего магнитного поля, внутренний и наружные источники намагничивающей силы, внутренний магнитный экран и наружный магнитный экран с корректирующим источником намагничивающей силы, и катод-компенсатор с выходным отверстием на торце [патент РФ №2191289, кл. 6 H05H 1/54, F03H 1/00].A known plasma engine, adopted for the prototype, containing a discharge chamber with ionization and acceleration zones, an anode, a magnetic system covered by magnetic field lines of the scattering field and containing a magnetic circuit, internal and external magnetic poles, between which in the area of the accelerated plasma stream the accelerating magnetic field lines are closed fields, internal and external sources of magnetizing force, an internal magnetic screen and an external magnetic screen with a correcting source of magnetizing force, and a cathode-computer nsator with an outlet at the end [RF patent No. 2191289, class. 6 H05H 1/54, F03H 1/00].
Основным недостатком такого известного плазменного двигателя является невозможность его функционирования с максимальной эффективностью на различных режимах по мощности и напряжениям разряда, что ограничивает их возможности и существенно сужает область их применения.The main disadvantage of such a known plasma engine is the impossibility of its operation with maximum efficiency in various modes in terms of power and discharge voltages, which limits their capabilities and significantly narrows their scope.
Известно, что для достижения и обеспечения оптимального режима работы плазменного двигателя необходимо создание в ускорительном канале разрядной камеры оптимального магнитного поля, нарастающего от анода до среза разрядного камеры и спадающего за ним. Кроме того, известно, что при увеличении мощности или напряжения разряда для получения оптимального режима работы плазменного двигателя необходимо увеличивать ток в источниках намагничивающей силы магнитной системы [David H.Manzella, David T.Jacobson and Robert S.Jankovsky. «High Voltage SPT Performance». AIAA-2001-3774. Presented at the 37th Joint Propulsion Conference, Salt Lake City, Utah, USA, July 8-11, 2001]. При увеличении же тока в источниках намагничивающей силы магнитной системы будет соответственно изменяться и индукция магнитного поля в периферийной зоне рассеяния, что непосредственным образом повлияет и на условия работы катода-компенсатора, изменение которых может привести к росту напряжения в цепи «катод-земля», а значит, и интенсивности процессов эрозии материалов элементов конструкции катода-компенсатора в зоне его выходного отверстия, что в конечном итоге понизит эффективность работы, ресурс и надежность как самого катода-компенсатора, так и плазменного двигателя в целом.It is known that in order to achieve and ensure the optimal operating mode of a plasma engine, it is necessary to create an optimal magnetic field in the accelerator channel of the discharge chamber, increasing from the anode to the edge of the discharge chamber and falling behind it. In addition, it is known that when increasing the power or voltage of the discharge, in order to obtain the optimal operating mode of the plasma engine, it is necessary to increase the current in the sources of the magnetizing force of the magnetic system [David H. Manzella, David T. Jacobson and Robert S. Jankovsky. "High Voltage SPT Performance." AIAA-2001-3774. Presented at the 37th Joint Propulsion Conference, Salt Lake City, Utah, USA, July 8-11, 2001]. As the current increases in the sources of the magnetizing force of the magnetic system, the magnetic field induction in the peripheral scattering zone will accordingly change, which will directly affect the working conditions of the compensator cathode, the change of which can lead to an increase in voltage in the cathode-ground circuit, and therefore, the intensity of the processes of erosion of materials of the structural elements of the cathode-compensator in the area of its outlet, which ultimately will reduce the efficiency, resource and reliability of the cathode itself ensatora and plasma engine as a whole.
При создании изобретения решались задачи по повышению надежности ЭРД и эффективности работы катода-компенсатора в его составе.When creating the invention, the tasks were solved to increase the reliability of the electric propulsion and the efficiency of the cathode-compensator in its composition.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе размещения катода-компенсатора в плазменном двигателе, включающем выбор конфигурации и параметров магнитной системы, определение топологии магнитного поля и размещение катода-компенсатора таким образом, чтобы его торец с выходным отверстием находился в зоне минимального воздействия ускоренного потока плазмы, согласно изобретению торец с выходным отверстием катода-компенсатора размещается также по меньшей мере на границе раздела замыкания силовых линий зон ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитной системы, которая формируется подбором сочетания конфигурации и параметров магнитной системы таким образом, чтобы граница раздела замыкания силовых линий во внешней области перед плазменным двигателем располагалась по меньшей мере под углом раскрытия ускоренного потока плазмы.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of placing the cathode-compensator in the plasma engine, including the selection of the configuration and parameters of the magnetic system, determining the topology of the magnetic field and the placement of the cathode-compensator so that its end face with the outlet is in the zone of minimal impact of the accelerated flow plasma, according to the invention, the end face with the outlet of the cathode-compensator is also located at least at the interface of the closure of the power lines of the accelerating zones agnitnogo field and the stray fields of the magnetic system, which is formed by a combination of the selection and configuration parameters of the magnetic system so that the interface circuit the lines of force in the outer region ahead of the plasma thruster positioned at least at an angle of accelerated plasma flow disclosure.
Размещение торца с выходным отверстием катода-компенсатора на границе раздела замыкания силовых линий зон ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитной системы позволяет реализовать наиболее близкую к максимальному значению эффективность работы катода-компенсатора и плазменного двигателя в целом путем минимизации энергетических потерь, обусловленных энергетическими затратами на транспортирование электронов, эмиттирующих катодом-компенсатором и выходящих в рабочую зону через выходное отверстие на его торце, до анода плазменного двигателя сквозь действующие скрещенные электрическое и магнитное поля 
Расположение же границы раздела замыкания силовых линий во внешней области перед плазменным двигателем по меньшей мере под углом раскрытия ускоренного потока плазмы позволяет решить задачу по повышению надежности и увеличению ресурса как катода-компенсатора, так и ЭРД в целом путем значительного снижения эрозионного воздействия струи за счет размещения катода-компенсатора вне зоны разрушающего воздействия как основной, так и периферийной частей струи ускоренного потока плазмы. При этом наиболее оптимальные параметры магнитного поля в зоне выходного торца катода-компенсатора обеспечиваются подбором необходимой для этого определенной конфигурации магнитной системы - сочетания геометрических размеров, взаимного расположения и заданных форм ее различных элементов конструкции, и ее параметров, что способствует достижению максимальной эффективности работы катода-компенсатора при одновременном повышении его ресурса за счет уменьшения эрозионного воздействия ускоренной плазмы на выходной торец катода-компенсатора.The location of the boundary line closure of the lines of force in the outer region in front of the plasma engine at least at the opening angle of the accelerated plasma flow allows us to solve the problem of increasing the reliability and increasing the resource of both the cathode-compensator and the electric propulsion jet as a whole by significantly reducing the erosive effect of the jet due to placement the cathode-compensator outside the zone of destructive action of both the main and peripheral parts of the jet of accelerated plasma flow. In this case, the most optimal parameters of the magnetic field in the area of the output end of the compensator cathode are ensured by the selection of the specific configuration of the magnetic system necessary for this — a combination of geometric dimensions, relative position and given shapes of its various structural elements, and its parameters, which helps to achieve maximum cathode efficiency compensator while increasing its resource by reducing the erosive effects of accelerated plasma on the output end of the cathode-compensation ator.
Указанный технический результат также достигается тем, что в плазменном двигателе, содержащем разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, анод, магнитную систему, охватываемую силовыми линиями магнитного поля рассеивания и содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, между которыми в зоне ускоренного потока плазмы замыкаются силовые линии ускоряющего магнитного поля, внутренний и наружные источники намагничивающей силы, внутренний магнитный экран и наружный магнитный экран с корректирующим источником намагничивающей силы, и катод-компенсатор с выходным отверстием на торце, согласно изобретению торец с выходным отверстием катода-компенсатора размещен по меньшей мере на границе раздела замыкания силовых линий зон ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитного поля магнитной системы. Соотношение ампер-витков между корректирующим и наружными источниками намагничивающей силы может быть выполнено таким, что граница раздела замыкания силовых линий ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитной системы была расположена по меньшей мере под углом раскрытия ускоренного потока плазмы. Кроме того, с внешней стороны магнитной системы может быть введен по меньшей мере один дополнительный источник намагничивающей силы, который примыкает к наружному магнитному полюсу и охватывает по меньшей мере участок магнитопровода наружных источников намагничивающей силы.The indicated technical result is also achieved by the fact that in a plasma engine containing a discharge chamber with ionization and acceleration zones, an anode, a magnetic system covered by magnetic field lines and containing a magnetic circuit, internal and external magnetic poles, between which are closed in the zone of accelerated plasma flow force lines of an accelerating magnetic field, internal and external sources of magnetizing force, an internal magnetic screen and an external magnetic screen with a correcting source force-limiting, and the cathode-compensator with the outlet at the end, according to the invention with the outlet end of the cathode-compensator placed at least on the boundary lines of force closure zones accelerating section of the magnetic field and the stray fields of the magnetic field of the magnetic system. The ratio of ampere turns between the corrective and external sources of the magnetizing force can be such that the interface between the closure of the lines of force of the accelerating magnetic field and the scattering fields of the magnetic system is located at least at the opening angle of the accelerated plasma stream. In addition, at least one additional source of magnetizing force can be introduced from the outside of the magnetic system, which is adjacent to the outer magnetic pole and covers at least a portion of the magnetic circuit of the external sources of magnetizing force.
Размещение торца с выходным отверстием катода-компенсатора по меньшей мере на границе раздела замыкания силовых линий зон ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитного поля магнитной системы также позволяет решить задачу по повышению надежности ЭРД и эффективности работы катода-компенсатора путем предельной минимизации протяженности траектории доставки электронов от катода-компенсатора, эмиттирующих их, до анода плазменного двигателя за счет максимального сокращения участка траектории движения электронов в области магнитных полей рассеивания, дополнительно удлиняющейся в результате азимутального дрейфа электронов. Следует также учитывать при этом, что направление азимутального дрейфа электронов, при переходе через границу раздела областей магнитного поля ускорения и магнитного поля рассеивания, будет взаимно противоположным вследствие перемены знака магнитного поля.Placing the end face with the outlet of the compensating cathode at least at the interface between the closure of the force lines of the zones of the accelerating magnetic field and the scattering fields of the magnetic field of the magnetic system also allows us to solve the problem of increasing the reliability of the electric propulsion and the efficiency of the compensating cathode by minimizing the length of the electron delivery path the cathode-compensator emitting them to the anode of the plasma engine due to the maximum reduction in the portion of the path of electrons in the field scattering fields, additionally lengthening as a result of azimuthal electron drift. It should also be taken into account that the direction of the azimuthal drift of electrons, when passing through the interface between the regions of the acceleration magnetic field and the scattering magnetic field, will be mutually opposite due to a change in the sign of the magnetic field.
Выбор необходимого соотношения ампер-витков между корректирующим и наружными источниками намагничивающей силы позволяет согласовать положение границы раздела замыкания силовых линий ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитной системы таким образом, чтобы она располагалась по меньшей мере под углом раскрытия ускоренного потока плазмы.The choice of the necessary ratio of ampere-turns between the corrective and external sources of magnetizing force makes it possible to coordinate the position of the interface between the closure of the lines of force of the accelerating magnetic field and the scattering fields of the magnetic system so that it is located at least at the opening angle of the accelerated plasma stream.
Введение с внешней стороны магнитной системы по меньшей мере одного дополнительного источника намагничивающей силы, который примыкает к наружному магнитному полюсу и охватывает по меньшей мере участок магнитопровода наружных источников намагничивающей силы, позволяет с более высокой точностью локализовать границу раздела относительно торца размещенного катода-компенсатора. При этом потери на электрическое питание такого дополнительного источника намагничивающей силы (например, катушки в виде соленоида) будут составлять не более 1% от суммарного энергопотребления плазменного двигателя и такого рода малые потери покрываются более существенным увеличением эффективности рабочего процесса плазменного двигателя в целом за счет уменьшения значения напряжения (Uкз) [М.С.McDonald and A.D.Gallimore, "Cathode Position Orientation Effects on Cathode Coupling in a 6-kW Hall Thruster", IEPC-2009-113, 31st International Electric Propulsion Conference, University of Michigan, Michigan, USA, 20-24 September 2009].The introduction from the outside of the magnetic system of at least one additional source of magnetizing force, which is adjacent to the external magnetic pole and covers at least a portion of the magnetic circuit of the external sources of magnetizing force, allows to more accurately localize the interface relative to the end face of the placed cathode-compensator. In this case, the losses due to electric power of such an additional source of magnetizing force (for example, coils in the form of a solenoid) will be no more than 1% of the total energy consumption of the plasma engine, and such small losses are covered by a more significant increase in the efficiency of the working process of the plasma engine as a whole due to a decrease in the value voltage (U RS) [M.S.McDonald and ADGallimore, "Cathode Position Orientation Effects on Cathode Coupling in a 6-kW Hall Thruster", IEPC- 2009-113, 31 st International Electric Propulsion Conference, University of Michigan, Michigan, USA, September 20-24, 2009].
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена половина осевого разреза предлагаемого плазменного двигателя с катодом-компенсатором, расположенным с одной из боковой стороны магнитной системы. На чертеже граница раздела замыкания силовых линий зон ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитной системы обозначена L, а угол между ней и продольной осью плазменного двигателя обозначен α, который аналогичен углу раскрытия ускоренного потока плазмы относительно продольной оси плазменного двигателя. Магнитный поток в магнитопроводе, проходящий через него при электрическом питании источников намагничивающей силы магнитной системы ЭРД, обозначен Ф, а силовые линии топологии в зонах ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния обозначены 
Плазменный двигатель содержит разрядную камеру 1 с зонами ионизации 2 и ускорения 3, анод 4, магнитную систему, состоящую из магнитопровода 5, внутреннего 6 и наружного 7 магнитных полюсов, внутреннего 8, наружного 9 и корректирующего 12 источников намагничивающей силы, внутреннего 10 и наружного 11 магнитных экранов, и катод-компенсатор 13 с выходным отверстием 14 на торце 15. С внешней стороны магнитной системы может располагаться дополнительный источник намагничивающей силы 16, который предпочтительней разместить таким образом, чтобы он примыкал изнутри к наружному магнитному полюсу 7 и охватывал участок магнитопровода, выполняющий функции сердечников для наружных источников намагничивающей силы 9.The plasma engine contains a discharge chamber 1 with zones of ionization 2 and acceleration 3, anode 4, a magnetic system consisting of a magnetic circuit 5, inner 6 and outer 7 magnetic poles, inner 8, outer 9 and correcting 12 sources of magnetizing force, inner 10 and outer 11 magnetic shields, and a cathode-compensator 13 with an outlet 14 at the end 15. An external source of magnetizing force 16 may be located on the outside of the magnetic system, which is preferable to be placed so that it adjoins from the inside to the external magnetic pole 7 and covered a portion of the magnetic circuit that acts as cores for external sources of magnetizing force 9.
Способ размещения катода-компенсатора осуществляется в плазменном двигателе, работающем следующим образом.The method of placement of the cathode-compensator is carried out in a plasma engine operating as follows.
В процессе разработки ЭРД, после выбора необходимой конфигурации и параметров магнитной системы для обеспечения эффективной работы анодного блока, при помощи расчета магнитной системы или экспериментальных измерений определяется топология магнитного поля плазменного двигателя. По результатам моделирования магнитной системы можно судить о начальном расположении границы разделения зон топологий замыкания силовых линий ускоряющего магнитного поля, формирующегося над магнитными полюсами 6, 7, и полей рассеяния (
При промышленной реализации предложенного изобретения точность расположения (Δmin) катодов-компенсаторов относительно границы раздела замыкания силовых линий в зонах ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитной системы при серийном изготовлении партии плазменных двигателей одного типоразмера зависит в первую очередь от класса точности изготовления.In the industrial implementation of the proposed invention, the accuracy of the location (Δ min ) of the compensating cathodes relative to the interface of the closure of the power lines in the zones of the accelerating magnetic field and the scattering fields of the magnetic system in serial production of a batch of plasma engines of the same size depends primarily on the accuracy class of manufacture.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010113409/06A RU2426913C1 (en) | 2010-04-06 | 2010-04-06 | Method for arranging cathode-compensator in plasma engine, and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010113409/06A RU2426913C1 (en) | 2010-04-06 | 2010-04-06 | Method for arranging cathode-compensator in plasma engine, and device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2426913C1 true RU2426913C1 (en) | 2011-08-20 |
Family
ID=44755874
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010113409/06A RU2426913C1 (en) | 2010-04-06 | 2010-04-06 | Method for arranging cathode-compensator in plasma engine, and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2426913C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104343651A (en) * | 2014-09-04 | 2015-02-11 | 兰州空间技术物理研究所 | Flexible insulator for grid component of ion thruster |
| RU2663241C1 (en) * | 2017-02-28 | 2018-08-03 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ОПЫТНОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО "ФАКЕЛ" ОКБ "ФАКЕЛ" | Hollow cathode |
-
2010
- 2010-04-06 RU RU2010113409/06A patent/RU2426913C1/en active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104343651A (en) * | 2014-09-04 | 2015-02-11 | 兰州空间技术物理研究所 | Flexible insulator for grid component of ion thruster |
| CN104343651B (en) * | 2014-09-04 | 2017-04-05 | 兰州空间技术物理研究所 | A kind of flexible insulator for ion thruster grid assembly |
| RU2663241C1 (en) * | 2017-02-28 | 2018-08-03 | Федеральное государственное унитарное предприятие "ОПЫТНОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО "ФАКЕЛ" ОКБ "ФАКЕЛ" | Hollow cathode |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7624566B1 (en) | Magnetic circuit for hall effect plasma accelerator | |
| US6803705B2 (en) | Plasma accelerator arrangement | |
| US7589474B2 (en) | Ion source with upstream inner magnetic pole piece | |
| US6798141B2 (en) | Plasma accelarator arrangement | |
| EP3379080B1 (en) | Cusped-field thruster | |
| US9447779B2 (en) | Low-power hall thruster | |
| CN110566424B (en) | Magnetic circuit of long-life hall thruster | |
| US8944385B2 (en) | Device for reducing the impact on a surface section by positively charged ions, and ion accelelerator arrangement | |
| RU2426913C1 (en) | Method for arranging cathode-compensator in plasma engine, and device for its implementation | |
| RU2474984C1 (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
| RU2088802C1 (en) | Hall motor | |
| JP2002517661A5 (en) | ||
| US10131453B2 (en) | Hall effect thruster and a space vehicle including such a thruster | |
| RU2659009C1 (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
| RU2656851C1 (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
| RU2681524C1 (en) | Plasma-optic mass separator ions beam generation method and device for its implementation | |
| RU2795453C1 (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
| US10184459B2 (en) | Discharge chamber of an ion drive, ion drive having a discharge chamber, and a diaphragm for being affixed in a discharge chamber of an ion drive | |
| RU2188521C2 (en) | Plasma-jet engine with closed-circuit electron drift | |
| RU2191291C2 (en) | Closed-electron-drift plasma-jet engine | |
| RU2191487C2 (en) | Closed-electron-drift plasma-jet engine | |
| RU2188337C2 (en) | Closed electron drift plasma jet engine | |
| Manzella et al. | Magnetic circuit for hall effect plasma accelerator | |
| RU2426007C1 (en) | Plasma engine with closed drift of electrons | |
| RU2163309C2 (en) | Ion beam concentrating device for plasma engine and plasma engine equipped with such device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20210506 |