RU2527898C1 - Low-output stationary plasma engine - Google Patents

Low-output stationary plasma engine Download PDF

Info

Publication number
RU2527898C1
RU2527898C1 RU2013117479/07A RU2013117479A RU2527898C1 RU 2527898 C1 RU2527898 C1 RU 2527898C1 RU 2013117479/07 A RU2013117479/07 A RU 2013117479/07A RU 2013117479 A RU2013117479 A RU 2013117479A RU 2527898 C1 RU2527898 C1 RU 2527898C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
channel
annular
anode
magnetic
magnetic field
Prior art date
Application number
RU2013117479/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Антонина Ивановна Бугрова
Глеб Эльмирович Бугров
Василий Андреевич Давыдов
Александр Аркадьевич Сафронов
Вадим Константинович Харчевников
Андрей Михайлович Бишаев
Марина Валентиновна Козинцева
Алексей Васильевич Десятсков
Иван Сергеевич Гордеев
Павел Германович Смирнов
Михаил Игоревич Шапошников
Анжелика Игоревна Ильинова
Александр Семенович Липатов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики"
Priority to RU2013117479/07A priority Critical patent/RU2527898C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2527898C1 publication Critical patent/RU2527898C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: plasma engine with closed electron drift comprises primary circular ionisation channel confined by structural elements from insulating materials and exposed at its outlet. At least one hollow cathode is connected with ionising gas feed line. Ring anode concentric with primary channel is spaced from its exposed end. Circular buffer chamber is arranged at primary channel inlet part, behind anode zone, its radial size exceeding that of the primary circular channel. Pipes to feed ionising gas are communicated in direction towards anode via circular distributor with zone different from that of anode.
EFFECT: higher thrust, simplified design, guaranteed operating cycle.
17 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике и преимущественно предназначено для использования в космической технике в качестве исполнительного органа электрореактивной двигательной установки. Изобретение относится к плазменным двигателям, применяемым на космических аппаратах, в частности к плазменным двигателям с замкнутым дрейфом электронов, называемых двигателями со стационарной плазмой или "холловскими двигателями".The invention relates to plasma technology and is primarily intended for use in space technology as an executive body of an electro-propulsion propulsion system. The invention relates to plasma engines used in spacecraft, in particular to plasma engines with closed electron drift, called stationary plasma engines or "Hall engines".

Такие двигатели предназначены в основном для применения при движении в условиях космоса. В качестве источников ионов или плазмы они также используются для наземного применения, в частности для ионной обработки. Благодаря их высокому удельному импульсу (от 1500 до 6000 с) они обеспечивают в спутниках значительный выигрыш по массе в сравнении с химическими реактивными двигателями.Such engines are designed primarily for use in motion in space. As sources of ions or plasma, they are also used for terrestrial applications, in particular for ion processing. Due to their high specific impulse (from 1500 to 6000 s), they provide satellites with significant mass gain in comparison with chemical jet engines.

Плазменные двигатели с замкнутым дрейфом электронов характеризуются низкой энергетической ценой тяги за счет создания условий, благоприятных для ионизации, при этом создаваемый ими ионный поток квазинейтрален, что снимает ограничения величины плотности ионного тока за счет действия объемного заряда. В связи с этим такой плазменный двигатель может работать в широком диапазоне ускоряющих напряжений. Ионный ток в хороших моделях плазменных ускорителей такого типа близок к разрядному и определяется лишь величиной массового расхода рабочего тела. Таким образом, в известных плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом электронов, в отличие от ионных, имеется возможность независимо изменять массовый расход и ускоряющее напряжение, то есть тягу и скорость истечения при высоком к.п.д двигателя.Closed electron drift plasma engines are characterized by a low energy cost of thrust due to the creation of conditions favorable for ionization, while the ion flux created by them is quasineutral, which removes the limitations of the ion current density due to the action of the space charge. In this regard, such a plasma engine can operate in a wide range of accelerating voltages. The ion current in good models of plasma accelerators of this type is close to the discharge current and is determined only by the mass flow rate of the working fluid. Thus, in known plasma accelerators with a closed electron drift, in contrast to ion accelerators, it is possible to independently change the mass flow rate and accelerating voltage, i.e., thrust and flow rate at high engine efficiency.

В статье Л.А. Арцимовича и др. "Разработка стационарного плазменного двигателя и его испытание на ИСЗ "Метеор" ("Космические исследования", Москва, 1974 г., т. XII, вып. 3, стр. 451-468) описан общий принцип построения плазменного двигателя (ускорителя) с замкнутым дрейфом электронов. Он состоит из разрядной камеры с кольцевым каналом ионизации и ускорения с открытым выходом, выполненной из электроизоляционного материала, газоразрядного полого катода, установленного со стороны открытого выхода из кольцевого канала и подключенного к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения. К положительному полюсу источника напряжения подключен полый кольцевой анод-газораспределитель, установленный на входе в кольцевой канал, соосно с ним. Плазменный ускоритель содержит также средства для подвода ионизируемого газа к газоразрядному полому катоду и к полому кольцевому аноду-газораспределителю, имеющему отверстия для подвода к нему газа и для подачи ионизируемого газа в разрядную камеру. В состав ускорителя входит система для создания магнитного поля в полости разрядной камеры, включающая источник магнитного поля и магнитопровод, состоящий из центрального сердечника, торцевой части со стороны, противоположной выходу из кольцевого канала, и кольцевой части, размещенной снаружи кольцевого канала и образующей выходной торец ускорителя. Торцевые части магнитопровода скреплены с помощью периферийных магнитопроводящих стержневых элементов, равномерно расположенных вокруг разрядной камеры, соосно с ней. Источник магнитного поля известного ускорителя состоит из восьми последовательно соединенных и включенных в электрическую цепь электромагнитных катушек, намотанных на стержневых магнитопроводящих элементах.In the article by L.A. Artsimovich et al. "Development of a stationary plasma engine and its testing on the Meteor satellite" (Space Research, Moscow, 1974, vol. XII, issue 3, pp. 451-468) describes the general principle of constructing a plasma engine ( accelerator) with a closed electron drift.It consists of a discharge chamber with an annular channel of ionization and acceleration with an open outlet made of an insulating material, a gas-discharge hollow cathode mounted on the side of the open outlet from the annular channel and connected to the negative pole of the source a constant voltage, connected to the positive pole of the voltage source, a hollow annular gas distribution anode mounted at the entrance to the annular channel, the plasma accelerator also contains means for supplying ionized gas to the gas-discharge hollow cathode and to the hollow annular gas distribution anode, which has openings for supplying gas to it and for supplying ionized gas to the discharge chamber.The accelerator includes a system for creating a magnetic field in the cavity of the discharge chamber, including ir magnetic field and a magnetic circuit consisting of a central core, an end part on the side opposite to the exit from the annular channel, and an annular part located outside the annular channel and forming the output end of the accelerator. The end parts of the magnetic circuit are fastened with the help of peripheral magnetic conductive rod elements uniformly located around the discharge chamber, coaxially with it. The magnetic field source of the known accelerator consists of eight in series connected and included in the electric circuit electromagnetic coils wound on rod magnetically conductive elements.

Известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий магнитную систему с тремя парами магнитных полюсов (US 4703222, H05H 1/00, опубл. 1987). Известный плазменный ускоритель содержит разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразного канала, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала, и кольцеобразный анод, соосно установленный на входе в канал разрядной камеры. Кольцеобразное газораспределительное устройство размещено в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполнено с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру в радиальном направлении. Магнитная система известного плазменного ускорителя состоит из источников магнитного поля, магнитропровода и трех пар кольцеобразных магнитных полюсов, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры. Первая пара магнитных полюсов охватывает кольцеобразный канал со стороны его открытого выхода и образует торцевую часть ускорителя. В состав магнитопровода входит центральный цилиндрический сердечник, установленный коаксиально каналу разрядной камеры вместе с внутренними магнитными полюсами и источниками магнитного поля, которые размещаются между внутренними магнитными полюсами. Внешние элементы магнитопровода соединяют внешние магнитные полюса. Остальные источники магнитного поля расположены вокруг внешней стенки кольцеобразного канала между внешними магнитными полюсами.Known plasma accelerator with a closed electron drift containing a magnetic system with three pairs of magnetic poles (US 4703222, H05H 1/00, publ. 1987). The known plasma accelerator comprises a discharge chamber with an annular channel of ionization and acceleration made of an insulating material and having an open outlet, a hollow buffer chamber in communication with the entrance of the annular channel, a cathode located on the side of the open outlet of the channel, and a ring-shaped anode coaxially mounted at the entrance to channel of the discharge chamber. The annular gas distribution device is placed in the buffer chamber without blocking the entrance to the annular channel and is made with holes for supplying ionized gas to the buffer chamber in the radial direction. The magnetic system of a known plasma accelerator consists of magnetic field sources, a magnetic wire and three pairs of annular magnetic poles located respectively on the side of the external and on the side of the inner walls of the discharge chamber. The first pair of magnetic poles covers the annular channel from the side of its open exit and forms the end part of the accelerator. The magnetic core includes a central cylindrical core mounted coaxially with the channel of the discharge chamber together with internal magnetic poles and magnetic field sources that are located between the internal magnetic poles. External elements of the magnetic circuit connect the external magnetic poles. The remaining sources of the magnetic field are located around the outer wall of the annular channel between the outer magnetic poles.

Данное выполнение магнитной системы позволяет создать оптимальную для ионизации и ускорения ионов конфигурацию магнитного поля, что обеспечивает повышение газовой эффективности ускорителя и его к.п.д в целом. Кроме того, использование предионизации в буферной камере ускорителя наряду с повышением эффективности использования рабочего тела обеспечивает регулирование характеристик плазменного ускорителя в широких пределах.This embodiment of the magnetic system allows you to create the optimal magnetic field configuration for ionization and ion acceleration, which ensures an increase in the gas efficiency of the accelerator and its overall efficiency. In addition, the use of preionization in the buffer chamber of the accelerator, along with an increase in the efficiency of use of the working fluid, provides for the regulation of the characteristics of the plasma accelerator over a wide range.

Однако присущие решению преимущества не исключают недостатки, касающиеся, в первую очередь, расходимости ионного пучка, недостаточно высокого к.п.д, ограниченной надежности, сложности конструкции, достаточно большого веса и больших габаритов плазменного ускорителя, который должен использоваться в составе космической двигательной установки.However, the advantages inherent in the solution do not exclude the disadvantages regarding, first of all, the divergence of the ion beam, insufficiently high efficiency, limited reliability, design complexity, sufficiently large weight and large dimensions of the plasma accelerator, which should be used as part of a space propulsion system.

Известен стационарный плазменный двигатель малой мощности с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразного канала, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала, кольцеобразный анод, соосно установленный на входе в канал разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему с источниками магнитного поля, магнитопроводом и тремя парами кольцеобразных магнитных полюсов, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры, при этом первая пара магнитных полюсов охватывает кольцеобразный канал со стороны его открытого выхода и образует торцевую часть ускорителя, в состав магнитопровода входит центральный цилиндрический сердечник, установленный коаксиально каналу разрядной камеры вместе с внутренними магнитными полюсами и первым источником магнитного поля, размещенным между внутренними магнитными полюсами, и внешние элементы, соединяющие внешние магнитные полюса, а второй источник магнитного поля расположен вокруг внешней стенки кольцеобразного канала между внешними магнитными полюсами, отличающийся тем, что межполюсный зазор второй пары полюсов закрыт кольцевым немагнитным элементом, образующим вместе с указанными полюсами торцевую часть ускорителя со стороны буферной камеры, причем внешний полюс третьей пары магнитных полюсов установлен между буферной камерой и внешним полюсом первой пары, внутренний полюс третьей пары образован на центральном сердечнике и расположен напротив буферной камеры со смещением относительно плоскости внешнего полюса этой же пары полюсов в сторону газораспределителя, первый источник магнитного полюса размещен между внутренними полюсами первой и третьей пары, а второй источник магнитного поля установлен между внешними полюсами первой и третьей пары (RU 2139647, H05H 1/54, F03H 1/00, опубл. 10.10.1999). Принято в качестве прототипа.Known stationary plasma engine of low power with closed electron drift, containing a discharge chamber with a ring-shaped channel of ionization and acceleration, made of electrical insulation material and having an open outlet, a hollow buffer chamber in communication with the entrance of the ring-shaped channel, the cathode located on the side of the open channel output, ring-shaped an anode coaxially mounted at the entrance to the channel of the discharge chamber, an annular gas distribution device located in the buffer chamber without overlapping the input and in an annular channel and made with holes for supplying ionized gas to the buffer chamber, and a magnetic system with magnetic field sources, a magnetic circuit and three pairs of annular magnetic poles located respectively on the side of the external and internal walls of the discharge chamber, while the first pair of magnetic the poles encompasses the annular channel from the side of its open exit and forms the end part of the accelerator, the core includes a central cylindrical core, installed coaxial to the channel of the discharge chamber together with the internal magnetic poles and the first magnetic field source located between the internal magnetic poles, and external elements connecting the external magnetic poles, and the second magnetic field source is located around the outer wall of the annular channel between the external magnetic poles, characterized in that the interpolar gap of the second pair of poles is closed by a ring non-magnetic element, which forms, together with the indicated poles, the end part of the accelerator from the buffer side the first chamber, the outer pole of the third pair of magnetic poles being installed between the buffer chamber and the outer pole of the first pair, the inner pole of the third pair is formed on the central core and opposite the buffer chamber with an offset relative to the plane of the outer pole of the same pair of poles towards the gas distributor, the first source of magnetic the poles are placed between the inner poles of the first and third pairs, and the second source of magnetic field is installed between the outer poles of the first and third pairs (RU 2139647, H05H 1/54, F03H 1/00, Publ. 10/10/1999). Adopted as a prototype.

В известном решении применение буферной камеры позволило добиться однородности поступающего в канал потока нейтральных частиц, а следовательно, и ионов. При работе патентуемого плазменного ускорителя требуемая топология магнитного поля, близкая к идеальной, достигается простым и эффективным конструктивным решением, за счет чего появилась возможность использовать для решения этой задачи лишь два источника магнитного поля. Это было достигнуто путем оптимального расположения третьей пары магнитных полюсов, позволяющего наиболее простым способом создать выпуклые магнитные силовые линии у стенок канала разрядной камеры в его выходной части. В результате проведенных экспериментов было установлено, что требуемый профиль магнитного поля в буферной камере организуется путем оптимизации ее размеров согласно приведенным в этом патенте соотношениям. Наклон сепаратрис и выпуклость магнитных силовых линий корректируется положением внешнего и внутреннего магнитных полюсов третьей пары. Такое конструктивное выполнение определяет создание близкой к идеальной (для управления формой ускоряемого потока ионов) конфигурации магнитного поля, при этом из энергонапряженной зоны внутреннего магнитопровода исключаются излишние источники магнитного поля. Данные возможности позволяют упростить конструкцию плазменного ускорителя, снизить его вес и габариты, уменьшить полуугол расходимости пучка ионов до значения<±15 и повысить к.п.д. до 65-72%.In a known solution, the use of a buffer chamber made it possible to achieve uniformity of the flow of neutral particles entering the channel, and consequently, of ions. During the operation of the patented plasma accelerator, the required magnetic field topology close to ideal is achieved by a simple and effective constructive solution, due to which it is possible to use only two magnetic field sources to solve this problem. This was achieved by the optimal arrangement of the third pair of magnetic poles, which allows the most simple way to create convex magnetic lines of force at the walls of the channel of the discharge chamber in its output part. As a result of the experiments, it was found that the required magnetic field profile in the buffer chamber is organized by optimizing its size according to the ratios given in this patent. The slope of the separatrices and the convexity of the magnetic field lines is adjusted by the position of the external and internal magnetic poles of the third pair. Such a constructive implementation determines the creation of a magnetic field configuration close to ideal (for controlling the shape of the accelerated ion flux), while unnecessary sources of magnetic field are excluded from the energy-stressed zone of the internal magnetic circuit. These capabilities make it possible to simplify the design of a plasma accelerator, reduce its weight and dimensions, reduce the half-angle of divergence of the ion beam to <± 15, and increase the efficiency up to 65-72%.

Стационарные плазменные двигатели (СПД) находят широкое применение на борту современных космических аппаратов. В настоящее время значительно вырос интерес к СПД малой мощности (меньше 200 Вт) как в России (Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов // О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. Академика РАН А.С. Коротеева. М.: Машиностроение, 2008, с. 31-42, 184-189; К.Н. Козубский, В.М. Мурашко, Ю.П. Рылов и др. СПД работают в космосе // Физика плазмы, 2003, т. 29, №3, с. 277-292; Г.Э. Бугров, А.В. Десятсков, М.В. Козинцева, А.С. Липатов. Интегральные параметры стационарного плазменного двигателя АТОН малой мощности в стационарном и "пулеметном" режимах // Космонавтика и ракетостроение, 2008, 3(52), с. 69-74; М.Б. Беликов, О.А. Горшков, Е.Н. Дышлюк и др. Разработка холловского двигателя малой мощности с ресурсом до 3000 часов // Космонавтика и ракетостроение, 2008, 3(52), с. 131-141; Bugrova A.I., Desiatskov A.V., Kaufman H.R. et al. "Design and experimental investigation of a small closed drift thruster", 27th International Electronic Propulsion Conference, 2001. -IEPC-2001-344), так и за рубежом (Polk J. "Electric propulsion in the USA", 30th International Electronic Propulsion Conference, Florence, Italy, 2007, -IEPC-2007-368; Polzin K.A., Markusie Т.Е., Stanoev B.J. et al. "Performance of a low power cylindrical Holl thruster", 29th International Electronic Propulsion Conference, 2005, -IEPC-2005-011; Biagioni L., Cesari U., Saverdi M., "Development status of the HT-100 miniaturized hall effect thruster system", 41th Join Propulsion Conference, 2005, -AIAA-2005-3875; Tahara H., Fujioka Т., Kitano Т. et al., "Optimization on magnetic field and acceleration channel for low power hall thrusters", 28th International Electronic Propulsion Conference, 2003, -IEPC-2003-015).Stationary plasma engines (SPDs) are widely used on board modern spacecraft. Currently, interest has grown significantly in low-power SPDs (less than 200 W) as in Russia (Hall and ion plasma engines for spacecraft // OA Gorshkov, VA Muravlev, AA Shagayda; ed. Academician of the Russian Academy of Sciences A.S. Koroteev.M .: Engineering, 2008, pp. 31-42, 184-189; K.N. Kozubsky, V.M. Murashko, Yu.P. Rylov and other SPDs work in space / / Plasma Physics, 2003, vol. 29, No. 3, pp. 277-292; G.E. Bugrov, A.V. Desyatskov, M.V. Kozintseva, A.S. Lipatov. Integral parameters of a stationary ATON small plasma engine power in stationary and "machine-gun" modes // osmonautics and rocket science, 2008, 3 (52), pp. 69-74; MB Belikov, OA Gorshkov, EN Dyshlyuk et al. Development of a low-power Hall engine with a resource of up to 3000 hours // Cosmonautics and rocket science, 2008, 3 (52), pp. 131-141; Bugrova AI, Desiatskov AV, Kaufman HR et al. "Design and experimental investigation of a small closed drift thruster", 27 th International Electronic Propulsion Conference, 2001. - IEPC-2001-344) and abroad (Polk J. "Electric propulsion in the USA", 30 th International Electronic Propulsion Conference, Florence, Italy, 2007, -IEPC-2007-368; Polzin KA, Markusie T.E., Stanoev BJ et al. "Performance of a low power cylindrical Holl thruster", 29 th International Electronic Propulsion Conference, 2005, -IEPC-2005-011; Biagioni L., Cesari U., Saverdi M., "Development status of the HT-100 miniaturized hall effect thruster system", 41 th Join Propulsion Conference, 2005, -AIAA-2005-3875; Tahara H., Fujioka T., Kitano T. et al., "Optimization on magnetic field and acceleration channel for low power hall thrusters", 28 th International Electronic Propulsion Conference, 2003, -IEPC-2003-015).

Это связано, в основном, с расширением работ по созданию малых космических аппаратов нового поколения, которые могут быть использованы для решения задач телекоммуникации и дистанционного зондирования Земли. Функции, которые выполняет СПД на борту космического аппарата - это коррекция орбит космических аппаратов, удержание его на заданной орбите, сохранение нужной ориентации аппарата в пространстве.This is mainly due to the expansion of work on the creation of a new generation of small spacecraft that can be used to solve telecommunication and remote sensing tasks of the Earth. The functions that SPD performs on board the spacecraft are the correction of the orbits of spacecraft, keeping it in a given orbit, and maintaining the desired orientation of the spacecraft in space.

Создание современных стационарных плазменных двигателей малой мощности идет как по пути масштабирования двигателей классической схемы, так и на основе модификации их магнитной системы. В первом случае работы выполняются в кооперации ОКБ "Факел" с Исследовательским центром им. М.В. Келдыша (Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов // О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. Академика РАН А.С. Коротеева.- М.: Машиностроение, 2008, с. 31-42, 184-189; М.Б. Беликов, О.А. Горшков, Е.Н. Дышлюк и др. Разработка холловского двигателя малой мощности с ресурсом до 3000 часов // Космонавтика и ракетостроение, 2008, 3(52), с. 131-141). Во втором случае работы выполняются ОКБ "Факел" совместно с НИИ прикладной механики и электродинамики (К.Н. Козубский, В.М. Мурашко, Ю.П. Рылов и др. СПД работают в космосе // Физика плазмы, 2003, т. 29, №3, с. 277-292). Многочисленные экспериментальные данные в приведенных публикациях показывают, что с уменьшением потребляемой СПД мощности анодный тяговый к.п.д. классических СПД снижается и при мощностях 100-200 Вт не превышает 30.The creation of modern stationary low-power plasma engines goes both along the path of scaling the engines of the classical scheme, and based on the modification of their magnetic system. In the first case, the work is carried out in cooperation with OKB "Fakel" with the Research Center. M.V. Keldysh (Hall and ion plasma engines for spacecraft // O.A. Gorshkov, V.A. Muravlev, A.A. Shagayda; edited by the Academician of the Russian Academy of Sciences A.S. Koroteyev.- M .: Mechanical Engineering, 2008, p. 31-42, 184-189; MB Belikov, OA Gorshkov, EN Dyshlyuk et al. Development of a low-power Hall engine with a life of up to 3000 hours // Cosmonautics and Rocket Engineering, 2008, 3 (52 ), p. 131-141). In the second case, the work is carried out by the Fakel Design Bureau jointly with the Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics (K.N. Kozubsky, V.M. Murashko, Yu.P. Rylov and other SPDs work in space // Plasma Physics, 2003, vol. 29, No. 3, pp. 277-292). Numerous experimental data in the above publications show that, with a decrease in the power consumed by the SPD, the anode traction efficiency classic SPD is reduced and at a power of 100-200 watts does not exceed 30.

В МГТУ МИРЭА при конструировании плазменных двигателей, потребляющих малую мощность, используется как метод масштабирования, основанный на критерии Меликова - Морозова, подробно описанном в публикациях (А.И. Бугрова, Н.А. Масленников, А.И. Морозов. Законы подобия интегральных характеристик в УЗДП // ЖТФ, 1991, том 61, вып. 6, с. 45-51; А.И. Бугрова, А.В. Десятсков, А.С. Липатов и др. Экспериментальные исследования стационарных плазменных двигателей семейства АТОН // Физика плазмы, 2010, т. 36, №4, с. 395-400), так и метод оптимизации магнитного поля, запатентованный в 1999 г.(RU 2139647).When designing plasma engines consuming low power, the Moscow State Technical University MIREA is used as a scaling method based on the Melikov-Morozov criterion described in detail in publications (A.I. Bugrova, N.A. Maslennikov, A.I. Morozov. Similarity laws of integral characteristics in ultrasonic testing // ZhTF, 1991, volume 61, issue 6, pp. 45-51; A.I. Bugrova, A.V. Desyatskov, A.S. Lipatov, et al. Experimental Investigations of Stationary Plasma Engines of the ATON Family / / Plasma Physics, 2010, vol. 36, No. 4, pp. 395-400), as well as the patented magnetic field optimization method in 1999 (RU 2139647).

Однако прямое использование метода масштабирования для получения действующей модели, уменьшенной по габаритам по отношению к аналогу, не обеспечивает получение требуемого результата.However, the direct use of the scaling method to obtain the current model, reduced in size relative to the analogue, does not provide the desired result.

Как показывают оценки, при мощности, потребляемой СПД, равной 140-160 Вт, необходим расход ксенона через анод ~ 0.7-0.9 мг/с. Разрядное напряжение должно быть порядка 170-200B. При таких входных параметрах снижение эффективности классических двигателей, потребляющих малую мощность по сравнению с СПД средней мощности (1-1.5 кВт) с 50%до 30% можно объяснить следующим образом. Из приведенных выше работ следует что, анодный к.п.д. двигателя связан с эффективностью процесса ионизации, который определяется коэффициентом использования газа и, потерями напряжения на ионизацию атомов ксенона AU и параметром обмена который определяет величину разрядного тока. К.п.д. двигателя с учетом мощности, потребляемой магнитными катушками равен:According to estimates, with the power consumed by the SPD equal to 140-160 W, the consumption of xenon through the anode is ~ 0.7-0.9 mg / s. The discharge voltage should be about 170-200B. With these input parameters, a decrease in the efficiency of classic engines consuming low power compared to medium power SPDs (1-1.5 kW) from 50% to 30% can be explained as follows. From the above work it follows that the anode efficiency of the engine is associated with the efficiency of the ionization process, which is determined by the gas utilization coefficient and, by the voltage loss on the ionization of xenon atoms AU and the exchange parameter that determines the value of the discharge current. C.p.d. engine taking into account the power consumed by the magnetic coils is equal to:

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
- расход газа через анодWhere
Figure 00000002
- gas flow through the anode

Тяга развиваемая двигателем равнаThe thrust developed by the engine is equal to

Figure 00000003
Figure 00000003

где М - масса иона ксенона, Up - разрядное напряжение, коэффициент использования газа определяется как отношение ионного тока, выходящего из канала к массовому току:where M is the mass of the xenon ion, U p is the discharge voltage, the gas utilization coefficient is defined as the ratio of the ion current exiting the channel to the mass current:

Figure 00000004
Figure 00000004

Мощность разряда:Discharge power:

NP-IpUp, (4)NP-I p U p , (4)

где

Figure 00000005
Where
Figure 00000005

Figure 00000006
- массовый ток.
Figure 00000006
- mass current.

Nk - мощность, потребляемая катушками намагничивания:N k - power consumed by the magnetization coils:

Nk=IBUB+IHUH, (6)N k = I B U B + I H U H , (6)

где IB, IH - токи во внутренней и наружной катушках, UB, UH - напряжения, подаваемые на катушки.where I B , I H are the currents in the inner and outer coils, U B , U H are the voltages supplied to the coils.

Анодный удельный импульс тяги определяется по формуле:

Figure 00000007
Anode specific impulse of thrust is determined by the formula:
Figure 00000007

где g - ускорение свободного падения. Важной характеристикой для любого СПД является цена тяги, которая определяется как: Ct=NΣ/F, (8)where g is the acceleration of gravity. An important characteristic for any SPD is the thrust price, which is defined as: Ct = N Σ / F, (8)

где NΣ=Np+Nk - суммарная мощность, потребляемая двигателем. Ct определяет мощность, затраченную на 1 мН тяги.where N Σ = Np + Nk is the total power consumed by the engine. Ct determines the power spent on 1 mN thrust.

µ, ΔU и ξ зависят от одного параметра подобия β, который, в свою очередь зависит от расхода и радиальных размеров разрядного канала ускорителя [10]:µ, ΔU and ξ depend on one similarity parameter β, which, in turn, depends on the flow rate and the radial dimensions of the accelerator discharge channel [10]:

Figure 00000008
Figure 00000008

где DH - внутренний диаметр наружного канала, в - ширина канала.where D H is the inner diameter of the outer channel, in is the width of the channel.

Экспериментально установлено (А.И. Бугрова, Н.А. Масленников, А.И. Морозов. Законы подобия интегральных характеристик в УЗДП // ЖТФ, 1991, том 61, вып. 6, с. 45-51), что если β приближается к величине 2*10-2 мг/с*мм, то значения µ и ξ стремятся к единице, ΔU - к цене ионизации, которая для ксенона составляет ~ 50 B, что равно примерно четырехкратному потенциалу ионизации атома ксенона. При этом эффективность работы СПД максимальна. Получить такое большое значение β для моделей малой мощности нельзя. Даже для расхода 0,8 мг/с, в=8 мм и DH=26 мм получим β=1.4*10-2 мг/с*мм. Эта величина параметра подобия достаточна для эффективной работы двигателя (А.И. Бугрова, А.В. Десятсков, А.С. Липатов и др. Экспериментальные исследования стационарных плазменных двигателей семейства АТОН // Физика плазмы, 2010, т. 36, №4, с. 395-400).It has been experimentally established (A.I. Bugrova, N.A. Maslennikov, A.I. Morozov. The laws of similarity of integral characteristics in ultrasonic testing // Zh.T. Fiz., 1991, Volume 61, Issue 6, pp. 45-51) that if β approaches 2 * 10 -2 mg / s * mm, then the values of μ and ξ tend to unity, ΔU to the ionization price, which for xenon is ~ 50 B, which is equal to about four times the ionization potential of the xenon atom. At the same time, the efficiency of SPD is maximum. It is impossible to obtain such a large β value for low power models. Even for a flow rate of 0.8 mg / s, b = 8 mm and D H = 26 mm, we obtain β = 1.4 * 10 -2 mg / s * mm. This magnitude of the similarity parameter is sufficient for the effective operation of the engine (A.I. Bugrova, A.V. Desyatskov, A.S. Lipatov, etc. Experimental studies of stationary plasma engines of the ATON family // Plasma Physics, 2010, v. 36, No. 4 , p. 395-400).

Однако реализовать конструкцию с таким малым диаметром разрядной камеры при использовании традиционных материалов невозможно. Действительно, для эффективной работы двигателя любых размеров необходимо, чтобы на срезе величина радиальной компоненты магнитного поля была ~0.02 Тл. Для создания такого поля необходимы как минимум две катушки намагничивания - внутренняя и наружная. Эти катушки запитываются от автономных источников, так как токи в них для получения необходимой величины магнитного поля должны быть значительно больше тока разряда, и мощность, потребляемая катушками намагничивания, дает существенный вклад в суммарную мощность NΣ=Np+Nk, потребляемую СПД. Внутренняя катушка наматывается на сердечник. Эксперименты показывают, что минимальный радиус сердечника, при котором нет насыщения железа, составляет ~3 мм. При четырехслойной намотке внутренней катушки проводом ПОЖ с диаметром жилы 1 мм необходима высота намотки 5 мм. Кроме указанных размеров для обеспечения ресурса в 2500 часов с использование керамики БГП-10 толщина стенки внутреннего изолятора должна быть не менее 3 мм. Таким образом, минимальный диаметр разрядной камеры при ширине канала 8 мм равен DH=38 мм. При этом критериальный коэффициент для расхода 0,8 мг/с равен β=0,008 мг/с•мм. Эта величина меньше необходимой и этим объясняется уменьшение к.п.д. двигателей малой мощности. Приведенные формулы и комментарии к ним относятся как к классическим СПД, так и к СПД нового поколения. Однако в СПД нового поколения типа АТОН (А.И. Бугрова, А.В. Десятсков, А.С. Липатов и др. Экспериментальные исследования стационарных плазменных двигателей семейства АТОН // Физика плазмы, 2010, т. 36, №4, с. 395-400) можно эффективно формировать оптимальную конфигурацию силовых линий магнитного поля внутри канала. Это обусловлено, в основном, отсутствием магнитных экранов, которые характерны для классических СПД.However, it is impossible to realize a design with such a small diameter of the discharge chamber using traditional materials. Indeed, for the effective operation of an engine of any size, it is necessary that the shear value of the radial component of the magnetic field be ~ 0.02 T. To create such a field, at least two magnetization coils are needed - internal and external. These coils are powered from autonomous sources, since the currents in them must be much larger than the discharge current to obtain the required magnetic field, and the power consumed by the magnetizing coils makes a significant contribution to the total power N Σ = Np + Nk consumed by the SPD. The inner coil is wound around the core. Experiments show that the minimum core radius at which there is no iron saturation is ~ 3 mm. With a four-layer winding of the internal coil with a POG wire with a core diameter of 1 mm, a winding height of 5 mm is required. In addition to the indicated dimensions, to ensure a life of 2500 hours using BGP-10 ceramics, the wall thickness of the internal insulator should be at least 3 mm. Thus, the minimum diameter of the discharge chamber with a channel width of 8 mm is D H = 38 mm. Moreover, the criterion coefficient for the flow rate of 0.8 mg / s is equal to β = 0.008 mg / s • mm. This value is less than necessary and this explains the decrease in efficiency low power engines. The above formulas and comments on them apply both to classical LDS and to a new generation LDS. However, in SPD of a new generation of ATON type (A.I. Bugrova, A.V. Desyatskov, A.S. Lipatov, etc. Experimental studies of stationary plasma engines of the ATON family // Plasma Physics, 2010, v. 36, No. 4, p. . 395-400) it is possible to effectively form the optimal configuration of the magnetic field lines inside the channel. This is mainly due to the lack of magnetic screens, which are characteristic of classical SPDs.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении тяговой характеристики СПД малой мощности, работающего на ксеноне, и упрощении конструкции при обеспечении гарантированного времени непрерывной работы.The present invention is aimed at achieving a technical result, which consists in increasing the traction characteristics of low power SPD operating on xenon, and simplifying the design while ensuring guaranteed continuous operation time.

Указанный технический результат достигается тем, что в стационарном плазменном двигателе малой мощности, содержащем разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, кольцеобразный анод, соосно установленный каналу разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему из двух кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания магнитного поля в главном канале, обеспечивают наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала, кольцевой анод, концентричный кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, расположен на расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер кольцеобразного канала ионизации и ускорения, газовводы для подачи ионизируемого газа сообщены в направлении к аноду через кольцевой распределитель с зоной, отличной от зоны расположения анода, при этом со стороны заднего фланца закреплено кольцо из немагнитной нержавеющей стали для формирования симметричной конфигурации силовых линий магнитного поля с помощью двух разнесенных в поперечном направлении относительно разрядной камеры источников магнитного поля кольцеобразных магнитных устройств магнитной системы.The specified technical result is achieved in that in a stationary low-power plasma engine containing a discharge chamber with an annular channel of ionization and acceleration, made of electrical insulation material and having an open outlet, a hollow buffer chamber in communication with the entrance of the annular chamber, a cathode located on the side of the open outlet channel and communicated with the line for supplying ionized gas, an annular anode coaxially mounted to the channel of the discharge chamber, an annular gas distribution device a property placed in the buffer chamber without blocking the entrance to the annular channel and made with holes for supplying ionized gas to the buffer chamber, and a magnetic system of two ring-shaped magnetic devices with magnetic field sources located respectively on the side of the external and internal sides of the discharge chamber for creating a magnetic field in the main channel, ensure the presence in this channel of a radially directed magnetic field with a certain gradient to obtain maximum induction in during the main channel, the annular anode concentric to the annular channel of ionization and acceleration is located at a distance from its open end, in the input part of the main channel, an annular buffer chamber is placed beyond the anode zone, the size of which in the radial direction exceeds the radial size of the annular channel of ionization and acceleration, gas ducts for supplying ionized gas are communicated towards the anode through an annular distributor with a zone different from the zone of the anode, and from the rear A ring made of non-magnetic stainless steel is fixed to form a symmetric configuration of the magnetic field lines using two sources of the magnetic field of the ring-shaped magnetic devices of the magnetic system spaced in the transverse direction relative to the discharge chamber.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.

Настоящее изобретение - модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.The present invention - the model is illustrated by a specific example of execution, which, however, is not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the desired technical result.

На фиг.1 - конструкция плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов;Figure 1 - design of a plasma engine with a closed electron drift;

фиг.2 - показана конфигурация силовых линий модели СПД;figure 2 - shows the configuration of the lines of force of the SPD model;

фиг.3 - приведен вольтамперные характеристики разряда от разрядного напряжения для трех расходов ксенона 0,7 мг/с, 0,8 мг/с и 0,9 мг/с;figure 3 - shows the current-voltage characteristics of the discharge from the discharge voltage for the three xenon flow rates of 0.7 mg / s, 0.8 mg / s and 0.9 mg / s;

фиг.4 - приведена зависимость тяги от разрядного напряжения для трех расходов ксенона 0,7 мг/с, 0,8 мг/с и 0,9 мг/с;figure 4 - shows the dependence of thrust on the discharge voltage for the three xenon flow rates of 0.7 mg / s, 0.8 mg / s and 0.9 mg / s;

фиг.5 - приведена зависимость анодного удельного импульса от разрядного напряжения для трех расходов ксенона 0,7 мг/с, 0,8 мг/с и 0,9 мг/с;figure 5 - shows the dependence of the anode specific impulse on the discharge voltage for three xenon flow rates of 0.7 mg / s, 0.8 mg / s and 0.9 mg / s;

фиг.6 - приведена зависимость тягового к.п.д. от разрядного напряжения для трех расходов ксенона 0,7 мг/с, 0,8 мг/с и 0,9 мг/с;6 - shows the dependence of the traction efficiency from discharge voltage for three xenon flow rates, 0.7 mg / s, 0.8 mg / s and 0.9 mg / s;

фиг.7 - показана зависимость к.п.д. от суммарной мощности NΣ для трех расходов ксенона 0,7 мг/с, 0,8 мг/с и 0,9 мг/с;Fig.7 - shows the dependence of the efficiency from the total power N Σ for the three xenon flow rates, 0.7 mg / s, 0.8 mg / s and 0.9 mg / s;

фиг.8 - показана зависимость удельного импульса Руд от суммарной мощности NΣ для трех расходов ксенона 0,7 мг/с, 0,8 мг/с и 0,9 мг/с;Fig. 8 shows the dependence of the specific impulse R beats on the total power N Σ for three xenon flow rates of 0.7 mg / s, 0.8 mg / s and 0.9 mg / s;

фиг.9 - приведена экспериментальная зависимость разрядного тока, потребляемого СПД;Fig.9 - shows the experimental dependence of the discharge current consumed by the SPD;

фиг.10 - приведена экспериментальная зависимость суммарной мощности;figure 10 - shows the experimental dependence of the total power;

фиг.11- приведена экспериментальная зависимость отношения мощности, потребляемой катушками намагничивания, к мощности разряда;11 - shows the experimental dependence of the ratio of the power consumed by the magnetization coils to the discharge power;

фиг.12 - приведена экспериментальная зависимость параметра обмена от тока в катушках намагничивания;Fig - shows the experimental dependence of the exchange parameter on the current in the magnetization coils;

фиг.13 - показана зависимость удельного анодного импульса тяги от токов в катушках намагничивания;Fig - shows the dependence of the specific anode impulse of the thrust on the currents in the magnetization coils;

фиг.14 - показана зависимость к.п.д. от токов в катушках намагничивания;Fig.14 shows the dependence of the efficiency from currents in magnetization coils;

фиг.15 - показан график изменения уровня колебаний разрядного тока;Fig - shows a graph of changes in the level of fluctuations of the discharge current;

фиг.16 - показан график изменения цены тяги;Fig - shows a graph of the change in the price of thrust;

фиг.17 - показана зависимость потока ионов первой, второй кратности (

Figure 00000009
) и частиц гибнущих на стенках (
Figure 00000010
) от тока в катушках намагничивания. ♦-
Figure 00000011
Figure 00000012
, ▲
Figure 00000013
,
Figure 00000014
Fig - shows the dependence of the ion flux of the first, second multiplicity (
Figure 00000009
) and particles perishing on the walls (
Figure 00000010
) from the current in the magnetizing coils. ♦ -
Figure 00000011
Figure 00000012
, ▲
Figure 00000013
,
Figure 00000014

Согласно настоящему изобретению рассматривается конструкция плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов. Этот двигатель содержит главный кольцевой канал ионизации и ускорения, ограниченный конструкционными элементами из изолирующего материала и открытый на своем выходном конце. По крайней мере один полый катод сообщен с линией для подачи ионизируемого газа. Кольцевой анод, концентричный главному каналу, расположен на расстоянии от его открытого конца. Во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер главного кольцевого канала. Трубы для подачи ионизируемого газа сообщаются в направлении к аноду через кольцевой распределитель с зоной, отличной от зоны расположения анода. Средства для создания магнитного поля в главном канале обеспечивают наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала.According to the present invention, the design of a closed electron drift plasma engine is contemplated. This engine contains a main annular channel of ionization and acceleration, limited by structural elements of insulating material and open at its output end. At least one hollow cathode is in communication with an ionizable gas supply line. A ring anode concentric to the main channel is located at a distance from its open end. In the input part of the main channel, behind the anode location zone, an annular buffer chamber is placed, the size of which in the radial direction exceeds the radial size of the main annular channel. Pipes for supplying ionized gas communicate in the direction of the anode through an annular distributor with a zone different from the zone of the anode. Means for creating a magnetic field in the main channel ensure the presence in this channel of a radially directed magnetic field with a certain gradient to obtain maximum induction at the output of the main channel.

Патентуемый СПД содержит (фиг.1) разрядную камеру 1, выполненную из изолирующего (электроизоляционного) материала (БГП-10) с главным кольцевым каналом 2 ионизации и ускорения, имеющую открытый выход 3. С кольцевым каналом 2 со стороны его входа сообщается полость буферной камеры, выполненной так же из изолирующего материала (электроизоляционного - БГП-10). В рассматриваемом примере буферная камера выполнена в разрядной камере и составляет конструкционную часть последней. Со стороны закрытой части кольцевого канала 2 установлен по крайней мере один полый анод, сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа (немагнитная газовводная трубка 4 (сталь 12X18H10T), закрепленная посредством изолирующей втулки 5 (БГП-10) в стенке, несущей немагнитные шпильки 6 (сталь 12X18H10T) для прикрепления СПД к опоре).Patented SPD contains (Fig. 1) a discharge chamber 1 made of an insulating (electrical insulating) material (BGP-10) with a main annular channel of ionization and acceleration 2 having an open outlet 3. A cavity of the buffer chamber is connected to the annular duct 2 from the side of its entrance made also of insulating material (electrical insulation - BGP-10). In this example, the buffer chamber is made in the discharge chamber and forms the structural part of the latter. On the side of the closed part of the annular channel 2, at least one hollow anode is installed, connected to the line for supplying ionized gas (non-magnetic gas inlet pipe 4 (steel 12X18H10T), fixed by means of an insulating sleeve 5 (БГП-10) in the wall supporting non-magnetic studs 6 ( steel 12X18H10T) for attaching the SPD to the support).

Кольцевой анод 7 выполнен в виде втулки (сталь 12X18H10T). При этом анод 7 расположен на расстоянии от его открытого конца. Кольцевой анод 7 через прижимную лапку 9 прижат (контактирует) с поверхностью кольцевой камеры 10 из немагнитного материала (сталь 12X18H10T), имеющей отверстия для впрыска газового агента (например, газа ксенона), поступающего из газовводной трубки 4 в полость кольцевой камеры 10 и из нее в канал 2. Кольцеобразный анод 7 устанавливается с помощью жестких лапок 9 прижима к корпусу кольцевой камеры 10. Выполнение прижимных лапок 9 из электропроводного материала обеспечивает электрическое соединение анода с линией электропитания от положительного полюса источника постоянного напряжения.Ring anode 7 is made in the form of a sleeve (steel 12X18H10T). Moreover, the anode 7 is located at a distance from its open end. The annular anode 7 is pressed (in contact) through the presser foot 9 with the surface of the annular chamber 10 of non-magnetic material (steel 12X18H10T) having openings for the injection of a gas agent (for example, xenon gas) coming from the gas inlet tube 4 into and out of the cavity of the annular chamber 10 in the channel 2. The annular anode 7 is installed using the rigid tabs 9 of the clamp to the body of the annular chamber 10. The implementation of the clamping tabs 9 of electrically conductive material provides electrical connection of the anode with the power line from the positive floor usa constant voltage source.

Катод и анод 7 соответственно подключены к отрицательному и положительному полюсам источника постоянного напряжения, образуя цепь электропитания. Кольцевая камера 10 размещена в полости буферной камеры и представляет собой кольцеобразное газораспределительное устройство без перекрытия входа в кольцеобразный канал 2. Ионизируемый газ подается в полый катод и в газораспределительное устройство 7 от отдельных или от общего источника сжатого газа. В качестве рабочего ионизируемого газа используется инертный газ, в рассматриваемом случае ксенон (Xe). В кольцевом газораспределительном устройстве (камере 10) выполнено отверстие для подачи в него ионизируемого газа посредством подводящей газовводной трубки 4. Ионизируемый газ подается в буферную камеру через отверстия в камере 10, которые ориентированы перпендикулярно оси симметрии разрядной камеры 1, по окружности максимального диаметра. Выполнение отверстий для подвода ионизируемого газа в буферную камеру, радиально направленными, способствует созданию равномерной по плотности рабочего газа зоны, занимающей практически весь объем буферной камеры.The cathode and anode 7 are respectively connected to the negative and positive poles of a constant voltage source, forming a power circuit. The annular chamber 10 is located in the cavity of the buffer chamber and is an annular gas distribution device without blocking the entrance to the annular channel 2. The ionized gas is supplied to the hollow cathode and gas distribution device 7 from separate or from a common source of compressed gas. An inert gas is used as a working ionized gas, in this case xenon (Xe). In the annular gas distribution device (chamber 10), an opening is made for supplying ionized gas into it by means of a gas supply pipe 4. Ionized gas is supplied to the buffer chamber through openings in the chamber 10, which are oriented perpendicular to the axis of symmetry of the discharge chamber 1, around a circle of maximum diameter. The holes for the supply of ionized gas into the buffer chamber, radially directed, contributes to the creation of a uniform density of the working gas zone, occupying almost the entire volume of the buffer chamber.

Кольцевая буферная камера расположена в входной части главного канала за зоной расположения анода, размер кольцевой буферной камеры в радиальном направлении превышает радиальный размер главного кольцевого канала 2.An annular buffer chamber is located in the input part of the main channel beyond the anode location zone; the size of the annular buffer chamber in the radial direction exceeds the radial size of the main annular channel 2.

Магнитное поле в полостях буферной и разрядной камер создается с помощью магнитной системы из двух магнитных устройств. Первое магнитное устройство включает в себя центральный цилиндрический сердечник 11 из Ст3-10, с источниками магнитного поля 12 (внутренняя катушка) и магнитными полюсами 13. Второе магнитное устройство включает в себя корпус 14 из Ст3-10 Г-образной формы, внутри которого установлена кольцевая опора 15, по бокам которой расположены два дисковых ограничителя 16 из немагнитного материала (сталь 12X18H10T). Таким образом, образуется кольцевая полость для источника магнитного поля 17 (наружная катушка). Вся сборка укрепляется опорным диском 18, несущим элементы присоединения магнитопроводящих стержневых элементов 19 из Ст3-10. Второе магнитное устройство выполнено в виде кольцевой сборки, которая одевается на разрядную камеру 1 со стороны открытого выхода 3. Посредством магнитопроводящих стержневых элементы 19 идет скрепление магнитной системы. Внешние стержневые элементы 19 равномерно расположены вокруг камеры 10 и канала 2 по окружности и скрепляют торцевые части плазменного ускорителя.The magnetic field in the cavities of the buffer and discharge chambers is created using a magnetic system of two magnetic devices. The first magnetic device includes a central cylindrical core 11 of St3-10, with sources of a magnetic field 12 (inner coil) and magnetic poles 13. The second magnetic device includes a housing 14 of St3-10 L-shaped, inside which is installed an annular support 15, on the sides of which are two disk stops 16 of non-magnetic material (steel 12X18H10T). Thus, an annular cavity is formed for the source of magnetic field 17 (outer coil). The entire assembly is strengthened by a support disk 18 carrying the connecting elements of the magnetic core elements 19 of St3-10. The second magnetic device is made in the form of an annular assembly, which is worn on the discharge chamber 1 from the side of the open exit 3. By means of the magnetic core elements 19, the magnetic system is fastened. The outer rod elements 19 are uniformly located around the chamber 10 and channel 2 around the circumference and fasten the end parts of the plasma accelerator.

Конструкция магнитной системы СПД позволяет создать путем подбора внутренних диаметров магнитных полюсов и взаимного расположения полюсов требуемую конфигурацию магнитного поля, которая характеризуется заданным градиентом поля (не менее 100 Э/см) от нулевого значения в области размещения анода до максимального значения на выходе из кольцеобразного канала 2 и углом между ветвями сепаратрис силовых линий поля, равным примерно 90°, причем сепаратрисы пересекают стенки канала 2 под углом примерно 45°. Такая конфигурация магнитного поля обеспечивает создание фокусирующей ионы геометрии магнитных силовых линий в выходной части канала 2 и положительного градиента магнитного поля от анода до выхода из канала. Причем вблизи анода создается магнитное поле с направлением сепаратрис под углом 45°, что обеспечивает условия для отрыва потока ионов от стенок канала и его фокусировку на срединную поверхность разрядной камеры.The design of the SPD magnetic system allows you to create, by selecting the internal diameters of the magnetic poles and the relative positions of the poles, the desired magnetic field configuration, which is characterized by a given field gradient (at least 100 E / cm) from zero in the anode region to the maximum value at the exit of the annular channel 2 and an angle between the branches of the separatrices of the field lines of the field, equal to about 90 °, and the separatrices intersect the walls of the channel 2 at an angle of about 45 °. This configuration of the magnetic field ensures the creation of the ion-focusing geometry of magnetic lines of force in the output part of the channel 2 and a positive gradient of the magnetic field from the anode to the exit from the channel. Moreover, a magnetic field is created near the anode with the separatrix direction at an angle of 45 °, which provides conditions for the separation of the ion flow from the channel walls and its focusing on the middle surface of the discharge chamber.

Моделирование магнитного поля проводилось по стандартной компьютерной программе с использованием табличных характеристик магнитных материалов двигателя. Определялось положение полюсов магнитопровода, плотности токов во внутренней и наружной катушках намагничивания, толщина полюсов, а также положение и размер магнитной «дырки» в заднем фланце модели, наличие которой необходимо для моделей нового поколения типа "α" (RU 2139647). В результате была получена конфигурация силовых линий магнитного поля модели, изображенная на фиг.2, на котором следующими цифрами обозначены следующие элементы СПД: 20 - буферный объем, 21 - передний фланец, 22 - задний фланец, 23 - магнитная "дырка", 24 - наружная катушка, 25 - внутренняя катушка, 26 - шпилька. Этот рисунок соответствует плотностям токов во внутренней катушке jKB=2,4 МА/м2 и наружной jKH=0,9 МА/м2. При этом r - компонента поля на срезе модели по средней линии канала Вr=0,0182 Тл, а на расстоянии 10 мм от среза вглубь канала Br=0,0092 Тл, то есть градиент поля на срезе по средней линии канала составляет 0,009 Тл/см. Эти величины близки к оптимальным.Modeling of the magnetic field was carried out according to a standard computer program using tabular characteristics of the magnetic materials of the engine. The position of the poles of the magnetic circuit, the current density in the inner and outer magnetization coils, the thickness of the poles, as well as the position and size of the magnetic “hole” in the rear flange of the model, the presence of which is necessary for new generation models of the α type (RU 2139647), were determined. As a result, the configuration of the magnetic field lines of the model was obtained, shown in figure 2, in which the following numbers indicate the following SPD elements: 20 - buffer volume, 21 - front flange, 22 - rear flange, 23 - magnetic "hole", 24 - outer coil, 25 - inner coil, 26 - hairpin. This figure corresponds to the current densities in the inner coil j KB = 2.4 MA / m 2 and the outer j KH = 0.9 MA / m 2 . At the same time, r is the field component at the cut of the model along the channel’s midline B r = 0.0182 T, and at a distance of 10 mm from the cut into the channel B r = 0.0092 T, that is, the field gradient at the cut along the canal midline is 0.009 T / cm These values are close to optimal.

Магнитная "дырка" представляет собой кольцо 27 (фиг.1) из немагнитной нержавеющей стали, вставленной в задний фланец модели. Она нужна для формирования симметричной конфигурации силовых линий магнитного поля с помощью только двух катушек намагничивания. Как видно из фиг.2, в модели реализован "фигурный" магнитопровод, позволяющий уменьшить ее габариты.The magnetic "hole" is a ring 27 (figure 1) of non-magnetic stainless steel inserted into the rear flange of the model. It is needed to form a symmetric configuration of the magnetic field lines using only two magnetization coils. As can be seen from figure 2, the model implements a "curly" magnetic circuit, allowing to reduce its dimensions.

При эквипотенциализации силовых линий магнитного поля можно считать, что поток ионов движется почти перпендикулярно касательным к ним. Из симметрии картины силовых линий, изображенных на фиг.2 следует, что поток ионов в канале ускорителя будет симметричным. В отличие от классических СПД здесь имеется сепаратриса магнитных силовых линий. Положение нуля магнитного поля совпадает с точкой пересечения ветвей сепаратрисы. Анод располагается напротив нуля магнитного поля и крепится на внешнем изоляторе. Таким образом, форма силовых линий магнитного поля является фокусирующей для ионного потока, и струя на выходе из модели оторвана от стенок изоляторов. Все это должно приводить к повышению к.п.д. анодного блока СПД.With equipotentialization of the magnetic field lines, we can assume that the ion flux moves almost perpendicular to the tangent lines to them. From the symmetry of the pattern of the lines of force depicted in figure 2 it follows that the ion flux in the channel of the accelerator will be symmetrical. Unlike classical SPDs, there is a separatrix of magnetic field lines. The zero position of the magnetic field coincides with the point of intersection of the branches of the separatrix. The anode is located opposite the zero of the magnetic field and is mounted on an external insulator. Thus, the shape of the magnetic field lines is focusing for the ion flux, and the jet at the exit from the model is torn off from the walls of the insulators. All this should lead to an increase in efficiency. anode block SPD.

В результате проведенной оптимизации была сконструирована и изготовлена лабораторная модель СПД (фиг.1). Габаритные размеры модели: диаметр ~70 мм, длина ~60 мм. Модель была испытана как на стенде МГТУ МИРЭА, так и на стенде ОКБ "Факел". Экспериментально измеренные интегральные параметры, полученные на обоих стендах, практически совпали.As a result of the optimization, a laboratory model of SPD was designed and manufactured (Fig. 1). Overall dimensions of the model: diameter ~ 70 mm, length ~ 60 mm. The model was tested both at the stand of MSTU MIREA, and at the stand of the Fakel Design Bureau. The experimentally measured integral parameters obtained at both stands practically coincided.

Интегральные характеристики лабораторной модели СПД измерялись на стендах, вакуумные камеры которых откачивались диффузионными насосами. Расход ксенона в экспериментах изменялся в пределах от 0,7 мг/с до 0,9 мг/с. При этом динамическое давление не превышало 1*10-4 мм рт.ст. по воздуху. Потребляемая моделью суммарная мощность, включающая мощность, затрачиваемую на катушки намагничивания, изменялась в диапазоне от 125Bт до 200Вт.The integral characteristics of the laboratory model of SPDs were measured on stands whose vacuum chambers were pumped out by diffusion pumps. The xenon consumption in the experiments ranged from 0.7 mg / s to 0.9 mg / s. In this case, the dynamic pressure did not exceed 1 * 10 -4 mm Hg. by air. The total power consumed by the model, including the power spent on the magnetization coils, varied in the range from 125 W to 200 W.

Для трех расходов ксенона

Figure 00000015
0,8 мг/с и 0,9 мг/с измерялись вольтамперные характеристики разряда и тяга, создаваемая ускорителем. Токи в катушках намагничивания подбирались по минимуму разрядного тока. Оказалось, что для всех расходов оптимальные токи во внутренней и наружной катушках равны IB=IH=5A. По формулам (1-7) рассчитывался анодный к.п.д. с учетом суммарной потребляемой мощности анодного блока NΣ=Np+Nk и удельный импульс тяги. На фиг.3-6 приведены вольтамперные характеристики разряда (фиг.3), зависимость тяги (фиг.4), анодного удельного импульса (фиг.5) и тягового к.п.д. (фиг.6) от разрядного напряжения для трех указанных расходов. Из фиг.3 видно, что вольтамперные характеристики разряда для всех расходов практически вертикальны, что характеризует хорошую степень ионизации атомов ксенона. Тяга и удельный импульс (фиг.4 и 5) растут с ростом напряжения разряда по линейному закону. Максимальные значения тяги, полученные при UP=210B равны 9,4 мН, 10,6 мН и 12,5 мН для расходов 0,7 мг/с, 0,8 мг/с и 0,9 мг/с соответственно. Удельный импульс при этом напряжении равен 1370с, 1380с и 1410с и тяговый анодный к.п.д достигает величины 43,8% при расходе 0,9 мг/с. Однако мощность, потребляемая ускорителем при этом расходе превышает 150 Вт. Это видно из фиг.7 и 8, где для этих режимов изображены кривые зависимости к.п.д. и удельного импульса Руд от суммарной мощности NΣ. Из этого чертежа видно, что при расходе ксенона
Figure 00000016
и напряжении 210B суммарная мощность не превышает 150Вт, при этом к.п.д. равен 41%, удельный импульс достигает значения Руд=1370с, тяга равна 9,4 мН. Другим режимом с мощностью NΣ=150Вт является режим с расходом 0,8 мг/с, к.п.д. 39%, Руд=1240с, F=9,7мН, UP=190B.For three xenon costs
Figure 00000015
0.8 mg / s and 0.9 mg / s measured the current-voltage characteristics of the discharge and the thrust generated by the accelerator. The currents in the magnetization coils were selected to minimize the discharge current. It turned out that for all costs, the optimal currents in the inner and outer coils are equal to I B = I H = 5A. According to formulas (1-7), the anode efficiency was calculated taking into account the total power consumption of the anode block N Σ = Np + Nk and specific impulse of thrust. Figure 3-6 shows the current-voltage characteristics of the discharge (figure 3), the dependence of the thrust (figure 4), the anode specific impulse (figure 5) and traction efficiency (6) from the discharge voltage for the three indicated costs. Figure 3 shows that the current-voltage characteristics of the discharge for all flows are almost vertical, which characterizes a good degree of ionization of xenon atoms. The thrust and specific impulse (Figs. 4 and 5) increase with increasing discharge voltage according to a linear law. The maximum thrust values obtained at U P = 210B are 9.4 mN, 10.6 mN and 12.5 mN for flow rates of 0.7 mg / s, 0.8 mg / s and 0.9 mg / s, respectively. The specific impulse at this voltage is 1370s, 1380s and 1410s and the traction anode efficiency reaches 43.8% at a flow rate of 0.9 mg / s. However, the power consumed by the accelerator at this flow rate exceeds 150 watts. This can be seen from Figs. 7 and 8, where the efficiency curves are shown for these modes. and specific impulse P beats from the total power N Σ . From this drawing it can be seen that with xenon consumption
Figure 00000016
and a voltage of 210V, the total power does not exceed 150W, while the efficiency is equal to 41%, the specific impulse reaches a value of P beats = 1370 s, thrust is 9.4 mN. Another mode with a power of N Σ = 150 W is a mode with a flow rate of 0.8 mg / s, efficiency 39%, P ud = 1240s, F = 9,7mN, U P = 190B.

Было проверено влияние величины магнитного поля на интегральные параметры СПД при входных параметрах

Figure 00000017
, Up=180В. Для этого изменялись токи в катушках намагничивания от 3A до 5A с шагом 0.25A, причем как во внутренней, так и в наружной катушках токи были одинаковы, поэтому конфигурация силовых линий не менялась.The effect of the magnetic field on the integral parameters of the SPD at the input parameters was verified
Figure 00000017
, U p = 180V. For this, the currents in the magnetization coils changed from 3A to 5A with a step of 0.25A, and the currents in both the internal and external coils were the same, so the configuration of the field lines did not change.

На рис.9-12 приведены экспериментальные зависимости разрядного тока (фиг.9), суммарной мощности, потребляемой СПД (фиг.10), отношения мощности, потребляемой катушками намагничивания к мощности разряда (фиг.11) и параметра обмена (фиг.12) от тока в катушках намагничивания. Из рисунков видно, что с увеличением магнитного поля ток разряда и, соответственно, суммарная мощность, потребляемая СПД, сначала резко падают, а затем выходят на «полку». Относительная доля мощности, потребляемая катушками намагничивания, растет практически по линейному закону (фиг.11). Параметр обмена асимптотически убывает до значения 1,23 (фиг.12).Fig. 9-12 shows the experimental dependence of the discharge current (Fig. 9), the total power consumed by the SPD (Fig. 10), the ratio of the power consumed by the magnetizing coils to the discharge power (Fig. 11) and the exchange parameter (Fig. 12) from the current in the magnetizing coils. It can be seen from the figures that with an increase in the magnetic field, the discharge current and, accordingly, the total power consumed by the SPD, first sharply fall, and then go to the "shelf". The relative fraction of power consumed by the magnetization coils grows almost linearly (Fig. 11). The exchange parameter asymptotically decreases to a value of 1.23 (Fig. 12).

В каждой экспериментальной точке была измерена тяга и рассчитаны зависимости удельного анодного импульса тяги и к.п.д. от токов в катушках намагничивания. Эти кривые представлены на фиг.13 и 14. Обращает на себя внимание тот факт, что тяга и, соответственно, удельный импульс в указанном диапазоне изменения величины магнитного поля меняются незначительно (фиг.13). На фиг.14 ηa - анодный к.п.д. без учета потерь в катушках намагничивания, η - к.п.д. анодного блока с учетом этих потерь. Из фиг.14 видно, что η сначала резко возрастает, достигая максимума, а затем незначительно падает, в то время как ηa монотонно возрастает и выходит на «полку». Поэтому снижение эффективности работы модели η можно объяснить увеличением разогрева катушек намагничивания при пропускании через них большего тока. На фиг.15 показано как меняется уровень колебаний разрядного тока, а на фиг.16 - цена тяги. Видно, что уровень колебаний с увеличением тока в катушках убывает от 4.5% до 2.5%. Цена тяги также уменьшается от 18 Вт/мН до 16 Вт/мН. Из фиг.13-16 следует, что при увеличении токов в магнитных катушках до оптимальных значений (минимум разрядного тока) эффективность работы двигателя по основным параметрам возрастает.At each experimental point, thrust was measured and the dependences of the specific anode impulse of thrust and efficiency were calculated. from currents in magnetization coils. These curves are presented in FIGS. 13 and 14. It is noteworthy that the thrust and, accordingly, the specific impulse in the indicated range of the magnetic field change insignificantly (Fig. 13). On Fig η a - anode efficiency excluding losses in the magnetization coils, η - efficiency anode block taking into account these losses. From Fig. 14 it is seen that η first increases sharply, reaching a maximum, and then slightly decreases, while η a monotonously increases and goes to the "shelf". Therefore, the decrease in the efficiency of the η model can be explained by an increase in the heating of the magnetization coils when a larger current is passed through them. On Fig shows how the level of fluctuations of the discharge current, and in Fig.16 - the price of traction. It can be seen that the level of oscillations decreases with increasing current in the coils from 4.5% to 2.5%. The price of traction also decreases from 18 W / mN to 16 W / mN. From Fig.13-16, it follows that with increasing currents in the magnetic coils to the optimum values (minimum discharge current), the efficiency of the engine in the main parameters increases.

Объяснить поведение интегральных параметров с увеличением тока в магнитных катушках, а значит с увеличением магнитного поля в зоне ионизации, можно, исходя из следующих соображений. Плазменный поток, выходящий из СПД, является полностью ионизованной средой, состоящей из ионов ксенона первой и второй кратности и частиц, выпавших из ускорения. Доля последних может быть связана с различными причинами: пролет без ионизации в ускорителе, гибель ионов на стенках и превращение их в нейтралы. Согласно (А.И. Бугрова, А.С. Липатов, А.И. Морозов, С.В. Баранов. Влияние соотношения долей ионов разной кратности на интегральные параметры СПД типа АТОН // Письма в ЖТФ, том 31, вып. 21, 2005, стр. 87-94) эти потоки связаны с интегральными параметрами соотношениями:The behavior of integral parameters with an increase in current in magnetic coils, and therefore with an increase in the magnetic field in the ionization zone, can be explained on the basis of the following considerations. The plasma stream emerging from the SPD is a completely ionized medium consisting of xenon ions of the first and second magnitude and particles that have fallen from acceleration. The share of the latter can be associated with various reasons: the passage without ionization in the accelerator, the death of ions on the walls and their transformation into neutrals. According to (A.I. Bugrova, A.S. Lipatov, A.I. Morozov, S.V. Baranov. The effect of the ratio of the fractions of ions of different multiplicity on the integral parameters of the SPD type ATON // Letters to Zh. Phys., Volume 31, issue 21 , 2005, pp. 87-94) these flows are associated with integral parameters by the relations:

Figure 00000018
Figure 00000018

Figure 00000019
Figure 00000019

Figure 00000020
Figure 00000020

где

Figure 00000021
- суммарный расход ксенона,
Figure 00000022
и
Figure 00000023
- поток однократно и двукратно ионизованных атомов,
Figure 00000024
- поток частиц, гибнущих на стенках, k - коэффициент, определяющий вклад сквозного тока в ток разряда (к≈0,1). На фиг.17 приведены зависимости
Figure 00000025
, от тока в катушках намагничивания (IВ=IН), который меняется в пределах от 3A до 5A. Из чертежа видно, что при увеличении тока в катушках доля однократно ионизованных ионов возрастает от 31% до 64%, а доля ионов второй кратности убывает от 39% до 15%. Кроме того, уменьшается доля частиц, гибнущих на стенках разрядной камеры. Уменьшение доли двухзарядных ионов и частиц, гибнущих на стенках, приводит к увеличению к.п.д. (В. Ким, В.И. Козлов, В.М. Мурашко и др. Исследование особенностей работы стационарных плазменных двигателей при повышенных разрядных напряжениях //Космонавтика и ракетостроение, 2008, 3(52), сс. 21-27) и незначительному уменьшению удельного импульса. Это связанно с тем, что при уменьшении количества ионов второй кратности снижается средняя скорость истечения струи, а значит, уменьшается удельный импульс. При этом уменьшаются потери на ионизацию.Where
Figure 00000021
- total xenon consumption,
Figure 00000022
and
Figure 00000023
- a stream of once and twice ionized atoms,
Figure 00000024
is the flux of particles perishing on the walls, k is the coefficient determining the contribution of the through current to the discharge current (k≈0.1). On Fig shows the dependence
Figure 00000025
, from the current in the magnetization coils (I B = I N ), which varies from 3A to 5A. From the drawing it can be seen that with increasing current in the coils, the fraction of singly ionized ions increases from 31% to 64%, and the fraction of ions of the second magnitude decreases from 39% to 15%. In addition, the proportion of particles dying on the walls of the discharge chamber is reduced. A decrease in the fraction of doubly charged ions and particles perishing on the walls leads to an increase in the efficiency (V. Kim, V.I. Kozlov, V.M. Murashko et al. Study of the features of stationary plasma engines at high discharge voltages // Cosmonautics and Rocket Engineering, 2008, 3 (52), pp. 21-27) and insignificant decrease in specific impulse. This is due to the fact that with a decrease in the number of ions of the second magnitude, the average jet velocity decreases, and, therefore, the specific impulse decreases. At the same time, ionization losses are reduced.

Важным параметром СПД является расходимость истекающей из двигателя струи, которая определяется телесным углом, в который попадает 90% направленного потока ионов. Для классических моделей М-70 и СПД-100 полуугол расходимости составляет ±45° (К.Н. Козубский, В.М. Мурашко, Ю.П. Рылов и др. СПД работают в космосе // Физика плазмы, 2003, т. 29, №3, с. 277-292).An important parameter of the SPD is the divergence of the jet flowing out of the engine, which is determined by the solid angle at which 90% of the directed ion flow enters. For the classical models M-70 and SPD-100, the half-angle of divergence is ± 45 ° (K.N. Kozubsky, V.M. Murashko, Yu.P. Rylov and other SPDs work in space // Plasma Physics, 2003, vol. 29, No. 3, pp. 277-292).

Для определения расходимости модели α-40 были сняты профили направленного ионного тока на двойной зонд. В результате обработки этих кривых был получен полуугол расходимости, равный ±25°, который существенно меньше, чем у классических моделей. Уменьшение расходимости струи у СПД объясняется смещением «центра тяжести» зоны ионизации вглубь канала. Это реализовано с помощью буферного объема, где происходит изотропизация нейтральных атомов, и создания фокусирующей геометрии силовых линий магнитного поля в канале. Следует отметить, что при уменьшении угла расходимости струи происходит увеличение ширины поясков эрозии как на наружном, так и внутреннем канале разрядной камеры. Это означает, что, возможно, расходимость струи влияет на ресурс двигателя.To determine the divergence of the α-40 model, the profiles of the directed ion current to the double probe were taken. As a result of processing these curves, a divergence half angle of ± 25 ° was obtained, which is substantially less than that of classical models. The decrease in the divergence of the jet in the SPD is explained by the shift of the "center of gravity" of the ionization zone inland. This is realized using a buffer volume, where neutral atoms are isotropized, and creating a focusing geometry of the magnetic field lines in the channel. It should be noted that as the angle of divergence of the jet decreases, the width of the erosion belts increases both on the outer and inner channels of the discharge chamber. This means that perhaps the divergence of the jet affects the engine resource.

По установленным критериям ресурс определяется временем непрерывной работы двигателя, при котором толщина изоляторов на срезе становится равной нулю. Для расчета толщины стенок изолятора по данному ресурсу необходимо определить скорость эрозии на срезе в радиальном направлении. Были проведены кратковременные ресурсные испытания СПД, работающей в режиме Up=210B,

Figure 00000026
при вкладываемой мощности NΣ≈150Вт в течение 50 часов.According to the established criteria, the resource is determined by the time of continuous operation of the engine, at which the thickness of the insulators in the section becomes zero. To calculate the wall thickness of the insulator for this resource, it is necessary to determine the erosion rate at the cut in the radial direction. Short-term life tests of the SPD operating in the U p = 210B mode were carried out.
Figure 00000026
with a power input of N Σ ≈150 W for 50 hours.

Эксперименты показали, что средняя скорость эрозии на срезе СПД для внутренней стенки составила 3 мкм/час, наружной - 2,25 мкм/час. По этим данным, используя логарифмическую аппроксимацию, было получено, что для ресурса 2500 часов толщина внутренней керамики должна составлять 2,9 мм, наружной - 2,2 мм.The experiments showed that the average erosion rate at the LDS section for the inner wall was 3 μm / hour, the external - 2.25 μm / hour. According to these data, using a logarithmic approximation, it was found that for a resource of 2500 hours, the thickness of the internal ceramics should be 2.9 mm, the outer - 2.2 mm.

Сравнительные характеристики СПД малой мощности, разработанные разными организациями, приведены в таблице.Comparative characteristics of low power SPD developed by different organizations are given in the table.

ТаблицаTable ПараметрParameter Модель (разработчик)Model (developer) СПД-50М "Центр Келдыша"SPD-50M "Keldysh Center" СПД по настоящему изобретениюSPD of the present invention ХНТ 100 НЕТ ЕвропаXNT 100 NO Europe Напряжение разряда, BDischarge voltage, B 200200 210210 160160 Ток разряда, ADischarge current, A 0,720.72 0,630.63 1one Мощность, ВтPower, W 147,5147.5 147147 160160 Тяга, мНThrust, mN 9,49,4 9,49,4 1010 Анодный удельный импульс тяги, сAnode specific impulse of thrust, s 10901090 13701370 950950 Анодный к.п.д., %Anode efficiency,% 34,234.2 41,441,4 31,231,2 Ресурс разрядной камеры, часResource of the discharge chamber, hour >1800> 1800 2500*2500 * -- * - прогнозируемый ресурс.* - predicted resource.

Из таблицы видно, что модель СПД по настоящему изобретению обладает рядом преимуществ по сравнению с аналогичными СПД, разработанными как в РФ, так и за рубежом. Так, при вкладываемой мощности ~150 Вт, напряжении разряда 210В, расходе ксенона 0,7 мг/с тяга составила 9.4 мН, анодный удельный импульс тяги равен ~1370 с, анодный к.п.д. с учетом мощности, потребляемой катушками намагничивания, равен 41%. Другой режим с большей тягой (9.7 мН), но с меньшим удельным импульсом (1240 с) при такой же вкладываемой мощности, был получен при расходе 0.8 мг/с и напряжении 190 В. При этом к.п.д. составил 39%. В этом режиме уровень колебаний разрядного тока 2.5%. Для мощности 140 Вт проведены исследования влияния величины магнитного поля на интегральные параметры модели. Показано, что интегральные характеристики определяются соотношением долей одно- и двухзарядных ионов атомов ксенона, которое зависит не только от конфигурации силовых линий, но и от его величины. Полуугол расходимости струи равен ±25°. Прогнозируемый ресурс составляет 2500 часов. Приведенные в работе данные показывают, что эффективность СПД выше, чем у известных аналогов.The table shows that the SPD model of the present invention has several advantages compared to similar SPDs developed both in the Russian Federation and abroad. So, with a power input of ~ 150 W, a discharge voltage of 210 V, a xenon flow rate of 0.7 mg / s, the thrust was 9.4 mN, the anode specific impulse of thrust was ~ 1370 s, the anode efficiency taking into account the power consumed by the magnetizing coils, equal to 41%. Another mode with a higher thrust (9.7 mN), but with a lower specific impulse (1240 s) at the same power input, was obtained at a flow rate of 0.8 mg / s and a voltage of 190 V. amounted to 39%. In this mode, the level of oscillations of the discharge current is 2.5%. For a power of 140 W, the influence of the magnetic field on the integral parameters of the model was studied. It is shown that the integral characteristics are determined by the ratio of the fractions of singly and doubly charged ions of xenon atoms, which depends not only on the configuration of the lines of force, but also on its magnitude. The angle of divergence of the jet is ± 25 °. The predicted resource is 2500 hours. The data presented in the work show that the effectiveness of SPD is higher than that of the known analogues.

Такой плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов согласно патентуемому изобретению может использоваться, в первую очередь, в космической технике в качестве исполнительного органа электрореактивной двигательной установки. Кроме того, плазменный ускоритель может применяться в научных исследованиях, для моделирования направленных плазменных потоков.Such a plasma engine with a closed electron drift according to the patented invention can be used, first of all, in space technology as an actuator of an electric propulsion system. In addition, a plasma accelerator can be used in scientific research to simulate directed plasma flows.

Claims (1)

Стационарный плазменный двигатель малой мощности, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, кольцеобразный анод, соосно установленный каналу разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему из двух кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания магнитного поля в главном канале, обеспечивающих наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала, отличающийся тем, что кольцевой анод, концентричный кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, расположен на расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер кольцеобразного канала ионизации и ускорения, газовводы для подачи ионизируемого газа сообщены в направлении к аноду через кольцевой распределитель с зоной, отличной от зоны расположения анода, при этом со стороны заднего фланца закреплено кольцо из немагнитной нержавеющей стали для формирования симметричной конфигурации силовых линий магнитного поля с помощью двух разнесенных в поперечном направлении относительно разрядной камеры источников магнитного поля кольцеобразных магнитных устройств магнитной системы. A stationary low-power plasma engine containing a discharge chamber with an annular channel of ionization and acceleration made of an insulating material and having an open outlet, a hollow buffer chamber in communication with the inlet of the annular chamber, a cathode located on the side of the open outlet of the channel and communicated with the line for supplying the ionizable gas, an annular anode coaxially mounted to the channel of the discharge chamber, an annular gas distribution device located in the buffer chamber without overlapping yes into an annular channel and made with holes for supplying ionized gas to the buffer chamber, and a magnetic system of two annular magnetic devices with magnetic field sources located respectively from the outer and from the inner walls of the discharge chamber to create a magnetic field in the main channel, providing the presence in this channel of a radially directed magnetic field with a certain gradient to obtain maximum induction at the output of the main channel, characterized in that the ring the anode concentric to the annular channel of ionization and acceleration is located at a distance from its open end; in the input part of the main channel, an annular buffer chamber is placed beyond the anode zone; its size in the radial direction exceeds the radial size of the annular channel of ionization and acceleration, gas inlets for supplying ionized gas communicated towards the anode through an annular distributor with a zone different from the zone of the anode location, while a ring of nonmagnet is fixed from the side of the rear flange stainless steel for forming a symmetrical configuration of the magnetic field lines using two annular magnetic devices of the magnetic system spaced in the transverse direction relative to the discharge chamber of the magnetic field.
RU2013117479/07A 2013-04-17 2013-04-17 Low-output stationary plasma engine RU2527898C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013117479/07A RU2527898C1 (en) 2013-04-17 2013-04-17 Low-output stationary plasma engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013117479/07A RU2527898C1 (en) 2013-04-17 2013-04-17 Low-output stationary plasma engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2527898C1 true RU2527898C1 (en) 2014-09-10

Family

ID=51540163

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013117479/07A RU2527898C1 (en) 2013-04-17 2013-04-17 Low-output stationary plasma engine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2527898C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU167315U1 (en) * 2016-10-11 2017-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" (МИРЭА) Stationary low-power plasma engine

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0463408A3 (en) * 1990-06-22 1992-07-08 Hauzer Techno Coating Europe Bv Plasma accelerator with closed electron drift
RU2139647C1 (en) * 1998-06-18 1999-10-10 Бугрова Антонина Ивановна Closed-electron-drift plasma accelerator
RU2139646C1 (en) * 1998-04-07 1999-10-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр им.М.В.Келдыша" Closed-electron-drift plasma accelerator
FR2782884A1 (en) * 1998-08-25 2000-03-03 Snecma CLOSED ELECTRON DERIVATIVE PLASMA PROPELLER SUITABLE FOR HIGH THERMAL LOADS

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0463408A3 (en) * 1990-06-22 1992-07-08 Hauzer Techno Coating Europe Bv Plasma accelerator with closed electron drift
RU2139646C1 (en) * 1998-04-07 1999-10-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр им.М.В.Келдыша" Closed-electron-drift plasma accelerator
RU2139647C1 (en) * 1998-06-18 1999-10-10 Бугрова Антонина Ивановна Closed-electron-drift plasma accelerator
FR2782884A1 (en) * 1998-08-25 2000-03-03 Snecma CLOSED ELECTRON DERIVATIVE PLASMA PROPELLER SUITABLE FOR HIGH THERMAL LOADS

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU167315U1 (en) * 2016-10-11 2017-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" (МИРЭА) Stationary low-power plasma engine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Raitses et al. Parametric investigations of a nonconventional Hall thruster
US7294969B2 (en) Two-stage hall effect plasma accelerator including plasma source driven by high-frequency discharge
US6456011B1 (en) Magnetic field for small closed-drift ion source
US9494143B1 (en) Ion propulsion thruster including a plurality of ion optic electrode pairs
US9897079B2 (en) External discharge hall thruster
US6215124B1 (en) Multistage ion accelerators with closed electron drift
Sommerville et al. Hall-effect thruster--cathode coupling, part I: efficiency improvements from an extended outer pole
CN111120232B (en) Cusped field plasma thruster capable of realizing fine adjustment and discharge control performance
US7030576B2 (en) Multichannel hall effect thruster
Potapenko et al. Characteristic relationship between dimensions and parameters of a hybrid plasma thruster
RU2527898C1 (en) Low-output stationary plasma engine
Raitses et al. Cylindrical hall thrusters
US10436183B2 (en) Plasma accelerating apparatus and plasma accelerating method
US9181935B2 (en) Plasma thrusters
Garrigues et al. Design and first test campaign results with a new flexible magnetic circuit for a Hall thruster
IL139487A (en) Magnetic flux shaping in ion accelerators with closed electron drift
WO2002069364A2 (en) Magnetic field for small closed-drift thruster
Bernikova et al. Parametric family of the PlaS-type thrusters: development status and future activities
Gondol et al. Development and characterization of a miniature hall-effect thruster using permanent magnets
RU152775U1 (en) STATIONARY PLASMA ENGINE WITH MODIFIED CHANNEL
RU2139647C1 (en) Closed-electron-drift plasma accelerator
RU2663241C1 (en) Hollow cathode
RU167315U1 (en) Stationary low-power plasma engine
Sudnikov et al. Helical mirror concept exploration: Design and status
Raitses et al. Effect of the magnetic field on the plasma plume of the cylindrical Hall thruster with permanent magnets

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180418