RU2565646C1

RU2565646C1 - Ionic engine

Info

Publication number: RU2565646C1
Application number: RU2014110349/06A
Authority: RU
Inventors: Валерий Георгиевич Островский
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-10-20
Also published as: RU2014110349A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to electric rocket engines. Large-sized ionic engine comprises encased ionic chamber. The latter comprises working fluid feed unit and ionic-optical system composed of plasma and acceleration electrodes secured at the case outer surface and isolated from each other and from said case. Neutralising cathode is secured at said case. Inner wall is arranged along the case central axis to make through opening to accommodate said neutralising cathode. Ionic-optical system composed of plasma and acceleration electrodes are composed of rings with inner perimeters secured to the case inner wall and isolated from each other and from said case. Note here that gas discharge chamber comprises at least one circular magnetic core and circular discharge chamber. Working fluid feed unit is composed of circular anode arranged therein to make a gas distributor. Discharge chamber is arranged inside circular magnetic core, its poles covering the discharge chamber rings. Note also that said magnetic core is provided with magnet, for example, solenoid-type electromagnet. Note also that source of ions connected in claimed circuit with closed electron drift features the coefficient of working fluid use of the order of 1.

EFFECT: ruled out backflow of ions, longer service life of engine.

3 cl, 1 dwg

Description

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

Среди различных типов электроракетных двигателей (ЭРД) в ионных двигателях (ИД) может быть достигнут максимальный удельный импульс тяги.Among the various types of electric rocket engines (ERE) in ion engines (ID), the maximum specific thrust impulse can be achieved.

Конструктивно все ИД состоят из трех основных узлов: камеры ионизации, которую в общем случае называют газоразрядной камерой (ГРК), ионно-оптической системы (ИОС) и катода-нейтрализатора.Structurally, all IDs consist of three main components: an ionization chamber, which in the general case is called a gas discharge chamber (GFC), an ion-optical system (IOS), and a cathode-converter.

Принцип действия ИД основан на извлечении из ионизованной плазмы ионов и дальнейшем их электростатическом ускорении. В таком двигателе полностью разделены процессы ионизации и ускорения. По способу перевода рабочего тела (РТ) в ионизованное состояние ИД разделяют на 3 группы: на основе разряда постоянного тока, ВЧ-разряда или СВЧ-разряда.The operating principle of an ID is based on the extraction of ions from an ionized plasma and their further electrostatic acceleration. In such an engine, the processes of ionization and acceleration are completely separated. According to the method of transferring the working fluid (RT) to the ionized state, the IDs are divided into 3 groups: on the basis of a direct current discharge, an RF discharge, or a microwave discharge.

ИД средней мощности широко используются за рубежом. К настоящему времени разработан широкий спектр таких двигателей. В США производятся и эксплуатируются ИД с разрядом постоянного тока.Medium power IDs are widely used abroad. To date, a wide range of such engines has been developed. In the USA, DC-discharge IDs are manufactured and operated.

Особенностью германских двигателей ВЧИД является то, что ионизация РТ происходит в ВЧ-разряде (1-5 МГц).A feature of German RFID engines is that RT ionization occurs in an RF discharge (1-5 MHz).

В японских двигателях СВЧИД ионизация ксенона происходит в СВЧ-разряде (2-4 ГГц).In Japanese microwave engines, xenon ionization occurs in a microwave discharge (2-4 GHz).

Основными узлами ИД является ионно-оптическая система (ИОС) и ионизационная камера.The main nodes of the ID are the ion-optical system (IOS) and the ionization chamber.

Известен ИД (Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. акад. РАН А.С. Коротева. - М.: Машиностроение. - 2008, стр.240), содержащий газоразрядную камеру (ГРК), имеющую форму цилиндра с конической задней стенкой. К стенкам ГРК через изоляторы крепятся аноды. Магнитное поле создается с помощью электромагнитов, расположенных снаружи ГРК. Конфигурация магнитного поля задается тремя полюсными наконечниками. Внутри катодного полюсного наконечника расположен полый катод. Эмиттер - из гексаборида лантана. Рабочее тело (ксенон) подается в ГРК через коллектор, расположенный в районе ИОС, которая состоит из плазменного, ускоряющего и замедляющего электродов. Снаружи ИОС расположен катод-нейтрализатор.Known ID (Hall and ion plasma engines for spacecraft / O.A. Gorshkov, V.A. Muravlev, A.A. Shagayda; edited by Acad. RAS A.S. Korotev. - M .: Mechanical Engineering. - 2008 , p. 240), containing a gas discharge chamber (GRK) having the shape of a cylinder with a conical rear wall. Anodes are attached to the walls of the GRK through insulators. The magnetic field is created using electromagnets located outside the GRK. The magnetic field configuration is set by three pole tips. Inside the cathode pole piece is a hollow cathode. The emitter is from lanthanum hexaboride. The working fluid (xenon) is supplied to the GRK through a collector located in the IOS region, which consists of a plasma, accelerating and slowing-down electrodes. Outside the IOS is a cathode-converter.

Недостатком ИД с разрядом постоянного тока является то, что под высоким потенциалом находятся: анод, стенка ГРК, катод с подключенными к нему источниками электропитания, экранная сетка (плазменный электрод) ИОС и кабели. Обеспечить надежную электрическую изоляцию указанных цепей от корпуса и в системе питания и управления (СПУ) технически сложно. Кроме того, двигатель с разрядом постоянного тока конструктивно сложнее двух других типов. Для его работы необходим катод ГРК, ток которого должен в 7-10 раз превосходить ток катода-нейтрализатора. Для двигателя мощностью (30-70) кВт с ионным током (10-20) А потребуется катод на разрядный ток (70-150) А. Создание такого сильноточного катода представляет собой достаточно сложную инженерную задачу. Катоды и нейтрализаторы, в особенности сильноточные, имеют ограниченный ресурс. Так, наработка катодов-нейтрализаторов ОКБ «Факел» (для СПД-100 на 4,5 А) не превышает 9 000 ч. Поэтому потребуется резервирование, как катодов, так и катодов-нейтрализаторов, но поместить несколько катодов в ГРК практически невозможно, так как катод должен располагаться вдоль продольной оси двигателя.The disadvantage of an ID with a direct current discharge is that it has a high potential: anode, GRK wall, a cathode with power sources connected to it, a screen grid (plasma electrode) of the IOS and cables. It is technically difficult to provide reliable electrical isolation of these circuits from the case and in the power supply and control system (SPU). In addition, a DC motor is structurally more complex than the other two types. For its operation, the cathode of the GRK is required, the current of which should be 7-10 times higher than the current of the cathode-converter. For an engine with a power of (30-70) kW with an ion current (10-20) A, a discharge current cathode (70-150) A is required. Creating such a high-current cathode is a rather complicated engineering task. Cathodes and converters, especially high current ones, have a limited resource. So, the operating time of the cathodes-converters of the OKB Fakel (for SPD-100 by 4.5 A) does not exceed 9,000 hours. Therefore, backup of both cathodes and cathodes-neutralizers will be required, but it is practically impossible to place several cathodes in the distribution center, how the cathode should be located along the longitudinal axis of the engine.

Ионный двигатель с ионизационной камерой на основе высокочастотного разряда (ВЧ разряда), принятый за прототип, например, RIT (H.W. Loeb, D. Feili, G.A. Popov, V.A. Obukhov, V.V. Balashov, A.I. Mogulkin, V.M. Murashko, A.N. Nesterenko, and S.A. Khartov: "Design of High-Power High-Specific Impulse RF-Ion Thruster", 32nd IEPC, Wiesbaden, Sept. 11-15,2011), содержит: 2- или 3-сеточную ИОС (круглого сечения); катод-нейтрализатор, установленный снаружи корпуса ИД, и ГРК из диэлектрического материала. ГРК состоит из индуктора в виде спирали из медного провода; узла подачи ксенона, с газоэлектрической развязкой; корпуса и радиочастотного генератора.An ion engine with an ionization chamber based on a high-frequency discharge (RF discharge) adopted as a prototype, for example, RIT (HW Loeb, D. Feili, GA Popov, VA Obukhov, VV Balashov, AI Mogulkin, VM Murashko, AN Nesterenko, and SA Khartov : "Design of High-Power High-Specific Impulse RF-Ion Thruster", 32nd IEPC, Wiesbaden, Sept. 11-15,2011), contains: 2- or 3-grid IOS (round section); a cathode-converter installed outside the housing of the ID, and a gas distribution system made of dielectric material. GRK consists of an inductor in the form of a spiral made of copper wire; xenon supply unit, with gas-electric isolation; housing and radio frequency generator.

В радиочастотном двигателе единственным элементом, находящимся под высоким потенциалом, является экранная сетка (с подключенным к ней проводом), которая расположена внутри диэлектрической ГРК, выполняющей, помимо всего, защитную функцию. Поэтому особых мер по обеспечению электрической прочности изоляции этой сетки не требуется. Остальные элементы двигателя имеют относительно низкие потенциалы. К недостаткам ВЧИД можно отнести, например, усложнение системы ввода мощности от высокочастотного генератора (ВЧГ) в (ВЧ разряд), и вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС).In a radio-frequency engine, the only element at high potential is the screen grid (with a wire connected to it), which is located inside the dielectric GRK, which, in addition, performs a protective function. Therefore, special measures to ensure the dielectric strength of the insulation of this mesh is not required. The remaining engine elements have relatively low potentials. The disadvantages of the RFID can be attributed, for example, to the complication of the power input system from a high-frequency generator (VCH) to (RF discharge), and electromagnetic compatibility (EMC) issues.

Кроме того, в ВЧИД и СВЧИД коэффициент использования рабочего тела (ксенона), как правило, не превышает 80% (при этом КПД СВЧИД не достигает 40%). Ускоренные ионы, пролетая мимо нейтральных атомов ксенона, проникающих через ИОС из-за низкого коэффициента использования рабочего тела, способны обмениваться с ним электрическим зарядом. В результате такого акта ускоренная частица продолжает полет в виде нейтрального атома, а нейтральный атом превращается в низкоэнергетичный ион. Электрическое поле ускоряющего электрода разгоняет ионы перезарядки, которые, выпадая на внешнюю поверхность ускоряющего электрода, вызывают распыление.In addition, in RFID and UHFID, the utilization factor of the working fluid (xenon), as a rule, does not exceed 80% (while the microwave efficiency does not reach 40%). Accelerated ions, flying past neutral xenon atoms penetrating IOS due to the low utilization of the working fluid, are able to exchange an electric charge with it. As a result of this act, the accelerated particle continues to fly in the form of a neutral atom, and the neutral atom turns into a low-energy ion. The electric field of the accelerating electrode accelerates the charge ions, which, when deposited on the outer surface of the accelerating electrode, cause sputtering.

Такой эффект носит название резонансной перезарядки и способствует значительному снижению ресурса ионного двигателя. Снижение ресурса несколько компенсируется введением в ИОС третьего замедляющего электрода.This effect is called resonant recharging and contributes to a significant reduction in the life of the ion engine. The reduction in resource is somewhat offset by the introduction of a third retarding electrode into the IOS.

Кроме того, при повышении мощности ИД до нескольких десятков кВт возникают проблемы с вибропрочностью ИОС, вследствие значительного увеличения ее площади, а также снижение КПД за счет несимметричного расположения катода-нейтрализатора относительно ИОС.In addition, when the ID power is increased to several tens of kW, problems arise with the vibration resistance of the IOS due to a significant increase in its area, as well as a decrease in the efficiency due to the asymmetric arrangement of the cathode-converter relative to the IOS.

К недостаткам прототипа относятся проблемы указанных выше известных ГРК: ограниченные ресурс и надежность, пониженные коэффициент использования рабочего тела и КПД, а также необходимость решения вопросов ЭМС.The disadvantages of the prototype include the problems of the above known GRK: limited resource and reliability, reduced utilization of the working fluid and efficiency, as well as the need to address EMC issues.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента использования рабочего тела и КПД ИД, а также повышение ресурса.The task of the invention is to increase the utilization of the working fluid and the efficiency of the ID, as well as increasing the resource.

Эта задача решается следующим образом.This problem is solved as follows.

В крупногабаритном ионном двигателе, содержащем заключенную в корпус газоразрядную камеру, включающую узел подачи рабочего тела, ионно-оптическую систему, состоящую из плазменного и ускоряющего электродов, закрепленных на наружной стенке корпуса и изолированных от него и друг от друга, и катод-нейтрализатор, закрепленный на корпусе, вдоль центральной оси корпус имеет внутреннюю стенку, образующую сквозное отверстие, в котором установлен катод-нейтрализатор, электроды ионно-оптической системы выполнены в виде колец, внутренние периметры которых закреплены на внутренней стенке корпуса и изолированы друг от друга и от него. Причем газоразрядная камера содержит, по крайней мере, один кольцевой магнитопровод и кольцевую разрядную камеру, узел подачи рабочего тела которой выполнен в виде установленного внутри нее кольцевого анода - газораспределителя, при этом разрядная камера размещена внутри охватывающего ее кольцевого магнитопровода, полюса которого охватывают кольца разрядной камеры, причем магнитопровод снабжен магнитом, например соленоидальным электромагнитом. При этом разрядная камера ионного двигателя выполнена из диэлектрика и катодом ее является плазменный электрод ионно-оптической системы. Или разрядная камера является катодом и выполнена из электропроводного материала, например графита.In a large-sized ion engine containing a gas discharge chamber enclosed in the housing, including a working fluid supply unit, an ion-optical system consisting of plasma and accelerating electrodes mounted on the outer wall of the housing and isolated from it and from each other, and a cathode converter, fixed on the case, along the central axis, the case has an inner wall forming a through hole in which a cathode-converter is installed, the electrodes of the ion-optical system are made in the form of rings, the inner perimeters s which are fixed to the inner housing wall and insulated from each other and from it. Moreover, the gas discharge chamber contains at least one annular magnetic circuit and an annular discharge chamber, the supply of the working fluid of which is made in the form of a circular anode - gas distributor installed inside it, while the discharge chamber is located inside the annular magnetic circuit enclosing it, the poles of which enclose the rings of the discharge chamber moreover, the magnetic circuit is equipped with a magnet, for example a solenoidal electromagnet. In this case, the discharge chamber of the ion engine is made of a dielectric and its cathode is the plasma electrode of the ion-optical system. Or the discharge chamber is a cathode and is made of an electrically conductive material, such as graphite.

На чертеже представлен общий вид ИД, который состоит из заключенных в кольцевой корпус 9 кольцевой, например, 2-сеточной ИОС 1, расположенного вдоль центральной оси катода-нейтрализатора 2 и кольцевой ГРК 3. Электроды ИОС 1 (плазменный электрод 4 с токоподводом 6 и ускоряющий электрод 5 с токоподводом 7) выполнены в виде колец, внутренние и наружные периметры которых закреплены на нутренней и наружной стенках корпуса 9 и изолированы друг от друга изолятором 8. ГРК 3 содержит, по крайней мере, один кольцевой магнитопровод 10 и кольцевую разрядную камеру 11, узел подачи рабочего тела которой выполнен в виде установленного внутри нее кольцевого анода - газораспределителя 12. При этом разрядная камера 11 размещена внутри охватывающего ее кольцевого магнитопровода 10, полюса 13 которого охватывают кольца разрядной камеры 11, причем магнитопровод 10 снабжен магнитом, например соленоидальным электромагнитом 14. При этом разрядная камера 10 ионного двигателя выполнена либо из диэлектрика, и катодом ее является плазменный электрод 4, или разрядная камера 11 является катодом и выполнена из электропроводного материала, например графита.The drawing shows a General view of the ID, which consists of enclosed in a ring casing 9 ring, for example, 2-grid IOS 1, located along the Central axis of the cathode-converter 2 and the ring GRK 3. Electrodes IOS 1 (plasma electrode 4 with current supply 6 and accelerating the electrode 5 with a current lead 7) is made in the form of rings, the inner and outer perimeters of which are fixed on the inner and outer walls of the housing 9 and are isolated from each other by an insulator 8. GRK 3 contains at least one annular magnetic circuit 10 and an annular discharge chamber eryu 11, the supply of the working fluid of which is made in the form of an annular anode installed inside it - gas distributor 12. In this case, the discharge chamber 11 is placed inside the annular magnetic circuit 10 surrounding it, the poles 13 of which cover the rings of the discharge chamber 11, and the magnetic circuit 10 is equipped with a magnet, for example, a solenoidal the electromagnet 14. In this case, the discharge chamber 10 of the ion engine is either made of dielectric, and its cathode is a plasma electrode 4, or the discharge chamber 11 is a cathode and made of electric aqueous material, for example graphite.

Для запуска двигателя подают расход ксенона в катод-нейтрализатор 2 и анод - газораспределитель 12 ГРК 3. После стартового разогрева катода-нейтрализатора 2 инициируют в нем разряд и подают электропитание на ГРК 3 и электроды 4 и 5 ИОС 1. Электроны через ИОС 1 проникают в полость ГРК 3, где инициируют разряд. Образующиеся в ГРК 3 ионы ускоряются в ИОС 1 и двигатель переходит в номинальный режим работы.To start the engine, the xenon flow rate is fed into the cathode-converter 2 and the anode is the gas distributor 12 of the gas distribution unit 3. After starting the heating of the cathode-converter 2, a discharge is initiated in it and power is supplied to the gas distribution station 3 and electrodes 4 and 5 of IOS 1. Electrons penetrate into IOS 1 into cavity GRK 3, where they initiate a discharge. The ions formed in the GRK 3 are accelerated in IOS 1 and the engine goes into nominal operation mode.

ГРК 3 может иметь несколько разрядных камер 11, которые, работая все вместе или по отдельности, обеспечат многорежимную работу ИД.GRK 3 may have several discharge chambers 11, which, working all together or separately, will provide multi-mode ID operation.

Таким образом, как показано в работе (Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. акад. РАН А.С. Коротева. - М.: Машиностроение. - 2008, стр.97 рис. 3.16), источник ионов, выполненный по предложенной схеме с замкнутым дрейфом электронов, например, при отношении расхода рабочего тела в анод к среднему диаметру разрядной камеры, равном 0,05, и напряжении разряда ≥400B имеет коэффициент использования рабочего тела порядка 1. Это практически позволяет избежать обратного тока ионов на ИОС, что приведет к значительному увеличению ресурса ионного двигателя.Thus, as shown in the work (Hall and ion plasma engines for spacecraft / O.A. Gorshkov, V.A. Muravlev, A.A. Shagayda; edited by academician of the RAS A.S. Korotev. - M. : Engineering. - 2008, p. 97, Fig. 3.16), an ion source made according to the proposed scheme with a closed electron drift, for example, when the ratio of the flow of the working fluid to the anode to the average diameter of the discharge chamber is 0.05 and the discharge voltage ≥ 400B has a working fluid utilization factor of the order of 1. This practically avoids the reverse current of ions on the IOS , which will lead to a significant increase in the resource of the ion engine.

При необходимости значительного увеличения мощности двигателя (площади его ИОС) предпочтительно использовать предложенный ИД. В нем электроды ИОС закреплены по наружной и по внутренней поверхностям корпуса. Такая конструкция ИД позволит значительно повысить вибропрочность электродов и обеспечить стабильность межэлектродных зазоров в диапазоне (0,5-1,0) мм при их термическом расширении во время работы ИД.If it is necessary to significantly increase engine power (the area of its IOS), it is preferable to use the proposed ID. In it, the IOS electrodes are fixed on the outer and inner surfaces of the housing. This design of the ID will significantly increase the vibration resistance of the electrodes and ensure the stability of interelectrode gaps in the range (0.5-1.0) mm during their thermal expansion during operation of the ID.

Кроме того, центральное расположение катода-нейтрализатора обеспечит увеличение КПД на несколько (5-7) процентов, особенно при значительном увеличении диаметра ИОС.In addition, the central location of the cathode-converter will provide an increase in efficiency by several (5-7) percent, especially with a significant increase in the diameter of the IOS.

Claims

1. An ion engine containing a gas discharge chamber enclosed in a housing, including a working fluid supply unit, an ion-optical system consisting of a plasma and accelerating electrodes mounted on the outer wall of the housing and isolated from it and from each other, and a cathode converter on the housing, characterized in that along the central axis the housing has an inner wall forming a through hole in which the cathode-converter is installed, the electrodes of the ion-optical system are made in the form of rings, internal peri the meters of which are fixed on the inner wall of the housing and are isolated from each other and from it, and the gas discharge chamber contains at least one annular magnetic circuit and an annular discharge chamber, the supply unit of the working fluid of which is made in the form of a circular anode - gas distributor installed inside it, with this discharge chamber is placed inside the surrounding annular magnetic circuit, the poles of which cover the rings of the discharge chamber, and the magnetic circuit is equipped with a magnet.

2. The ion engine according to claim 1, characterized in that the discharge chamber is made of a dielectric, while the cathode of the discharge chamber is a plasma electrode of the ion-optical system.

3. The ion engine according to claim 1, characterized in that the discharge chamber, which is the cathode, is made of electrically conductive material.