RU2585340C1 - Gas-discharge unit of high-frequency ion engine - Google Patents
Gas-discharge unit of high-frequency ion engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2585340C1 RU2585340C1 RU2015121082/06A RU2015121082A RU2585340C1 RU 2585340 C1 RU2585340 C1 RU 2585340C1 RU 2015121082/06 A RU2015121082/06 A RU 2015121082/06A RU 2015121082 A RU2015121082 A RU 2015121082A RU 2585340 C1 RU2585340 C1 RU 2585340C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- chamber
- discharge chamber
- inductor
- gas discharge
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электрическим ракетным двигателям (ЭРД), используемым в составе двигательных установок (ДУ) космических аппаратов (КА), более конкретно к высокочастотным ионным двигателям (ВЧИД) с индукционным возбуждением разряда в газоразрядной камере.The invention relates to electric rocket engines (ERE) used in the propulsion systems (DU) of spacecraft (SC), and more particularly to high-frequency ion engines (RFID) with induction discharge in a gas discharge chamber.
Газоразрядный узел является основной частью ВЧИД, с помощью которой обеспечивается генерация плазмы в газообразной рабочей среде, а также извлечение и дальнейшее ускорение потока ионов. Газоразрядный узел, входящий в состав ВЧИД, подключается к системам подачи рабочего тела, электропитания и управления. Газоразрядный узел включает в свой состав газоразрядную камеру, устройство ввода энергии в разрядный объем камеры и электроды ионно-оптической системы, расположенные у выходного среза газоразрядной камеры. На выходе из газоразрядного узла устанавливается нейтрализатор (компенсатор) пространственного заряда генерируемого ионного потока.The gas discharge unit is the main part of the RFID, with the help of which the plasma is generated in a gaseous working medium, as well as the extraction and further acceleration of the ion flow. The gas discharge unit, which is part of the RFID, is connected to the supply systems of the working fluid, power supply and control. The gas discharge unit includes a gas discharge chamber, a device for introducing energy into the discharge volume of the chamber, and electrodes of the ion-optical system located at the exit section of the gas discharge chamber. At the outlet of the gas discharge unit, a neutralizer (compensator) of the space charge of the generated ion stream is installed.
Газоразрядный узел высокочастотного источника ионов с индукционным возбуждением разряда в газоразрядной камере описан, например, в патенте GB 1214178 A (опубликован 02.12.1970). Газоразрядный узел содержит газоразрядную камеру конической формы, выполненную из кварцевого стекла. Входной патрубок камеры соединен с системой подачи рабочего газа. С внешней стороны газоразрядной камеры установлен медный индуктор, выполненный в виде спирали, охватывающей камеру. Токоподводы спирали подключены к высокочастотному источнику электропитания (ВЧ генератору). С помощью индуктора осуществляется ввод энергии в разрядный объем камеры через прозрачные для электромагнитного поля стенки камеры и возбуждение индукционного высокочастотного разряда в среде рабочего газа.The gas-discharge assembly of a high-frequency ion source with induction excitation of a discharge in a gas-discharge chamber is described, for example, in patent GB 1214178 A (published 02.12.1970). The gas-discharge unit comprises a conical-shaped gas-discharge chamber made of quartz glass. The inlet of the chamber is connected to the working gas supply system. A copper inductor made in the form of a spiral covering the chamber is installed on the outside of the gas discharge chamber. The current leads of the spiral are connected to a high-frequency power source (RF generator). Using an inductor, energy is introduced into the discharge chamber volume through the chamber walls transparent to the electromagnetic field and the induction high-frequency discharge is excited in the working gas medium.
В устройствах с индукционным возбуждением электрического разряда индукторы могут размещаться в среде диэлектрика, контактирующего с газоразрядной плазмой (патент RU 2503079 C1, опубликован 27.12.2013). Индуктор выполняется в виде электропроводящей трубки, через которую прокачивается охлаждающая среда (жидкость или газ). В качестве диэлектрика, в котором устанавливается индуктор, используется кварцевое стекло или керамика.In devices with induction excitation of an electric discharge, inductors can be placed in a dielectric medium in contact with a gas discharge plasma (patent RU 2503079 C1, published on December 27, 2013). The inductor is in the form of an electrically conductive tube through which a cooling medium (liquid or gas) is pumped. As the dielectric in which the inductor is installed, quartz glass or ceramic is used.
В патенте US 8864935 B2 (опубликован 21.10.2014) описан газоразрядный узел источника ионов с газоразрядной камерой, стенки которой выполнены из материала, проницаемого для электромагнитного поля, в частности из кварцевого стекла. Входной патрубок камеры соединяется с системой подачи рабочего газа. Газоразрядная камера может иметь коническую или полусферическую форму. Возможны варианты выполнения камеры комбинированной формы, включающей выходные участки цилиндрической формы и входные участки (со стороны подачи рабочего газа) конической или полусферической формы. С внешней стороны камеры устанавливается индуктор, выполненный в виде спирали. Между индуктором и стенкой камеры устанавливается электропроводящий экран, с помощью которого осуществляется выравнивание плотности ионизованного газа в разрядном объеме.US 8,864,935 B2 (published October 21, 2014) describes a gas-discharge ion source assembly with a gas-discharge chamber, the walls of which are made of a material that is permeable to an electromagnetic field, in particular, silica glass. The inlet of the chamber is connected to the working gas supply system. The gas discharge chamber may have a conical or hemispherical shape. Embodiments of a chamber of combined shape, including outlet sections of a cylindrical shape and inlet sections (from the supply side of the working gas) of a conical or hemispherical shape, are possible. An inductor made in the form of a spiral is mounted on the outside of the chamber. An electrically conductive screen is installed between the inductor and the chamber wall, with the help of which the density of the ionized gas in the discharge volume is equalized.
Крепление индуктора к газоразрядной камере или несущей конструкции устройства производится с помощью элементов крепления, выполненных из диэлектрического материала. Элементы крепления могут быть выполнены в виде хомутов, охватывающих витки индуктора (патент US 5216330 A, опубликован 01.06.1993).The inductor is mounted to the gas discharge chamber or the supporting structure of the device using fastening elements made of dielectric material. The fastening elements can be made in the form of clamps covering the turns of the inductor (patent US 5216330 A, published 01.06.1993).
Наиболее близким аналогом изобретения является газоразрядный узел ВЧИД, описанный в патенте US 4104875 A (опубликован 08.08.1978). Газоразрядная камера имеет цилиндрическую форму и изготовлена из кварцевого стекла. Патрубок подачи рабочего газа, содержащий испаритель, соединен с входной частью газоразрядной камеры. Ионно-оптическая система ВЧИД включает в свой состав перфорированные эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды. Указанные электроды последовательно установлены в выходной части газоразрядной камеры. Возбуждение электромагнитного поля в разрядном объеме осуществляется с помощью индуктора, выполненного в виде цилиндрической спирали, установленной с внешней стороны газоразрядной камеры. Противоположные витки спирали через токоподводы подключаются к высокочастотному источнику электропитания. Под воздействием высокочастотного поля происходит ионизация рабочего вещества в полости газоразрядной камеры и образуется ионизованный газ, из которого с помощью ионно-оптической системы под действием приложенного электростатического поля извлекаются и ускоряются ионы, создавая реактивную тягу.The closest analogue of the invention is the gas discharge node RFID described in patent US 4104875 A (published 08.08.1978). The gas discharge chamber has a cylindrical shape and is made of quartz glass. The working gas supply pipe containing the evaporator is connected to the inlet of the gas discharge chamber. The RFID ion-optical system includes perforated emission, accelerating and slowing-down electrodes. These electrodes are sequentially installed in the output part of the gas discharge chamber. Excitation of the electromagnetic field in the discharge volume is carried out using an inductor made in the form of a cylindrical spiral mounted on the outside of the gas discharge chamber. Opposite turns of the spiral through current leads are connected to a high-frequency power source. Under the influence of a high-frequency field, the working substance is ionized in the cavity of the gas-discharge chamber and ionized gas is formed, from which ions are extracted and accelerated using an ion-optical system under the influence of an applied electrostatic field, creating reactive traction.
Крепление индуктора на внешней поверхности газоразрядной камеры в известном устройстве осуществляется с помощью специального кольцеобразного узла крепления, соединенного с внешней поверхностью газоразрядной камеры. В узле крепления, с его внешней стороны, образованы пазы, в которые уложены и зафиксированы витки спирали индуктора. Использование такого узла крепления существенно усложняет конструкцию газоразрядного узла и ВЧИД в целом. Материалы, из которых выполняется индуктор, узел крепления и контактирующие с ним стенки газоразрядной камеры, выбираются исходя из условия обеспечения одинакового объемного и линейного теплового расширения сопряженных элементов конструкции при воздействии циклически изменяющихся тепловых нагрузок. Такие нагрузки действуют при многократных включениях и выключениях ВЧИД в процессе длительной эксплуатации ДУ КА. Материалы, из которых выполняются контактирующие друг с другом элементы конструкции, должны иметь близкие по значению коэффициенты линейного теплового расширения.Mounting the inductor on the outer surface of the discharge chamber in the known device is carried out using a special ring-shaped attachment unit connected to the outer surface of the discharge chamber. In the mount, from its outer side, grooves are formed in which the coils of the inductor spiral are laid and fixed. The use of such a mounting unit significantly complicates the design of the gas discharge unit and the RFID as a whole. The materials from which the inductor, the attachment point, and the walls of the gas discharge chamber contact with it are selected based on the condition of ensuring the same volumetric and linear thermal expansion of the coupled structural elements when exposed to cyclically changing thermal loads. Such loads act upon repeated switching on and off of the RFID during the long-term operation of the spacecraft remote control. Materials from which structural elements in contact with each other are made must have close coefficients of linear thermal expansion.
Обеспечить данное условие достаточно сложно в связи с тем, что конструкция узла крепления имеет две контактные поверхности. Первая поверхность расположена между внешней поверхностью диэлектрической газоразрядной камеры и противоположной поверхностью узла крепления, выполненного из диэлектрика, а вторая поверхность - между витками металлического индуктора и опорной поверхностью узла крепления, выполненного из диэлектрика. В случае несоблюдения условия равенства термического расширения контактирующих элементов конструкции в них возникают усталостные деформации при многократных и длительных знакопеременных тепловых нагрузках, действующих в условиях глубокого вакуума. Такого рода деформации приводят к нарушению расчетных режимов работы ВЧИД из-за существенного смещения витков спирали индуктора относительно стенок газоразрядной камеры и к преждевременному выходу из строя двигателя при нарушении целостности индуктора. Следствием данных процессов является снижение надежности и ресурса ВЧИД.To ensure this condition is quite difficult due to the fact that the design of the mount has two contact surfaces. The first surface is located between the outer surface of the dielectric gas discharge chamber and the opposite surface of the fastener made of dielectric, and the second surface is between the turns of the metal inductor and the supporting surface of the fastener made of dielectric. In the case of non-compliance with the condition of equal thermal expansion of the contacting structural elements, fatigue deformations occur in them under repeated and prolonged alternating heat loads acting under conditions of high vacuum. Such deformations lead to a violation of the calculated operating modes of the RFID due to a significant displacement of the coil turns of the inductor relative to the walls of the gas discharge chamber and to premature failure of the engine in violation of the integrity of the inductor. The consequence of these processes is a decrease in the reliability and resource of RFID.
Другой важной проблемой, возникающей при эксплуатации устройств-аналогов, является ухудшение массово-габаритных и прочностных показателей двигателя при использовании в составе газоразрядного узла механических средств крепления индуктора к газоразрядной камере. Кроме того, при разработке малоразмерных двигателей, максимальный размер газоразрядной камеры которых составляет менее 100 мм, существенно увеличивается относительная доля узла крепления индуктора в суммарных массово-габаритных показателях ВЧИД и ДУ в целом.Another important problem that arises during the operation of analog devices is the deterioration of the mass-dimensional and strength characteristics of the engine when using mechanical means for attaching the inductor to the gas-discharge chamber as part of the gas-discharge assembly. In addition, when developing small-sized engines, the maximum size of the gas discharge chamber of which is less than 100 mm, the relative share of the inductor mount in the total mass-dimensional parameters of the RFID and the remote control as a whole increases significantly.
Изобретение направлено на обеспечение возможности крепления витков индуктора непосредственно к внешней поверхности газоразрядной камеры без использования дополнительных элементов конструкции при выполнении заданных требований к надежности ВЧИД и его ресурсу как по длительности работы (5000 ч и более), так и по количеству включений (до 5000). Решение данной технической задачи позволяет уменьшить габаритные размеры и массу ВЧИД, а также повысить надежность и ресурс двигателя.The invention is aimed at providing the possibility of fastening the turns of the inductor directly to the outer surface of the gas discharge chamber without using additional structural elements when fulfilling the specified requirements for the reliability of the RFID and its service life both in terms of operating time (5000 hours and more) and the number of inclusions (up to 5000). The solution of this technical problem allows to reduce the overall dimensions and weight of the RFID, as well as to increase the reliability and service life of the engine.
Указанные технические результаты достигаются при использовании газоразрядного узла ВЧИД, включающего в свой состав газоразрядную камеру осесимметричной формы. Камера выполняется из высокотемпературной керамики, обладающей диэлектрическими свойствами. С входной частью газоразрядной камеры соединен патрубок подачи рабочего газа. В выходной части газоразрядной камеры установлен по крайней мере один (эмиссионный) электрод ионно-оптической системы. Газоразрядный узел содержит индуктор, обеспечивающий возбуждение электромагнитного поля в полости газоразрядной камеры. Индуктор выполнен в виде спирали из электропроводящего материала. Противоположные витки спирали подключаются к высокочастотному источнику электропитания. Индуктор установлен с внешней стороны газоразрядной камеры и закреплен на ее поверхности.The indicated technical results are achieved using a gas discharge unit RFID, which includes an axisymmetric gas discharge chamber. The chamber is made of high-temperature ceramic with dielectric properties. A working gas supply pipe is connected to the inlet of the gas discharge chamber. At least one (emission) electrode of the ion-optical system is installed in the output part of the gas discharge chamber. The gas-discharge unit contains an inductor that provides excitation of the electromagnetic field in the cavity of the gas-discharge chamber. The inductor is made in the form of a spiral of electrically conductive material. Opposite turns of the spiral are connected to a high-frequency power source. The inductor is mounted on the outside of the discharge chamber and mounted on its surface.
Согласно изобретению на внешней поверхности газоразрядной камеры выполняются по меньшей мере три выступа. Выступы располагаются вдоль образующей внешней поверхности газоразрядной камеры равноудалено относительно друг друга в азимутальном направлении. На поверхность выступов наносится металлизационное покрытие. Для нанесения металлизационного покрытия может использоваться паста на основе соединения Mo-Mn-Si. Витки спирали индуктора соединяются с внешней поверхностью газоразрядной камеры с помощью паяных соединений в точках контакта с металлизированными поверхностями выступов.According to the invention, at least three protrusions are made on the outer surface of the gas discharge chamber. The protrusions are located along the generatrix of the outer surface of the gas discharge chamber equidistant from each other in the azimuthal direction. A metallization coating is applied to the surface of the protrusions. To apply a metallization coating, a paste based on the Mo-Mn-Si compound can be used. The turns of the inductor spiral are connected to the outer surface of the gas discharge chamber using soldered joints at the points of contact with the metallized surfaces of the protrusions.
Спираль индуктора предпочтительно выполняется из меди или из сплава на основе меди. Спираль может быть выполнена в виде проволоки или трубки.The inductor coil is preferably made of copper or a copper-based alloy. The spiral can be made in the form of a wire or tube.
В оптимальном варианте конструкции газоразрядного узла на внешней поверхности газоразрядной камеры выполняются четыре выступа, симметрично расположенные относительно оси симметрии газоразрядной камеры. Высота выступов для газоразрядных камер с максимальным диаметром до 100 мм выбирается не менее 1 мм, предпочтительно в диапазоне от 1 мм до 4 мм.In the optimal embodiment, the design of the gas discharge unit on the outer surface of the gas discharge chamber are four protrusions symmetrically located relative to the axis of symmetry of the gas discharge chamber. The height of the protrusions for gas discharge chambers with a maximum diameter of up to 100 mm is selected at least 1 mm, preferably in the range from 1 mm to 4 mm.
Для соединения электродов ионно-оптической системы с газоразрядной камерой на ее торцевую часть, контактирующую с электродами ионно-оптической системы, наносится металлизационное покрытие. Эмиссионный электрод ионно-оптической системы соединяется с контактной металлизированной поверхностью газоразрядной камеры методом пайки.To connect the electrodes of the ion-optical system with a gas discharge chamber, a metallization coating is applied to its end part in contact with the electrodes of the ion-optical system. The emission electrode of the ion-optical system is connected to the contact metallized surface of the gas discharge chamber by soldering.
С целью снижения термических деформаций электродов ионно-оптической системы электроды, контактирующие с металлизированной поверхностью газоразрядной камеры, выполняются из молибдена или сплава на основе молибдена.In order to reduce thermal deformation of the electrodes of the ion-optical system, the electrodes in contact with the metallized surface of the gas discharge chamber are made of molybdenum or an alloy based on molybdenum.
Газоразрядная камера может быть выполнена из электротехнического корунда. Форма газоразрядной камеры может быть полусферической или конической. Возможен вариант конструкции газоразрядного узла, согласно которому газоразрядная камера содержит два сопряженных участка. Первый участок, имеющий форму сегмента сферы, располагается со стороны патрубка подачи рабочего газа. Второй участок, сопряженный с первым участком, имеет цилиндрическую форму и располагается со стороны крепления электродов ионно-оптической системы.The gas discharge chamber may be made of electrical corundum. The shape of the gas discharge chamber may be hemispherical or conical. A design variant of the gas discharge unit is possible, according to which the gas discharge chamber contains two conjugate sections. The first section, having the shape of a sphere segment, is located on the side of the working gas supply pipe. The second section, paired with the first section, has a cylindrical shape and is located on the side of the electrodes of the ion-optical system.
Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера реализации изобретения. На прилагаемых чертежах изображено следующее:The invention is further illustrated by the description of a specific example implementation of the invention. The accompanying drawings show the following:
на фиг. 1 - вид сбоку на газоразрядный узел ВЧИД, газоразрядная камера которого имеет четыре выступа;in FIG. 1 is a side view of the gas discharge unit RFID, the gas discharge chamber of which has four protrusions;
на фиг. 2 - схематичный разрез газоразрядного узла ВЧИД вдоль плоскости, проходящей через диаметрально расположенные выступы.in FIG. 2 is a schematic sectional view of an RFID gas-discharge assembly along a plane passing through diametrically located protrusions.
Газоразрядный узел ВЧИД содержит газоразрядную камеру 1 осесимметричной формы. Патрубок 2 подачи рабочего газа соединен с входной частью камеры 1. В качестве рабочего газа в рассматриваемом примере используется ксенон. Со стороны выходной части камеры 1 установлены электроды ионно-оптической системы 3. Камера 1 состоит из двух сопряженных между собой участков: первый участок имеет форму сегмента сферы и расположен со стороны патрубка 2, второй участок цилиндрической формы распложен со стороны электродов ионно-оптической системы 3. Максимальный внешний диаметр газоразрядной камеры составляет D=90 мм, внутренний диаметр цилиндрического участка камеры - d=78 мм. Внутренний радиус сферической поверхности, образующей второй участок газоразрядной камеры, равен 40 мм.The gas discharge node RFID contains a
Стенки камеры 1 выполнены из высокотемпературной керамики, обладающей диэлектрическими свойствами. В качестве керамики используется электротехнический корунд марки ВК-94-1 (керамика вакуумноплотная корундовая). Рабочий температурный диапазон керамики от -40 до +1400°C. Величина диэлектрической проницаемости керамики при частоте электромагнитного поля 1 МГц и температуре 20±10°C не превышает 10,3. Коэффициент линейного теплового расширения керамики в интервале температур от 20 до 900°C составляет 79±5·10-7 м/м °C. Камера 1 изготавливается методом горячего литья керамики под давлением в металлические формы.The walls of the
На внешней поверхности камеры 1 установлен индуктор 4, выполненный в виде спирали, охватывающей внешнюю поверхность камеры 1. Часть спирали, охватывающей входной участок камеры, имеет форму сегмента сферы, а другая часть, охватывающая выходной участок камеры, - цилиндрическую форму. Спираль индуктора 4 образована трубкой, выполненной из сплава меди. Трубчатые токоподводы 5 и 6 индуктора 4 подключаются к ВЧ генератору (на чертежах не показан). Внутренняя полость трубчатой спирали индуктора 4 сообщена с системой принудительной прокачки охлаждающей среды (на чертежах не показана). Узлы системы прокачки охлаждающей среды электрически изолированы от электропроводящего индуктора 4. Необходимость применения системы принудительного охлаждения индуктора 4 определяется в зависимости от расчетного теплового режима работы ВЧИД.An
Для крепления витков спирали индуктора 4 на внешней поверхности камеры 1 выполнены четыре выступа 7, которые расположены вдоль образующей поверхности камеры. Выступы 7 равноудалены относительно друг друга в азимутальном направлении. Количество выступов выбирается в зависимости от максимального внешнего диаметра газоразрядной камеры. При этом минимальное количество выступов не должно быть менее трех. Данное условие связано с необходимостью ограничения перемещения витков спирали индуктора 4 относительно поверхности камеры 1 при циклических знакопеременных термических нагрузках. В случае, если количество выступов на внешней поверхности камеры менее трех, в частности два, то пространственное положение витков спирали будет существенно изменяться вследствие теплового расширения металлической спирали при циклическом тепловом воздействии. Такие перемещения приведут к возникновению усталостных деформаций витков трубчатой спирали и к последующему разрушению индуктора.For fixing the turns of the spiral of the
В рассматриваемом варианте конструкции газоразрядного узла используются четыре выступа 7, которые симметрично распложены относительно оси симметрии камеры 1. Высота выступов составляет 2 мм, что обеспечивает упругую термическую деформацию участков спирали индуктора в радиальном направлении в пространстве между паяными соединениями. Деформируемые участки витков спирали ограничены контактными точками паяных соединений, последовательно расположенными в азимутальном направлении на металлизированных поверхностях выступов 7. Выбранная высота выступов соответствует максимальному внешнему диаметру газоразрядной камеры (D=90 мм).In the considered embodiment of the design of the gas-discharge unit, four
На поверхность выступов 7 нанесено металлизационное покрытие, образующее буферный слой, обеспечивающий паяное соединение керамики с медным индуктором 4 в точках контакта с поверхностью выступов 7. Локальная металлизация поверхности керамики осуществляется любым известным методом, включая диффузионный метод нанесения покрытий на основе металлизационных паст.A metallization coating is applied to the surface of the
Для нанесения металлизационного покрытия может использоваться, например, метод вакуумного напыления буферного слоя (см., например, патент RU 2044719 C1). Данный метод включает предварительное активирование обрабатываемой поверхности плазмой высокочастотного разряда в среде аргона и нанесение многослойного металлизационного покрытия, состоящего из первого адгезионного слоя титана, на который наносится слой меди.For applying a metallization coating, for example, the method of vacuum deposition of a buffer layer can be used (see, for example, patent RU 2044719 C1). This method involves the preliminary activation of the treated surface by high-frequency discharge plasma in argon and the deposition of a multilayer metallization coating consisting of a first adhesive layer of titanium on which a copper layer is applied.
Металлизационное покрытие может наноситься с помощью газодинамического метода (см., например, патент RU 2219145 C1). Данная технология включает формирование первого адгезионного слоя толщиной от 5 до 200 мкм путем воздействия на обрабатываемую поверхность ускоренным потоком сжатого воздуха, нагретого до температуры 100-400°C. Газовый поток содержит смесь в виде порошка керамики и металлов (сплавов металлов), в том числе алюминия. Второй металлический слой наносят путем воздействия на обрабатываемую поверхность ускоренным потоком сжатого воздуха, нагретого до температуры 200-700°C. На втором этапе газовый поток содержит порошок меди, что обеспечивает пайку керамического изделия с элементами конструкции, выполненными из сплава меди.The metallization coating can be applied using the gas-dynamic method (see, for example, patent RU 2219145 C1). This technology involves the formation of the first adhesive layer with a thickness of 5 to 200 microns by exposing the treated surface to an accelerated stream of compressed air heated to a temperature of 100-400 ° C. The gas stream contains a mixture in the form of a powder of ceramics and metals (metal alloys), including aluminum. The second metal layer is applied by exposing the treated surface to an accelerated stream of compressed air heated to a temperature of 200-700 ° C. At the second stage, the gas stream contains copper powder, which ensures the soldering of the ceramic product with structural elements made of copper alloy.
Наиболее простым методом металлизации поверхности керамических изделий является диффузионный способ нанесения на обрабатываемую поверхность металлизационного покрытия в виде металлосодержащих паст с последующим вжиганием металлизационного покрытия при высокой температуре (см., например, патент RU 2016887 C1). Для нанесения металлизационного покрытия используется паста, содержащая 70-80 мас. % молибдена и 20-30 мас. % стекла на основе оксида марганца, оксида кремния и оксида лантана. Пасту наносят на обрабатываемую поверхность слоем толщиной 50-60 мкм и вжигают в поверхностный слой керамики в атмосфере азота при температуре 1200°C. После окончания операции вжигания производится пайка медных элементов конструкции к поверхности керамического изделия.The simplest method of metallizing the surface of ceramic products is the diffusion method of applying a metallization coating in the form of metal-containing pastes to the treated surface with subsequent burning of the metallization coating at high temperature (see, for example, patent RU 2016887 C1). To apply a metallization coating, a paste containing 70-80 wt. % molybdenum and 20-30 wt. % glass based on manganese oxide, silicon oxide and lanthanum oxide. The paste is applied to the surface to be treated with a layer with a thickness of 50-60 μm and burned into the surface layer of the ceramic in a nitrogen atmosphere at a temperature of 1200 ° C. After the operation of firing, brazing of the copper structural elements to the surface of the ceramic product is carried out.
В рассматриваемом примере для формирования металлизационного покрытия на поверхности выступов 7 камеры 1 использована паста на основе соединения Mo-Mn-Si, которая наносится на обрабатываемую поверхность диффузионным методом. После проведения термообработки покрытия витки спирали индуктора 4 соединяются с помощью паяных соединений с внешней поверхностью камеры 1 в точках контакта с металлизированной поверхностью выступов 7. Пайка по металлизированным поверхностям керамических деталей проводится в атмосфере водорода в три этапа. В процессе пайки используются высокотемпературные припои с различными температурами плавления. Сначала проводится пайка с применением припоя, имеющего наибольшую температуру плавления, а затем последовательно используются припои с меньшими температурами плавления.In this example, to form a metallization coating on the surface of the
Аналогичным образом осуществляется крепление электродов ионно-оптической системы 3 к газоразрядной камере 1. В состав ионно-оптической системы 3 входят три электрода: перфорированный эмиссионный электрод 8, выполненный из сплава молибдена МЧ, перфорированный ускоряющий электрод 9, выполненный из сплава молибдена МЧ, и замедляющий электрод 10, выполненный из сплава титана ВТ1-0. В качестве замедляющего электрода используется внешний фланец газоразрядного узла. Перфорация электродов 8 и 9 имеет гексагональную структуру, что позволяет обеспечить требуемую прозрачность электродов при максимальном межцентровом расстоянии отверстий.In a similar manner, the electrodes of the ion-
Материал наиболее теплонапряженных электродов 8 и 9, расположенных вблизи от газоразрядной камеры 1, выбирается исходя из условия близости по величине коэффициентов линейного теплового расширения материалов контактирующих между собой элементов конструкции: газоразрядной камеры, промежуточных изоляторов и электродов ионно-оптической системы. Значения коэффициентов линейного теплового расширения молибденового сплава МЧ, из которого изготовлены эмиссионный и ускоряющий электроды 8 и 9, и высокотемпературной керамики ВК-94-1, из которой изготовлена газоразрядная камера 1 и изоляторы 11, 12 и 13, составляют 4,9·10-6 м/м °C и 6·10-6 м/м °C соответственно.The material of the most heat-stressed
Эмиссионный электрод 8 соединен с торцевой поверхностью камеры 1, на которую нанесено металлизационное покрытие, методом пайки по металлизированной поверхности. В качестве металлизационного покрытия используется паста на основе соединения Mo-Mn-Si. Эмиссионный электрод 8 электрически изолирован от ускоряющего электрода 9 керамическим изолятором 11.The
Ускоряющий электрод 9 соединен с керамическим изолятором 12 методом пайки по металлизированной поверхности керамической детали. На контактную поверхность изолятора 12 диффузионным методом нанесено металлизационное покрытие. В качестве материала покрытия используется паста на основе соединения Mo-Mn-Si. Ускоряющий электрод 9 электрически изолирован от замедляющего электрода 10 керамическими изоляторами 12 и 13 и от эмиссионного электрода 8 - керамическим изолятором 11.The accelerating
Титановый замедляющий электрод 10 механически соединен с керамическим изолятором 13 и камерой 1 с помощью элементов крепления (на чертеже не показаны) и электрически изолирован от других электродов ионно-оптической системы 3 с помощью изолятора 13.The
Электроды 8 и 9 электрически соединены с источниками электропитания и электрод 10 - с общим выводом системы питания и управления через контактные металлические пластины 14, 15 и 16, припаянные к керамическим изоляторам 11, 12 и 13. Пайка производится по металлизированным поверхностям керамических деталей, для этого на контактные поверхности изоляторов наносится металлизационное покрытие.The
Патрубок 2 подачи рабочего газа соединен с камерой 1 методом пайки по металлизированной поверхности. Перед пайкой на контактную поверхность камеры 1 предварительно наносится металлизационное покрытие, в качестве которого также используется паста на основе соединения Mo-Mn-Si.The
Газоразрядный узел является частью ВЧИД, который включает в свой состав два катода-нейтрализатора (на чертежах не показаны), установленные за замедляющим электродом 10 в направлении ускорения потока ионов. Основной и резервный катоды-нейтрализаторы обеспечивают компенсацию пространственного заряда потока ионов за счет эмиссии электронов. В состав ВЧИД входит также блок управления газораспределением, соединенный через газовые магистрали с катодами-нейтрализаторами и через газоэлектрическую развязку с патрубком 2 подачи рабочего газа.The gas discharge unit is part of the RFID, which includes two neutralizing cathodes (not shown in the drawings) installed behind the
Электропитание, управление работой ВЧИД и передача телеметрической информации осуществляется с помощью блока питания и управления, который подключен к управляемым узлам и блокам двигателя. ВЧИД, катоды-нейтрализаторы, блок управления газораспределением и блок питания и управления закреплены на общей установочной платформе. Расчетный тепловой режим двигателя обеспечивается за счет использования тепловых экранов, установленных на установочной платформе.Power supply, RFID operation control and telemetry information transmission are carried out using the power and control unit, which is connected to the controlled units and engine blocks. RFID, cathode-neutralizers, a gas distribution control unit and a power and control unit are mounted on a common installation platform. The calculated thermal mode of the engine is ensured through the use of heat shields installed on the installation platform.
Работа ВЧИД, в состав которого входит газоразрядный узел, изображенный на фиг. 1 и 2, осуществляется следующим образом.The operation of the RFID, which includes the gas discharge unit shown in FIG. 1 and 2, as follows.
При поступлении команды от бортового комплекса управления КА производится включение ДУ. С помощью системы питания и управления осуществляется включение и выключение ВЧИД по определенной циклограмме и передача телеметрической информации о рабочих параметрах двигателя. Источники электропитания, входящие в состав системы питания и управления, обеспечивают питание устройства ввода энергии в газоразрядную камеру 1, в качестве которого используется индуктор 4, ионно-оптической системы 3, блока управления газораспределением и катодов-нейтрализаторов. Рабочий газ (ксенон) подается из блока управления газораспределением в газоразрядную камеру 1, через газовые магистрали, газоэлектрическую развязку и патрубок 2 подачи рабочего газа. С помощью блока управления газораспределением осуществляется подача рабочего газа в катоды-нейтрализаторы.Upon receipt of a command from the onboard control system of the spacecraft, the remote control is turned on. Using the power and control system, the RFID is turned on and off according to a specific sequence diagram and telemetry information is transmitted about the engine operating parameters. The power sources that make up the power supply and control system provide power to the device for introducing energy into the
Токоподводы 5 и 6 индуктора 4 подключаются через малоиндуктивную электрическую цепь к ВЧ генератору, входящему в состав системы питания и управления. Рабочая частота ВЧ генератора составляет 2,0±0,5МГц при напряжении ~300 В. На эмиссионный электрод 8 подается напряжение +2000 В, на ускоряющий электрод 9 - напряжение -300 В. Замедляющий электрод 10, соединенный с общим выводом системы питания и управления, находится под нулевым потенциалом. Расход ксенона через газоразрядную камеру 1 составляет от 0,15 до 0,25 мг/с, через катоды-нейтрализаторы - 0,03 мг/с.The current leads 5 and 6 of the
Инициирование ВЧ индукционного разряда происходит при достижении требуемой концентрации свободных электронов в разрядном объеме камеры 1. Ввод ВЧ энергии в разрядный объем осуществляется с помощью индуктора 4. Величина вводимой ВЧ мощности составляет ~60 Вт. ВЧ энергия передается в разрядный объем через проницаемые для электромагнитного поля диэлектрические стенки камеры 1.The initiation of the RF induction discharge occurs when the required concentration of free electrons in the discharge volume of
В результате инициирования ВЧ индукционного разряда в камере 1 образуется газоразрядная плазма с расчетной концентрацией ионов, которая необходима для создания реактивной тяги заданной величины. Одновременно с ионизацией рабочего газа в камере 1 осуществляется извлечение и ускорение ионов с помощью электродов ионно-оптической системы 3. Пространственный заряд ускоренного ионного потока компенсируется электронами, генерируемыми катодами-нейтрализаторами. Концентрация электронов в области пространства за замедляющим электродом 10 поддерживается достаточной для компенсации пространственного заряда потока ионов.As a result of the initiation of an RF induction discharge, a gas-discharge plasma is formed in
Извлечение и ускорение ионов происходит за счет разности потенциалов между газоразрядной плазмой, находящейся в камере 1, и электродами 8, 9 и 10 ионно-оптической системы 3. Под действием приложенной разности потенциалов формируется направленный поток ионов рабочего газа. Свободное истечение ионов в окружающее пространство происходит за счет компенсации пространственного заряда ионов потоком электронов.The extraction and acceleration of ions occurs due to the potential difference between the gas-discharge plasma located in
При направленном истечении скомпенсированного по заряду потока ионов создается реактивная тяга, величина которой для рассматриваемого ВЧИД равна 8,1 мН при тяговой эффективности - 53% и величине удельного импульса тяги - 3775 с. Полная потребляемая двигателем мощность составляет 334 Вт. Вследствие высокого уровня потребляемой мощности происходит существенное энерговыделение и нагрев малоразмерных элементов конструкции газоразрядного узла. Объем полости газоразрядной камеры в рассматриваемом примере составляет 212 см3, уровень вводимой ВЧ мощности ~60 Вт, ресурс работы двигателя - не менее 5000 часов, количество включений двигателя - до 5000.In the directional outflow of a charge-compensated ion flow, a jet thrust is created, the value of which for the RFID under consideration is 8.1 mN with a traction efficiency of 53% and a specific impulse of thrust of 3775 s. The total power consumed by the engine is 334 watts. Due to the high level of power consumption, significant energy release and heating of small-sized structural elements of the gas-discharge unit occurs. The volume of the cavity of the gas discharge chamber in this example is 212 cm 3 , the input RF power level is ~ 60 W, the engine life is at least 5000 hours, the number of engine starts is up to 5000.
При указанных рабочих характеристиках в процессе работы двигателя температура стенок камеры 1 может достигать 250°C и выше. Нагрев камеры 1 приводит к термическим деформациям керамических стенок и закрепленного на них индуктора 4. Из-за различия коэффициентов теплового расширения высокотемпературной керамики (ВК94-1) и медного сплава, из которого выполнен индуктор 4, происходит неравномерное изменение (увеличение) размеров соединенных между собой деталей. Для указанного выше диапазона температур коэффициент линейного теплового расширения меди составляет 16.6·10-6 м/м °C, а для керамики ВК94-1 - 6,0·10-6 м/м °C.With the specified operating characteristics during the operation of the engine, the temperature of the walls of the
Использование газоразрядного узла с выступами 7, выполненными на внешней поверхности газоразрядной камеры 1, позволяет закрепить витки спирали индуктора 4 с помощью паяных соединений в точках контакта с металлизированными поверхностями выступов. Данное выполнение газоразрядного узла обеспечивает перемещение участков спирали индуктора 4 относительно внешней поверхности камеры 1 между точками пайки при тепловом расширении индуктора 4 и камеры 1. Зоны теплового расширения витков индуктора 4, расположенные между точками пайки, выполняют функцию упругих демпферов при термических деформациях индуктора, происходящих в условиях циклически изменяющихся тепловых нагрузок при включениях и выключениях ДУ. За счет упругого демпфирования тепловых расширений индуктора сохраняется целостность конструкции газоразрядного узла, повышается надежность и увеличивается ресурс ВЧИД.The use of a gas discharge unit with
Вместе с тем при использовании паяных соединений для крепления витков индуктора 4 исключаются дополнительные элементы конструкции, обеспечивающие крепление индуктора 4 к камере 1 в условиях действия тепловых нагрузок. Такие узлы крепления имеют сложную конструкцию из-за необходимости обеспечения равномерного теплового расширения спирали индуктора. За счет упрощения конструкции газоразрядного узла улучшаются массо-габаритные показатели ВЧИД: уменьшаются габаритные размеры и масса двигателя. Для рассматриваемого примера масса двигательного блока не превышает 1,4 кг при тяге 8,6 мН.However, when using soldered joints for fastening the coils of the
Вышеописанный пример осуществления изобретения основывается на конкретном варианте конструкции газоразрядного узла ВЧИД, однако это не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации изобретения. Так, например, в зависимости от размеров газоразрядной камеры, уровня вводимой ВЧ мощности и технологических возможностей рассчитывается высота выступов на внешней поверхности газоразрядной камеры.The above-described exemplary embodiment of the invention is based on a specific embodiment of the RFID gas-discharge assembly, however, this does not exclude the possibility of achieving a technical result in other particular cases of the invention. So, for example, depending on the size of the gas discharge chamber, the level of RF input and technological capabilities, the height of the protrusions on the outer surface of the gas discharge chamber is calculated.
Оптимальный диапазон высоты выступов составляет от 1 до 4 мм. Высота выступов выбирается также с учетом количества выступов, контактирующих с каждым витком спирали индуктора.The optimal range of height of the protrusions is from 1 to 4 mm. The height of the protrusions is also selected taking into account the number of protrusions in contact with each coil of the inductor spiral.
Количество выступов на внешней поверхности камеры и количество витков спирали индуктора определяется в зависимости от размеров, формы и объема газоразрядной камеры, который, в свою очередь, зависит от заданного значения ионного тока.The number of protrusions on the outer surface of the chamber and the number of turns of the coil of the inductor is determined depending on the size, shape and volume of the gas discharge chamber, which, in turn, depends on the set value of the ion current.
Для металлизации контактных поверхностей газоразрядной камеры наряду с методом, основанным на нанесении металлосодержащей пасты на контактную поверхность, могут использоваться и иные методы металлизации, в том числе описанные выше методы вакуумного и газодинамического напыления покрытий. Выбор химического состава металлизирующей пасты определяется в каждом конкретном случае в зависимости от используемых материалов, из которых выполнены контактирующие элементы конструкции: газоразрядная камера, промежуточные изоляторы и индуктор.For metallization of the contact surfaces of the gas discharge chamber, along with the method based on applying a metal-containing paste to the contact surface, other metallization methods can be used, including the methods of vacuum and gas-dynamic spraying of the coatings described above. The choice of the chemical composition of the metallizing paste is determined in each case, depending on the materials used, from which the contacting structural elements are made: a gas discharge chamber, intermediate insulators and an inductor.
Применяемая в составе газоразрядного узла ионно-оптическая система, наряду с трехэлектродной схемой, может содержать два электрода. Крепление электродов ионно-оптической системы к элементам конструкции газоразрядного узла может производиться не только методом пайки по металлизированным поверхностям керамических деталей, но и с использованием механических средств крепления.The ion-optical system used in the gas discharge unit, along with the three-electrode circuit, can contain two electrodes. The electrodes of the ion-optical system are attached to the construction elements of the gas-discharge assembly not only by soldering on the metallized surfaces of ceramic parts, but also using mechanical fastening means.
ВЧИД с газоразрядным узлом, выполненным согласно изобретению, может применяться в составе ДУ на борту КА различного назначения, в том числе на телекоммуникационных КА, работающих на геостационарной орбите Земли. ВЧИД может выполнять ряд функций, требующих создания реактивной тяги в течение длительного срока эксплуатации КА при различных циклограммах включения. К таким функциям ДУ, в частности, относятся: ориентация и стабилизация КА при кратковременных цикличных включениях, коррекция рабочей орбиты и довыведение КА на заданную орбиту при непрерывном включении ВЧИД в течение нескольких месяцев.RFID with a gas-discharge assembly made according to the invention can be used as a part of the remote control aboard spacecraft of various purposes, including telecommunication spacecraft operating in the geostationary orbit of the earth. RFID can perform a number of functions that require the creation of jet thrust over a long period of spacecraft operation at various switching cycles. Such remote control functions, in particular, include: orientation and stabilization of the spacecraft with short-term cyclic inclusions, correction of the working orbit and bringing the spacecraft into a given orbit with continuous inclusion of RFID for several months.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015121082/06A RU2585340C1 (en) | 2015-06-03 | 2015-06-03 | Gas-discharge unit of high-frequency ion engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015121082/06A RU2585340C1 (en) | 2015-06-03 | 2015-06-03 | Gas-discharge unit of high-frequency ion engine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2585340C1 true RU2585340C1 (en) | 2016-05-27 |
Family
ID=56096054
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015121082/06A RU2585340C1 (en) | 2015-06-03 | 2015-06-03 | Gas-discharge unit of high-frequency ion engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2585340C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3159966A (en) * | 1960-11-07 | 1964-12-08 | Litton Systems Inc | Ionization and plasma acceleration apparatus |
| US4104875A (en) * | 1976-07-28 | 1978-08-08 | Messerschmitt-Boelkow-Blohm Gmbh | Ion prime mover |
| US4849675A (en) * | 1986-09-24 | 1989-07-18 | Leybold Ag | Inductively excited ion source |
| US5216330A (en) * | 1992-01-14 | 1993-06-01 | Honeywell Inc. | Ion beam gun |
| RU139030U1 (en) * | 2013-07-18 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | ION-PLASMA ENGINE |
| US8864935B2 (en) * | 2006-12-27 | 2014-10-21 | Novellus Systems, Inc. | Plasma generator apparatus |
-
2015
- 2015-06-03 RU RU2015121082/06A patent/RU2585340C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3159966A (en) * | 1960-11-07 | 1964-12-08 | Litton Systems Inc | Ionization and plasma acceleration apparatus |
| US4104875A (en) * | 1976-07-28 | 1978-08-08 | Messerschmitt-Boelkow-Blohm Gmbh | Ion prime mover |
| US4849675A (en) * | 1986-09-24 | 1989-07-18 | Leybold Ag | Inductively excited ion source |
| US5216330A (en) * | 1992-01-14 | 1993-06-01 | Honeywell Inc. | Ion beam gun |
| US8864935B2 (en) * | 2006-12-27 | 2014-10-21 | Novellus Systems, Inc. | Plasma generator apparatus |
| RU139030U1 (en) * | 2013-07-18 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | ION-PLASMA ENGINE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5945781A (en) | Ion source with closed electron drift | |
| JP5301096B2 (en) | How to ignite plasma | |
| JP3083561B2 (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
| GB2573570A (en) | Hollow cathode apparatus | |
| US6376978B1 (en) | Quartz antenna with hollow conductor | |
| JP2024003021A (en) | Method of operating plasma processing system, and plasma processing system | |
| US20030218430A1 (en) | Ion source with external RF antenna | |
| RU2270491C2 (en) | High-frequency neutron source such as neutralizer | |
| CN105895473A (en) | Cold cathode structure capable of allowing space electric propulsion to be started quickly | |
| RU2585340C1 (en) | Gas-discharge unit of high-frequency ion engine | |
| JP3237450U (en) | Combined plasma source | |
| US3862393A (en) | Low frequency induction plasma system | |
| US8689537B1 (en) | Micro-cavity discharge thruster (MCDT) | |
| US3159966A (en) | Ionization and plasma acceleration apparatus | |
| RU2764487C1 (en) | Hybrid wave plasma engine for low orbit space vehicle | |
| Peng et al. | Magnet stage optimization of 5 kW multi-cusped field thruster | |
| RU2594937C2 (en) | Plasma electrical jet engine and method of creating jet thrust | |
| RU2084985C1 (en) | Plasma beam s h f device | |
| RU2172536C2 (en) | Closed-electron-drift ion source | |
| RU2173002C1 (en) | Compensating cathode | |
| RO134720A2 (en) | Radio-frequency plasma source for applications in spatial propulsion of small-size satellites | |
| KR20190101092A (en) | Microwave-direct current hybrid atmospheric or low vacuum plasma source | |
| JPH05283769A (en) | Metal vapor laser device | |
| JPH0369179A (en) | Metal vapor laser device |