RU2612308C1 - Ion engine with device for protection against arc discharge in interelectrode gap of ion-optical system - Google Patents

Ion engine with device for protection against arc discharge in interelectrode gap of ion-optical system Download PDF

Info

Publication number
RU2612308C1
RU2612308C1 RU2015155063A RU2015155063A RU2612308C1 RU 2612308 C1 RU2612308 C1 RU 2612308C1 RU 2015155063 A RU2015155063 A RU 2015155063A RU 2015155063 A RU2015155063 A RU 2015155063A RU 2612308 C1 RU2612308 C1 RU 2612308C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ion
arc discharge
relay
optical system
engine
Prior art date
Application number
RU2015155063A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Юрьевич Селиванов
Артем Сергеевич Жиркин
Антон Игоревич Машин
Original Assignee
Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша"
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 Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" filed Critical Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша"
Priority to RU2015155063A priority Critical patent/RU2612308C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2612308C1 publication Critical patent/RU2612308C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03HPRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0043Electrostatic ion thrusters characterised by the acceleration grid

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

FIELD: aviation.
SUBSTANCE: ion engine is equipped with a device for protection against arc discharge caused by interelectrode arcing between emissive and accelerating electrodes of the ion-optical system. The device is a fast-operating normally-closed relay which input is connected to the accelerating electrode circuit and output is connected to the electromagnet circuit. The opening of the relay occurs when a current value is 3-5 times higher than the nominal current value in the accelerating electrode circuit. Permissible voltage between the input and the output of the relay is not less than 5000 V.
EFFECT: invention allows to automatically eliminate the arc discharge caused by the interelectrode arcing in the ion-optical system of the ion engine.
1 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при испытаниях и эксплуатации ионных двигателей (ИД).The proposed technical solution relates to rocket and space technology and can be used in testing and operation of ion engines (ID).

На сегодняшний день все более актуальным становится вопрос повышения энерговооруженности космических летательных аппаратов, связанный с необходимостью решения таких задач как продолжительные экспедиции к планетам Солнечной системы, а также коррекция орбиты и поддержание ориентации современных околоземных космических аппаратов, имеющих высокую массу.Today, the issue of increasing the power capacity of spacecraft is becoming increasingly relevant, associated with the need to solve such problems as lengthy expeditions to the planets of the solar system, as well as correcting the orbit and maintaining the orientation of modern high-Earth near-Earth spacecraft.

Для выполнения этих задач одними из важнейших характеристик двигателей, используемых на космических аппаратах такого класса, являются высокая газовая и электрическая эффективность, а также ресурсные характеристики. По совокупности указанных параметров наиболее перспективным является применение ионных двигателей, которые обладают наибольшим удельным импульсом среди электроракетных двигателей и ресурсом в десятки тысяч часов.To accomplish these tasks, one of the most important characteristics of the engines used on spacecraft of this class are high gas and electric efficiency, as well as resource characteristics. By the totality of these parameters, the most promising is the use of ion engines, which have the largest specific impulse among electric rocket engines and a resource of tens of thousands of hours.

Современные ионные двигатели строятся на базе источников ионов с объемной ионизацией атомов рабочего тела электронным ударом. В качестве рабочего вещества традиционно используется ксенон. Типичный ионный двигатель с газоразрядной камерой (ГРК) на основе разряда постоянного тока представлен в источнике Goebel D.M. and Katz I. «Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters», Wiley, 2008, 508 p.Modern ion engines are built on the basis of ion sources with volumetric ionization of the atoms of the working fluid by electron impact. Xenon is traditionally used as a working substance. A typical DC discharge ion-displacement engine (GDK) engine is provided by Goebel D.M. and Katz I. “Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters”, Wiley, 2008, 508 p.

Ионизация атомов рабочего тела в таком двигателе осуществляется в ГРК за счет столкновения атомов с электронами, эмитирируемыми катодом и набирающими энергию в постоянном электрическом поле. Для исключения ухода первичных электронов на анод перед ним в ГРК создается продольное магнитное поле. Все стенки ГРК имеют катодный потенциал, поэтому первичные электроны, прежде чем достигнуть анода, совершают многократные колебания, что повышает эффективность ионизации. Для извлечения ионов из плазмы ГРК, формирования и ускорения ионного пучка служит ионно-оптическая система (ИОС), состоящая, как правило, из эмиссионного и ускоряющего электродов. На эмиссионный электрод подается положительный потенциал в несколько киловольт, который определяет энергию ионов пучка, на ускоряющий электрод подается отрицательный потенциал в несколько сотен вольт, необходимый для отсечки электронов из пучковой плазмы. Для того чтобы не допустить заряженные частицы пучковой плазмы к высокопотенциальным поверхностям, ГРК снаружи закрывается тонкостенным корпусом. За срезом двигателя на боковую поверхность корпуса устанавливается катод-нейтрализатор, поставляющий электроны в ионный пучок, что необходимо для нейтрализации объемного заряда. Таким образом ионы создают тягу, двигаясь из плазмы ГРК сквозь отверстия эмиссионного и ускоряющего электрода и ускоряясь в электрическом поле, приложенном в зазоре между ними.The ionization of the atoms of the working fluid in such an engine is carried out in the gas distribution system due to the collision of atoms with electrons emitted by the cathode and gaining energy in a constant electric field. To exclude the departure of primary electrons to the anode, a longitudinal magnetic field is created in front of it in the GRK. All GRK walls have a cathodic potential, therefore, primary electrons, before reaching the anode, perform multiple oscillations, which increases the efficiency of ionization. An ion-optical system (IOS), which, as a rule, consists of emission and accelerating electrodes, is used to extract ions from GRC plasma, to form and accelerate an ion beam. A positive potential of several kilovolts is supplied to the emission electrode, which determines the energy of the beam ions, and a negative potential of several hundred volts is needed for the electron to be cut off from the beam plasma to the accelerating electrode. In order to prevent charged particles of the beam plasma from reaching high-potential surfaces, the GRK is closed externally by a thin-walled case. Behind a cut of the engine, a cathode-converter is installed on the side surface of the casing, which supplies electrons to the ion beam, which is necessary to neutralize the space charge. Thus, the ions create traction, moving from the plasma of the gas distribution system through the holes of the emission and accelerating electrodes and accelerating in the electric field applied in the gap between them.

При проведении стендовых испытаний и эксплуатации ионных двигателей в составе космического аппарата одной из важнейших проблем является возникновение дугового разряда в зазоре между электродами ионно-оптической системы ионного двигателя вследствие межэлектродного пробоя. Такой разряд является причиной существенной деградации электродов, поскольку ведет к локализации мощности, выделяемой в дуге на малый участок электрода. Учитывая, что эмиссионный электрод имеет толщину менее 1 мм и густо перфорирован отверстиями, даже кратковременное воздействие такой мощности может привести к плавлению материала и нарушению целостности электрода. Поэтому при эксплуатации ионных двигателей существует необходимость в механизме защиты от дугового разряда, который позволит минимизировать деградацию электродов ионно-оптической системы.When conducting bench tests and operating ion engines as part of a spacecraft, one of the most important problems is the occurrence of an arc discharge in the gap between the electrodes of the ion-optical system of the ion engine due to interelectrode breakdown. Such a discharge is a cause of significant degradation of the electrodes, since it leads to localization of the power released in the arc to a small portion of the electrode. Considering that the emission electrode has a thickness of less than 1 mm and is densely perforated with holes, even a short-term exposure to such power can lead to melting of the material and violation of the integrity of the electrode. Therefore, in the operation of ion engines, there is a need for an arc protection mechanism that will minimize the degradation of the electrodes of the ion-optical system.

Известен патент США №7269940 (2007 г.) «Электрическая схема для защиты электродов ионного двигателя от пробоев», выбранный в качестве прототипа, в котором для решения этой задачи предлагается электрическая схема, использующая в качестве основного элемента высокоомный резистор, установленный в цепь ускоряющего электрода. При возникновении пробоя через резистор протекает большой ток, создавая на его клеммах разность потенциалов более киловольта и повышая таким образом потенциал ускоряющего электрода. Это приводит к снижению разности потенциалов между электродами и погасанию дуги.Known US patent No. 7269940 (2007) "The electrical circuit for protecting the electrodes of the ion engine from breakdowns", selected as a prototype, in which to solve this problem, an electrical circuit is proposed that uses as a main element a high-resistance resistor installed in the accelerating electrode circuit . When a breakdown occurs, a large current flows through the resistor, creating a potential difference of more than kilovolt at its terminals and thereby increasing the potential of the accelerating electrode. This leads to a decrease in the potential difference between the electrodes and the extinction of the arc.

Однако это устройство имеет следующие недостатки:However, this device has the following disadvantages:

- учитывая, что потенциал цепи ускоряющего электрода при пробое приближается к потенциалу эмиссионного электрода, изоляция этой цепи также должна быть рассчитана на напряжение более киловольта;- taking into account that the potential of the accelerating electrode circuit during breakdown approaches the potential of the emission electrode, the insulation of this circuit should also be designed for a voltage of more than kilovolt;

- через резистор даже во время штатной работы двигателя течет ток, то есть в нем выделяется паразитная мощность, снижающая КПД системы;- a current flows through the resistor even during normal engine operation, that is, stray power is released in it, which reduces the efficiency of the system;

- протекание тока через резистор, кроме того, приводит к падению напряжения, то есть на ускоряющий электрод приходит потенциал, меньший установленного источником и зависящий от величины тока. В связи с этим для стабилизации потенциала ускоряющего электрода в рассматриваемую электрическую схему включена система его измерения и подстройки напряжения на источнике питания ускоряющего электрода, что существенно усложняет схему и снижает ее надежность;- the current flowing through the resistor, in addition, leads to a voltage drop, that is, the potential arriving at the accelerating electrode is less than that set by the source and depending on the current value. In this regard, in order to stabilize the potential of the accelerating electrode, the considered circuit includes a system for measuring and adjusting the voltage at the power source of the accelerating electrode, which significantly complicates the circuit and reduces its reliability;

- при запуске двигателя на ускоряющем электроде неизбежно возникает большой ток, который не связан с межэлектродным пробоем. В связи с этим в схему параллельно высокоомному резистору в цепи ускоряющего электрода установлено реле, которое замыкается во время пуска двигателя и размыкается в момент его выхода на заданные параметры. Это также усложняет схему и приводит к снижению надежности системы.- when the engine is started on the accelerating electrode, a large current inevitably occurs, which is not connected with the interelectrode breakdown. In this regard, a relay is installed in the circuit parallel to the high-resistance resistor in the accelerating electrode circuit, which closes during engine start and opens when it reaches the specified parameters. This also complicates the circuit and leads to a decrease in system reliability.

Цель изобретения - обеспечить надежную работу ионного двигателя при возникновении дугового разряда, вызванного межэлектродным пробоем.The purpose of the invention is to ensure reliable operation of the ion engine in the event of an arc discharge caused by interelectrode breakdown.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в устранении в автоматическом режиме дугового разряда в ионном двигателе, вызванного межэлектродным пробоем, без снижения КПД системы.The technical result of the invention consists in eliminating in an automatic mode an arc discharge in an ion engine caused by interelectrode breakdown, without reducing the efficiency of the system.

Указанная цель и технический результат достигаются тем, что ионный двигатель снабжен устройством для защиты от дугового разряда, вызванного пробоем между эмиссионным и ускоряющим электродами ионно-оптической системы, и представляет собой быстродействующее нормально замкнутое реле. Вход реле связан с цепью ускоряющего электрода, а выход - с цепью электромагнита. Размыкание реле происходит при величине тока, в 3-5 раз превышающей величину номинального тока в цепи ускоряющего электрода. Допустимое напряжение между входом и выходом реле составляет не менее 5000 В.This goal and the technical result are achieved in that the ion engine is equipped with a device for protection against arc discharge caused by breakdown between the emission and accelerating electrodes of the ion-optical system, and is a fast-acting normally closed relay. The relay input is connected to the accelerating electrode circuit, and the output is connected to the electromagnet circuit. The relay opens when the current value is 3-5 times higher than the rated current in the accelerating electrode circuit. The permissible voltage between the input and output of the relay is at least 5000 V.

Потенциал эмиссионного электрода на использующихся ионных двигателях достигает значения 4500 В, ускоряющий электрод имеет отрицательный потенциал величиной до минус 400 В, зазор между электродами составляет до 2 мм. При таких условиях в вакууме пробой не возникает.The potential of the emission electrode on the used ion engines reaches 4500 V, the accelerating electrode has a negative potential of up to minus 400 V, the gap between the electrodes is up to 2 mm. Under such conditions, breakdown does not occur in a vacuum.

Однако он может возникнуть при наличии концентратора напряжения в виде заусенца или посторонней металлической частицы, что является непредсказуемым и обусловлено исключительно внешними факторами.However, it can occur in the presence of a stress concentrator in the form of a burr or an extraneous metal particle, which is unpredictable and is due solely to external factors.

При высокой концентрации носителей заряда вблизи ионно-оптической системы возникший пробой вызывает загорание дугового разряда между электродами, что приводит к локальному выделению высокой мощности и существенной деградации электродов.At a high concentration of charge carriers near the ion-optical system, the arising breakdown causes an arc discharge to ignite between the electrodes, which leads to the local release of high power and significant degradation of the electrodes.

Необходимым условием для поддержания дугового разряда является высокая концентрация носителей заряда вблизи ионно-оптической системы, роль которых в ионном двигателе выполняют заряженные частицы плазмы, генерируемой между катодом и анодом ГРК.A necessary condition for maintaining an arc discharge is a high concentration of charge carriers near the ion-optical system, the role of which in the ion engine is played by charged particles of the plasma generated between the cathode and the anode of the GDK.

При возникновении пробоя, согласно изобретению, резко снижают величину концентрации носителей заряда вблизи электродов за счет отключения магнитного поля в ГРК, что приводит к погасанию дугового разряда. Для этого в электрическую схему двигателя введено реле, вход которого связан с цепью ускоряющего электрода, а выход - с цепью электромагнита. При размыкании реле разряд локализуется в прикатодной области, резко снижается плотность плазмы вблизи ИОС, и, таким образом, дуговой разряд погасает.In the event of a breakdown, according to the invention, the concentration of charge carriers near the electrodes is sharply reduced due to the disconnection of the magnetic field in the GRK, which leads to the extinction of the arc discharge. For this, a relay is introduced into the electric circuit of the engine, the input of which is connected to the accelerating electrode circuit, and the output to the electromagnet circuit. When the relay opens, the discharge is localized in the cathode region, the plasma density near the IOS decreases sharply, and, thus, the arc discharge goes out.

На основе этой идеи разработан ионный двигатель, снабженный устройством защиты от дугового разряда, вызванного межэлектродным пробоем, схематично изображенный на фигуре.Based on this idea, an ion engine was developed, equipped with a device for protection against arc discharge caused by interelectrode breakdown, schematically depicted in the figure.

Устройство для защиты представляет собой нормально замкнутое быстродействующее реле, например электромагнитное или оптореле.The protection device is a normally closed high-speed relay, such as an electromagnetic or optical relay.

Вход реле 3 связан с цепью ускоряющего электрода и подключен между минусовой клеммой его источника питания 2 и самим ускоряющим электродом 6, а выход реле связан с цепью электромагнита 4 и подключен между минусовой клеммой его источника питания 1 и самим электромагнитом 4.The relay input 3 is connected to the accelerating electrode circuit and is connected between the negative terminal of its power source 2 and the accelerating electrode 6 itself, and the relay output is connected to the electromagnet 4 circuit and connected between the negative terminal of its power source 1 and the electromagnet 4 itself.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При возникновении пробоя ток в цепи ускоряющего электрода 6 растет. Когда величина тока в 3-5 раз превышает величину номинального тока в цепи ускоряющего электрода, нормально замкнутое быстродействующее реле 3 размыкается, отключая таким образом питание электромагнита 4. При этом резко падает концентрация носителей заряда вблизи эмиссионного 5 и ускоряющего 6 электродов, дуговой разряд гаснет, снижается ток в цепи ускоряющего электрода и реле 3 вновь замыкается. После этого продолжается штатное функционирование двигателя. Электрическая прочность изоляции, то есть допустимое напряжение между входной и выходной цепями реле, составляет не менее 5000 В.When a breakdown occurs, the current in the circuit of the accelerating electrode 6 increases. When the current value is 3-5 times higher than the rated current in the accelerating electrode circuit, a normally closed high-speed relay 3 opens, thus turning off the power of electromagnet 4. In this case, the concentration of charge carriers near the emission 5 and accelerating 6 electrodes drops sharply, the arc discharge goes out, the current in the accelerating electrode circuit decreases and relay 3 closes again. After that, the regular functioning of the engine continues. The dielectric strength of insulation, that is, the permissible voltage between the input and output circuits of the relay, is at least 5000 V.

Такое устройство позволяет в автоматическом режиме надежно устранять дуговой разряд, вызванный межэлектродным пробоем в ионно-оптической системе ионного двигателя и обеспечивает его надежную работу.Such a device allows in automatic mode to reliably eliminate the arc discharge caused by interelectrode breakdown in the ion-optical system of the ion engine and ensures its reliable operation.

Claims (1)

Ионный двигатель, снабженный устройством для защиты от дугового разряда, вызванного межэлектродным пробоем, возникающим между эмиссионным и ускоряющим электродами ионно-оптической системы, отличающийся тем, что устройство представляет собой быстродействующее нормально замкнутое реле, вход которого связан с цепью ускоряющего электрода, а выход - с цепью электромагнита, причем размыкание реле происходит при величине тока, в 3-5 раз превышающей величину номинального тока в цепи ускоряющего электрода, а допустимое напряжение между входом и выходом реле составляет не менее 5000 В.An ion engine equipped with a device for protection against arc discharge caused by interelectrode breakdown arising between the emission and accelerating electrodes of the ion-optical system, characterized in that the device is a fast-acting normally closed relay, the input of which is connected to the accelerating electrode circuit, and the output - an electromagnet circuit, and the relay opens when the current value is 3-5 times higher than the rated current in the accelerating electrode circuit, and the permissible voltage between the input output relay is not less than 5000 V.
RU2015155063A 2015-12-23 2015-12-23 Ion engine with device for protection against arc discharge in interelectrode gap of ion-optical system RU2612308C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015155063A RU2612308C1 (en) 2015-12-23 2015-12-23 Ion engine with device for protection against arc discharge in interelectrode gap of ion-optical system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015155063A RU2612308C1 (en) 2015-12-23 2015-12-23 Ion engine with device for protection against arc discharge in interelectrode gap of ion-optical system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2612308C1 true RU2612308C1 (en) 2017-03-06

Family

ID=58459287

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015155063A RU2612308C1 (en) 2015-12-23 2015-12-23 Ion engine with device for protection against arc discharge in interelectrode gap of ion-optical system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2612308C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2025056C1 (en) * 1992-07-28 1994-12-15 Опытное конструкторское бюро "Факел" System of power supply of accelerator with closed drift of electrons and extended acceleration zone
US6964396B2 (en) * 2001-12-04 2005-11-15 The Boeing Company Automatic accel voltage tracking system for an ion thruster
US7269940B2 (en) * 2004-10-07 2007-09-18 L-3 Communications Electron Technologies, Inc. Ion engine grid arcing protection circuit
RU2351800C1 (en) * 2007-08-02 2009-04-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Magnetoplasmadynamic engine and method of its operation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2025056C1 (en) * 1992-07-28 1994-12-15 Опытное конструкторское бюро "Факел" System of power supply of accelerator with closed drift of electrons and extended acceleration zone
US6964396B2 (en) * 2001-12-04 2005-11-15 The Boeing Company Automatic accel voltage tracking system for an ion thruster
US7269940B2 (en) * 2004-10-07 2007-09-18 L-3 Communications Electron Technologies, Inc. Ion engine grid arcing protection circuit
RU2351800C1 (en) * 2007-08-02 2009-04-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Magnetoplasmadynamic engine and method of its operation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Savage et al. An overview of pulse compression and power flow in the upgraded Z pulsed power driver
RU2472965C2 (en) Ion accelerator with device for reducing effect of positively charged ions on surface area
CN104260905A (en) Method for actively controlling surface electric potential of spacecraft
CN113169018A (en) System and method for arc detection using dynamic thresholds
US7579578B2 (en) Advanced multipurpose pseudospark switch having a hollow cathode with a planar spiral electrode and an aperture
US20220115236A1 (en) Method and apparatus to eliminate contaminant particles from an accelerated neutral atom beam and thereby protect a beam target
US8766209B2 (en) Current limiter for high voltage power supply used with ion implantation system
Sun et al. Effects of surface “micro-holes” on the flashover properties of a disk-type ceramic-vacuum insulator
RU2612308C1 (en) Ion engine with device for protection against arc discharge in interelectrode gap of ion-optical system
JP6448460B2 (en) Electric propulsion device
Bokhan et al. Discharge development and minimum switching time in a kivotron
Burzynski et al. Interatomic-Coulombic-decay-induced recapture of photoelectrons in helium dimers
US8481966B1 (en) Microplasma ion source for focused ion beam applications
Walko et al. A high output neutron tube using an occluded gas ion source
TWI446395B (en) Pulse electron source and pulsed electron source control method
US20110057565A1 (en) Device and method of supplying power to an electron source, and ion-bombardment-induced secondary-emission electron source
Leibfritz et al. Status of the Fermilab electron cooling project
Gushenets et al. Characteristics of a pulsed vacuum arc discharge with pure boron cathode
Leopold et al. Applying a different approach to pulsed high-voltage insulation
US10170270B1 (en) Ion source
RU2549318C2 (en) Power supply and control method for spacecraft correction system
Schumacher et al. Low-pressure plasma opening switches
STOVER Effect of thrustor arcing on ion rocket system design
Frolova et al. Ion charge state distribution in vacuum arc plasmas for composite Sn-Pb cathodes
US20210218240A1 (en) Gas discharge tube dc circuit breaker

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner