RU2644810C2 - Device for vector control of plasma engine strip (options) and method of vector control of plasma engine strip - Google Patents
Device for vector control of plasma engine strip (options) and method of vector control of plasma engine strip Download PDFInfo
- Publication number
- RU2644810C2 RU2644810C2 RU2015150774A RU2015150774A RU2644810C2 RU 2644810 C2 RU2644810 C2 RU 2644810C2 RU 2015150774 A RU2015150774 A RU 2015150774A RU 2015150774 A RU2015150774 A RU 2015150774A RU 2644810 C2 RU2644810 C2 RU 2644810C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- engine
- plasma
- coils
- thrust
- thrust vector
- 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
- F03H1/0081—Electromagnetic plasma thrusters
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/54—Plasma accelerators
Landscapes
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к плазменной технике и преимущественно предназначено для использования в космической технике в качестве исполнительного органа электрореактивной двигательной установки. Изобретение относится к электрическим ракетным двигателям (ЭРД), применяемым на космических аппаратах, в частности, к стационарным плазменным двигателям (СПД) - двигателям Морозова.The group of inventions relates to plasma technology and is primarily intended for use in space technology as an executive body of an electro-propulsion propulsion system. The invention relates to electric rocket engines (ERE) used on spacecraft, in particular, to stationary plasma engines (SPD) - Morozov engines.
Такие двигатели предназначены, в основном, для применения при движении в условиях космоса. В качестве источников ионов или плазмы они также используются в технологии для ионной обработки поверхности материала. Благодаря высокой скорости истечения рабочего тела или их высокому удельному импульсу тяги (от 1500 до 6000 с) они позволяют более эффективно решать целый ряд задач управления движением космических аппаратов в сравнении с химическими реактивными двигателями.Such engines are designed primarily for use in motion in space. As sources of ions or plasma, they are also used in technology for ionic surface treatment of the material. Due to the high velocity of the expiration of the working fluid or their high specific impulse of traction (from 1500 to 6000 s), they allow more efficiently solve a number of problems of controlling the motion of spacecraft in comparison with chemical jet engines.
СПД характеризуются низкой энергетической ценой тяги за счет создания условий, благоприятных для ионизации рабочего тела, при этом создаваемый ими ионный поток квазинейтрален, что снимает ограничения величины плотности ионного тока за счет действия объемного заряда. В связи с этим такой плазменный двигатель может работать в широком диапазоне ускоряющих напряжений. Ионный ток в современных моделях плазменных ускорителей такого типа близок к разрядному и определяется лишь величиной массового расхода рабочего тела. Таким образом, в известных СПД, в отличие от ионных, имеется возможность независимо изменять массовый расход и ускоряющее напряжение, то есть тягу и скорость истечения при высоком КПД двигателя.SPDs are characterized by a low energy cost of traction due to the creation of conditions favorable for ionization of the working fluid, while the ion flux created by them is quasineutral, which removes the limitations of the ion current density due to the action of the space charge. In this regard, such a plasma engine can operate in a wide range of accelerating voltages. The ion current in modern models of plasma accelerators of this type is close to the discharge current and is determined only by the mass flow rate of the working fluid. Thus, in known SPDs, unlike ionic ones, it is possible to independently change the mass flow rate and accelerating voltage, i.e., thrust and flow rate at high engine efficiency.
Такие двигатели описаны в RU 152775 и 2527898, US 4703222.Such engines are described in RU 152775 and 2527898, US 4703222.
Система управления движением космического аппарата (КА) на околоземной орбите должна решать две основные динамические задачи: поддержание расчетных параметров орбиты космического аппарата (КА) и обеспечение требуемой его ориентации.The control system for the motion of a spacecraft (SC) in near-earth orbit should solve two main dynamic problems: maintaining the calculated parameters of the orbit of the spacecraft (SC) and ensuring its required orientation.
Теоретически вектор тяги СПД должен в обязательном порядке располагаться на продольной оси, проходящей через центр инерции КА. В этом случае при работе двигателя отсутствуют крутящий момент силы, отклоняющий КА от прямолинейной траектории и формирующий его закручивание. В реальности, при установке СПД на КА обеспечить полное достижение прохождения вектора тяги СПД через центр тяжести КА невозможно, так как это зависит от большого количества конструктивных и сборочных особенностей. Кроме того, центр инерции КА может изменять свое положение при выработке рабочего тела и по другим причинам. В результате, в отношении СПД считается, в рамках допусков и технологических отклонений, что вектор тяги практически лежит на продольной оси, проходящей через центр инерции КА. Даже небольшие отклонения приводят к тому, что при работе СПД на КА на последнем формируется закручивающий КА момент, который необходимо скорректировать, то есть устранить.Theoretically, the SPD thrust vector should be necessarily located on the longitudinal axis passing through the center of inertia of the spacecraft. In this case, when the engine is running, there is no force torque deflecting the spacecraft from the straight path and forming its twisting. In reality, when installing the SPD on the spacecraft, it is impossible to fully achieve the passage of the SPD thrust vector through the center of gravity of the spacecraft, since this depends on a large number of design and assembly features. In addition, the center of inertia of the spacecraft can change its position during the development of the working fluid and for other reasons. As a result, in relation to SPD, it is considered, within the limits of tolerances and technological deviations, that the thrust vector practically lies on the longitudinal axis passing through the center of inertia of the spacecraft. Even small deviations lead to the fact that during the operation of the SPD on the spacecraft, the torque is formed on the spacecraft at the latter, which must be corrected, that is, eliminated.
Согласно практически установленным требованиям устройство управления вектором тяги должно обеспечивать отклонение вектора тяги от продольной оси двигателя на угол до 5-7° с дискретностью в 1°. Устройство должно позволять изменять и устанавливать вектор тяги двигателя в заданном азимутальном направлении с дискретностью изменения угла по азимуту не более 20°.According to practically established requirements, the thrust vector control device must provide a deviation of the thrust vector from the longitudinal axis of the engine by an angle of up to 5-7 ° with a resolution of 1 °. The device should allow you to change and set the thrust vector of the engine in a given azimuthal direction with a discreteness of the angle change in azimuth of not more than 20 °.
В статье «Управление направлением вектора тяги электроракетной двигательной установки при размещении двигателей по схеме «звезда»», авторы Обухов В.А., Покрышкин А.И. Яшина Н.В. // «Космонавтика и ракетостроение», 2008 г., №3, стр. 51-58, ЦНИИмаш 2008, описан метод управления движения центра масс КА с помощью электрореактивных двигателей, расположенных по схеме «звезда». Эта схема реализована из шести СПД, расположенных равномерно по окружности через 60° равномерно по радиусу.In the article "Control of the direction of the thrust vector of an electric rocket propulsion system when placing engines according to the" star "scheme", the authors Obukhov VA, Pokryshkin AI Yashina N.V. // "Cosmonautics and rocket science", 2008, No. 3, pp. 51-58, TsNIImash 2008, describes a method for controlling the motion of the center of mass of a spacecraft using electric propulsion engines arranged in a "star" pattern. This scheme is implemented from six SPDs arranged uniformly around the circumference through 60 ° uniformly along the radius.
Этот способ защищен RU 2309876, B64G 1/26, опубл. 10.11.2007. В этом патенте способ управления движением космического аппарата, заключающийся в управлении движением центра масс КА и в управлении угловой ориентацией КА в пространстве, включающий управляющее воздействие на космический аппарат посредством включения по крайней мере одного реактивного двигателя малой тяги (двигатели типа СПД-140 с двумя режимами работы) двигательной установки КА, создающего вектор тяги и управляющие моменты тяги относительно трех главных ортогональных осей инерции КА, управляющие воздействия создают с помощью двигателей малой тяги, располагаемых в общей установочной плоскости корпуса КА, ортогональной одной из его главных осей инерции, с угловым смещением α между близлежащими двигателями относительно главной оси инерции КА, ортогональной установочной плоскости двигателей, в секторах указанной плоскости, в которых не установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей, при этом величину α выбирают из условия (360°-β)/(N+1)≤β≤(360°-β)/(N-1), где N - количество двигателей малой тяги, которое выбирают из условия N≥5; β - суммарный центральный угол секторов установочной плоскости, в которых установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей малой тяги, причем для создания управляющего воздействия используют двигатели малой тяги с изменяемыми направлениями векторов тяги относительно установочной плоскости двигателей и изменяемыми направлениями векторов тяги в плоскости, совпадающей или параллельной установочной плоскости двигателей, и установленные так, что линии векторов тяг двигателей могут находиться в одной плоскости и пересекать главную ось инерции космического аппарата, ортогональную установочной плоскости двигателей.This method is protected by RU 2309876,
При этом используют двигатели малой тяги, каждый из которых выполнен с возможностью независимого поворота вектора тяги относительно ортогональных осей поворота во взаимно противоположных направлениях, а управляющее воздействие создают посредством одновременного включения двух или трех двигателей малой тяги, линии векторов тяг которых расположены на ближайшем расстоянии друг от друга, при условии, что направление управляющего воздействия находится между включаемыми двигателями. Управляющее воздействие создают при расположении векторов тяг двигателей в плоскости, пересекающей центр масс космического аппарата.In this case, thrust engines are used, each of which is capable of independently turning the thrust vector relative to the orthogonal rotation axes in mutually opposite directions, and the control action is created by simultaneously turning on two or three thrust engines, whose thrust vector lines are located at the nearest distance from friend, provided that the direction of the control action is between the starting engines. The control action is created when the thrust vectors of the engines are located in a plane intersecting the center of mass of the spacecraft.
Из этого же источника известно устройство управления движением КА, включающее в свой состав блок навигации, блок законов управления движением центра масс и угловой ориентацией КА в пространстве, двигательную установку, содержащую двигатели малой тяги, создающие векторы тяги и управляющие моменты тяги относительно трех главных ортогональных осей инерции КА, двигательная установка содержит по меньшей мере пять двигателей малой тяги, расположенных в общей установочной плоскости корпуса КА, ортогональной одной из его главных осей инерции, с угловым смещением между близлежащими двигателями относительно главной оси инерции космического аппарата, ортогональной установочной плоскости двигателей, в секторах указанной плоскости, в которых не установлено оборудование, препятствующее размещению двигателей, причем двигатели малой тяги выполнены с изменяемыми направлениями векторов тяги относительно установочной плоскости двигателей и изменяемыми направлениями векторов тяги в плоскости, совпадающей или параллельной установочной плоскости двигателей, и установлены так, что линии векторов тяг двигателей могут находиться в одной плоскости и пересекать главную ось инерции космического аппарата, ортогональную установочной плоскости двигателей.From the same source, a spacecraft motion control device is known that includes a navigation block, a block of laws of motion control for the center of mass and the spacecraft’s angular orientation in space, a propulsion system containing small thrust engines that create thrust vectors and thrust control moments relative to the three main orthogonal axes spacecraft inertia, the propulsion system contains at least five small thrust engines located in the common mounting plane of the spacecraft body, orthogonal to one of its main axes of inertia , with an angular displacement between adjacent engines relative to the main axis of inertia of the spacecraft, orthogonal to the installation plane of the engines, in sectors of the specified plane in which equipment preventing the placement of engines is not installed, and small-thrust engines are made with variable directions of the thrust vectors relative to the installation plane of the engines and variable the directions of the thrust vectors in the plane coinciding or parallel to the installation plane of the engines, and are set so that about the line of thrust vectors of the engines can be in the same plane and intersect the main axis of inertia of the spacecraft, orthogonal to the installation plane of the engines.
Каждый из двигателей малой тяги размещен в установочной плоскости корпуса КА на кардановом подвесе, обеспечивающем две степени свободы двигателя с целью изменения пространственного положения вектора тяги относительно двух взаимно ортогональных осей поворота. Приводы поворота двигателей малой тяги позволяют независимо от других двигателей осуществлять изменение направления вектора каждого двигателя относительно двух ортогональных осей поворота во взаимно противоположных направлениях.Each of the thrust engines is located in the installation plane of the spacecraft hull on a cardan suspension providing two degrees of freedom of the engine in order to change the spatial position of the thrust vector relative to two mutually orthogonal rotation axes. Rotation drives of small thrust engines allow, independently of other engines, to change the direction of the vector of each engine relative to two orthogonal rotation axes in mutually opposite directions.
Управляющее воздействие, приложенное к КА, создается посредством включения, по меньшей мере, одного двигателя малой тяги, входящего в состав двигательной установки. Выбранный двигатель малой тяги создает вектор тяги и/или управляющие моменты тяги относительно трех главных ортогональных осей инерции КА. Данная операция управлением движения КА возможна в случае совпадения направления управляющего воздействия, рассчитанного блоком законов управления центра масс и угловой ориентацией КА, с одним из дискретных направлений вектора тяги двигательной установки. В противном случае необходим предварительный разворот КА до совмещения направления управляющего воздействия с ближайшим дискретным направлением вектора тяги двигательной установки.The control action applied to the spacecraft is created by turning on at least one thruster, which is part of the propulsion system. The selected thrust engine creates a thrust vector and / or thrust control moments relative to the three main orthogonal spacecraft inertia axes. This operation by controlling the motion of the spacecraft is possible if the direction of the control action calculated by the block of laws of control of the center of mass and the angular orientation of the spacecraft coincides with one of the discrete directions of the thrust vector of the propulsion system. Otherwise, a preliminary rotation of the spacecraft is necessary to combine the direction of the control action with the nearest discrete direction of the thrust vector of the propulsion system.
Недостаток данного способа и реализующего его устройства заключается в сложности конструктивного исполнения, увеличенном количестве двигателей малой тяги, наличием алгоритмического комплекса для управлении угловой ориентацией КА в пространстве, включающем управляющее воздействие на КА посредством включения, по крайней мере, одного реактивного двигателя малой тяги двигательной установки КА, создающего вектор тяги и управляющие моменты тяги относительно трех главных ортогональных осей инерции КА.The disadvantage of this method and the device that implements it is the complexity of the design, the increased number of small thrust engines, the presence of an algorithmic complex for controlling the angular orientation of the spacecraft in space, including the control action on the spacecraft by turning on at least one small thrust jet engine of the spacecraft propulsion system creating a thrust vector and control thrust moments relative to the three main orthogonal spacecraft inertia axes.
В патентах WO 2015082729 (опубликовано 06.11.2015), SU 1839789 (статус патента на 07.12.2016 не определен) и RU 2445510 (опубликовано: 20.03.2012) устройство управления вектором тяги плазменного двигателя, характеризующееся тем, что содержит закрепляемые на корпусе плазменного двигателя в зоне за срезом его выходного канала, 1-4 магнитные катушки (генераторы магнитного поля) для отклонения от оси двигателя существующего за его срезом магнитного поля, созданного магнитными катушками двигателя. В патенте WO 2015082729 система отклонения вектора тяги (ОВТ) включает в себя расположенные на выходе из двигателя малой тяги, соосно с ним, три или более магнитные катушки, оси которых направлены под углом к оси двигателя. В патентах SU 1839789 и RU 2445510 оси магнитных катушек системы ОВТ направлены перпендикулярно оси двигателя. В этих патентах описан способ, включающий в себя выбор величины электрического тока в каждой из катушек так, чтобы отклонить от оси двигателя ось магнитного сопла на нужный угол.In patents WO 2015082729 (published on November 6, 2015), SU 1839789 (patent status not defined on December 7, 2016) and RU 2445510 (published: March 20, 2012) a thrust vector control device for a plasma engine, characterized in that it contains a plasma engine fixed to the housing in the zone beyond the slice of its output channel, 1-4 magnetic coils (magnetic field generators) for deviating from the motor axis existing behind its slice of the magnetic field created by the magnetic coils of the engine. In WO 2015082729, a thrust vector deflection (OBT) system includes three or more magnetic coils located at the exit of the thruster, coaxially with it, whose axes are angled to the axis of the engine. In patents SU 1839789 and RU 2445510, the axes of the magnetic coils of the OBT system are directed perpendicular to the axis of the engine. These patents describe a method that includes selecting the magnitude of the electric current in each of the coils so as to deviate the axis of the magnetic nozzle from the motor axis by the desired angle.
Решение RU 2445510 выбрано в качестве прототипа для заявленных объектов.Solution RU 2445510 is selected as a prototype for the claimed objects.
Недостаток известных устройств, в частности устройства патента RU 2445510, заключается в том, что магнитное поле катушек ОВТ отклоняет ось магнитного поля двигателя. Нарушение конфигурации (осевой симметрии) магнитного поля сопла (или разрядной камеры) двигателя всегда сопровождается снижением кпд двигателя и увеличением скорости распыления сопла (или разрядной камеры) ускоренными ионами, так как в этом случае ускоряющее ионы электрическое поле тоже отклоняется от оси и поток ионов на стенку увеличивается. Экспериментальная проверка эффективности системы ОВТ, предложенной в указанных патентах для СПД, показала, что с помощью этих устройств можно отклонить вектор тяги на угол до 3,5° (для устройства, описанного в патенте WO 2015082729) и на угол 1°-2° для устройств, описанных в патентах RU 2445510 и SU 1839789). Таким образом, с помощью известных устройств отклонить вектор тяги в СПД на требуемый угол 5° не удается.A disadvantage of the known devices, in particular the device of patent RU 2445510, lies in the fact that the magnetic field of the OBT coils deflects the axis of the magnetic field of the engine. Violation of the configuration (axial symmetry) of the magnetic field of the nozzle (or discharge chamber) of the engine is always accompanied by a decrease in the efficiency of the engine and an increase in the spraying speed of the nozzle (or discharge chamber) by accelerated ions, since in this case the ion-accelerating electric field also deviates from the axis and the ion flux the wall is increasing. An experimental verification of the effectiveness of the OVT system proposed in the indicated patents for SPDs showed that with these devices it is possible to deflect the thrust vector by an angle of up to 3.5 ° (for the device described in WO 2015082729) and by an angle of 1 ° -2 ° for devices described in patents RU 2445510 and SU 1839789). Thus, using known devices, it is not possible to deflect the thrust vector in the SPD by the required angle of 5 °.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в изменении конструкции магнитных катушек устройства ОВТ, обеспечивающей отклонение вектора плазменного потока в СПД на требуемый угол, и упрощении способа достижения этого отклонения.The present invention is aimed at achieving a technical result, which consists in changing the design of the magnetic coils of the OVT device, providing a deviation of the plasma flow vector in the SPD by the required angle, and simplifying the method of achieving this deviation.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве управления вектором тяги магнитные катушки, закрепляемые на корпусе плазменного двигателя в зоне за срезом его выходного канала, выполнены в виде двух прямоугольной формы рамочных магнитных катушек, расположенных открытыми частями рамок напротив друг друга симметрично относительно продольной оси двигателя параллельно друг другу или под небольшим углом друг к другу.The specified technical result is achieved by the fact that in the thrust vector control device, the magnetic coils mounted on the plasma engine body in the area beyond the cut of its output channel are made in the form of two rectangular-shaped frame magnetic coils located open parts of the frames opposite each other symmetrically relative to the longitudinal axis of the engine parallel to each other or at a slight angle to each other.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве управления вектором тяги магнитные катушки, закрепляемые на корпусе плазменного двигателя в зоне за срезом его выходного канала, выполнены в виде первых двух прямоугольной формы рамочных магнитных катушек, расположенных открытыми частями рамок напротив друг друга, симметрично относительно продольной оси двигателя, параллельно друг другу или под небольшим углом друг к другу, и вторых двух прямоугольной формы рамочных магнитных катушек, расположенных открытыми частями рамок напротив друг друга, симметрично относительно продольной оси двигателя, и параллельно друг другу или под небольшим углом друг к другу, первая пара рамочных магнитных катушек размещена перпендикулярно рамочным магнитным катушками второй пары и все магнитные катушки расположены на одинаковом расстоянии от продольной оси, плазменного двигателя.The specified technical result is achieved by the fact that in the thrust vector control device, the magnetic coils mounted on the plasma engine body in the area beyond the cut of its output channel are made in the form of the first two rectangular-shaped frame magnetic coils located open parts of the frames opposite each other, symmetrically relative to the longitudinal the axis of the engine parallel to each other or at a slight angle to each other, and the second two rectangular-shaped frame magnetic coils located open parts p In contrast to each other, symmetrically relative to the longitudinal axis of the engine, and parallel to each other or at a slight angle to each other, the first pair of frame magnetic coils is placed perpendicular to the frame magnetic coils of the second pair and all magnetic coils are located at the same distance from the longitudinal axis of the plasma engine.
Указанный технический результат так же достигается тем, что способ управления вектором тяги плазменного двигателя заключается в том, что изменение вектора плазменного потока двигателя в направлении, перпендикулярном вектору плазменного потока, осуществляют путем формирования за срезом плазменного двигателя однородного по объему плазменной потока магнитного поля, направленного поперек вектора плазменного потока плазменного двигателя.The specified technical result is also achieved by the fact that the method of controlling the thrust vector of the plasma engine is that the change in the vector of the plasma flow of the engine in the direction perpendicular to the plasma flow vector is carried out by forming a transverse magnetic field uniform across the volume of the plasma stream, directed across vector plasma flow plasma engine.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.The present invention is illustrated by specific examples of execution, which, however, are not the only possible, but clearly demonstrate the ability to achieve the desired technical result.
На фиг. 1 - СПД (1) с расположением малых парных магнитных катушек (2) относительно двигателя, первый пример расположения, ось парных магнитных катушек перпендикулярна направлению потока плазмы вдоль центральной оси СПД, как в патенте RU2445510;In FIG. 1 - SPD (1) with the location of the small pair of magnetic coils (2) relative to the engine, the first example of the location, the axis of the pair of magnetic coils is perpendicular to the direction of plasma flow along the central axis of the SPD, as in patent RU2445510;
фиг. 2 - СПД (1) с расположением малых парных магнитных катушек (2) относительно двигателя, второй пример расположения, оси парных магнитных катушек параллельны направлению потока плазмы вдоль центральной оси СПД;FIG. 2 - SPD (1) with the location of the small paired magnetic coils (2) relative to the engine, the second example of the location, the axis of the paired magnetic coils are parallel to the direction of plasma flow along the central axis of the SPD;
фиг. 3 - СПД (1) с одной большой катушкой (4), плоскость которой ориентирована под углом 30° относительно центральной оси СПД, как в патенте WO2015082729;FIG. 3 - SPD (1) with one large coil (4), the plane of which is oriented at an angle of 30 ° relative to the central axis of the SPD, as in patent WO2015082729;
фиг. 4 - показана конфигурация силовых линий магнитного поля источника α-100М1, соответствующая выходящему плазменному потоку в форме конуса из СПД (без катушек);FIG. 4 - shows the configuration of the magnetic field lines of the magnetic field of the source α-100M1, corresponding to the outgoing plasma stream in the form of a cone from SPD (without coils);
фиг. 5 представлена конфигурация силовых линий результирующего магнитного поля источника α-100.М1 и большой катушки, расположенной на расстоянии 1,5 см от среза источника;FIG. 5 shows the configuration of the lines of force of the resulting magnetic field of the source α-100.M1 and a large coil located at a distance of 1.5 cm from the source cut;
фиг. 6 - представлена конфигурация силовых линий результирующего магнитного поля источника α-100.М1 и большой катушки, расположенной на расстоянии 1,5 см от среза источника, при изменении направления тока в ней на обратное;FIG. 6 - the configuration of the lines of force of the resulting magnetic field of the source α-100.M1 and a large coil located at a distance of 1.5 cm from the cut of the source, when the direction of the current in it is reversed;
фиг. 7 - график, демонстрирующий экспериментально полученный сдвиг профилей ионного тока струи двигателя с различным направлением тока в парных магнитных катушках,FIG. 7 is a graph showing the experimentally obtained shift of the ion current profiles of an engine jet with different current directions in paired magnetic coils,
фиг. 8 - показано движение положительно заряженного иона в области однородного магнитного поля, протяженностью l;FIG. 8 - shows the movement of a positively charged ion in the region of a uniform magnetic field, length l;
фиг. 9 - схема расположения двойной параллельной прямоугольной отклоняющей системы относительно СПД (две параллельные катушки (5) отклонения вектора тяги по оси Y), а также расположение прямоугольных катушек (7) под небольшим углом 2β друг к другу;FIG. 9 - arrangement of a double parallel rectangular deflecting system relative to the SPD (two parallel coils (5) of the thrust vector deviation along the Y axis), as well as the arrangement of rectangular coils (7) at a small angle 2β to each other;
фиг. 10 - схема расположения четырех отклоняющих магнитных катушек относительно СПД (две параллельные катушки отклонения вектора тяги по оси Y (5) и две параллельные катушки отклонения вектора тяги по оси X (6).FIG. 10 is a diagram of the arrangement of four deflecting magnetic coils with respect to the SPD (two parallel coils of the thrust vector deflection along the Y axis (5) and two parallel coils of the thrust vector deflection along the X axis (6).
Согласно настоящему изобретению рассматривается конструкция устройства, обеспечивающего магнитное отклонение вектора тяги СПД (для экспериментов использовалась модель СПД α-100.М1) за счет создания дополнительного магнитного поля, взаимодействующего с собственным магнитным полем СПД (у его среза).According to the present invention, the design of a device providing a magnetic deflection of the SPD thrust vector is considered (for the experiments, the SPD model α-100.M1 was used) by creating an additional magnetic field interacting with the SPD's own magnetic field (at its cut).
Для данной серии экспериментов использовался следующий метод измерения угла поворота вектора тяги. Расчет угла поворота вектора тяги проводился по полученным профилям ионного тока на цилиндрический зонд диаметром 1 мм, установленным на координатном устройстве на некотором расстоянии за срезом двигателя. Передвижение зонда осуществлялось в плоскости, перпендикулярной центральной оси двигателя. Определялась координата смещения центра тяжести профиля ионного потока струи модели с включенной магнитной отклоняющей системой и без нее. Затем рассчитывался угол отклонения струи с учетом расстояния зонда от среза модели.For this series of experiments, the following method was used to measure the angle of rotation of the thrust vector. The calculation of the angle of rotation of the thrust vector was carried out according to the obtained ion current profiles on a cylindrical probe with a diameter of 1 mm mounted on a coordinate device at a certain distance beyond the cut of the motor. The probe was moved in a plane perpendicular to the central axis of the engine. The coordinate of the displacement of the center of gravity of the ion stream profile of the model jet with and without a magnetic deflecting system was determined. Then, the jet deflection angle was calculated taking into account the distance of the probe from the cut of the model.
Серия опытов для получения подтверждения возможности обеспечения магнитного отклонения вектора тяги СПД 1 (в исполнении, описанном в RU 152775 и 2527898, модель СПД α-100.М1) проводилась с использованием двух малых парных катушек 2, закрепляемых на корпусе СПД у выходного канала 3 двигателя.A series of experiments to obtain confirmation of the possibility of ensuring magnetic deflection of the SPD 1 thrust vector (in the design described in RU 152775 and 2527898, model SPD α-100.M1) was carried out using two
При экспериментах на наружном внешнем магнитном полюсе СПД располагались дополнительные магнитные катушки 2, создающие локальную асимметрию в выходной области плазменного потока (фиг. 1 и 2). Короткие катушки 2 устанавливались парами и располагались под углом 180° относительно друг друга, в плоскости, перпендикулярной центральной оси двигателя. Расположение и конструкция магнитных катушек полностью соответствовали патенту RU 2445510. На фиг. 1 продольные оси малых катушек соосны, а на фиг. 2 продольные оси малых катушек расположены параллельно друг другу и продольной оси СПД.In experiments at the external external magnetic pole of the SPD, additional
С помощью зонда, размещенного на координатном устройстве, были получены профили ионного тока в сечении z=20 и z=32 см от среза модели двигателя. Перемещение зонда осуществлялось в горизонтальной плоскости, в которой и располагались катушки при проведении эксперимента. Профиль ионного тока, измеренный в номинальном режиме двигателя (ток катушек Ik=0A), сравнивался с профилем, полученным при различных токах в дополнительных коротких катушках (Ik = ±5А, ±10А). Магнитная индукция одной короткой катушки составила 1.7*10-2 Тл для тока 10А и 0.85*10-2 Тл для тока 5А, измеренная по центру с боку катушки (для случая расположения катушек по фиг. 2). Магнитная индукция катушки, измеренная по оси, в торце ее составила 3.2*10-2 Тл для тока 10А и 1.7*10-2 Тл при токе 5А (для случая расположения катушек по фиг. 1). Эксперименты с использованием малых парных катушек позволили установить возможность реализации магнитного отклонения вектора тяги СПД за счет создания дополнительного магнитного поля, взаимодействующего с собственным магнитным полем СПД (у его среза). Но расчет угла поворота вектора тяги показал его незначительную величину в пределах 1-2 градусов, не зависящую от направления тока в катушках, при этом отклонение плазменного потока происходило только в одном направлении.Using a probe placed on a coordinate device, ion current profiles were obtained in cross sections z = 20 and z = 32 cm from the cut of the engine model. The probe was moved in the horizontal plane, in which the coils were located during the experiment. The ion current profile measured in the nominal motor mode (coil current I k = 0A) was compared with the profile obtained at different currents in additional short coils (I k = ± 5A, ± 10A). The magnetic induction of one short coil was 1.7 * 10 -2 T for a current of 10A and 0.85 * 10 -2 T for a current of 5A, measured in the center from the side of the coil (for the case of the arrangement of the coils in Fig. 2). The magnetic induction of the coil, measured along the axis, at its end was 3.2 * 10 -2 T for a current of 10A and 1.7 * 10 -2 T at a current of 5A (for the case of the location of the coils in Fig. 1). The experiments using small paired coils made it possible to establish the possibility of realizing the magnetic deflection of the SPD thrust vector by creating an additional magnetic field interacting with the SPD's own magnetic field (near its slice). But the calculation of the angle of rotation of the thrust vector showed its insignificant value within 1-2 degrees, independent of the direction of the current in the coils, while the deviation of the plasma flow occurred in only one direction.
Для более эффективного отклонения плазменной струи двигателя СПД были проведены эксперименты с использованием кольцевой одиночной катушки 4 (фиг. 3). Расположение и конструкция магнитной катушки полностью соответствовала патенту WO 2015082729. Геометрические размеры катушки рассчитаны из условия минимального веса и создания достаточной величины магнитного поля. Так при внутреннем диаметре одиночной катушки 107 мм, ширине 10 мм и высоте 16 мм в катушке было намотано 80 витков. Плоскость катушки ориентировалась под углом 30 относительно центральной оси СПД.To more effectively deflect the plasma jet of the SPD engine, experiments were carried out using a single ring coil 4 (Fig. 3). The location and design of the magnetic coil is fully consistent with the patent WO 2015082729. The geometric dimensions of the coil are calculated from the condition of minimum weight and the creation of a sufficient magnitude of the magnetic field. So with an internal diameter of a single coil of 107 mm, a width of 10 mm and a height of 16 mm, 80 turns were wound in the coil. The plane of the coil was oriented at an angle of 30 relative to the central axis of the SPD.
Силовые линии магнитного поля двигателя модели СПД α-100.M1 без включенной дополнительной катушки изображены на фиг. 4. При включении такой магнитной катушки 4 вблизи среза модели двигателя по выходному его каналу возникало перераспределение магнитного поля двигателя и катушки (фиг. 5 и 6). На фиг. 5 показана конфигурация силовых линий результирующего магнитного поля источника СПД α-100.М1 и катушки 4, расположенной на расстоянии 1,5 см от среза источника (у выходного канала СПД). На фиг. 6 представлена конфигурация силовых линий результирующего магнитного поля источника СПД α-100.М1 и катушки 4, расположенной на расстоянии 1,5 см от среза источника, при изменении направления тока в катушке 4 на обратное.The magnetic field lines of the engine of the SPD model α-100.M1 without the auxiliary coil turned on are shown in FIG. 4. When such a
В результате проведенных экспериментов получено отклонение вектора тяги СПД в пределах 1-3°. Меняя полярность включения кольцевой катушки 4 и, подбирая токи в ней, получали оптимальную величину магнитного поля. В этой серии экспериментов удалось изменять вектор тяги с шагом в (1±0,25)° в пределах до 3,5° (фиг. 7).As a result of the experiments, a deviation of the SPD thrust vector was obtained within 1-3 °. By changing the polarity of the inclusion of the
При этом наблюдалось незначительное воздействие на режим работы СПД. При удаленном расположении данной катушки 4 от двигателя - (ближний край катушки z=5 см) взаимное влияние уменьшалось, но и величина отклонения вектора тяги также уменьшалась до значения ~2°. Токи в катушках - как входные параметры изменялись в диапазоне от - 6 А до + 6 А. Максимальное отклонение вектора тяги соответствует максимальному току в катушке 4. Приведенные на графике по фиг. 7 профили кривых получены зондом на расстоянии z=20 см от среза модели (от выходного канала СПД). Таким образом экспериментально показано, что эффективность устройств ОВТ, предложенных в патентах WO 2015082729 и RU 2445510, недостаточна для отклонения вектора тяги двигателя на требуемый угол 5-7 градусов.At the same time, there was a slight effect on the operation mode of the SPD. With the remote location of this
Простейшим магнитным полем, отклоняющим заряженные частицы на заданный угол, является область однородного магнитного поля. Для проведения предварительных оценок получим формулу для угла отклонения заряженной частицы в этом случае. Пусть положительно заряженный ион, несущий заряд q и имеющий массу m, влетает с начальной скоростью в область однородного магнитного поля, протяженностью l, перпендикулярно вектору магнитной индукции (фиг. 8). Находясь в магнитном поле, ион движется по окружности радиуса R, так что за время движения в магнитном поле он описывает дугу окружности, опирающуюся на центральный угол α. Поскольку вектор скорости направлен по касательной к траектории движения иона и перпендикулярен к радиусу окружности, то вектор скорости также испытывает поворот на угол α. В силу квазинейтральности плазмы малоинерционные электроны будут «увлекаться» массивными ионами, обеспечивая тем самым поворот на заданный угол всего плазменного потока. Задавая угол отклонения α и исходя из необходимых значений длины области, можно получить оценку для величины магнитного поля. Многочисленные эксперименты и наблюдения показывают, что выходящий из источника плазменный поток является наиболее сформированным на расстоянии одного-двух калибров от источника.The simplest magnetic field deflecting charged particles by a given angle is the region of a uniform magnetic field. For preliminary estimates, we obtain a formula for the deflection angle of a charged particle in this case. Let a positively charged ion carrying a charge q and having mass m fly at an initial velocity in the region of a uniform magnetic field of length l, perpendicular to the magnetic induction vector (Fig. 8). Being in a magnetic field, the ion moves along a circle of radius R, so that during the movement in a magnetic field it describes an arc of a circle based on the central angle α. Since the velocity vector is directed tangent to the ion trajectory and is perpendicular to the radius of the circle, the velocity vector also experiences a rotation through the angle α. Due to the quasineutrality of the plasma, low-inertia electrons will be "carried away" by massive ions, thereby ensuring rotation of the entire plasma flow by a given angle. By setting the deflection angle α and proceeding from the necessary values of the length of the region, one can obtain an estimate for the magnitude of the magnetic field. Numerous experiments and observations show that the plasma stream emerging from the source is most formed at a distance of one or two calibers from the source.
Рассмотрение различных систем катушек с током показывает, что простейшей конфигурацией, создающей область заданных размеров, в которой можно обеспечить однородность магнитного поля в пределах заданных отклонений и по которой может свободно распространяться выходящий из источника плазменный поток, является совокупность как минимум двух прямоугольных катушек 5, расположенных в параллельных плоскостях. Такое устройство показано на фиг. 9. Располагая эти катушки 5 в горизонтальных плоскостях, параллельных плоскости Z-Y, симметрично по отношению к оси плазменного источника, можно создать необходимую вертикальную (по оси X) составляющую магнитного поля, обеспечивающую поворот плазменного потока вправо или влево (по оси Y) от оси источника (Z) в зависимости от направления тока в этих катушках. То же самое явление происходит при расположении катушек 5 в вертикальных плоскостях симметрично по отношению к оси плазменного источника, в этом случае можно создать необходимую горизонтальную составляющую магнитного поля, обеспечивающую поворот плазменного потока вверх или вниз от оси источника в зависимости от направления тока в этих катушках.An examination of various systems of current coils shows that the simplest configuration that creates a region of a given size in which uniformity of the magnetic field can be ensured within a given deviation and through which a plasma stream exiting the source can freely propagate is a combination of at least two
Предварительные расчеты были выполнены с катушками различных размеров в приближении, когда ширина намотки мала по сравнению с их геометрическими размерами (то есть в приближении тонких катушек). Выбор размеров системы из таких катушек соответствовал выходящему из источника СПД α-100.M1 плазменному потоку. Длина рамки составила 14 см, ширина рамки - 11 см, расстояние между плоскостями рамок - 11 см. Возникающее между рамками магнитное поле имеет в центральном сечении область длиной 5 см, на протяжении которой неоднородность поля лежит в пределах 2,5% (достигая максимума в срединном сечении рамок). На границе рамок поле спадает примерно в два раза, и убывает на порядок уже на 2 см от края рамок за их пределами.Preliminary calculations were performed with coils of various sizes in the approximation when the width of the winding is small compared to their geometric dimensions (i.e., in the approximation of thin coils). The choice of system sizes from such coils corresponded to the plasma flow exiting the α-100.M1 SPD source. The length of the frame was 14 cm, the width of the frame was 11 cm, the distance between the planes of the frames was 11 cm. The magnetic field arising between the frames has a
Исходя из проведенных оценок и расчетов, для проведения испытаний были намотаны две прямоугольной формы рамочные катушки, имеющие по 200 витков проволоки каждая (в несколько слоев). Катушки располагались под небольшим углом 2β друг к другу и к горизонту, симметрично по отношению к выходящему из источника плазменному потоку. Такое расположение магнитных катушек уменьшает перехват ускоренных ионов конструкцией катушек, так как плазменный поток, выходящий из двигателя, слабо расходится от оси. Направление вектора тяги определялось по профилю ионного тока на зонд. Зонд располагался на координатном устройстве и перемещался перпендикулярно оси закрепленного двигателя. Измерения проводились на разных расстояниях от среза двигателя (Z=32 см и Z=40 см от среза модели). При использовании дополнительного магнитного поля для поворота вектора тяги измерялась зависимость угла поворота от величины тока в магнитных катушках, создающего это поле. В результате создания устройства управления вектором тяги с помощью магнитного поля был получен угол отклонения вектора тяги ±5° с шагом в 1°.Based on the assessments and calculations, two rectangular-shaped frame coils having 200 turns of wire each (in several layers) were wound for testing. The coils were located at a small angle of 2β to each other and to the horizon, symmetrically with respect to the plasma stream emerging from the source. Such an arrangement of magnetic coils reduces the interception of accelerated ions by the design of the coils, since the plasma flow exiting the engine diverges slightly from the axis. The direction of the thrust vector was determined by the profile of the ion current to the probe. The probe was located on the coordinate device and moved perpendicular to the axis of the fixed engine. The measurements were carried out at different distances from the cut of the engine (Z = 32 cm and Z = 40 cm from the cut of the model). When using an additional magnetic field to rotate the thrust vector, we measured the dependence of the angle of rotation on the magnitude of the current in the magnetic coils creating this field. As a result of creating a thrust vector control device using a magnetic field, a thrust vector deflection angle of ± 5 ° was obtained in increments of 1 °.
При использовании способа управления вектором тяги плазменного двигателя путем формирования за срезом плазменного двигателя однородного по объему плазменной потока магнитного поля, созданного за счет использования двойной прямоугольной катушки и направленного поперек вектора плазменного потока плазменного двигателя,When using the method of controlling the thrust vector of a plasma engine by forming a magnetic field with a uniform volume of the plasma stream behind the plasma engine cut-off, created by using a double rectangular coil and directed across the plasma stream vector of the plasma engine,
можно отметить:you can note:
1. Было экспериментально определено направление силовых линий магнитного поля в такой системе катушек и показано, что отклонение плазменной струи двигателя при заданном направлении магнитного поля соответствует отклонению положительно заряженных ионов ксенона. При смене полярности магнитного поля отклонение плазменной струи меняется на противоположное. Зависимость угла поворота плазменной струи от величины магнитного поля близка к линейной.1. The direction of the magnetic field lines in such a system of coils was experimentally determined and it was shown that the deviation of the plasma jet of the engine for a given direction of the magnetic field corresponds to the deviation of positively charged xenon ions. With a change in the polarity of the magnetic field, the deviation of the plasma jet is reversed. The dependence of the angle of rotation of the plasma jet on the magnitude of the magnetic field is close to linear.
2. Обнаружено незначительное влияние на режим работы модели при проведении экспериментов по повороту вектора тяги СПД.2. A slight effect on the mode of operation of the model was found during experiments on rotation of the SPD thrust vector.
Как вариант, возможно оснащение СПД одновременно и горизонтально и вертикально размещаемыми парами прямоугольной формы рамочными катушками 5 и 6, как это показано на фиг. 10. В этом случае система катушек сформирована из катушек 5, расположенных в горизонтальных плоскостях симметрично по отношению к оси плазменного источника (создается вертикальная составляющая магнитного поля, обеспечивающая поворот плазменного потока вправо или влево от оси источника в зависимости от направления тока в этих катушках), и из катушек 6, расположенных в вертикальных плоскостях симметрично по отношению к оси плазменного источника (в этом случае можно создать необходимую горизонтальную составляющую магнитного поля, обеспечивающую поворот плазменного потока вверх или вниз от оси источника в зависимости от направления тока в этих катушках). Одновременное включение двух пар магнитных катушек позволяет отклонять вектор тяги в любом направлении по азимуту от оси СПД.Alternatively, it is possible to equip the SPD with both horizontally and vertically placed rectangular pairs of
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015150774A RU2644810C2 (en) | 2015-11-27 | 2015-11-27 | Device for vector control of plasma engine strip (options) and method of vector control of plasma engine strip |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015150774A RU2644810C2 (en) | 2015-11-27 | 2015-11-27 | Device for vector control of plasma engine strip (options) and method of vector control of plasma engine strip |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015150774A RU2015150774A (en) | 2017-06-01 |
RU2644810C2 true RU2644810C2 (en) | 2018-02-14 |
Family
ID=59031478
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015150774A RU2644810C2 (en) | 2015-11-27 | 2015-11-27 | Device for vector control of plasma engine strip (options) and method of vector control of plasma engine strip |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2644810C2 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1839789A1 (en) * | 1963-02-04 | 2005-03-27 | Институт общей физики им. А.М.Прохорова | THE DEVICE OF MANAGEMENT OF THE FLIGHT OF THE ROCKET WITH THE PLASMA ENGINE |
US7256678B2 (en) * | 2000-05-24 | 2007-08-14 | Magtech As | Magnetically controlled inductive device |
RU2445510C2 (en) * | 2004-09-22 | 2012-03-20 | Элвинг Ллс | Low-thrust rocket engine for space vehicle |
US8468794B1 (en) * | 2010-01-15 | 2013-06-25 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration | Electric propulsion apparatus |
US9024487B1 (en) * | 2011-11-20 | 2015-05-05 | Eagle Eye Research, Inc. | Levitation with switchable inductive element and associated systems, devices, and methods |
WO2015082739A1 (en) * | 2013-12-05 | 2015-06-11 | Universidad Politécnica de Madrid | Thrust vectoring system and method for space plasma thrusters |
-
2015
- 2015-11-27 RU RU2015150774A patent/RU2644810C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1839789A1 (en) * | 1963-02-04 | 2005-03-27 | Институт общей физики им. А.М.Прохорова | THE DEVICE OF MANAGEMENT OF THE FLIGHT OF THE ROCKET WITH THE PLASMA ENGINE |
US7256678B2 (en) * | 2000-05-24 | 2007-08-14 | Magtech As | Magnetically controlled inductive device |
RU2445510C2 (en) * | 2004-09-22 | 2012-03-20 | Элвинг Ллс | Low-thrust rocket engine for space vehicle |
US8468794B1 (en) * | 2010-01-15 | 2013-06-25 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration | Electric propulsion apparatus |
US9024487B1 (en) * | 2011-11-20 | 2015-05-05 | Eagle Eye Research, Inc. | Levitation with switchable inductive element and associated systems, devices, and methods |
WO2015082739A1 (en) * | 2013-12-05 | 2015-06-11 | Universidad Politécnica de Madrid | Thrust vectoring system and method for space plasma thrusters |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015150774A (en) | 2017-06-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6045607B2 (en) | Hall effect thruster | |
US7294969B2 (en) | Two-stage hall effect plasma accelerator including plasma source driven by high-frequency discharge | |
RU2620880C2 (en) | Engine on the hall effect | |
US9897079B2 (en) | External discharge hall thruster | |
WO2013019667A1 (en) | Ion focusing in a hall effect thruster | |
JP6364141B1 (en) | Convergent electromagnet and charged particle beam irradiation apparatus | |
US20130213797A1 (en) | Rotation Plus Vibration Magnet for Magnetron Sputtering Apparatus | |
CN111140447A (en) | Vector magnetic nozzle for electric propulsion comprising a bypass electromagnetic coil | |
US10436183B2 (en) | Plasma accelerating apparatus and plasma accelerating method | |
RU2644810C2 (en) | Device for vector control of plasma engine strip (options) and method of vector control of plasma engine strip | |
ES2540167B2 (en) | SYSTEM WITHOUT MOBILE OR ELECTRODE PARTS AND PROCEDURE TO VECTORIZE THE PUSHING IN PLASMA SPACE ENGINES | |
RU2527798C2 (en) | Jet engine thrust vector control device | |
RU2088802C1 (en) | Hall motor | |
KR20210070159A (en) | Magnetic drive device | |
RU2504683C1 (en) | Method of control over aircraft jet thrust vector | |
WO2016178701A1 (en) | Thrust augmentation systems | |
Gondol et al. | Development and characterization of a miniature hall-effect thruster using permanent magnets | |
RU2527898C1 (en) | Low-output stationary plasma engine | |
RU2578551C2 (en) | Cyclotron plasma engine | |
RU2517004C2 (en) | Cyclotron plasma engine | |
TWI570762B (en) | Ion irradiation apparatus and the method of ion irradiation | |
EP2458949B1 (en) | Magnetic field control apparatus | |
US20090273284A1 (en) | Radial hall effect ion injector with a split solenoid field | |
EP3232056B1 (en) | Discharge chamber for an ion drive and ion drive having a discharge chamber | |
Nakamura et al. | Probe measurement of plasma plume on electrodeless helicon plasma thruster using Lissajous acceleration |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
HZ9A | Changing address for correspondence with an applicant | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201128 |