RU2704523C1 - Device for creation of adjustable thrust force in electric ion engine - Google Patents

Device for creation of adjustable thrust force in electric ion engine Download PDF

Info

Publication number
RU2704523C1
RU2704523C1 RU2018141710A RU2018141710A RU2704523C1 RU 2704523 C1 RU2704523 C1 RU 2704523C1 RU 2018141710 A RU2018141710 A RU 2018141710A RU 2018141710 A RU2018141710 A RU 2018141710A RU 2704523 C1 RU2704523 C1 RU 2704523C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
input
output
additional
electrodes
Prior art date
Application number
RU2018141710A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владислав Алексеевич Царев
Александр Александрович Скрипкин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.)
Priority to RU2018141710A priority Critical patent/RU2704523C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2704523C1 publication Critical patent/RU2704523C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

FIELD: rocket equipment.
SUBSTANCE: invention relates to rocket engineering, in particular to electric ion engines equipped with thrust control device due to additional acceleration of ions in high-frequency field. Device for creation of controlled thrust force in electric ion engine comprises gas-discharge chamber, ending with screen electrode, multibeam ion-optical system (IOS) consisting of a series of flat electrodes with spaced apart holes connected in series with gaps and connected to sources of constant accelerating and braking voltage, high-frequency oscillation generator having two high-frequency communication lines. One of the lines (input) includes an input attenuator and is connected by means of an input turn of communication to the input parallel resonant circuit tuned to the operating frequency of the generator F0 and connected to accelerating and input control electrodes of multibeam IOS installed in input section of device. Second (output) high-frequency line includes phase shifter and is connected by means of output communication turn with output parallel resonant circuit, also tuned to operating frequency of generator F0 and connected to output control electrode installed in device output section immediately before slowing electrode. Introduced are additional alternating, control and focusing electrodes with drift holes symmetrically separated from each other by screening electrodes; wherein additional control electrodes located in the input section of the device are connected to two additional parallel oscillatory circuits.
EFFECT: using invention provides higher and smoothly controlled speed of ion stream, providing increase in traction force and its adjustment in wide range, and increased durability of the device due to reduced erosion and probability of destruction of electrodes of the ion-optical system (IOS).
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к ракетной технике, в частности к электрическим ионным двигателям.The invention relates to rocket technology, in particular to electric ion engines.

Известно устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ракетном двигателе (патент на изобретение US №4838021, МПК: F03H 1/00), содержащее ионизационную камеру и ионно-оптическую систему с двумя электродами (экранный и ускоряющий), между которыми прикладывают постоянную ускоряющую разность потенциалов. Модуляцию тока многолучевого ионного потока осуществляют за счет импульсной модуляции тока разряда в ионизационной камере.A device is known for creating an adjustable traction force in an electric rocket engine (US patent No. 4838021, IPC: F03H 1/00), comprising an ionization chamber and an ion-optical system with two electrodes (screen and accelerating), between which a constant accelerating difference is applied potentials. The modulation of the multipath ion current is carried out by pulse modulation of the discharge current in the ionization chamber.

Однако для реализации этого устройства необходим громоздкий накопитель электрической энергии (обычно это конденсаторная батарея большой емкости), а также сложный блок коммутации для возбуждения импульсного разряда, включающий в себя микроконтроллер.However, the implementation of this device requires a bulky electric energy storage device (usually a large capacitor bank), as well as a complex switching unit for exciting a pulse discharge, which includes a microcontroller.

Известно также устройство для ускорения космического аппарата потоком заряженных частиц (патент на изобретение RU №2104411, МПК: F03H 1/00, B64G 1/40), содержащее плазменный источник (ионизатор) и многолучевую ионно-оптическую систему, имеющую три электрода последовательно расположенных на удалении друг от друга, причем первый электрод (экранный) является торцевой стенкой ионизатора и заряжен положительно. Второй, отрицательно заряженный электрод, служит для ускорения ионного потока. Для улучшения структуры ионного потока после ускоряющего электрода установлен третий замедляющий электрод, подтормаживающий наиболее быстрые ионы. Формирование многолучевого потока осуществляется за счет того, что в электродах ионно-оптической системы выполнена совокупность отдельных продольных каналов для пролета индивидуальных ионных пучков, а центры каналов и соответствующие этим каналам центры фокусирующих поверхностей, выполненных на внешней стороне экранного электрода, расположены на более чем одной концентрических окружностях относительно оси двигателя.There is also known a device for accelerating a spacecraft with a stream of charged particles (patent for invention RU No. 2104411, IPC: F03H 1/00, B64G 1/40) containing a plasma source (ionizer) and a multi-beam ion-optical system having three electrodes in series on away from each other, and the first electrode (screen) is the end wall of the ionizer and is positively charged. The second, negatively charged electrode, serves to accelerate the ion flow. To improve the structure of the ion flux, after the accelerating electrode, a third slowing electrode is installed, which slows down the fastest ions. The multipath flow is formed due to the fact that the electrodes of the ion-optical system have a set of separate longitudinal channels for the passage of individual ion beams, and the channel centers and the centers of the focusing surfaces on the outside of the screen electrode corresponding to these channels are located on more than one concentric circles relative to the axis of the engine.

Недостатком этого устройства является то, что для достижения высокой скорости ионного потока в ускоряющей системе между экранным и ускоряющим электродами необходимо поддерживать высокое ускоряющее напряжение (10…50 kV), что сопряжено с опасностью электрического пробоя в разделяющих электроды изоляционных элементах или непосредственно в рабочем промежутке. Кроме того, попадание ионов на стенки пролетных каналов может вызвать разрушение электродов реактивного ионного двигателя.The disadvantage of this device is that in order to achieve a high speed of the ion flux in the accelerating system between the screen and accelerating electrodes, it is necessary to maintain a high accelerating voltage (10 ... 50 kV), which is associated with the danger of electrical breakdown in the insulating elements separating the electrodes or directly in the working gap. In addition, the ingress of ions on the walls of the passage channels can cause destruction of the electrodes of the jet ion engine.

Для устранения этого недостатка в патенте US №6318069 «Ion thruster having grids made of oriented pyrolytic graphite» предложено выполнять сетки трехэлектродного ионного двигателя из пиролитического графита.To eliminate this drawback in US patent No. 6318069 "Ion thruster having grids made of oriented pyrolytic graphite" it is proposed to make a grid of a three-electrode ion engine of pyrolytic graphite.

Дальнейшее увеличение скорости ионного потока возможно в четырехсеточном ионном двигателе (см. Feam D.G. "The use of ion thruster for orbit raising // J. Brit. Interplan Soc. V. 33, 1980-PP 129-137).A further increase in ion flow rate is possible in a four-mesh ion engine (see Feam D.G. "The use of ion thruster for orbit raising // J. Brit. Interplan Soc. V. 33, 1980-PP 129-137).

В данном устройстве ионы ускоряют в две стадии. Плазма имеет потенциал, примерно равный анодному U a =+(20…30) kV. На первой стадии ускорения ионы извлекают из газоразрядной камеры, используя первые две сетки (экранную и извлекающую) с ограничением разности потенциалов между ними до величины, меньшей 0.85 Ua. Это необходимо для предотвращения чрезмерного искривления поверхности плазмы и, соответственно, исключения направленного попадания части ионов на извлекающую сетку.In this device, ions are accelerated in two stages. The plasma has a potential approximately equal to the anode U a = + (20 ... 30) kV. At the first stage of acceleration, ions are removed from the gas discharge chamber using the first two grids (screen and extraction) with the potential difference between them being limited to a value less than 0.85 U a . This is necessary to prevent excessive curvature of the plasma surface and, accordingly, to eliminate the directed ingress of part of the ions onto the extraction grid.

Вторая стадия ускорения происходит между двумя последовательно расположенными электродами (извлекающим и ускоряющим) за счет наличия на ускоряющем электроде постоянного потенциала, достигающего величины примерно - 0.07 Ua. Эти электроды удалены друг от друга на расстояние, исключающее вероятность электрического пробоя. Четвертый электрод в данном устройстве играет такую же роль, как третий (замедляющий) электрод в трехэлектродной схеме. На него подают нулевой потенциал. Этот электрод уменьшает расходимость ионных лучей, связанную с влиянием пространственного заряда. В конечном итоге на выходе из двигателя ионы могут ускориться до скорости порядка 150 -200 (км/с).The second stage of acceleration occurs between two sequentially located electrodes (extracting and accelerating) due to the presence of a constant potential on the accelerating electrode, reaching a value of approximately - 0.07 U a . These electrodes are spaced apart from each other, eliminating the possibility of electrical breakdown. The fourth electrode in this device plays the same role as the third (decelerating) electrode in the three-electrode circuit. It serves zero potential. This electrode reduces the divergence of ion beams associated with the influence of space charge. Ultimately, at the exit from the engine, ions can accelerate to speeds of the order of 150-200 (km / s).

Однако в данном двигателе регулировка силы тяги также затруднена, как и в случае двухэлектродной ускоряющей системы. При этом импульс тяги можно менять только путем варьирования частоты включений ионного двигателя, а также изменением длительности импульсов за счет импульсной модуляции тока разряда в ионизационной камере.However, in this engine, adjusting the traction force is also difficult, as in the case of a two-electrode accelerating system. In this case, the thrust impulse can only be changed by varying the frequency of switching on the ion engine, as well as by changing the pulse duration due to pulse modulation of the discharge current in the ionization chamber.

Для осуществления космических полетов к дальним планетам необходимы реактивные двигатели со скоростью ионного потока более 200 (км/сек) при регулируемой в широких пределах величине силы тяги. Этого можно добиться в электрических ионных двигателях, позволяющих регулировать силу тяги за счет дополнительного ускорения ионов в высокочастотном поле.To perform space flights to distant planets, jet engines with an ion flux velocity of more than 200 (km / s) are required with a broadly controlled thrust force. This can be achieved in electric ion engines, allowing you to adjust the traction due to the additional acceleration of ions in a high-frequency field.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе (патент на полезную модель RU №73405, МПК: F03H 1/00, B64G 1/40), содержащее газоразрядную камеру, оканчивающуюся экранным электродом, многолучевую ионно-оптическую систему (ИОС), состоящую из ряда последовательно установленных плоских электродов с пролетными отверстиями, соединенных с источниками постоянного ускоряющего, и тормозящего напряжения, генератор высокочастотных колебаний, имеющий две высокочастотных линии связи, одна из которых (входная) включает в себя аттенюатор и связана с помощью первого витка связи с входным параллельным резонансным контуром, настроенным на рабочую частоту генератора и соединенным с ускоряющим и входным управляющим электродами многолучевой ИОС, установленными во входной секции устройства, а вторая высокочастотная линия включает в себя фазовращатель и связана с помощью выходного витка связи с выходным параллельным резонансным контуром, также настроенным на рабочую частоту генератора и соединенным с выходным управляющим электродом, установленным в выходной секции устройства непосредственно перед замедляющим электродом.The closest analogue to the claimed technical solution is a device for creating an adjustable traction force in an electric ion motor (utility model patent RU No. 73405, IPC: F03H 1/00, B64G 1/40), containing a gas discharge chamber ending with a screen electrode, a multipath ion -optical system (IOS), consisting of a series of consecutively installed flat electrodes with span holes connected to sources of constant accelerating and braking voltage, a high-frequency oscillation generator having two high-frequency communication lines, one of which (input) includes an attenuator and is connected using the first turn of communication with an input parallel resonant circuit tuned to the operating frequency of the generator and connected to the accelerating and input control electrodes of the multi-beam IOS installed in the input section of the device, and the second high-frequency line includes a phase shifter and is connected via an output coupling loop to an output parallel resonant circuit, also tuned to the operating frequency of the generator and the connection nym to the output gate electrode, installed in the outlet section of the apparatus just prior to the retarding electrode.

В данном устройстве появляется дополнительная возможность высокочастотного ускорения модулированного по плотности ионного потока в выходной секции устройства, то есть, в промежутке между выходным управляющим и замедляющим электродами, на которых действует максимальное по амплитуде ВЧ напряжение генератора. Это напряжение синхронизировано по фазе с фазой ионных сгустков, образующихся во входной секции прибора за счет модуляции ионов синусоидальным сигналом малой амплитуды, действующим на первом ускоряющем промежутке между ускоряющим и входным управляющим электродами. За счет аттенюатора можно изменять амплитуду ВЧ напряжения на первом ускоряющем промежутке и, следовательно, плавно регулировать силу тяги.In this device, there is an additional possibility of high-frequency acceleration of the modulated density of the ion flux in the output section of the device, that is, in the interval between the output control and slow-down electrodes, which are affected by the maximum amplitude of the RF voltage of the generator. This voltage is synchronized in phase with the phase of ionic bunches formed in the input section of the device due to the modulation of ions by a low-amplitude sinusoidal signal acting on the first accelerating gap between the accelerating and input control electrodes. Due to the attenuator, it is possible to change the amplitude of the RF voltage at the first accelerating gap and, therefore, to smoothly adjust the traction force.

Одним из недостатков прототипа является малая эффективность процесса группировки ионов в сгустки. Это связано с тем, что модуляция ионов по скорости осуществляется гармоническим синусоидальным сигналом одной частоты F0. Поэтому в сгустки попадает только ионы, находящиеся в области полупериода модулирующего высокочастотного напряжения (T1=π), в то время как в остальные полупериода ионы в сгустки не попадают.One of the disadvantages of the prototype is the low efficiency of the process of grouping ions into clots. This is due to the fact that the ion velocity modulation is carried out by a harmonic sinusoidal signal of one frequency F 0 . Therefore, only ions located in the region of the half-period of the modulating high-frequency voltage (T 1 = π) fall into the bunches, while ions do not fall into the bunches in the remaining half-periods.

Кроме того, сгустки ионов при чисто синусоидальной форме модулирующего ВЧ напряжения имеют значительную протяженность. Поэтому в выходной секции устройства, куда ионы приходят в отрицательной фазе ускоряющего ВЧ напряжения, также имеющего синусоидальную форму, максимально ускоряется только средняя часть сгустка, а начало и конец этого сгустка приобретают значительно меньшую энергию. В результате средняя скорость ионного потока на выходе двигателя падает. Полный КПД устройства при высокочастотном ускорении в прототипе не превышает 50%.In addition, ion clusters with a purely sinusoidal form of modulating RF voltage have a significant extent. Therefore, in the output section of the device, where ions arrive in the negative phase of the accelerating RF voltage, also having a sinusoidal shape, only the middle part of the bunch is accelerated to the maximum, and the beginning and end of this bunch acquire much less energy. As a result, the average velocity of the ion flux at the engine outlet decreases. The full efficiency of the device with high-frequency acceleration in the prototype does not exceed 50%.

Кроме того, при наличии большой амплитуды переменного ВЧ напряжения между электродами может проявиться эффект динамической «расфокусировки» ионов, которые при наличии ВЧ модуляции могут изменять траекторию движения и попадать на электроды ИОС, вызывая их эрозию и разрушение.In addition, in the presence of a large amplitude of an alternating RF voltage between the electrodes, the effect of dynamic “defocusing” of ions can occur, which, in the presence of RF modulation, can change the trajectory of motion and fall on the IOS electrodes, causing their erosion and destruction.

Технической проблемой изобретения является необходимость достижения в новом устройстве более высокой и плавно регулируемой скорости ионной струи, обеспечивающей увеличение силы тяги и ее регулировку в широком диапазоне. Кроме того, проблемой изобретения является необходимость увеличения долговечности устройства за счет уменьшения эрозии и вероятности разрушения электродов ИОС.The technical problem of the invention is the need to achieve in the new device a higher and continuously adjustable speed of the ion stream, which provides an increase in traction and its adjustment in a wide range. In addition, the problem of the invention is the need to increase the durability of the device by reducing erosion and the likelihood of destruction of the IOS electrodes.

Для решения поставленных проблем в устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе, содержащем газоразрядную камеру, оканчивающуюся экранным электродом, многолучевую ионно-оптическую систему (ИОС), состоящую из ряда последовательно установленных с зазорами плоских электродов с пролетными отверстиями, соединенных с источниками постоянного ускоряющего и тормозящего напряжения, генератор высокочастотных колебаний, имеющий две высокочастотных линии связи, одна из которых (входная) включает в себя входной аттенюатор и связана с помощью входного витка связи с входным параллельным резонансным контуром, настроенным на рабочую частоту генератора F0 и соединенным с ускоряющим и входным управляющим электродами многолучевой ИОС, установленными во входной секции устройства, а вторая (выходная) высокочастотная линия включает в себя фазовращатель и связана с помощью выходного витка связи с выходным параллельным резонансным контуром, также настроенным на рабочую частоту генератора F0 и соединенным с выходным управляющим электродом, установленным в выходной секции устройства непосредственно перед замедляющим электродом; введены дополнительные, последовательно чередующиеся, управляющие и фокусирующие электроды с пролетными отверстиями, симметрично отделенные друг от друга экранирующими электродами; причем дополнительные управляющие электроды, расположенные во входной секции устройства соединены с двумя дополнительными параллельными колебательными контурами, настроенными, соответственно, на две рабочие частоты, равные удвоенной (F2=2F0) и утроенной (F3=3F0) частотам генератора высокочастотных колебаний, связанного с этими контурами через две дополнительные линии связи, в каждой из которых включены, соответствующие по частоте умножители частоты, регулируемые фазовращатели, аттенюаторы, а также дополнительные витки связи; кроме того, первый управляющий электрод в группе электродов, находящихся в выходной секции устройства, соединен с дополнительным выходным параллельным колебательным контуром, настроенным, соответственно, на рабочую частоту, равную утроенной (F3=3F0) частоте генератора высокочастотных колебаний, связанного с этим контуром через третью дополнительную линию связи, содержащую, соответствующие по частоте усилитель мощности, фазовращатель и виток связи; помимо этого второй управляющий электрод в группе электродов, находящихся в выходной секции устройства, соединен с выходным управляющим электродом, а все фокусирующие электроды, расположенные во входной и выходной секциях устройства электрически соединены общим проводом с входным ускоряющим электродом. Причем радиус пролетных отверстий в управляющих и экранирующих электродах и отношение амплитуд ВЧ напряжения на параллельных резонансных контурах, находящихся во входной и выходной секциях устройства выбирают из следующих соотношений:To solve the problems posed, a device for creating an adjustable traction force in an electric ion engine containing a gas discharge chamber ending with a screen electrode, a multi-beam ion-optical system (IOS), consisting of a series of plane electrodes with gaps connected in series with gaps connected to constant sources accelerating and braking voltage, a high-frequency oscillation generator having two high-frequency communication lines, one of which (input) includes an input attenuator and is connected via an input coil of an input parallel resonant circuit tuned to the operating frequency of the generator F 0 and connected to the accelerating and input control electrodes multipath ILE installed in the input device section, and the second (output) frequency line includes a phase shifter and connected via coil output connection to an output parallel-resonant circuit, also tuned to the working frequency of the generator F 0, and an output coupled to a control electrode installed m in the output section of the apparatus immediately before the retarding electrode; introduced additional, sequentially alternating, control and focusing electrodes with span holes symmetrically separated from each other by shielding electrodes; moreover, the additional control electrodes located in the input section of the device are connected to two additional parallel oscillatory circuits, tuned, respectively, to two operating frequencies equal to twice (F 2 = 2F 0 ) and triple (F 3 = 3F 0 ) the frequencies of the high-frequency oscillation generator, connected to these circuits through two additional communication lines, in each of which are included frequency-matching frequency multipliers, adjustable phase shifters, attenuators, as well as additional communication loops; in addition, the first control electrode in the group of electrodes located in the output section of the device is connected to an additional output parallel oscillatory circuit, tuned, respectively, to the operating frequency equal to the tripled (F 3 = 3F 0 ) frequency of the high-frequency oscillator associated with this circuit through a third additional communication line containing, corresponding in frequency, a power amplifier, a phase shifter and a communication loop; in addition, the second control electrode in the group of electrodes located in the output section of the device is connected to the output control electrode, and all focusing electrodes located in the input and output sections of the device are electrically connected by a common wire to the input accelerating electrode. Moreover, the radius of the passage holes in the control and shielding electrodes and the ratio of the amplitudes of the RF voltage on the parallel resonant circuits located in the input and output sections of the device are selected from the following ratios:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

где: а - радиус пролетных отверстий в управляющих и экранирующих электродах,where: a is the radius of the span holes in the control and shielding electrodes,

β=Vi/с - относительная скорость ионного потока;β = V i / s is the relative velocity of the ion flux;

с - скорость света;c is the speed of light;

λ1=c/F0 - рабочая длина волны генератора высокочастотных колебаний;λ 1 = c / F 0 is the working wavelength of the generator of high-frequency oscillations;

U1(вх) - амплитуда ВЧ напряжения на входном параллельном резонансном контуре, имеющем резонансную частоту, равную частоте генератора высокочастотных колебаний F0;U 1 (I) - the amplitude of the RF voltage at the input parallel resonant circuit having a resonant frequency equal to the frequency of the generator of high-frequency oscillations F 0 ;

U2(вх) - амплитуда ВЧ напряжения на дополнительном входном параллельном колебательном контуре, настроенным на удвоенную рабочую частоту (F2=2F0);U 2 (I) - the amplitude of the RF voltage at the additional input parallel oscillatory circuit tuned to double the operating frequency (F 2 = 2F 0 );

U3(вх) - амплитуда ВЧ напряжения на дополнительном входном параллельном колебательном контуре, настроенном на утроенную рабочую частоту (F3=3F0);U 3 (I) - the amplitude of the RF voltage at the additional input parallel oscillatory circuit tuned to triple the operating frequency (F 3 = 3F 0 );

U3(вых) - амплитуда ВЧ напряжения на дополнительном выходном параллельном колебательном контуре, настроенном на утроенную рабочую частоту (F3=3F0).U 3 (out) - the amplitude of the RF voltage at the additional output parallel oscillatory circuit tuned to triple the operating frequency (F 3 = 3F 0 ).

Заявляемое устройство поясняется с помощью фиг. 1…4, на которых представлены: на фиг. 1 - схема электрического ионного двигателя; на фиг. 2 - коэффициенты связи для группирователя, работающего на трех кратных частотах; на фиг. 3 - несинусоидальная форма ВЧ модулирующего напряжения, действующая во входной (группирующей) секции прибора, полученная путем сложения сигналов основной, удвоенной и утроенной частот; на фиг. 4 - несинусоидальная форма ВЧ ускоряющего напряжения, действующая в выходной (ускорительной) секции прибора, полученная путем сложения сигналов основной и утроенной частот. Позициями 1…46 на фиг. обозначены:The inventive device is illustrated using FIG. 1 ... 4, in which are presented: in FIG. 1 is a diagram of an electric ion engine; in FIG. 2 - coupling coefficients for a grouper operating at three multiple frequencies; in FIG. 3 - non-sinusoidal form of RF modulating voltage, acting in the input (grouping) section of the device, obtained by adding the signals of the main, double and triple frequencies; in FIG. 4 - non-sinusoidal form of the RF accelerating voltage acting in the output (accelerator) section of the device, obtained by adding the signals of the fundamental and triple frequencies. Positions 1 ... 46 in FIG. marked:

1 - газоразрядная камера,1 - gas discharge chamber,

2 - экранный электрод;2 - screen electrode;

3 - отверстия для пролета ионных лучей, выполненные в плоских электродах;3 - holes for the passage of ion beams made in flat electrodes;

4 - источник постоянного ускоряющего напряжения;4 - source of constant accelerating voltage;

5 - источник постоянного тормозящего напряжения;5 - source of constant braking voltage;

6 - генератор высокочастотных колебаний;6 - generator of high-frequency oscillations;

7 - входная высокочастотная линия связи;7 - input high-frequency communication line;

8 - входной аттенюатор;8 - input attenuator;

9 - входной виток связи;9 - input connection loop;

10 - входной параллельный резонансный контур, настроенный на основную частоту F0;10 - input parallel resonant circuit tuned to the fundamental frequency F 0 ;

11 - входной ускоряющий электрод;11 - input accelerating electrode;

12 - входной управляющий электрод;12 - input control electrode;

13 - входная секция устройства;13 - input section of the device;

14 - выходная высокочастотная линия связи, предназначенная для работы на основной частоте;14 - output high-frequency communication line, designed to operate at the fundamental frequency;

15 - выходной фазовращатель, предназначенный для работы на основной частоте;15 - output phase shifter designed to operate at the fundamental frequency;

16 - виток связи с входным параллельным резонансным контуром основной частоты;16 - a loop of communication with the input parallel resonant circuit of the fundamental frequency;

17 - выходной параллельный резонансный контур, настроенный на основную частоту F0;17 - output parallel resonant circuit tuned to the fundamental frequency F 0 ;

18 - выходной управляющий электрод;18 - output control electrode;

19 - выходная секция устройства;19 - output section of the device;

20 - замедляющий электрод;20 - retarding electrode;

21 - дополнительные управляющие электроды, расположенные во входной секции устройства;21 - additional control electrodes located in the input section of the device;

22 - фокусирующие электроды, расположенные во входной и выходной секциях устройства;22 - focusing electrodes located in the input and output sections of the device;

23 - экранирующие электроды, имеющие потенциал земли;23 - shielding electrodes having earth potential;

24 - дополнительный входной параллельный колебательный контур, настроенный на удвоенную рабочую частоту (F2=2F0);24 - additional input parallel oscillatory circuit tuned to double the operating frequency (F 2 = 2F 0 );

25 - дополнительный входной параллельный колебательный контур, настроенный на утроенную рабочую частоту (F3=3F0);25 - additional input parallel oscillatory circuit tuned to triple the operating frequency (F 3 = 3F 0 );

26 - дополнительная входная линия связи, предназначенная для работы на частоте F2=2F0;26 - additional input communication line, designed to operate at a frequency of F 2 = 2F 0 ;

27 - дополнительная входная линия связи, предназначенная для работы на частоте F3=3F0;27 - additional input communication line, designed to operate at a frequency of F 3 = 3F 0 ;

28 - умножитель частоты с коэффициентом умножения K=F2/F0=2;28 - frequency multiplier with a multiplication factor K = F 2 / F 0 = 2;

29 - умножитель частоты с коэффициентом умножения K=F3/F0=3;29 - frequency multiplier with a multiplication factor K = F 3 / F 0 = 3;

30 - дополнительный регулируемый фазовращатель, предназначенный для работы на частоте F2=2F0;30 - an additional adjustable phase shifter designed to operate at a frequency of F 2 = 2F 0 ;

31 - дополнительный регулируемый фазовращатель, предназначенный для работы на частоте F3=3F0;31 - an additional adjustable phase shifter designed to operate at a frequency of F 3 = 3F 0 ;

32 - дополнительный регулируемый аттенюатор, предназначенный для работы на частоте F2=2F0;32 - an additional adjustable attenuator designed to operate at a frequency of F 2 = 2F 0 ;

33 - дополнительный регулируемый аттенюатор, предназначенный для работы на частоте F3=3F0;33 - an additional adjustable attenuator designed to operate at a frequency of F 3 = 3F 0 ;

34 - дополнительный виток связи с дополнительный входным параллельным колебательным контуром, настроенным на удвоенную рабочую частоту (F2=2F0);34 - an additional loop of communication with an additional input parallel oscillatory circuit tuned to double the operating frequency (F 2 = 2F 0 );

35 - дополнительный виток связи с дополнительным входным параллельным колебательным контуром, настроенным на утроенную рабочую частоту (F3=3F0);35 - an additional loop of communication with an additional input parallel oscillatory circuit tuned to triple the operating frequency (F3 = 3F 0 );

36 - первый управляющий электрод в группе электродов, находящихся в выходной секции устройства;36 - the first control electrode in the group of electrodes located in the output section of the device;

37 - дополнительный выходной параллельный колебательный контур настроенный на утроенную рабочую частоту (F3=3F0);37 - additional output parallel oscillatory circuit tuned to triple the operating frequency (F 3 = 3F 0 );

38 - дополнительная выходная линия связи, предназначенная для работы на частоте F3=3F0;38 - additional output communication line, designed to operate at a frequency of F 3 = 3F 0 ;

39 - дополнительный усилитель мощности, предназначенный для работы на частоте F3=3F0;39 - additional power amplifier designed to operate at a frequency of F 3 = 3F 0 ;

40 - дополнительный фазовращатель, предназначенный для работы на частоте F3=3F0;40 - additional phase shifter designed to operate at a frequency of F 3 = 3F 0 ;

41 - дополнительный виток связи с дополнительным выходным параллельным колебательным контуром, настроенным на утроенную рабочую частоту (F3=3F0)41 - an additional round of communication with an additional output parallel oscillatory circuit tuned to triple the operating frequency (F 3 = 3F 0 )

42 - второй управляющий электрод в группе электродов, находящихся в выходной секции устройства42 - the second control electrode in the group of electrodes located in the output section of the device

43 - общий электрический провод;43 - common electrical wire;

44 - нейтрализатор;44 - converter;

45 - дополнительный усилитель мощности, работающий на основной частоте;45 - an additional power amplifier operating at the fundamental frequency;

46 - источник питания нейтрализатора.46 - power source converter.

Заявляемое устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе содержит газоразрядную камеру 1, оканчивающуюся экранным электродом 2, после которого расположен ряд последовательно установленных плоских электродов с пролетными отверстиями 3, образующих многолучевую ионно-оптическую систему (ИОС). Эти электроды соединены с источниками постоянного ускоряющего 4, и тормозящего напряжения 5. В состав устройства также входит генератор высокочастотных колебаний 6, имеющий входную и выходную линии высокочастотной связи. Входная высокочастотная линия связи 7 включает в себя аттенюатор 8 и связана с помощью входного витка связи 9 с входным параллельным резонансным контуром 10. Этот колебательный контур настроен на рабочую частоту генератора F0 и соединен с входным ускоряющим 11 и входным управляющим 12 электродами многолучевой ИОС, установленными во входной секции устройства 13. Вторая высокочастотная линия связи 14 включает в себя выходной фазовращатель, предназначенный для работы на основной частоте F0. Она связана с помощью выходного витка связи 16 с выходным параллельным резонансным контуром 17, также настроенным на рабочую частоту генератора F0. Этот колебательный контур соединен с выходным управляющим электродом 18, установленным в выходной секции 19 устройства непосредственно перед замедляющим электродом 20.The inventive device for creating an adjustable traction force in an electric ion engine contains a gas discharge chamber 1 ending with a screen electrode 2, after which there is a series of consecutively mounted flat electrodes with span holes 3, forming a multi-beam ion-optical system (IOS). These electrodes are connected to sources of constant accelerating 4, and braking voltage 5. The device also includes a high-frequency oscillation generator 6 having an input and output high-frequency communication lines. The input high-frequency communication line 7 includes an attenuator 8 and is connected via an input communication coil 9 to an input parallel resonant circuit 10. This oscillatory circuit is tuned to the operating frequency of the generator F 0 and is connected to the input accelerating 11 and input control 12 electrodes of the multipath IOS installed in the input section of the device 13. The second high-frequency communication line 14 includes an output phase shifter designed to operate at the fundamental frequency F 0 . It is connected using the output coupling loop 16 with the output parallel resonant circuit 17, also tuned to the operating frequency of the generator F 0 . This oscillating circuit is connected to the output control electrode 18 installed in the output section 19 of the device immediately before the slowdown electrode 20.

Для решения поставленных ранее задач, а именно - достижения в новом устройстве более высокой и плавно регулируемой скорости ионной струи в ускоряющей системе, при уменьшенной, по сравнению с прототипом, величине постоянного ускоряющего напряжения, а также с целью достижения большей долговечности устройства, в состав ИОС введены дополнительные, последовательно чередующиеся, управляющие и фокусирующие электроды с пролетными отверстиями.To solve the problems posed earlier, namely, to achieve in the new device a higher and smoothly adjustable speed of the ion stream in the accelerating system, with a reduced, compared to the prototype, value of the constant accelerating voltage, as well as in order to achieve greater device durability, in the IOS introduced additional, sequentially alternating, control and focusing electrodes with span holes.

Причем два дополнительных управляющих электрода 21, находящихся во входной секции, отделены от фокусирующих электродов 22 с помощью экранирующих электродов 23, которые находятся под потенциалом земли. Кроме того, эти дополнительные управляющие электроды соединены, соответственно, с двумя дополнительными параллельными колебательными контурами. При этом дополнительный входной параллельный колебательный контур 24 настроен на удвоенную рабочую частоту (F2=2F0), а дополнительный входной параллельный колебательный контур 25 настроен на утроенную рабочую частоту (F3=3F0).Moreover, two additional control electrodes 21 located in the input section are separated from the focusing electrodes 22 using shielding electrodes 23, which are under the ground potential. In addition, these additional control electrodes are connected, respectively, with two additional parallel oscillatory circuits. In this case, the additional input parallel oscillatory circuit 24 is tuned to double the operating frequency (F 2 = 2F 0 ), and the additional input parallel oscillatory circuit 25 is tuned to triple the operating frequency (F 3 = 3F 0 ).

Для связи этих колебательных контуров с генератором высокочастотных колебаний в предлагаемое устройство введены, соответственно, две дополнительные линии связи: дополнительная входная линия связи 26, предназначенная для работы на частоте F2=2F0 и дополнительная входная линия связи 27, предназначенная для работы на частоте F3=3F0. В этих линиях, соответственно, расположены: умножитель частоты 28 с коэффициентом умножения K2=F2/F0=2, умножитель частоты 29 с коэффициентом умножения K3=F3/F0=3, регулируемые дополнительные фазовращатели 30 и 31, аттенюаторы 32 и 33, а также дополнительные витки связи 34 и 35.To connect these oscillatory circuits with a generator of high-frequency oscillations, two additional communication lines are introduced into the proposed device, respectively: an additional input communication line 26, designed to operate at a frequency of F 2 = 2F 0 and an additional input communication line 27, designed to operate at a frequency of F 3 = 3F 0 . In these lines, respectively, are located: a frequency multiplier 28 with a multiplication factor K 2 = F 2 / F 0 = 2, a frequency multiplier 29 with a multiplication factor K 3 = F 3 / F 0 = 3, adjustable additional phase shifters 30 and 31, attenuators 32 and 33, as well as additional turns of communication 34 and 35.

Кроме того, первый управляющий электрод 36, находящийся в выходной секции устройства, соединен с дополнительным выходным параллельным колебательным контуром 37, настроенным, соответственно, на утроенную рабочую частоту (F3=3F0), Для возбуждения этого колебательного контура в устройство введена дополнительная выходная линия высокочастотной связи 38, содержащая усилитель мощности 39, дополнительный фазовращатель 40 и дополнительный виток связи 41.In addition, the first control electrode 36 located in the output section of the device is connected to an additional output parallel oscillating circuit 37, tuned, respectively, to triple the operating frequency (F 3 = 3F 0 ). To excite this oscillating circuit, an additional output line is introduced into the device high-frequency communication 38 containing a power amplifier 39, an additional phase shifter 40 and an additional round of communication 41.

Второй управляющий электрод 42, находящийся в выходной секции устройства, соединен с выходным управляющим электродом. Все фокусирующие электроды, как во входной секции, так и в выходной секциях устройства, расположены в зазорах между двумя экранирующими электродами и электрически соединены общим проводом 43 с входным фокусирующим электродом. Оптимальные режимы работы устройства выбирают из указанных выше соотношений (1…4).The second control electrode 42 located in the output section of the device is connected to the output control electrode. All focusing electrodes, both in the input section and in the output sections of the device, are located in the gaps between the two shielding electrodes and are electrically connected by a common wire 43 to the input focusing electrode. The optimal operating modes of the device are selected from the above ratios (1 ... 4).

В состав устройства входит также нейтрализатор 44, предназначенный для получения квазинейтрального потока заряженных частиц, дополнительный усилитель мощности 45, работающий на основной частоте, и источник электропитания нейтрализатора 46.The device also includes a converter 44, designed to produce a quasi-neutral flow of charged particles, an additional power amplifier 45 operating at the fundamental frequency, and a power supply to the converter 46.

Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ракетном двигателе работает следующим образом. Газоразрядную камеру заполняют рабочим газом, например, ксеноном (Хе) с атомной массой 131.3 а.е.м. После инициирования газового разряда, например, с помощью СВЧ энергии, ионы извлекают из газоразрядной камеры, используя первые два электрода ИОС (экранный -2 и входной ускоряющий электрод-11).A device for creating an adjustable traction in an electric rocket engine works as follows. The gas discharge chamber is filled with a working gas, for example, xenon (Xe) with an atomic mass of 131.3 amu After initiating a gas discharge, for example, using microwave energy, the ions are removed from the gas discharge chamber using the first two IOS electrodes (screen -2 and input accelerating electrode-11).

Например, на электрод 2 подают потенциал 27,25 kV, а на электрод 11 подают потенциал +25 kV. На этой стадии ускорения ионы приобретают скорость 57,470 (км/с).For example, a potential of 27.25 kV is supplied to the electrode 2, and a potential of +25 kV is supplied to the electrode 11. At this stage of acceleration, the ions acquire a speed of 57.470 (km / s).

Далее окончательное ускорение многолучевого потока ионов постоянным электрическим полем происходит в промежутке между электродом 11 и экранирующим электродом 23, который находится под нулевым потенциалом. Под действием большой ускоряющей разности потенциалов ионы входят в первый двойной высокочастотный (ВЧ) зазор, образованный двумя экранирующими электродами 23 и входным управляющим электродом.Further, the final acceleration of the multipath ion flux by a constant electric field occurs in the gap between the electrode 11 and the shield electrode 23, which is at zero potential. Under the action of a large accelerating potential difference, the ions enter the first double high-frequency (HF) gap formed by two shielding electrodes 23 and an input control electrode.

Далее ионные лучи проходят через отверстия в первой группе разноименно заряженных электродов, образующих первую одиночную линзу. Находящиеся в центре этой линзы фокусирующие электроды заряжены положительно относительно экранирующих электродов. Проходя центральную область первой одиночной линзы пучки ионов расширяются, до тех пор пока не войдут во второй двойной ВЧ зазор, образованный двумя экранирующими электродами 23 и первым дополнительным управляющим электродом. В области этого зазора пучки сужаются, то есть происходит их фокусировка.Further, ion beams pass through the holes in the first group of oppositely charged electrodes forming the first single lens. The focusing electrodes located in the center of this lens are positively charged relative to the shielding electrodes. Passing the central region of the first single lens, the ion beams expand until they enter the second double HF gap formed by two shield electrodes 23 and the first additional control electrode. In the region of this gap, the beams narrow, i.e., they focus.

Аналогичным образом осуществляют периодическое движение лучей и их фокусировку при дальнейшем прохождении пучков ионов через систему последовательно чередующихся управляющих и фокусирующих электродов, как во входной, так и в выходной секции устройства. При этом чередующиеся электроды, образующие двухзазорные резонаторы и фокусирующие электроды в этих секциях образуют единую электростатическую периодическую фокусирующую систему.Similarly, periodic movement of the rays and their focusing is carried out with the further passage of ion beams through a system of sequentially alternating control and focusing electrodes, both in the input and output sections of the device. In this case, alternating electrodes forming double-gap resonators and focusing electrodes in these sections form a single electrostatic periodic focusing system.

Для подачи на фокусирующие электроды соответствующего положительного потенциала используют отдельный источник питания. Однако для упрощения системы питания двигателя целесообразно использовать режим фокусировки при потенциале фокусирующего электрода, равном потенциалу входного ускоряющего электрода, соединив их общим электрическим проводом. Для устранения токооседания на фокусирующие электроды диаметр отверстий в них выбирают немного большим, чем диаметр отверстий в управляющих и экранирующих электродах.To supply the corresponding positive potential to the focusing electrodes, a separate power source is used. However, to simplify the engine power system, it is advisable to use the focus mode with the potential of the focusing electrode equal to the potential of the input accelerating electrode, connecting them with a common electric wire. To eliminate current subsidence on the focusing electrodes, the diameter of the holes in them is chosen slightly larger than the diameter of the holes in the control and shielding electrodes.

Все электроды ИОС удалены друг от друга на расстояние, исключающее вероятность электрического пробоя. Так как электрические потенциалы электродов одиночных линз на их входе и выходе одинаковы, то скорость реактивной струи на начальном этапе ускорения постоянным электрическим полем для рассматриваемого примера составляет 200 (км/с).All IOS electrodes are spaced apart from each other, eliminating the possibility of electrical breakdown. Since the electric potentials of the electrodes of single lenses at their input and output are the same, the speed of the jet stream at the initial stage of acceleration by a constant electric field for this example is 200 (km / s).

Небольшую прибавку скорости (для рассматриваемого выше примера, до 210 (км/час)) ионы получают на выходе устройства, проходя через отверстия в замедляющем электроде 20, который находится под отрицательным потенциалом по отношению к потенциалу экранирующего электрода.A small increase in speed (for the above example, up to 210 (km / h)), the ions get at the output of the device, passing through the holes in the slowdown electrode 20, which is at a negative potential relative to the potential of the shielding electrode.

На выходе устройства имеется полый катод - нейтрализатор 44. К катоду подают газ. После подачи ускоряющего напряжения от источника питания 46 в полом катоде 44 образуются электроны, которые нейтрализуют положительно заряженные ионы, образующие квазинейтральную плазменную реактивную струю на выходе устройства. Имеющийся на выходе небольшой скачок потенциала, создает условия для разрыва пучковой плазмы, предотвращая возвращение обратных потоков электронов в рабочий объем двигателя.At the output of the device there is a hollow cathode — converter 44. Gas is supplied to the cathode. After applying the accelerating voltage from the power source 46, electrons are formed in the hollow cathode 44, which neutralize positively charged ions forming a quasi-neutral plasma jet stream at the output of the device. The small potential jump available at the output creates the conditions for the rupture of the beam plasma, preventing the return of electron back flows to the working volume of the engine.

Далее регулирование величиной силы тяги в предлагаемом устройстве осуществляют за счет дополнительного ускорения их в сильном высокочастотном электрическом поле, величину которого плавно изменяют. Для этого небольшую часть (5…10%) мощности ВЧ генератора 6 подают через линию связи 7, аттенюатор 8 и виток связи 9 для возбуждения резонансного колебательного контура, настроенного на основную частоту F0.Further, the regulation of the magnitude of the thrust in the proposed device is carried out due to their additional acceleration in a strong high-frequency electric field, the value of which is smoothly changed. For this, a small part (5 ... 10%) of the power of the RF generator 6 is supplied through the communication line 7, the attenuator 8 and the communication coil 9 to excite the resonant oscillatory circuit tuned to the fundamental frequency F 0 .

Эту частоту, а также радиус пролетных отверстий а выбирают из условия, определяемого соотношением (1), известным из теории клистрона (Ю.А. Кацман, Вопросы теории многорезонаторных клистронов. Издательство «Связьиздат», 1958 - 316 с). Оно определяет выбор предельно допустимых максимальных значений углов пролета по радиусу пролетного канала для частоты F, при которых эффективность взаимодействия ионов с ВЧ полем не мала. Для рассмотренного выше примера при U0=27.25kV, β=0.000667 можно выбрать λ1=12 м, тогда F0=25 МГц, F2=50 МГц, F3=75 МГц, a=0,4 мм.This frequency, as well as the radius of the aperture a, is selected from the condition determined by relation (1), known from the theory of klystron (Yu.A. Katsman, Questions of the theory of multi-cavity klystrons. Svyazizdat Publishing House, 1958 - 316 s). It determines the choice of the maximum permissible maximum values of the passage angles along the radius of the passage channel for frequency F, at which the efficiency of the interaction of ions with the rf field is not small. For the above example, with U 0 = 27.25 kV, β = 0.000667, you can choose λ 1 = 12 m, then F 0 = 25 MHz, F 2 = 50 MHz, F 3 = 75 MHz, a = 0.4 mm.

Одновременно часть ВЧ мощности подают в две дополнительные входные линии связи 26 и 27, где с помощью умножителей частоты 28 и 29 происходит преобразование частоты сигнала в частоту F2=2F0 и в частоту F3=3F0. Амплитуда и фаза сигналов в этих линиях регулируют с помощью дополнительных фазовращателей 30 и 31, а также аттенюаторов 32 и 33, согласно формулам (2)-(3).At the same time, part of the RF power is supplied to two additional input communication lines 26 and 27, where, using frequency multipliers 28 and 29, the signal frequency is converted to the frequency F 2 = 2F 0 and to the frequency F 3 = 3F 0 . The amplitude and phase of the signals in these lines are controlled using additional phase shifters 30 and 31, as well as attenuators 32 and 33, according to formulas (2) - (3).

После прохождения этих устройств сигналы удвоенной и утроенной частот с помощью соответствующих витков связи возбуждают входной параллельный колебательный контур 24, который настроен на удвоенную рабочую частоту (F2=2F0). Ионы, проходя через первый двойной ВЧ зазор с противофазным напряжением U1(вх), будут получать модуляцию по скорости, которая затем на участке их движения в области дрейфа (область действия тормозящего потенциала одиночной линзы) переходит в модуляцию ионов по плотности.After the passage of these devices, the signals of double and triple frequencies using the corresponding coils of communication excite the input parallel oscillatory circuit 24, which is tuned to double the operating frequency (F 2 = 2F 0 ). Ions passing through the first double HF gap with an antiphase voltage U 1 (input) will receive modulation in speed, which then goes to the density modulation of ions in the section of their motion in the drift region (the range of the inhibitory potential of a single lens).

Аналогичные процессы скоростной модуляции и процесс формирования сгустков буде происходить и в следующих двухзазорных участках взаимодействия, на которых будут действовать модулирующие напряжения U2(вх), U3(вх). Геометрические размеры двойных зазоров (длину зазора d, длину управляющего электрода L и расстояние между центрами зазоров Sвх=d+L выбирают, также как и в клистроне (см. Ю.А. Кацман, Вопросы теории многорезонаторных клистронов. Издательство «Связьиздат», 1958 - 316 с.) таким образом, чтобы обеспечить высокую эффективность взаимодействия (коэффициент связи Mk ионов с ВЧ полем) одновременно для всех трех (k=1,2,3) двойных зазоров (см. фиг. 2).Similar processes of high-speed modulation and the process of clot formation will occur in the following two-gap interaction areas, on which modulating voltages U 2 (input) , U 3 (input) will act. The geometric dimensions of the double gaps (the length of the gap d, the length of the control electrode L and the distance between the centers of the gaps S in = d + L are chosen, as well as in the klystron (see Yu.A. Katsman, Questions of the theory of multi-cavity klystrons. Svyazizdat Publishing House, 1958 - 316 pp.) In such a way as to ensure high interaction efficiency (coupling coefficient M k of ions with the HF field) simultaneously for all three (k = 1,2,3) double gaps (see Fig. 2).

Figure 00000005
Figure 00000005

Например, для рассмотренного выше примера (к=1,2,3; β=0.000667; λ1=12 м; λ2=6 м; λ3=4 м; d1=d2=d3=1,25 мм; а=0,4 мм из уравнения (5) получаем, что при оптимальных длинах управляющих электродов (труб дрейфа L1=L3=2.5 мм L2=4.5 мм) коэффициенты связи для на всех частотах находятся в диапазоне значений M1=0,918, М2=0,79, М3=0,56, обеспечивающих высокую эффективность скоростной модуляции.For example, for the above example (k = 1,2,3; β = 0.000667; λ 1 = 12 m; λ 2 = 6 m; λ 3 = 4 m; d 1 = d 2 = d 3 = 1.25 mm ; а = 0.4 mm from equation (5), we find that for optimal lengths of the control electrodes (drift pipes L 1 = L 3 = 2.5 mm L 2 = 4.5 mm), the coupling coefficients for all frequencies are in the range of values M 1 = 0.918, M 2 = 0.79, M 3 = 0.56, providing high efficiency high-speed modulation.

Из фиг. 3 видно, что во входной секции устройства, являющейся группирователем ионов, действует суммарное ВЧ модулирующее напряжение UΣ(ωt) по форме, близкое к идеальной (пилообразной) форме. При этом эффективность нелинейной скоростной модуляции можно определить, оценивая безразмерную длительность T3 суммарного модулирующего напряженияFrom FIG. 3 it can be seen that in the input section of the device, which is a grouper of ions, the total RF modulating voltage U Σ (ωt) in shape is close to the ideal (sawtooth) shape. The efficiency of nonlinear velocity modulation can be determined by evaluating the dimensionless duration T 3 of the total modulating voltage

Figure 00000006
Figure 00000006

В прототипе с периода ВЧ колебаний в сгустки собирается только половина всех ионов ϑ=50%. В случае модуляции тремя сигналами эффективность нелинейной скоростной модуляции составляетIn the prototype, from the period of HF oscillations, only half of all ions ϑ = 50% are collected in clots. In the case of modulation with three signals, the efficiency of nonlinear velocity modulation is

Figure 00000007
Figure 00000007

ВЧ ускорение ионных сгустков осуществляется в выходной секции, пространство взаимодействия в которой образуют три последовательно расположенных двойных высокочастотных зазора, образованных между торцами управляющих электродов 36, 42, 18 и экранирующих электродов 23. Для ускорения ионов большую часть мощности ВЧ генератора 6 с помощью выходной высокочастотной линии связи 14 через виток связи 41 подают на выходной параллельный резонансный контур 17, настроенный на основную частоту F0.RF acceleration of ionic bunches is carried out in the output section, the interaction space in which is formed by three consecutive double high-frequency gaps formed between the ends of the control electrodes 36, 42, 18 and the shield electrodes 23. To accelerate ions, most of the power of the RF generator 6 using the high-frequency output line Communication 14 through a communication loop 41 is fed to the output parallel resonant circuit 17, tuned to the fundamental frequency F 0 .

Далее этот сигнал поступает на второй управляющий электрод 42, находящийся в выходной секции устройства и соединенный с выходным управляющим электродом 18. Для регулировки фазы и амплитуды ВЧ напряжения U1(вых) для сигнала основной частоты в линии связи 14 установлены дополнительный усилитель мощности 45 и выходной фазовращатель 15.Next, this signal is supplied to the second control electrode 42 located in the output section of the device and connected to the output control electrode 18. To adjust the phase and amplitude of the RF voltage U 1 (output) for the main frequency signal, an additional power amplifier 45 and output phase shifter 15.

Одновременно подают ВЧ сигнал утроенной частоты (F3=3F0) на двойной ВЧ зазор, центральным электродом которого является первый управляющий электрод 36, соединенный с дополнительным выходным параллельным колебательным контуром 37. В этот контур ВЧ сигнал поступает по линии связи 38 через умножитель частоты 29 F3=3F0.At the same time, the treble frequency signal (F 3 = 3F 0 ) is supplied to the double RF gap, the central electrode of which is the first control electrode 36 connected to the additional parallel output oscillating circuit 37. The RF signal is fed to this circuit via communication line 38 through the frequency multiplier 29 F 3 = 3F 0 .

Фазу сигналов в этой линии регулируют с помощью дополнительного фазовращателя 40 таким образом, чтобы суммарное ВЧ напряжение, действующее в области ускорения было синхронизировано по фазе с фазой ионных сгустков, образующихся во входной секции прибора за счет скоростной модуляции и группировки ионов несинусоидальным синусоидальным сигналом. За счет усилителей ВЧ мощности 45 и 39 подбирают, согласно выражениям (3-4) амплитуды ВЧ напряжения для сигналов основной U1(вых) и утроенной U3(вых) частот для на ускоряющем промежутке. В результате форма суммарного ускоряющего ВЧ напряжения будет иметь протяженную плоскую вершину (фиг. 4).The phase of the signals in this line is controlled using an additional phase shifter 40 so that the total RF voltage acting in the acceleration region is phase-synchronized with the phase of ionic bunches generated in the input section of the device due to high-speed modulation and grouping of ions by a non-sinusoidal sinusoidal signal. Due to the RF power amplifiers, 45 and 39 are selected, according to expressions (3-4), the amplitudes of the RF voltage for the signals of the main U 1 (output) and triple U 3 (output) frequencies for the accelerating gap. As a result, the shape of the total accelerating RF voltage will have an extended flat top (Fig. 4).

Поэтому в выходной секции устройства, куда сгустки ионов приходят в отрицательной фазе ускоряющего ВЧ напряжения, максимально ускоряется не только средняя часть сгустков, но и их начало и конец. Так как скорости в двух ускоряющих двойных зазорах складываются, то можно приближенно принять суммарный коэффициент связи равным Ms≈2⋅MlKu, где Ku≈0.9 - коэффициент, зависящий от формы несинусоидального напряжения (фиг. 4).Therefore, in the output section of the device, where the ion bunches come in the negative phase of the accelerating RF voltage, not only the middle part of the bunches, but also their beginning and end are accelerated as much as possible. Since the velocities in the two accelerating double gaps add up, we can approximately take the total coupling coefficient equal to M s ≈2⋅M l K u , where K u ≈0.9 is a coefficient depending on the shape of the non-sinusoidal voltage (Fig. 4).

При условии, что относительная амплитуда ускоряющего напряжения UΣ/U0≈1, максимальное изменение относительной скорости ионов Vi (следовательно, и силы тяги) на выходе из ускоряющей секции составит ±40%Provided that the relative amplitude of the accelerating voltage is U Σ / U 0 ≈1, the maximum change in the relative velocity of ions V i (and hence the traction force) at the exit of the accelerating section will be ± 40%

Figure 00000008
Figure 00000008

Для рассматриваемого выше примера, скорость ионов можно изменять в диапазоне значений Vi=210±83 км/сек. В результате синхронного взаимодействия с ВЧ полем большой амплитуды (UΣ/U0≈1) ионы можно ускорить до скорости около 300 (км/ сек), что в 1,4 раза превышает скорость современного четырехсеточного ионного двигателя Dual-Stage (DS4G) (см. pcnews.ru/…/dual-stage-ds4g-esa-10-210-smart-orson-sutherland-roger-walker-10319).For the example considered above, the ion velocity can be changed in the range of values of V i = 210 ± 83 km / s. As a result of synchronous interaction with a large amplitude high-frequency field (U Σ / U 0 ≈1), ions can be accelerated to a speed of about 300 (km / s), which is 1.4 times faster than the modern four-grid ion engine Dual-Stage (DS4G) ( see pcnews.ru/.../dual-stage-ds4g-esa-10-210-smart-orson-sutherland-roger-walker-10319).

В качестве рабочего газа вместо ксенона (Хе) можно выбрать аргон (Ar). Он также является инертным газом, но, в отличие от ксенона, имеет большую энергию ионизации при меньшей атомной массе.Instead of xenon (Xe), argon (Ar) can be used as the working gas. It is also an inert gas, but, unlike xenon, has a large ionization energy with a lower atomic mass.

Claims (15)

1. Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе, содержащее газоразрядную камеру, оканчивающуюся экранным электродом, многолучевую ионно-оптическую систему (ИОС), состоящую из ряда последовательно установленных с зазорами плоских электродов с пролетными отверстиями, соединенных с источниками постоянного ускоряющего и тормозящего напряжения, генератор высокочастотных колебаний, имеющий две высокочастотных линии связи, одна из которых (входная) включает в себя входной аттенюатор и связана с помощью входного витка связи с входным параллельным резонансным контуром, настроенным на рабочую частоту генератора F0 и соединенным с ускоряющим и входным управляющим электродами многолучевой ИОС, установленными во входной секции устройства, а вторая (выходная) высокочастотная линия включает в себя фазовращатель и связана с помощью выходного витка связи с выходным параллельным резонансным контуром, также настроенным на рабочую частоту генератора F0 и соединенным с выходным управляющим электродом, установленным в выходной секции устройства непосредственно перед замедляющим электродом;1. A device for creating an adjustable traction force in an electric ion engine, comprising a gas discharge chamber terminating in a screen electrode, a multi-beam ion-optical system (IOS), consisting of a series of plane electrodes with span openings connected in series with gaps connected to sources of constant accelerating and braking voltage generator of high-frequency oscillations having two high-frequency communication lines, one of which (input) includes an input attenuator and is connected with one coil connection with the input parallel resonant circuit tuned to the oscillator operating frequency F 0 and connected to the accelerating and input control electrodes multipath ILE installed in the input device section, and the second (output) frequency line includes a phase shifter and is connected via an output coil communication with the output parallel resonant circuit, also tuned to the operating frequency of the generator F 0 and connected to the output control electrode installed in the output section of the device is not directly in front of the retarding electrode; отличающееся тем, что в состав ИОС введены дополнительные, последовательно чередующиеся, управляющие и фокусирующие электроды с пролетными отверстиями, симметрично отделенные друг от друга экранирующими электродами; причем дополнительные управляющие электроды, расположенные во входной секции устройства соединены с двумя дополнительными параллельными колебательными контурами, настроенными, соответственно, на две рабочие частоты, равные удвоенной (F2=2F0) и утроенной (F3=3F0) частотам генератора высокочастотных колебаний, связанного с этими контурами через две дополнительные линии связи, в каждой из которых включены соответствующие по частоте умножители частоты, регулируемые фазовращатели, аттенюаторы, а также дополнительные витки связи; кроме того, первый управляющий электрод в группе электродов, находящихся в выходной секции устройства, соединен с дополнительным выходным параллельным колебательным контуром, настроенным, соответственно, на рабочую частоту, равную утроенной (F3=3F0) частоте генератора высокочастотных колебаний, связанного с этим контуром через третью дополнительную линию связи, содержащую соответствующие по частоте усилитель мощности, фазовращатель и виток связи; помимо этого второй управляющий электрод в группе электродов, находящихся в выходной секции устройства, соединен с выходным управляющим электродом, а все фокусирующие электроды, расположенные во входной и выходной секциях устройства электрически соединены общим проводом с входным ускоряющим электродом.characterized in that the structure of the IOS includes additional, sequentially alternating, control and focusing electrodes with span openings symmetrically separated from each other by shielding electrodes; moreover, the additional control electrodes located in the input section of the device are connected to two additional parallel oscillatory circuits, tuned, respectively, to two operating frequencies equal to twice (F 2 = 2F 0 ) and triple (F 3 = 3F 0 ) the frequencies of the high-frequency oscillation generator, connected to these circuits through two additional communication lines, each of which includes frequency multipliers, adjustable phase shifters, attenuators, and also additional communication loops; in addition, the first control electrode in the group of electrodes located in the output section of the device is connected to an additional output parallel oscillatory circuit, tuned, respectively, to the operating frequency equal to the tripled (F 3 = 3F 0 ) frequency of the high-frequency oscillator associated with this circuit through a third additional communication line containing a frequency-appropriate power amplifier, phase shifter and communication loop; in addition, the second control electrode in the group of electrodes located in the output section of the device is connected to the output control electrode, and all focusing electrodes located in the input and output sections of the device are electrically connected by a common wire to the input accelerating electrode. 2. Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе по п. 1, отличающееся тем, что радиус пролетных отверстий в управляющих и экранирующих электродах и отношение амплитуд ВЧ напряжения на параллельных резонансных контурах, находящихся во входной и выходной секциях устройства выбирают из следующих соотношений:2. A device for creating an adjustable traction force in an electric ion engine according to claim 1, characterized in that the radius of the span holes in the control and shielding electrodes and the ratio of the amplitudes of the RF voltage on the parallel resonant circuits located in the input and output sections of the device are selected from the following relations : a=(0.06÷0.08)βλ1, a = (0.06 ÷ 0.08) βλ 1 , U2(вх)=(0.45÷0.5) U1(вх);U 2 (input) = (0.45 ÷ 0.5) U 1 (input) ; U3(вx)=(0.18÷0.2) U1(вх);U 3 (in) = (0.18 ÷ 0.2) U 1 (in) ; U3(вых)=(0.1÷0.125) U1(вых);U 3 (out) = (0.1 ÷ 0.125) U 1 (out) ; где: а - радиус пролетных отверстий в управляющих и экранирующих электродах,where: a is the radius of the span holes in the control and shielding electrodes, β=Vi/с - относительная скорость ионного потока;β = V i / s is the relative velocity of the ion flux; с - скорость света;c is the speed of light; λ1=c/F0 - рабочая длина волны генератора высокочастотных колебаний;λ 1 = c / F 0 is the working wavelength of the generator of high-frequency oscillations; U1(вх) - амплитуда ВЧ напряжения на входном параллельном резонансном контуре, имеющем резонансную частоту, равную частоте генератора высокочастотных колебаний F0;U 1 (I) - the amplitude of the RF voltage at the input parallel resonant circuit having a resonant frequency equal to the frequency of the generator of high-frequency oscillations F 0 ; U2(вх) - амплитуда ВЧ напряжения на дополнительном входном параллельном колебательном контуре, настроенным на удвоенную рабочую частоту (F2=2F0);U 2 (I) - the amplitude of the RF voltage at the additional input parallel oscillatory circuit tuned to double the operating frequency (F 2 = 2F 0 ); U3(вх) - амплитуда ВЧ напряжения на дополнительном входном параллельном колебательном контуре, настроенном на утроенную рабочую частоту (F3=3F0);U 3 (I) - the amplitude of the RF voltage at the additional input parallel oscillatory circuit tuned to triple the operating frequency (F 3 = 3F 0 ); U3(вых) - амплитуда ВЧ напряжения на дополнительном выходном параллельном колебательном контуре, настроенном на утроенную рабочую частоту (F3=3F0).U 3 (out) - the amplitude of the RF voltage at the additional output parallel oscillatory circuit tuned to triple the operating frequency (F 3 = 3F 0 ).
RU2018141710A 2018-11-26 2018-11-26 Device for creation of adjustable thrust force in electric ion engine RU2704523C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018141710A RU2704523C1 (en) 2018-11-26 2018-11-26 Device for creation of adjustable thrust force in electric ion engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018141710A RU2704523C1 (en) 2018-11-26 2018-11-26 Device for creation of adjustable thrust force in electric ion engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2704523C1 true RU2704523C1 (en) 2019-10-29

Family

ID=68500586

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018141710A RU2704523C1 (en) 2018-11-26 2018-11-26 Device for creation of adjustable thrust force in electric ion engine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2704523C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2784248C1 (en) * 2022-07-12 2022-11-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф.Устинова Device for increasing thrust in an electric ion thruster

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6153983A (en) * 1999-07-21 2000-11-28 General Electric Company Full wave electronic starter
US6182441B1 (en) * 1997-10-15 2001-02-06 Space Systems/Loral, Inc. Drive circuit for electric propulsion thruster
RU73405U1 (en) * 2007-12-29 2008-05-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет (СГТУ) DEVICE FOR CREATING AN ADJUSTABLE THROUGH POWER IN AN ELECTRIC ION ENGINE
RU98492U1 (en) * 2010-04-23 2010-10-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) DEVICE FOR CREATING AN ADJUSTABLE THROUGH POWER IN AN ELECTRIC ION ENGINE
RU2564154C1 (en) * 2014-11-18 2015-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Control system of electrical rocket engine

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6182441B1 (en) * 1997-10-15 2001-02-06 Space Systems/Loral, Inc. Drive circuit for electric propulsion thruster
US6153983A (en) * 1999-07-21 2000-11-28 General Electric Company Full wave electronic starter
RU73405U1 (en) * 2007-12-29 2008-05-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет (СГТУ) DEVICE FOR CREATING AN ADJUSTABLE THROUGH POWER IN AN ELECTRIC ION ENGINE
RU98492U1 (en) * 2010-04-23 2010-10-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) DEVICE FOR CREATING AN ADJUSTABLE THROUGH POWER IN AN ELECTRIC ION ENGINE
RU2564154C1 (en) * 2014-11-18 2015-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Control system of electrical rocket engine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2784248C1 (en) * 2022-07-12 2022-11-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф.Устинова Device for increasing thrust in an electric ion thruster

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3886399A (en) Electron beam electrical power transmission system
US2741718A (en) High frequency apparatus
US2570158A (en) Method and apparatus for separating charged particles of different mass-to-charge ratios
KR20210005741A (en) Compact high energy ion implantation system and apparatus and method for generating high energy ion beam
US4345220A (en) High power microwave generator using relativistic electron beam in waveguide drift tube
US20120126727A1 (en) Sub-Nanosecond Beam Pulse Radio Frequency Quadrupole (RFQ) Linear Accelerator System
WO2020176348A2 (en) Improved dense plasma focus devices
JP2023550585A (en) Systems, devices, and methods for variable length electrodes in linear accelerators
US2858472A (en) Slow-wave circuit for a traveling wave tube
US4215291A (en) Collective particle accelerator
TWI787944B (en) Apparatus for resonator operation, method of a linear accelerator, and high energy ion implantation system
RU2704523C1 (en) Device for creation of adjustable thrust force in electric ion engine
US5159241A (en) Single body relativistic magnetron
US3068425A (en) Travelling wave tube oscillator and electron accelerating device
US2880353A (en) Particle accelerator
US3312857A (en) Microwave amplifier utilizing multipaction to produce periodically bunched electrons
US3519942A (en) Apparatus for providing short bunches of charged molecular,atomic,or nuclear particles
US4401918A (en) Klystron having electrostatic quadrupole focusing arrangement
RU73405U1 (en) DEVICE FOR CREATING AN ADJUSTABLE THROUGH POWER IN AN ELECTRIC ION ENGINE
WO2007069930A1 (en) Method for accelerating electrons in a linear accelerator and an accelerating structure for carrying out said method
JP5142173B1 (en) Charged particle accelerator and charged particle acceleration method
RU178718U1 (en) SHF-GENERATOR ON MULTI-SPEED ELECTRON FLOWS
US3234427A (en) Electron pulsing device
RU98492U1 (en) DEVICE FOR CREATING AN ADJUSTABLE THROUGH POWER IN AN ELECTRIC ION ENGINE
RU2654537C1 (en) Method for forming high energy density clumps in electron flow and a drift klystron