RU2740078C1 - Rocket laboratory engine based on hall effect and test bench - Google Patents
Rocket laboratory engine based on hall effect and test bench Download PDFInfo
- Publication number
- RU2740078C1 RU2740078C1 RU2020124647A RU2020124647A RU2740078C1 RU 2740078 C1 RU2740078 C1 RU 2740078C1 RU 2020124647 A RU2020124647 A RU 2020124647A RU 2020124647 A RU2020124647 A RU 2020124647A RU 2740078 C1 RU2740078 C1 RU 2740078C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- engine
- cathode
- anode
- cryostat
- rocket
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к испытательному оборудованию для проведения стендовых испытаний электроракетных двигателей (ЭРД), а именно, к ракетным лабораторным двигателям на эффекте Холла, в частности торцевым холловским двигателям (ТХД), магнитный контур которых выполнен из магнитов на основе высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), а также к испытательным стендам для исследования этих двигателей, в частности, для измерения силы тяги, проведения испытаний для исследования состава плазменных пучков, ресурсных испытаний, исследования магнитных полей и т.д.The invention relates to test equipment for bench tests of electric rocket motors (EJE), namely, to laboratory rocket engines on the Hall effect, in particular end Hall motors (TCD), the magnetic circuit of which is made of magnets based on high-temperature superconductivity (HTSC), and also to test benches for the study of these engines, in particular, for measuring the thrust force, conducting tests to study the composition of plasma beams, life tests, studying magnetic fields, etc.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
К ЭРД относятся ракетные двигатели, принцип работы которых основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц рабочего тела.EJEs include rocket motors, the principle of which is based on the conversion of electrical energy into directed kinetic energy of the particles of the working fluid.
ЭРД принято классифицировать по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей:EJE is usually classified according to the prevailing mechanism of particle acceleration. The following types of motors are distinguished:
электротермические ракетные двигатели (ЭТД);electrothermal rocket engines (ETD);
электростатические двигатели (ИД, СПД);electrostatic motors (ID, SPD);
сильноточные (электромагнитные, магнитоплазмодинамические) двигатели;high-current (electromagnetic, magnetoplasma-dynamic) motors;
импульсные двигатели.impulse motors.
К сильноточным относят, в частности, двигатели ТХД с внешним магнитным полем. В ТХД плазма ускоряется за счет взаимодействия тока разряда с внешним магнитным полем. High-current motors include, in particular, TCD motors with an external magnetic field. In TCD, plasma is accelerated due to the interaction of the discharge current with an external magnetic field.
Спецификой этого двигателя является значительно большая скорость истечения рабочего тела, а, следовательно, такой двигатель обладает большей тягой.The specificity of this engine is a significantly higher flow rate of the working fluid, and, consequently, such an engine has a greater thrust.
Наиболее близкий двигатель ТХД, к заявленному холловскому двигателю, описан в монографии О.А. Горшкова и др. «Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов», М., 2008, с.с. 17-18.The closest TCD engine to the declared Hall engine is described in the monograph by O.A. Gorshkova et al. "Hall and ion plasma thrusters for spacecraft", M., 2008, pp. 17-18.
ТХД включает электрическую часть в виде коаксиально установленных кольцевого анода и катода, размещенного в кольце анода. Катод состоит из катодной трубки и непосредственно многополостного катода, где происходит образование плазмы. Катодная трубка изолирована от анода посредством изолирующей вставки. Также коаксиально к аноду и катоду размещен электромагнит, создающий внешнее магнитное поле, эффективно разгоняющее плазму. Двигатель также снабжен средствами подключения к источникам напряжения, а также средствами для подачи плазмообразующего вещества. TCD includes an electrical part in the form of a coaxially mounted annular anode and a cathode located in the anode ring. The cathode consists of a cathode tube and a multi-cavity cathode itself, where plasma is generated. The cathode tube is isolated from the anode by an insulating insert. Also, an electromagnet is placed coaxially to the anode and cathode, which creates an external magnetic field that effectively accelerates the plasma. The engine is also equipped with means for connecting to voltage sources, as well as means for supplying a plasma-forming substance.
Под лабораторным двигателем в настоящем случае понимается двигатель, обладающий теми же рабочими характеристиками, как и рабочий с конструктивными особенностями, обусловленными проведением его лабораторных стендовых испытаний. In this case, a laboratory engine is understood to mean an engine that has the same performance characteristics as a working engine with design features due to its laboratory bench tests.
К недостаткам таких двигателей относится то, что электромагниты двигателей, как правило, изготавливают из традиционных проводов на основе меди, в результате чего получают тяжелые и громоздкие электромагниты с высоким электропотреблением. Кроме того, такие магнитные модули не обладают достаточным градиентом магнитного поля, что не позволяет эффективно разгонять плазму для создания реактивной струи двигателя.The disadvantages of such motors include the fact that electromagnets of motors are usually made from traditional copper-based wires, resulting in heavy and bulky electromagnets with high power consumption. In addition, such magnetic modules do not have a sufficient magnetic field gradient, which makes it impossible to effectively accelerate the plasma to create a jet jet of the engine.
Испытания лабораторных двигателей происходят на стендах, которые, как правило, изготавливаются под какие-то конкретные испытания или измерения и осуществляются в условиях, имитирующих космическую среду.Laboratory engines are tested on benches, which, as a rule, are made for some specific tests or measurements and are carried out under conditions that simulate the space environment.
Стенды для проведения испытаний обязательно включают вакуумные камеры с системой вакуумирования и различного рода средства для проведения испытаний.Test benches necessarily include vacuum chambers with an evacuation system and various kinds of testing facilities.
В патенте на полезную модель RU124664 раскрывается испытательный стенд, содержащий вакуумную камеру с переходным фланцем, герметичную камеру, выполненную из прозрачного для электромагнитного излучения диэлектрика с возможностью установки на ее внутренней торцевой поверхности электроракетного двигателя, безэховую камеру, обеспечивающую экранирование объема камеры от внешнего электромагнитного излучения и поглощение внутреннего электромагнитного излучения, стыковочный узел и измерительный комплекс, при этом безэховая камера установлена на мобильной платформе и выполнена с возможностью перемещения относительно переходного фланца вдоль направляющих элементов, герметичная камера выполнена с торцевым отверстием и установлена в полости безэховой камеры, между внутренней стенкой безэховой камеры и герметичной камерой расположена, по меньшей мере, одна измерительная радиоантенна, подключенная к измерительному комплексу, отличающийся тем, что в качестве стыковочного узла использована кольцеобразная планшайба с разъемными элементами крепления, расположенными на двух противоположных поверхностях кольцеобразной планшайбы, причем кольцеобразная планшайба выполнена с возможностью соединения с помощью разъемных элементов крепления с переходным фланцем со стороны первой поверхности и с герметичной камерой и безэховой камерой со стороны второй поверхности.The utility model patent RU124664 discloses a test bench containing a vacuum chamber with a transition flange, a sealed chamber made of a dielectric transparent to electromagnetic radiation with the possibility of installing an electric rocket motor on its inner end surface, an anechoic chamber that shields the chamber volume from external electromagnetic radiation and absorption of internal electromagnetic radiation, a docking unit and a measuring complex, while the anechoic chamber is installed on a mobile platform and is made with the ability to move relative to the adapter flange along the guide elements, the sealed chamber is made with an end hole and is installed in the cavity of the anechoic chamber, between the inner wall of the anechoic chamber and at least one measuring radio antenna connected to the measuring complex is located in a sealed chamber, characterized in that a ring-shaped is used as a docking unit ny faceplate with detachable fastening elements located on two opposite surfaces of the ring-shaped faceplate, and the annular faceplate is made with the possibility of being connected by means of detachable fastening elements with a transition flange from the side of the first surface and with a sealed chamber and an anechoic chamber from the side of the second surface.
Как следует из данного патента полезная модель относится к испытательным стендам, предназначенным для измерения электромагнитных полей, создаваемых ЭРД. Данные измерения проводятся с целью определения электромагнитной совместимости ЭРД и бортовых радиосистем. Соответственно, полезная модель направлена на решение технической задачи, связанной с осуществлением быстрого отсоединения безэховой камеры совместно с герметичной камерой от переходного фланца вакуумной камеры. As follows from this patent, the utility model refers to test benches designed to measure electromagnetic fields generated by an ERE. These measurements are carried out in order to determine the electromagnetic compatibility of the electric propulsion engine and on-board radio systems. Accordingly, the utility model is aimed at solving a technical problem associated with the implementation of quick disconnection of the anechoic chamber together with the sealed chamber from the adapter flange of the vacuum chamber.
Известная полезная модель ориентирована только на испытания электромагнитной совместимости (ЭМС) оборудования и не имеет установленной в нее измерительной аппаратуры, позволяющей замерять рабочие характеристики двигателя, такие как реактивная тяга, удельный импульс и т.д., что говорит о ее узконаправленности, а также отсутствии универсальности при достаточно сложной конструкции стенда.The known utility model is focused only on testing the electromagnetic compatibility (EMC) of equipment and does not have measuring equipment installed in it, which makes it possible to measure the operating characteristics of the engine, such as jet thrust, specific impulse, etc., which indicates its narrow focus, as well as the absence versatility with a rather complex stand design.
Необходимо также отметить, что в устройстве в соответствии с RU124664 двигатель закрепляется на стенде следующим образом: двигатель устанавливается в торце герметичной камеры, которая, в свою очередь, устанавливается в безэховой камере, безэховая камера размещается на мобильной платформе, перемещающейся по рельсам и все это сложным образом посредством резьбовых элементов, переходного фланца и кольцевой шайбы стыкуется с диагностическим отсеком. Соответственно, для получения доступа к двигателю, например, для его профилактического осмотра либо для проведения другой серии испытаний и т.п. нужно сначала открутить резьбу, отделить безэховую камеру от диагностического отсека, отодвинуть безэховую камеру на мобильной платформе и удалить из нее герметичную камеру и только после этого получить доступ к двигателю. Кроме того, поскольку двигатель закреплен в торце конусообразной герметичной камеры, то доступ для его осмотра затруднен и, поэтому, для проведения качественного осмотра двигателя нужно его извлечь из этой конусообразной камеры, на что также уйдут временные и трудовые ресурсы. It should also be noted that in the device in accordance with RU124664, the engine is fixed on the stand as follows: the engine is installed at the end of a sealed chamber, which, in turn, is installed in an anechoic chamber, an anechoic chamber is placed on a mobile platform moving along rails, and all this is complicated Thus, by means of threaded elements, an adapter flange and an annular washer, it is connected to the diagnostic compartment. Accordingly, to gain access to the engine, for example, for its routine inspection or for carrying out another series of tests, etc. you must first unscrew the thread, separate the anechoic chamber from the diagnostic compartment, move the anechoic chamber on the mobile platform and remove the sealed chamber from it, and only then gain access to the engine. In addition, since the engine is fixed at the end of the cone-shaped sealed chamber, access for its inspection is difficult and, therefore, to carry out a high-quality inspection of the engine, it must be removed from this cone-shaped chamber, which will also take time and labor resources.
Авторы данного изобретения считают, как установку двигателя, так и его извлечение достаточно простым и удобно осуществимым процессом, однако, с этим трудно согласиться из-за большого количества конструктивных элементов, требующих приложения ручного труда и наличия специального инструмента для работы с резьбовыми соединениями.The authors of the present invention consider both the installation of the engine and its removal to be a fairly simple and conveniently feasible process, however, it is difficult to agree with this due to the large number of structural elements requiring manual labor and the availability of special tools for working with threaded connections.
Кроме того, в предложенном стенде возможны испытания двигателя в одном строго заданном положении, поскольку двигатель прикручен к торцу конусообразной герметичной камеры без возможности его перемещения вдоль продольной оси камеры.In addition, in the proposed stand, it is possible to test the engine in one strictly specified position, since the engine is bolted to the end of the tapered sealed chamber without the possibility of its movement along the longitudinal axis of the chamber.
Все вышеперечисленные недостатки известных технических решений представляют определенные технические проблемы для проведения испытаний ракетного лабораторного двигателя на эффекте Холла. All of the above disadvantages of the known technical solutions present certain technical problems for testing a laboratory rocket engine on the Hall effect.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION
Задачей изобретения является создание компактного и легкого лабораторного двигателя ТХД с низким электропотреблением и высоким градиентом магнитного поля, позволяющим эффективно разгонять плазму для создания реактивной струи двигателя.The objective of the invention is to create a compact and lightweight laboratory TCD engine with low power consumption and a high magnetic field gradient, which makes it possible to effectively accelerate the plasma to create a jet jet of the engine.
Также задачей изобретения является создание универсального испытательного стенда для ракетного лабораторного двигателя на эффекте Холла, простого в эксплуатации и в изготовлении и позволяющего быстро осуществить перенастройку стенда под различные испытания двигателей на основе эффекта Холла.It is also an object of the invention to provide a universal test bench for a laboratory rocket engine based on the Hall effect, which is easy to operate and manufacture, and allows you to quickly reconfigure the bench for various tests of engines based on the Hall effect.
Другие задачи изобретения станут более понятны из описания.Other objects of the invention will become clearer from the description.
Поставленная задача решается ракетным лабораторным двигателем на эффекте Холла, содержащим электрическую часть, магнитный контур, криостат, средства подключения к источникам напряжения и средства подачи плазмообразующего вещества, в котором:The problem is solved by a rocket laboratory Hall effect engine containing an electrical part, a magnetic circuit, a cryostat, means for connecting to voltage sources and means for supplying a plasma-forming substance, in which:
электрическая часть включает анод в форме цилиндрического кольца и трубчатый катод, связанный со средством подачи плазмообразующего вещества, коаксиально размещенный внутри анода;the electrical part includes an anode in the form of a cylindrical ring and a tubular cathode associated with a plasma-forming substance supply means, coaxially located inside the anode;
магнитный контур включает сверхпроводящие индукционные катушки, выполненные из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения, подключенные к источнику напряжения посредством сверхпроводящего кабеля; the magnetic circuit includes superconducting induction coils made of high-temperature superconducting tapes of the second generation connected to a voltage source via a superconducting cable;
криостат выполнен с патрубками для ввода и вывода криогенной жидкости и представляет собой герметичный объем, ограниченный внутренней и внешней цилиндрическими стенками, и торцевыми стенками, соединяющими упомянутые цилиндрические стенки с образованием сквозного выпускного канала, где сверхпроводящие индукционные катушки размещены в криостате, а анод с внутренним изолятором и катодом установлены в упомянутом канале.The cryostat is made with branch pipes for inlet and outlet of cryogenic liquid and is a sealed volume bounded by the inner and outer cylindrical walls and end walls connecting the said cylindrical walls to form a through outlet channel, where superconducting induction coils are placed in the cryostat, and the anode with an internal insulator and a cathode are installed in said channel.
В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается двигателем, в котором электрическая часть двигателя оснащена внутренним и внешним изоляторами, примыкающими друг к другу и установленными коаксиально аноду, причем внутренний изолятор размещен между анодом и катодом, а внешний изолятор выполнен с возможностью закрепления на нем анода и катода. In particular embodiments of the invention, the problem is solved by a motor, in which the electrical part of the motor is equipped with internal and external insulators adjacent to each other and installed coaxially to the anode, and the internal insulator is located between the anode and cathode, and the external insulator is made with the possibility of fixing the anode and cathode on it ...
В этом случае внутренний и внешний изоляторы могут быть выполнены из диоксида алюминия.In this case, the inner and outer insulators can be made of aluminum dioxide.
Также во внешнем изоляторе может быть установлен держатель катода, выполненный с возможностью подвода через него плазмообразующего вещества к катоду.Also, a cathode holder can be installed in the external insulator, made with the possibility of supplying a plasma-forming substance through it to the cathode.
Трубчатый катод двигателя может представлять собой полый многополостной катод, состоящий из катодной трубки из тугоплавкого материала с размещенными в ней цилиндрическими стержнями из тугоплавкого материала, образующими продольные полости. The tubular cathode of the engine can be a hollow multi-cavity cathode consisting of a cathode tube made of a refractory material with cylindrical rods of a refractory material placed in it, forming longitudinal cavities.
Сверхпроводящий кабель двигателя может быть выполнен из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения. The superconducting motor cable can be made of second generation high temperature superconducting tapes.
Сверхпроводящие индукционные катушки в магнитном контуре заявленного двигателя могут быть размещены в криостате соосно выпускному каналу и отделены друг от друга изолирующими элементами.Superconducting induction coils in the magnetic circuit of the claimed engine can be placed in the cryostat coaxially with the outlet channel and separated from each other by insulating elements.
Поставленная задача также решается стендом для испытания ракетного лабораторного двигателя на эффекте Холла, содержащим:The task is also solved by a bench for testing a laboratory rocket engine on the Hall effect, containing:
горизонтально ориентированную вакуумную камеру с торцевыми и боковыми фланцами, оснащенную системой вакуумирования, horizontally oriented vacuum chamber with end and side flanges, equipped with a vacuum system,
крышку, установленную в одном из торцевых фланцев упомянутой вакуумной камеры, снабженную крепежными цилиндрическими элементами для установки ракетного двигателя, размещенными перпендикулярно к поверхности крышки; крепежный диск, размещенный параллельно крышке и установленный на упомянутых крепежных элементах с возможностью перемещения диска по этим элементам и его закрепления в выбранной позиции; криобак, оснащенный системой трубопроводов для подачи криогенной жидкости к двигателю и отвода упомянутой жидкости от двигателя;a cover installed in one of the end flanges of said vacuum chamber, provided with cylindrical fastening elements for mounting a rocket engine, located perpendicular to the surface of the cover; a fastening disk located parallel to the cover and mounted on said fastening elements with the possibility of moving the disk along these elements and fixing it in a selected position; a cryo-tank equipped with a piping system for supplying a cryogenic liquid to the engine and removing said liquid from the engine;
и средства для проведения испытаний.and test facilities.
На вакуумной камере заявленного стенда может быть установлен рельс с кареткой в направлении, параллельном направлению продольной оси камеры, где каретка жестко связана с упомянутой крышкой.A rail with a carriage can be installed on the vacuum chamber of the claimed stand in a direction parallel to the direction of the longitudinal axis of the chamber, where the carriage is rigidly connected to the said cover.
Крепежный диск в заявленном стенде может быть выполнен с ушками, а крепежные цилиндрические элементы могут быть установлены в ушках диска.The fastening disc in the claimed stand can be made with ears, and the cylindrical fastening elements can be installed in the disc ears.
Крепежные цилиндрические элементы могут быть выполнены в форме труб.The cylindrical fasteners can be made in the form of pipes.
Стенд может быть оснащен расходометром. The stand can be equipped with a flow meter.
В качестве средства для проведения испытаний в стенде может быть установлен измеритель тяги, содержащий рычажный элемент, на одном конце которого размещена приемная пластина, а на другом - тензометрический датчик, опорный элемент и комплект средств, обеспечивающий расчёт реактивной тяги, где опорный элемент может быть закреплен в боковых фланцах вакуумной камерыAs a means for testing, a thrust meter can be installed in the bench, containing a lever element, at one end of which a receiving plate is located, and at the other end - a strain gauge, a support element and a set of tools that provides the calculation of the reaction thrust, where the support element can be fixed in the side flanges of the vacuum chamber
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
На фиг. 1 приведён общий вид двигателя в сборе с электрической частью и магнитным контуром. FIG. 1 shows a general view of the motor assembled with an electrical part and a magnetic circuit.
На фиг. 2 приведён общий вид электрической части двигателя.FIG. 2 shows a general view of the electrical part of the engine.
На фиг. 3 приведён общий вид стенда.FIG. 3 shows a general view of the stand.
На фиг. 4 приведен вид части вакуумной камеры стенда с измерителем тяги двигателя.FIG. 4 shows a view of a part of the vacuum chamber of the stand with an engine thrust meter.
На фиг. 5 приведен общий вид измерителя тяги в сборе.FIG. 5 shows a general view of the assembled thrust meter.
Позиции означают следующее:Positions mean the following:
1. Анод1. Anode
2. Катод2. Cathode
3. Внутренний изолятор3. Internal insulator
4. Внешний изолятор4. External insulator
5. Центральный канал анода5. Central channel of the anode
6. Крепежные резьбовые элементы6. Fastening screws
7. Крепежные резьбовые отверстия7. Mounting threaded holes
8. Катодная трубка8. Cathode tube
9. Катодные стержни9. Cathode rods
10. Держатель катода10. Cathode holder
11. Резьбовое отверстие под трубку для подачи плазмообразующего вещества11. Threaded hole for the tube for supplying plasma-forming substance
12. Индукционная катушка12. Induction coil
13. Сверхпроводящий кабель13. Superconducting cable
14. Криостат14. Cryostat
15. Патрубок залива криогенной среды15. Inlet of cryogenic medium
16. Патрубок слива криогенной среды16. Branch pipe for draining the cryogenic medium
17. Внутренняя цилиндрическая стенка криостата17. Inner cylindrical wall of the cryostat
18. Внешняя цилиндрическая стенка криостата18. Outer cylindrical wall of the cryostat
19. Торцевая стенка криостата19. End wall of the cryostat
20. Выпускной канал20. Exhaust channel
21. Изолирующие элементы индукционных катушек.21. Insulating elements of induction coils.
22. Вакуумная камера22. Vacuum chamber
23. Торцевые фланцы вакуумной камеры23. End flanges of the vacuum chamber
24. Боковые фланцы вакуумной камеры24. Side flanges of the vacuum chamber
25. Система вакуумирования25. Vacuuming system
26. Крышка вакуумной камеры26. Cover of the vacuum chamber
27. Крепежные цилиндрические элементы 27. Fastening cylindrical elements
28. Крепежный диск с ушками28. Mounting disc with ears
29. Рельс29. Rail
30. Каретка30. Carriage
31. Расходометр31. Flowmeter
32. Криобак32. Cryobak
33. Рукав подачи криогенной жидкости33. Cryogenic liquid supply hose
34. Рукав отвода криогенной жидкости34. Sleeve for withdrawal of cryogenic liquid
35. Измеритель тяги35. Draft meter
36. Рычажный элемент36. Lever element
37. Приемная пластина37. Receiving plate
38. Тензометрический датчик38. Strain gauge sensor
39. Опорный элемент39. Support element
40. Фланцевый диск40. Flanged disc
41. Фиксирующий диск двигателя41. Engine fixing disc
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯCARRYING OUT THE INVENTION
Для решения поставленной задачи был создан ракетный лабораторный ТХД, у которого разгон плазменного пучка происходит электромагнитом на базе сверхпроводниковой ленты второго поколения.To solve this problem, a rocket laboratory TCD was created, in which the plasma beam is accelerated by an electromagnet based on a second generation superconducting tape.
Высокотемпературный сверхпроводящий (ВТСП) провод второго поколения представляет собой металлическую длинномерную ленту, на которой располагается многослойная тонкопленочная архитектура, включающую в себя соответственно: сверхпроводящий слой, буферные оксидные слои, и защитные металлические слои. The high-temperature superconducting (HTSC) wire of the second generation is a metal long strip on which a multilayer thin-film architecture is located, including, respectively: a superconducting layer, buffer oxide layers, and protective metal layers.
Ракетный лабораторный двигатель на эффекте Холла (см. фиг. 1, 2) содержит электрическую часть и магнитный контур. Электрическая часть включает анод (1), трубчатый катод (2) и изоляторы – внутренний (3) и внешний (4). Анод (1), выполненный в форме цилиндрического кольца, и трубчатый многополостной катод (2) подключены к источникам напряжения (не показаны). Катод (2) коаксиально размещен внутри кольца анода (1). The rocket laboratory Hall effect engine (see Fig. 1, 2) contains an electrical part and a magnetic circuit. The electrical part includes an anode (1), a tubular cathode (2) and insulators - internal (3) and external (4). The anode (1), made in the form of a cylindrical ring, and a tubular multi-cavity cathode (2) are connected to voltage sources (not shown). The cathode (2) is coaxially placed inside the anode ring (1).
К аноду (1) примыкают внутренний (3) и внешний (4) керамические изоляторы, изготовленные из электроизолирующего материала, например, диоксида алюминия. The anode (1) is adjoined by an internal (3) and external (4) ceramic insulators made of an electrically insulating material, for example, aluminum dioxide.
Оба изолятора, по существу, выполнены в форме фланцев к цилиндрическому аноду (1) и примыкают друг к другу. Внутренний изолятор (3) заходит в центральный канал (5) анода (1) и изолирует катод (2) от анода (1). Both insulators are substantially flanged to the cylindrical anode (1) and are adjacent to each other. The inner insulator (3) fits into the central channel (5) of the anode (1) and isolates the cathode (2) from the anode (1).
И анод (1), и катод (2) закреплены на внешнем изоляторе (4). Анод (1) крепится к фиксирующему диску двигателя (41) посредством крепежных резьбовых элементов (шпилек) (6) и этими же шпильками происходит закрепление двигателя в испытательном стенде (см. ниже). Под шпильки в аноде (1) и фиксирующем диске двигателя (41) выполнены резьбовые крепежные отверстия (7).Both the anode (1) and the cathode (2) are attached to an external insulator (4). The anode (1) is attached to the engine fixing disk (41) by means of fastening threaded elements (studs) (6) and the engine is fixed in the test bench with the same studs (see below). Threaded fastening holes (7) are made for the studs in the anode (1) and the fixing disc of the motor (41).
Катод (2) катод представляет собой полый катод и состоит из катодной трубки (8) из тугоплавкого материала с размещенными в ней катодными цилиндрическими стержнями (9) из тугоплавкого материала, образующими продольные полости. В качестве тугоплавкого материала катодной трубки и катодных стержней могут быть использованы, например, сплавы на основе вольфрама.Cathode (2) The cathode is a hollow cathode and consists of a cathode tube (8) made of a refractory material with cathode cylindrical rods (9) of a refractory material placed in it, which form longitudinal cavities. As the refractory material of the cathode tube and cathode rods, for example, tungsten-based alloys can be used.
Катод закреплен в держателе (10), выполненном из прочного жаростойкого материала, например, из бронзы, установленном в канале внешнего изолятора (4), причем, в держателе размещена только катодная трубка (8), а цилиндрические катодные стержни (9) размещены непосредственно в катодной трубке (1).The cathode is fixed in a holder (10) made of a durable heat-resistant material, for example, of bronze, installed in the channel of the external insulator (4), moreover, only the cathode tube (8) is placed in the holder, and the cylindrical cathode rods (9) are placed directly in cathode tube (1).
В держателе (10) выполнено резьбовое отверстие (11), в которое ввинчивается трубка (не показана) для подачи плазмообразующего вещества по катодной трубке (8) к цилиндрическим катодным стержням (9), образующим продольные полости, которые позволяют эффективно ионизировать рабочее тело за счет большой площади контактирующей поверхности с последующим образованием плазмы, создающей реактивную струю двигателя.The holder (10) has a threaded hole (11), into which a tube (not shown) is screwed to supply the plasma-forming substance through the cathode tube (8) to the cylindrical cathode rods (9), which form longitudinal cavities, which make it possible to effectively ionize the working fluid due to a large area of the contacting surface with the subsequent formation of plasma, which creates a jet jet of the engine.
Магнитный контур включает сверхпроводящие индукционные катушки (12), выполненные из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения, подключенные к источнику напряжения посредством сверхпроводящего кабеля (13). The magnetic circuit includes superconducting induction coils (12) made of high-temperature superconducting tapes of the second generation, connected to a voltage source via a superconducting cable (13).
Для функционирования магнитного контура предусмотрен криостат (14) с патрубками залива (15) и слива (16) криогенной жидкости. Криостат (14) представляет собой герметичный объем, ограниченный внутренней (17) и внешней (18) цилиндрическими стенками и торцевыми стенками (19), соединяющими цилиндрические стенки (17, 18) в радиальном направлении с образованием сквозного выпускного канала (20). Анод (1) с внутренним изолятором (3) установлен в канале (20), а внешний изолятор (4) - вне канала и снаружи криостата. For the functioning of the magnetic circuit, a cryostat (14) with inlet (15) and drain (16) of the cryogenic liquid is provided. The cryostat (14) is a sealed volume bounded by the inner (17) and outer (18) cylindrical walls and end walls (19), connecting the cylindrical walls (17, 18) in the radial direction to form a through outlet channel (20). Anode (1) with an internal insulator (3) is installed in the channel (20), and the external insulator (4) is outside the channel and outside the cryostat.
Внутри криостата (14) размещены сверхпроводящие индукционные катушки (12), индуцирующие магнитное поле для разгона заряженных частиц, выполненные из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения. Сверхпроводящие индукционные катушки (12) магнитного контура могут быть размещены соосно выпускному каналу (20) и могут быть отделены друг от друга изолирующими элементами (21). Inside the cryostat (14) superconducting induction coils (12) are placed, inducing a magnetic field for accelerating charged particles, made of high-temperature superconducting tapes of the second generation. The superconducting induction coils (12) of the magnetic circuit can be placed coaxially with the outlet channel (20) and can be separated from each other by insulating elements (21).
И электрическая часть ТХД, и магнитный контур подключены к внешним источникам напряжения. Для подключения магнитного контура служит сверхпроводящий витой кабель (13), выполненный из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения. От сверхпроводящего кабеля ответвляются фазы кабеля к каждой катушке.Both the electrical part of the TCD and the magnetic circuit are connected to external voltage sources. A superconducting twisted cable (13) made of high-temperature superconducting tapes of the second generation is used to connect the magnetic circuit. From the superconducting cable, the phases of the cable are branched to each coil.
Описанный магнитный контур на данный момент способен создавать магнитное поле величиной до 1 Тл.The described magnetic circuit is currently capable of creating a magnetic field of up to 1 T.
Преимущества заявленного лабораторного двигателя очевидны: традиционный электромагнит на основе медных проводов с аналогичным магнитным полем, например, 0.4 Тл, будет в 4 раза тяжелее, в 3 раза больше по габаритам и будет потреблять электроэнергии как минимум в 20 раз больше. Соответственно, уменьшение габаритов и веса магнитного контура значительно снижает габариты и вес предложенного лабораторного ТХД двигателя, а также уменьшает электропотребление двигателя. Кроме того, были проведены испытания заявленного ТХД двигателя и двигателя на основе традиционных медных проводов с совпадающими значениями величин магнитных полей, которые показали, что в заявленном двигателе реализуется больший градиент магнитного поля, чем в традиционном.The advantages of the declared laboratory motor are obvious: a traditional electromagnet based on copper wires with a similar magnetic field, for example, 0.4 T, will be 4 times heavier, 3 times larger in size and consume at least 20 times more electricity. Accordingly, the reduction in the size and weight of the magnetic circuit significantly reduces the dimensions and weight of the proposed laboratory TCD motor, and also reduces the power consumption of the motor. In addition, tests of the declared TCD engine and engine were carried out on the basis of traditional copper wires with the same values of magnetic fields, which showed that the declared engine implements a greater magnetic field gradient than the traditional one.
Стенд (см. фиг. 3) для испытания ракетного лабораторного двигателя на эффекте Холла содержит горизонтально ориентированную вакуумную камеру (22) с торцевыми (23) и боковыми (24) фланцами, оснащенную системой вакуумирования (25). Система вакуумирования (25) может быть связана с вакуумной камерой (22) через один из торцевых фланцев (23) и представляет собой насосный отсек с размещенными в нем вакуумными насосами (турбомолекулярными), а также форвакуумный насос, где насосы связаны между собой и с вакуумной камерой трубопроводами и различными переходными элементами. The stand (see Fig. 3) for testing a laboratory rocket engine on the Hall effect contains a horizontally oriented vacuum chamber (22) with end (23) and side (24) flanges, equipped with a vacuum system (25). The evacuation system (25) can be connected to the vacuum chamber (22) through one of the end flanges (23) and is a pump compartment with vacuum pumps (turbomolecular) located in it, as well as a backing pump, where the pumps are connected to each other and to the vacuum chamber pipelines and various transition elements.
В другом торцевом фланце (23) камеры установлена крышка (26), на которой закреплены цилиндрические крепежные элементы (27), например, в форме труб. Другим концом трубы (28) закреплены на криостате (14), благодаря чему криостат стационарно установлен в камере (22).In the other end flange (23) of the chamber, a cover (26) is installed, on which cylindrical fasteners (27) are fixed, for example, in the form of pipes. The other end of the pipes (28) are fixed to the cryostat (14), due to which the cryostat is permanently installed in the chamber (22).
Параллельно крышке (26) размещен крепежный диск (28) для установки электрической части ракетного двигателя. Крепежный диск (28) размещен на крепежных цилиндрических элементах (трубах) (27) между крышкой (26) и криостатом (14). Диск может быть снабжен ушками и цилиндрические трубы проходят через отверстия в этих ушках (см. фиг. 3 и 4). Parallel to the cover (26), there is a mounting disk (28) for installing the electrical part of the rocket engine. The fastening disk (28) is placed on the fastening cylindrical elements (pipes) (27) between the cover (26) and the cryostat (14). The disc can be provided with lugs and cylindrical tubes pass through the holes in these lugs (see Figs. 3 and 4).
В отличие от стационарно установленного криостата (14) с магнитными индукционными катушками (12), электрическая часть двигателя, состоящая из анода и катода, прикрепленная к диску, способна свободно перемещаться вдоль оси труб (27) для выбора положения двигателя внутри криостата (14). На ушках крепежного диска (28) имеются винты (не показаны), которые после выбора положения двигателя, затягиваются, прижимаясь к трубе (27) и, тем самым, фиксируют точное положение двигателя.Unlike a permanently installed cryostat (14) with magnetic induction coils (12), the electric part of the motor, consisting of an anode and a cathode, attached to a disk, is able to move freely along the axis of the pipes (27) to select the position of the motor inside the cryostat (14). There are screws (not shown) on the lugs of the fastening disk (28), which, after selecting the position of the engine, are tightened, pressing against the pipe (27) and, thereby, fix the exact position of the engine.
В отличие от известного стенда, в предложенном стенде возможна смена положения двигателя, что позволяет провести более точные измерения различных параметров.In contrast to the known stand, in the proposed stand it is possible to change the position of the engine, which makes it possible to carry out more accurate measurements of various parameters.
На внешней поверхности вакуумной камеры (22) установлен рельс (29) с кареткой (30). Рельс (29) установлен на верхней внешней части камеры в направлении, параллельном направлению продольной оси камеры. Каретка (30) жестко связана с крышкой (26) камеры. Каретка (30) при своем перемещении по рельсу (29) отводит крышку (26) от камеры (22) в направлении параллельном продольной оси камеры, соответственно, параллельно торцу камеры. A rail (29) with a carriage (30) is installed on the outer surface of the vacuum chamber (22). The rail (29) is installed on the upper outer part of the chamber in a direction parallel to the direction of the longitudinal axis of the chamber. The carriage (30) is rigidly connected to the chamber cover (26). The carriage (30), when moving along the rail (29), moves the cover (26) away from the chamber (22) in a direction parallel to the longitudinal axis of the chamber, respectively, parallel to the end of the chamber.
Таким образом, в предложенном стенде для легкого доступа к двигателю для его осмотра достаточно отодвинуть крышку (26) камеры (22), что легко осуществляется с помощью передвигаемой каретки (30).Thus, in the proposed stand for easy access to the engine for its inspection, it is enough to move the cover (26) of the chamber (22), which is easily done using a movable carriage (30).
Вне камеры установлен баллон (не показан) с плазмообразующим веществом, из которого данное вещество подводится с помощью трубок к расходометру (31), позволяющему точно контролировать подачу вещества, а, затем, через крепление в крышке (не показано) трубка подводится к резьбовому отверстию (11), ввинчивается в него и плазмообразующее вещество подается к катоду (2).Outside the chamber, a balloon (not shown) with a plasma-forming substance is installed, from which this substance is supplied by means of tubes to a flow meter (31), which allows precise control of the supply of the substance, and, then, through a fastener in the lid (not shown), the tube is fed to a threaded hole ( 11) is screwed into it and the plasma-forming substance is supplied to the cathode (2).
Криобак (32), являющийся одним из узлов, обеспечивающих испытания двигателя в заявленном стенде, оснащен системой трубопроводов (рукавов) подачи криогенной жидкости (33) к двигателю и отвода криогенной жидкости (34) от двигателя. Рукава (33, 34), соответственно подведены к патрубкам залива и слива криогенной жидкости (15, 16).The cryobak (32), which is one of the assemblies providing engine tests in the stated stand, is equipped with a system of pipelines (hoses) for supplying a cryogenic liquid (33) to the engine and removing a cryogenic liquid (34) from the engine. Sleeves (33, 34), respectively, are brought to the inlet and outlet pipes of the cryogenic liquid (15, 16).
Для обеспечения проведения испытаний стенд также обязательно включает различные средства для проведения испытаний.To ensure the testing, the stand also necessarily includes various means for testing.
В частности, стенд может быть использован для проведения таких испытаний, как измерения силы тяги, ресурсные испытания ЭРД, испытания для исследования состава плазменных пучков, исследования сильных внешних магнитных полей, которые могут быть применены как внешние магнитные поля для ТХД двигателей или иметь другие применения и т.д. In particular, the stand can be used for such tests as thrust force measurements, EPE life tests, tests for studying the composition of plasma beams, studies of strong external magnetic fields, which can be used as external magnetic fields for TCD motors or have other applications and etc.
Испытательное оборудование может быть размещено или закреплено в боковых (24) фланцах вакуумной камеры (22).Test equipment may be located or secured in the side (24) flanges of the vacuum chamber (22).
В частности, в боковых фланцах может быть установлен измеритель силы тяги (см. фиг. 4 и фиг. 5). Измеритель тяги (35), установленный в вакуумной камере (22) содержит рычажный элемент (36), на одном конце которого размещена приемная пластина (37), а на другом - тензометрический датчик (38), опорный элемент (39) и комплект средств, обеспечивающий расчёт реактивной тяги. Опорный элемент (39) жестко закреплен в боковых фланцах (23) вакуумной камеры (22) посредством фланцевых дисков (40).In particular, a traction force meter can be installed in the side flanges (see Fig. 4 and Fig. 5). The thrust meter (35) installed in the vacuum chamber (22) contains a lever element (36), at one end of which there is a receiving plate (37), and at the other end - a strain gauge (38), a support element (39) and a set of means, providing the calculation of jet thrust. The support element (39) is rigidly fixed in the side flanges (23) of the vacuum chamber (22) by means of flange discs (40).
Для исследования состава плазменных пучков возможно проведение в заявленном стенде масс-спектрального анализа плазменного пучка.To study the composition of plasma beams, it is possible to carry out mass-spectral analysis of the plasma beam in the declared stand.
Для его осуществления необходимо установить в боковом фланце (24) вакуумной камеры (22) испытательного стенда направленный на плазменный пучок масс-спектральный датчик, который позволит собрать необходимые данные для определения концентрации различных компонентов в плазме, а именно состав химический, элементный и т. д. For its implementation, it is necessary to install a mass-spectral sensor directed to the plasma beam in the side flange (24) of the vacuum chamber (22) of the test bench, which will allow collecting the necessary data to determine the concentration of various components in the plasma, namely, the chemical composition, elemental composition, etc. ...
Испытания, проводимые с помощью заявленного стенда, не ограничиваются измерением силы тяги.The tests carried out using the declared stand are not limited to measuring the traction force.
Испытательный стенд в соответствии с изобретением полностью подготовлен к имитации космической среды, что позволяет проводить любые испытания двигателя, в том числе огневые, с целью оптимального выбора рабочего вещества и т. д., в зависимости от предъявляемых требований заказчика, ресурсные, а также исследования плазмы реактивного пучка.The test bench in accordance with the invention is fully prepared for simulating the space environment, which allows you to carry out any engine tests, including fire tests, in order to optimally select the working substance, etc., depending on the customer's requirements, resource and plasma studies jet beam.
Исследования плазмы реактивного пучка проводят методами масс-спектрального анализа и дают уникальную возможность изучения химического состава испаряемых материалов двигателя: катодных материалов, анода, керамических изоляторов и т.д., что позволяет получать очень ценную информацию об износе элементов двигателя и возможности корректировки элементной базы с целью уравновешивания ресурса деталей двигателя. Также по степени эрозии того или иного материалы в результате работы двигателя можно эффективно оценивать правильность выбора материалы и подбирать оптимальный, в случае на то необходимости.Investigations of the jet beam plasma are carried out using mass spectral analysis methods and provide a unique opportunity to study the chemical composition of the evaporated materials of the engine: cathode materials, anode, ceramic insulators, etc., which allows obtaining very valuable information on the wear of engine elements and the possibility of adjusting the element base with the purpose of balancing the life of engine parts. Also, according to the degree of erosion of one or another material as a result of engine operation, it is possible to effectively assess the correct choice of materials and select the optimal one, if necessary.
Ресурсные испытания – это вид испытаний, который позволяет оценить двигатель при условиях длительной работы, что позволяет подтвердить или опровергнуть данные оценки на этапе огневых испытаний двигателя. Ресурсные испытания являются неотъемлемой частью испытаний двигателя, поскольку именно на их базе появляется возможность построения картины работы двигателя в реальных условиях на орбите, в составе космического аппарата.Endurance testing is a type of test that allows you to evaluate the engine under conditions of long-term operation, which allows you to confirm or refute these estimates at the stage of engine fire tests. Lifetime tests are an integral part of engine testing, since it is on their basis that it becomes possible to construct a picture of the engine's operation under real conditions in orbit, as part of a spacecraft.
Ресурсные испытания предусматривают непрерывную работу ТХД вплоть до 100 часов. Такие испытания могут быть проведены при дополнительном оснащении стенда системой отведения тепловой энергии. Endurance tests provide for continuous operation of the TCD up to 100 hours. Such tests can be carried out with additional equipment of the stand with a heat energy removal system.
Пример осуществления изобретения.An example of implementation of the invention.
Монтаж стенда и холловского двигателя осуществляли следующим образом.The installation of the stand and the Hall engine was carried out as follows.
К торцевой стенке (19) криостата (14) аргоновой сваркой приваривали патрубки залива (15) и слива (16) жидкого азота. Патрубки (15,16) соединяли, соответственно, с рукавами подачи (33) и слива (34) жидкого азота и подсоединяли к криобаку (32) для обеспечения циркуляции жидкого азота. To the end wall (19) of the cryostat (14), nozzles for the inlet (15) and outlet (16) of liquid nitrogen were welded by argon welding. The branch pipes (15,16) were connected, respectively, to the supply (33) and drain (34) of liquid nitrogen and connected to the cryo tank (32) to ensure the circulation of liquid nitrogen.
Торцевую стенку (19) криостата (14) соединяли аргоновой сваркой с крепежным диском с ушками (28) посредством крепежных труб (27). Закрепление крепежного диска на трубах осуществляли через ушки крепежного диска (27). The end wall (19) of the cryostat (14) was argon-welded with a fastening disc with lugs (28) by means of fastening pipes (27). The fastening disk was fastened to the pipes through the lugs of the fastening disk (27).
Криостат (14) монтировали путем точной лазерной сварки торцевой стенки с листами нержавеющей стали для создания цилиндрической внутренней стенки (17) криостата (14). По периферии внутренней цилиндрической стенки (17) криостата устанавливали магнитные индукционные катушки (12), в сформированный выпускной канал (20) устанавливали сборку электрической части ТХД (фиг. 2), состоящую из анода (1), катода (2) и изоляторов (3, 4).The cryostat (14) was mounted by precision laser welding of the end wall to stainless steel sheets to create a cylindrical inner wall (17) of the cryostat (14). Magnetic induction coils (12) were installed along the periphery of the inner cylindrical wall (17) of the cryostat, an assembly of the electrical part of the TCD (Fig. 2) was installed in the formed outlet channel (20), consisting of an anode (1), a cathode (2) and insulators (3 , 4).
Магнитный контур собирали следующим образом: в патрубок (15) залива жидкого азота, а также в рукав подачи жидкого азота (33), продевали сверхпроводящий кабель (13), который фиксировали внутри криостата (14). От сверхпроводящего кабеля (13) отводили фазы кабеля, подводящие ток к магнитному контуру. Для этого соединяли ВТСП ленты, из которых состоит кабель (13), с ВТСП лентами индукционных катушек (12).The magnetic circuit was assembled as follows: a superconducting cable (13) was threaded into the branch pipe (15) of the liquid nitrogen filling, as well as into the liquid nitrogen supply hose (33), which was fixed inside the cryostat (14). From the superconducting cable (13), the phases of the cable were taken, supplying current to the magnetic circuit. For this, HTSC tapes, which make up the cable (13), were connected to HTSC tapes of induction coils (12).
Из индукционных катушек (12) были сформированы четыре секции, каждая из которых состояла из 200 оборотов 12-мм ленты ВТСП в двух противоположных направлениях. Секции были отделены друг от друга изолирующими элементами (21), в данном случае, это листы текстолита, изолирующие секции друг от друга и от криостата (14). Листы текстолита жестко соединяли между собой для обеспечения фиксации положения текстолитовых листов относительно друг друга, а также ВТСП катушек между ними.Four sections were formed from induction coils (12), each of which consisted of 200 turns of a 12-mm HTSC tape in two opposite directions. The sections were separated from each other by insulating elements (21), in this case, these are PCB sheets that insulate the sections from each other and from the cryostat (14). The PCB sheets were rigidly connected to each other to ensure the fixation of the position of the PCB sheets relative to each other, as well as the HTSC coils between them.
Первую секцию магнитных индукционных катушек (12) закрепляли через проставку к торцевой стенке криостата. Последующие секции магнита устанавливали последовательно за первой секцией. The first section of magnetic induction coils (12) was fixed through a spacer to the end wall of the cryostat. Subsequent sections of the magnet were installed in series behind the first section.
Затем точной лазерной сваркой приваривали внешнюю цилиндрическую стенку криостата стенка криостата (18) и вторую торцевую стенку криостата, обеспечивающие получение герметичного объема с циркулирующим азотом. Then, the outer cylindrical wall of the cryostat, the wall of the cryostat (18) and the second end wall of the cryostat were welded by precise laser welding, which ensured obtaining a sealed volume with circulating nitrogen.
После сбора криостата (14) с размещенными в нем катушками (12) к каждому из двух направлений катушек секций магнитной системы припаивали соответствующие, заранее подобранные, фазы сверхпроводящего кабеля. Противоположные концы сверхпроводящего кабеля припаивали к медным проводам и через эти провода подключали к лабораторным источникам тока. After collecting the cryostat (14) with the coils (12) placed in it, the corresponding, pre-selected phases of the superconducting cable were soldered to each of the two directions of the coils of the sections of the magnetic system. The opposite ends of the superconducting cable were soldered to copper wires and connected through these wires to laboratory power supplies.
Готовый криостат (14) стационарно устанавливали на крепежные трубы (27) из нержавеющей стали, которые закрепляли на крышке (26) испытательной вакуумной камеры и на одной из торцевых стенок криостата (14) посредством винтов.The finished cryostat (14) was stationary mounted on stainless steel mounting pipes (27), which were fixed on the cover (26) of the test vacuum chamber and on one of the end walls of the cryostat (14) by means of screws.
Перед установкой криостата закрепляли крепежные трубы (27) в ушках крепежного диска (28) (см. фиг. 3). Затем, в соответствии со схемой на фиг. 2 собирали электрическую часть двигателя, состоящую из анода (1), катода (2) и изоляторов (3, 4), скрепляли анод и внешний изолятор шпильками (6), сборку устанавливали в выпускном канале (20) и этими же шпильками (6), зажатыми с двух сторон гайками, присоединяли ее к крепежному диску (28).Before installing the cryostat, the fastening pipes (27) were fixed in the lugs of the fastening disc (28) (see Fig. 3). Then, in accordance with the diagram in FIG. 2 assembled the electrical part of the engine, consisting of the anode (1), cathode (2) and insulators (3, 4), fastened the anode and the external insulator with pins (6), the assembly was installed in the exhaust channel (20) and the same pins (6) , clamped on both sides with nuts, attached it to the fastening disk (28).
Таким образом, двигатель жестко фиксировался на крепежном диске (28), при этом сам диск мог передвигаться по оси для выбора оптимального положения двигателя внутри криостата с магнитным контуром, при этом сохраняя заданное положение и ориентацию двигателя. Thus, the engine was rigidly fixed on the mounting disk (28), while the disk itself could move axially to select the optimal position of the engine inside the cryostat with a magnetic circuit, while maintaining the given position and orientation of the engine.
Далее к катоду (2) двигателя привинчивали медный провод большого сечения (не показан), второй конец которого через торцевую крышку (26) вакуумной камеры (22) выводили к источнику напряжения. Аналогично подсоединяли кабели положительной фазы для анода (1) ТХД. Next, a large cross-section copper wire (not shown) was screwed to the engine cathode (2), the second end of which was led through the end cover (26) of the vacuum chamber (22) to the voltage source. The cables of the positive phase for the anode (1) of the TCD were connected in a similar way.
Затем к ТХД подводили от баллона через расходометр (31) трубку с плазмообразующим веществом (не показана), в качестве которого использовали аргон, криптон и ксенон. Then, a tube with a plasma-forming substance (not shown), which was used as argon, krypton, and xenon, was fed to the TCD from the balloon through the flowmeter (31).
Собранный двигатель помещали в вакуумную камеру (22), на внешней стороне камеры устанавливали рельсы (29), каретку (30), которую жестко соединяли с крышкой.The assembled engine was placed in a vacuum chamber (22), rails (29) and a carriage (30) were installed on the outside of the chamber, which was rigidly connected to the cover.
Была проведена апробация стенда для измерения силы тяги лабораторного ТХД. В качестве средства для проведения испытаний в камере (2) установили измеритель тяги (35). The test bench for measuring the traction force of the laboratory TCD was carried out. A thrust meter (35) was installed in the chamber (2) as a test tool.
Измеритель тяги включал графитовую приемную пластину (37) диаметром 150 мм, соединенную с керамическим рычажным элементом (36) длиной 400 мм. Керамический рычаг через опорный элемент (39) соединен с тензодатчиком (38), корпус которого выполнен из алюминиевого сплава. Опорный элемент (39) посредством фланцевых дисков (40) устанавливался в боковых фланцах (24) вакуумной камеры (2).The thrust meter included a 150 mm diameter graphite receiving plate (37) connected to a 400 mm long ceramic lever element (36). The ceramic lever is connected through a support element (39) to a strain gauge (38), the body of which is made of an aluminum alloy. The support element (39) was installed by means of flange disks (40) in the side flanges (24) of the vacuum chamber (2).
При погружении графитового диска в плазменную струю, сила, оказываемая потоком на пластину (37) вызывала микроскопическое смещение относительно опорного элемента (39). Это приводило к возникновению напряжения в датчиках (38) и возникновению электрического сигнала, который регистрировался посредством специализированного модуля на базе микроконтроллера Arduino. Передача данных осуществлялась через физический интерфейс UART. Сигнал с датчика преобразовывался в протокол RS-232 и обрабатывался на компьютере.When a graphite disk was immersed in a plasma jet, the force exerted by the flow on the plate (37) caused a microscopic displacement relative to the support element (39). This led to the appearance of a voltage in the sensors (38) and the appearance of an electrical signal, which was registered by means of a specialized module based on the Arduino microcontroller. Data transmission was carried out via the physical UART interface. The signal from the sensor was converted into RS-232 protocol and processed on a computer.
Данные испытания прошли успешно и показали высокую эффективность лабораторного двигателя на основе эффекта Холла за счет создания сильного внешнего магнитного поля, наведенного индукционными магнитными катушками из ВТСП лент второго поколения. These tests were successful and showed the high efficiency of a laboratory engine based on the Hall effect due to the creation of a strong external magnetic field induced by induction magnetic coils from second generation HTSC tapes.
Возможности созданного испытательного стенда для испытаний лабораторного двигателя на основе эффекта Холла позволили провести весь ряд необходимых испытаний данного двигателя и продемонстрировать перспективность применения сверхпроводников второго поколения в формировании внешнего магнитного поля для реактивного ускорения плазмы в ТХД, при этом лабораторный двигатель продемонстрировал конкурентоспособные характеристики, которые ничем не уступают существующим на данный момент в мире моделям, а во многом имеет и свои преимущества, тем самым создавая свою нишу маршевых двигательных установок для полетов космических аппаратов на дальние дистанции.The capabilities of the created test bench for testing a laboratory engine based on the Hall effect made it possible to carry out a whole series of necessary tests of this engine and to demonstrate the prospects of using second-generation superconductors in the formation of an external magnetic field for reactive plasma acceleration in TCD, while the laboratory engine demonstrated competitive characteristics that were in no way are inferior to the models existing at the moment in the world, and in many respects also has its own advantages, thereby creating its own niche of cruise propulsion systems for spacecraft flights over long distances.
Как следует из вышеописанного, заявленный испытательный стенд позволяет проводить комплексные испытания ТХД, что дает испытателям исчерпывающую информацию о любых технических характеристиках двигателя и позволяющий имитировать абсолютно любые возможные условия работы двигателя. Сам же испытательный стенд, за счет продуманности и оптимизации компонентов, представляет собой простую и эффективную системы, максимально приспособленную к быстрому перестроению, если того требует производственная необходимость, под любые задаваемые условия работы испытуемого ТХД.As follows from the above, the declared test stand allows for complex tests of the TCD, which gives testers comprehensive information about any technical characteristics of the engine and allows them to simulate absolutely any possible operating conditions of the engine. The test bench itself, due to the thoughtfulness and optimization of the components, is a simple and effective system, maximally adapted to a quick rebuild, if required by the production need, for any given operating conditions of the tested TCD.
Claims (21)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020124647A RU2740078C1 (en) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Rocket laboratory engine based on hall effect and test bench |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020124647A RU2740078C1 (en) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Rocket laboratory engine based on hall effect and test bench |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2740078C1 true RU2740078C1 (en) | 2021-01-11 |
Family
ID=74183741
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020124647A RU2740078C1 (en) | 2020-07-24 | 2020-07-24 | Rocket laboratory engine based on hall effect and test bench |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2740078C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU207799U1 (en) * | 2021-05-25 | 2021-11-17 | Российская Федерация, от лица которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Magnetic system for bench tests of plasma rocket engines |
| RU2780909C1 (en) * | 2021-09-30 | 2022-10-04 | Закрытое акционерное общество «СуперОкс» (ЗАО "СуперОкс") | Method for cryostatting a high-temperature superconducting apparatus |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010071103A (en) * | 2008-09-16 | 2010-04-02 | Mitsubishi Electric Corp | Ion engine testing device |
| RU124664U1 (en) * | 2012-09-24 | 2013-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | TEST STAND |
| RU2677439C1 (en) * | 2017-12-28 | 2019-01-16 | Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method for testing epe and stand for implementation thereof |
-
2020
- 2020-07-24 RU RU2020124647A patent/RU2740078C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010071103A (en) * | 2008-09-16 | 2010-04-02 | Mitsubishi Electric Corp | Ion engine testing device |
| RU124664U1 (en) * | 2012-09-24 | 2013-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | TEST STAND |
| RU2677439C1 (en) * | 2017-12-28 | 2019-01-16 | Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" | Method for testing epe and stand for implementation thereof |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| О.А. Горшкова и др. "Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов", М., 2008, с.с. 17-18. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU207799U1 (en) * | 2021-05-25 | 2021-11-17 | Российская Федерация, от лица которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Magnetic system for bench tests of plasma rocket engines |
| RU2780909C1 (en) * | 2021-09-30 | 2022-10-04 | Закрытое акционерное общество «СуперОкс» (ЗАО "СуперОкс") | Method for cryostatting a high-temperature superconducting apparatus |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ahlen et al. | An antimatter spectrometer in space | |
| RU2740078C1 (en) | Rocket laboratory engine based on hall effect and test bench | |
| CN111014419B (en) | Device for decoupling electric effect in electromagnetic forming process | |
| Duc et al. | 40-Tesla pulsed-field cryomagnet for single crystal neutron diffraction | |
| Peterson et al. | LCLS-II 1.3 GHz cryomodule design-modified tesla-style cryomodule for CW operation | |
| CN110988005B (en) | Strong permanent magnet device for magnetizing material under vacuum system | |
| Louis | Disk generator | |
| CN114447685B (en) | Electromagnetic impact resistant water-electricity separation integrated wire connector for water-cooling coil | |
| CN103176202A (en) | Device and method for measuring components of deuterium ion beam of deuterium-tritium neutron tube | |
| WO2004107463A1 (en) | Beam current meter | |
| Dworski et al. | Low aberration permanent hexapole magnet for atom and molecular beam research | |
| Gourlay et al. | Superconducting magnets and their applications | |
| EP3891392A1 (en) | Generation of electromagnetic solitons for propulsion by a rotating anisotropic homopolar magnetic field | |
| Chen et al. | Magnetic field measurement system in vertical status for superconducting undulator cooled in Dewar | |
| Laxdal et al. | Operating experience of the 20MV upgrade linac | |
| CN106604512A (en) | Ion thruster plasma parameter diagnosis electrostatic probe positioning system and positioning method | |
| Nakahara et al. | The Next Generation Muon Source at J‐PARC/MLF | |
| CN112509779A (en) | Superconducting magnet system for space magnetic plasma thruster | |
| Brown et al. | Analytical extraction of plasma properties using a Hall thruster efficiency architecture | |
| Noe et al. | A retrofit/upgrade of the Stony Brook linac | |
| Yuan et al. | Some superconducting magnets at IMP | |
| CN113310537B (en) | Active cooling type vacuum environment high-temperature liquid metal flowmeter | |
| Maldonado et al. | Characterization of an atomic oxygen plasma source for ground-based simulation of the leo neutral environment | |
| CN219658484U (en) | In-situ octupole vector electromagnetic field system for synchronous radiation | |
| CN110290627A (en) | Linear type plasma device magnet coil |