RU2784248C1 - Device for increasing thrust in an electric ion thruster - Google Patents
Device for increasing thrust in an electric ion thruster Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784248C1 RU2784248C1 RU2022119009A RU2022119009A RU2784248C1 RU 2784248 C1 RU2784248 C1 RU 2784248C1 RU 2022119009 A RU2022119009 A RU 2022119009A RU 2022119009 A RU2022119009 A RU 2022119009A RU 2784248 C1 RU2784248 C1 RU 2784248C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- pair
- accelerating
- ion
- distance
- Prior art date
Links
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 title claims abstract description 53
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 15
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N Cesium Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 3
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 230000005591 charge neutralization Effects 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 1
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 xenon ions Chemical class 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к ракетной технике, в частности к электрическим ионным двигателям, снабженным устройством для увеличения силы тяги за счет ускорения ионов в постоянном электрическом поле.The invention relates to rocket technology, in particular to electric ion engines equipped with a device for increasing the thrust force by accelerating ions in a constant electric field.
Известно устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ракетном двигателе (патент на изобретение RU №2704523, МПК:F03H 1/00) и достижения скоростей истечения ионного потока более 200 км/сек за счет дополнительного ускорения ионов в высокочастотном поле. В данном устройстве для достижения более высокой и плавно регулируемой скорости ионной струи в ускоряющей системе, при уменьшенной, по сравнению с прототипом (патент на полезную модель RU №73405, МПК:F03H 1/00, B64G 1/40), 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.A device is known for creating an adjustable thrust force in an electric rocket engine (patent for invention RU No. 2704523, IPC:
Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ракетном двигателе работает следующим образом. Газоразрядную камеру заполняют рабочим газом. После инициирования газового разряда, например, с помощью СВЧ энергии, ионы извлекают из газоразрядной камеры, используя первые два электрода ИОС (экранный и входной ускоряющий электрод). Окончательное ускорение многолучевого потока ионов постоянным электрическим полем происходит в промежутке между ускоряющим электродом и экранирующим электродом, который находится под нулевым потенциалом. Далее ионные лучи проходят через отверстия разноименно заряженных электродов, образующих систему одиночных линз.Device for creating adjustable thrust in an electric rocket engine operates as follows. The gas-discharge chamber is filled with working gas. After initiating a gas discharge, for example, using microwave energy, ions are extracted from the gas discharge chamber using the first two electrodes of the IOS (screen and input accelerating electrode). The final acceleration of the multipath ion flow by a constant electric field occurs in the gap between the accelerating electrode and the shielding electrode, which is at zero potential. Next, the ion beams pass through the holes of oppositely charged electrodes, forming a system of single lenses.
Регулирование величины силы тяги осуществляется за счет дополнительного ускорения их в сильном высокочастотном электрическом поле, величину которого плавно изменяют. ВЧ ускорение ионных сгустков осуществляется в выходной секции, пространство взаимодействия в которой образуют три последовательно расположенных двойных высокочастотных зазора, образованных между торцами управляющих и экранирующих электродов. Фазу сигналов в этой линии регулируют с помощью дополнительного фазовращателя 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.The regulation of the magnitude of the traction force is carried out due to their additional acceleration in a strong high-frequency electric field, the magnitude of which is smoothly changed. RF acceleration of ion 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 and shielding electrodes. The phase of the signals in this line is controlled using an additional phase shifter so that the total RF voltage acting in the acceleration region is phase-synchronized with the phase of ion bunches formed in the input section of the device due to high-speed modulation and grouping of ions by a non-sinusoidal sinusoidal signal.
Недостатком устройства является необходимость синхронизации по фазе суммарного ВЧ напряжения с фазой ионных сгустков. Нарушение такой синхронизации приведет к уменьшению эффективности этого устройства.The disadvantage of the device is the need for phase synchronization of the total RF voltage with the phase of the ion bunches. Disruption of such synchronization will reduce the effectiveness of this device.
Известно устройство (см. https://pcnews.ru/news/dual-stage-ds4g-esa-10-210-smart-orson-sutherland-roger-walker-103198.html#gsc.tab=0статья от 19.01.2006) ионный двигатель, четырехсетчатый Dual-Stage (DS4G), который был успешно протестирован Европейским космическим агентством (ESA) в Лаборатории электрической тяги в Нидерландах. По мощности он в 10 раз превышает существующие ионные аналоги и в 4 - прототипные, и развивает удельную тягу до 210 км/сек.The device is known ) ion thruster, four-grid Dual-Stage (DS4G), which was successfully tested by the European Space Agency (ESA) at the Electric Propulsion Laboratory in the Netherlands. In terms of power, it is 10 times higher than the existing ion counterparts and 4 times the prototype ones, and develops specific thrust up to 210 km/s.
Обычный ионный двигатель состоит из трех сеток, каждая - с тысячей миллиметровых отверстий. Они подсоединяются к камере, содержащей заряженные частицы. Первая работает под напряжением в тысячи вольт, а вторая - под низким напряжением. Разница создает электрическое поле, которое извлекает ионы из топливного резервуара и ускоряет их наружу. Третья сетка останавливает электроны, летящие обратно в ионный луч. В идеале, разница напряжений между двумя сетями должна быть как можно больше, чтобы увеличить скорость ионов, а также эффективность расхода топлива. Но когда разница приближается к 5 тыс.вольт, ионы сталкиваются со второй сеткой и начинают ее разрушать. В новом проекте - четыре сетки. Ионы извлекаются из резервуара при помощи двух сеток, расположенных рядом под напряжением 3-5 тыс.вольт. Ускорение происходит на второй стадии, когда извлеченные ионы передаются от второй сетки к третьей, находящейся под очень большим напряжением. И, наконец, последняя стадия - с низким напряжением - предохраняет от попадания электронов назад. Система позволяет создавать между двумя наборами сеток разность напряжений до 30 тыс.вольт и не повреждает их.A typical ion thruster consists of three grids, each with a thousand millimeter holes. They are connected to a chamber containing charged particles. The first operates under a voltage of thousands of volts, and the second - under a low voltage. The difference creates an electric field that extracts ions from the fuel reservoir and accelerates them out. The third grid stops the electrons flying back into the ion beam. Ideally, the voltage difference between the two networks should be as large as possible to increase the speed of the ions as well as fuel efficiency. But when the difference approaches 5 thousand volts, the ions collide with the second grid and begin to destroy it. The new project has four grids. Ions are extracted from the reservoir using two grids placed side by side under a voltage of 3-5 thousand volts. Acceleration occurs in the second stage, when the extracted ions are transferred from the second grid to the third, which is under a very high voltage. And finally, the last stage - with low voltage - prevents electrons from getting back. The system allows creating a voltage difference of up to 30 thousand volts between two sets of grids and does not damage them.
Недостатком данного устройства является то, что ускорение ионов осуществляется одной парой электродов (между второй и третьей сеткой). А первая и вторая сетки используются для извлечения ионов из резервуара, но при этом не обеспечивают максимально возможную плотность тока. В результате устройство реализует невысокое значение произведения плотности тока на скорость истечения.The disadvantage of this device is that the ions are accelerated by one pair of electrodes (between the second and third grid). And the first and second grids are used to extract ions from the reservoir, but do not provide the maximum possible current density. As a result, the device realizes a low value of the product of the current density and the outflow velocity.
Это устройство является наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению для увеличения силы тяги в электрическом ионном двигателе.This device is the closest analogue to the claimed technical solution for increasing the thrust force in an electric ion engine.
Целью заявляемого устройства является увеличение силы тяги ионного двигателя при сохранении высоких значений удельного импульса.The purpose of the proposed device is to increase the thrust force of the ion engine while maintaining high values of the specific impulse.
Устройство увеличения силы тяги в электрическом ионном двигателе, которое содержит систему ионизации, замедляющий электрод, и многолучевую ионно-оптическую систему (ИОС), состоящую из n последовательно установленных плоских ускоряющих электродов с пролетными отверстиями, соединенных с источниками постоянного ускоряющего напряжения последовательно, а катод предыдущей пары является анодом последующей пары плоских электродов с пролетными отверстиями, а расстояние между первой парой электродов выбирается минимально возможной, при фокусировке ионных пучков, а также отсутствие электрического пробоя и деформаций, приводящих к контакту ускоряющих электродов, чтобы обеспечить максимально возможную плотность тока для заданного соотношения удельного заряда - отношение заряда иона к его массе. При этом напряжение между каждой парой электродов ограниченно величиной напряженности электростатического поля, при которой отсутствует пробой между электродами. Плотность тока заряженной струи формируется первой парой электродов; между электродом, осуществляющим эмиссию ионов (анодом для положительно заряженных ионов), и первым электродом. Учитывая ограничения, связанные с максимально допустимой напряженностью поля, напряжение, подаваемое на первую пару электродов, не позволяет достигать высоких скоростей заряженной струи. Достижение высокой скорости истечения обеспечивается ускорением заряженной струи последующими парами электродов. При этом максимально возможная плотность тока между последующими парами электродами не меньше плотности тока первой пары электродов, что достигается за счет подбора расстояния между парами электродами и напряжением, подаваемым на пары электродов. При наличии технических ограничений на максимально возможное прикладываемое напряжение расстояние между парами электродов подбирается из условий обеспечения максимально возможного напряжения, подаваемого на пару электродов, и обеспечения максимально возможной плотности тока не ниже плотности тока, получаемой на первой паре электродов.A device for increasing the thrust force in an electric ion engine, which contains an ionization system, a decelerating electrode, and a multibeam ion-optical system (IOS) consisting of n sequentially installed flat accelerating electrodes with span holes connected in series with constant accelerating voltage sources, and the cathode of the previous of the pair is the anode of the next pair of flat electrodes with span holes, and the distance between the first pair of electrodes is chosen as small as possible, when focusing ion beams, as well as the absence of electrical breakdown and deformations leading to contact of the accelerating electrodes in order to provide the maximum possible current density for a given ratio of specific charge is the ratio of the charge of an ion to its mass. In this case, the voltage between each pair of electrodes is limited by the magnitude of the electrostatic field strength, at which there is no breakdown between the electrodes. The current density of the charged jet is formed by the first pair of electrodes; between the ion emitting electrode (positive ion anode) and the first electrode. Given the limitations associated with the maximum allowable field strength, the voltage applied to the first pair of electrodes does not allow high charged jet velocities to be achieved. Achieving a high flow velocity is ensured by the acceleration of the charged jet by subsequent pairs of electrodes. In this case, the maximum possible current density between subsequent pairs of electrodes is not less than the current density of the first pair of electrodes, which is achieved by selecting the distance between the pairs of electrodes and the voltage applied to the pairs of electrodes. If there are technical restrictions on the maximum possible applied voltage, the distance between the pairs of electrodes is selected from the conditions of ensuring the maximum possible voltage applied to the pair of electrodes and ensuring the maximum possible current density not lower than the current density obtained on the first pair of electrodes.
При использовании изобретения достигается технический результат, а именно более высокая сила тяги ионного двигателя при обеспечении высоких скоростей истечения заряженной струи.When using the invention, a technical result is achieved, namely, a higher thrust force of the ion engine while providing high speeds of the charged jet.
На фиг. 1 приведена зависимость максимальной плотности тока, отнесенной к квадратному корню значения удельного заряда, от расстояния между электродами и начальной скорости зарядов wa=100 м/с.In FIG. 1 shows the dependence of the maximum current density, related to the square root of the specific charge, on the distance between the electrodes and the initial speed of the charges w a =100 m / s .
На фиг. 2 представлена принципиальная схема разгона ионов, включающая n последовательно установленных плоских ускоряющих электродов с пролетными отверстиями, соединенных с источниками постоянного ускоряющего напряжения последовательно. На этой схеме катод предыдущей пары является анодом последующей пары плоских ускоряющих электродов.In FIG. Figure 2 shows a schematic diagram of the acceleration of ions, including n series-installed flat accelerating electrodes with span holes, connected in series with sources of constant accelerating voltage. In this diagram, the cathode of the previous pair is the anode of the next pair of flat accelerating electrodes.
На фиг. 3 представлена принципиальная схема разгона ионов, включающая n гальванически разорванных пар последовательно установленных плоских ускоряющих электродов с пролетными отверстиями.In FIG. Figure 3 shows a schematic diagram of the acceleration of ions, including n galvanically broken pairs of series-mounted flat accelerating electrodes with span holes.
Заявляемое устройство содержит систему ионизации, систему нейтрализации, замедляющий электрод. Отличительной особенностью является многолучевая ИОС, состоящая из n последовательно установленных плоских ускоряющих электродов с пролетными отверстиями. Первая пара электродов служит для создания максимально возможной плотности токи, последующие - для достижения скорости истечения.The inventive device contains an ionization system, a neutralization system, and a decelerating electrode. A distinctive feature is the multi-beam IOS, which consists of n sequentially installed flat accelerating electrodes with span holes. The first pair of electrodes is used to create the maximum possible current density, the subsequent ones - to achieve the outflow rate.
Тяга ионного двигателя, выраженная через плотность тока и удельный заряд ионов, равнаThe thrust of an ion engine, expressed in terms of current density and specific charge of ions, is equal to
гдеwhere
- удельный заряд ионов; - specific charge of ions;
q - заряд иона;q is the charge of the ion;
m - масса одной заряженной частицы;m is the mass of one charged particle;
S - площадь поперечного сечения струи;S is the cross-sectional area of the jet;
Wист - скорость истечения.W ist - speed of expiration.
Поделив (1) на S, получим выражение для мидельной тяги (тяга площади поперечного сечения струи)Dividing (1) by S, we obtain an expression for midship thrust (jet cross-sectional area thrust)
Как видно из (2) мидельная тяга пропорциональна плотности тока и скорости истечения и обратно пропорциональна удельному заряду.As can be seen from (2), the midship thrust is proportional to the current density and outflow velocity and inversely proportional to the specific charge.
Максимальная плотность тока, которая может быть достигнута между анодом и катодом приведена в книге О.Н. Фаворский, В.В. Фишгойт, Е.И. Янтовский, Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. Под. ред. О.Н. Фаворского. Учеб. пособие для вузов. М., "Высшая школа", 1970. 488 с.:The maximum current density that can be achieved between the anode and cathode is given in the book by O.N. Favorsky, V.V. Fishgoit, E.I. Yantovsky, Fundamentals of the theory of space electric propulsion systems. Under. ed. HE. Favorsky. Proc. allowance for universities. M., "Higher School", 1970. 488 p.:
здесьhere
ε0=8.85×10-12 - диэлектрическая постоянная;ε 0 =8.85×10 -12 - dielectric constant;
- относительная скорость среды у анода (в точке х=0); - relative velocity of the medium at the anode (at the point x=0);
wк - скорость среды у катода (в точке х=L);w to - the speed of the medium at the cathode (at the point x=L);
L - расстояние между анодом и катодом;L is the distance between the anode and the cathode;
- удельный заряд. - specific charge.
Плотность тока, выраженная через скорость ионов у анода, потенциал анода или напряженность поля, будет иметь видThe current density, expressed in terms of the ion velocity at the anode, the anode potential, or the field strength, will have the form
здесь напряженность поля между анодом и катодом при отсутствии заряженной среды.here field strength between anode and cathode in the absence of a charged medium.
Из представленных на фиг. 1 данных видно, что максимально возможная плотность тем выше, чем меньше расстояние между электродами. Влияние расстояния между электродами на величину мидельной тяги такое же, как на величину максимальной плотности тока.From those shown in Fig. 1 data shows that the maximum possible density is higher, the smaller the distance between the electrodes. The influence of the distance between the electrodes on the value of the midship thrust is the same as on the value of the maximum current density.
Из приведенных данных очевидно, что для увеличения тяги двигателя необходимо уменьшать расстояние между электродами, что приводит к повышению плотности тока, но уменьшению ускоряющего заряды напряжения, что связано с необходимостью обеспечения значения напряженности поля, при котором отсутствует электрический пробой между электродами.From the above data, it is obvious that in order to increase the engine thrust, it is necessary to reduce the distance between the electrodes, which leads to an increase in the current density, but a decrease in the voltage accelerating the charges, which is associated with the need to provide a field strength value at which there is no electrical breakdown between the electrodes.
В заявляемом устройстве разгона зарядов предлагается использовать систему из последовательно установленных электродов, напряжение и расстояние между которыми обеспечивают максимально возможную плотность тока не ниже, чем первая пара электродов (фиг. 2). Суммарное напряжение разгона ионов определяетсяIn the claimed device for accelerating charges, it is proposed to use a system of electrodes installed in series, the voltage and distance between which provide the maximum possible current density not lower than the first pair of electrodes (Fig. 2). The total ion acceleration voltage is determined by
здесь ΔUi - напряжение, прикладываемое к i-ой паре электродов, ΔUΣ - суммарное напряжение, необходимое для разгона ионов с заданным удельным зарядом до требуемой скорости истечения. Первая пара электродов обеспечивает максимально возможную для используемых ионов (или зарядов) плотность тока. Для идеального электростатического двигателя, у которого отсутствуют токи утечки, связанные с попаданием зарядов на ускоряющие электроды, плотность тока остается постоянной до нейтрализации струи. Последующие пары электродов обеспечивают разгон заряженных частиц до требуемой скорости. При этом на каждой следующей паре электродов должно выполняться условие обеспечения напряженности электрического поля, при котором отсутствует пробой между электродами, а также расстояние между электродами, обеспечивающими максимально возможную плотность тока не меньше, чем для первой пары ускоряющих электродов.here ΔU i - the voltage applied to the i-th pair of electrodes, ΔU Σ - the total voltage required to accelerate the ions with a given specific charge to the desired speed of expiration. The first pair of electrodes provides the maximum possible current density for the ions (or charges) used. For an ideal electrostatic motor, which has no leakage currents associated with the ingress of charges on the accelerating electrodes, the current density remains constant until the jet is neutralized. Subsequent pairs of electrodes provide acceleration of charged particles to the required speed. At the same time, on each next pair of electrodes, the condition for ensuring the electric field strength, in which there is no breakdown between the electrodes, must be met, as well as the distance between the electrodes, providing the maximum possible current density not less than for the first pair of accelerating electrodes.
Расстояние между электродами i-ой пары, обеспечивающими максимально возможную плотность тока не меньше, чем для первой пары ускоряющих электродов, определяется численным решением неравенстваThe distance between the electrodes of the i-th pair, providing the maximum possible current density is not less than for the first pair of accelerating electrodes, is determined by the numerical solution of the inequality
Конструктивно многосеточная схема может быть выполнена как показано на фиг. 2, где катод предыдущей пары является анодом последующей пары ускоряющих электродов, так и в виде гальванически разорванных пар фиг. 3.Structurally, the multigrid scheme can be implemented as shown in Fig. 2, where the cathode of the previous pair is the anode of the next pair of accelerating electrodes, and in the form of galvanically broken pairs of FIG. 3.
В первом варианте преимуществом является некоторой сокращение общей длины ускоряющей системы. Недостатком первой схемы является необходимость прикладывать суммарное напряжение ΔUΣ между первым (самым левым) анодом и последним (самым правым) катодом, а также использовать делитель напряжения между промежуточными сетками, чтобы обеспечить требуемое напряжение на внутренних парах ускоряющих электродов. Второй вариант при некотором увеличении длины ускоряющей системы позволяет прикладывать к парам ускоряющих электродов независимые источники напряжения. Тем самым снимается требование иметь источник высокого напряжения ΔUΣ.In the first variant, the advantage is some reduction in the total length of the accelerating system. The disadvantage of the first scheme is the need to apply the total voltage ΔU Σ between the first (leftmost) anode and the last (rightmost) cathode, as well as to use a voltage divider between the intermediate grids to provide the required voltage on the internal pairs of accelerating electrodes. The second variant, with some increase in the length of the accelerating system, makes it possible to apply independent voltage sources to pairs of accelerating electrodes. This removes the requirement to have a high voltage source ΔU Σ .
Заявляемое устройство для увеличения силы тяги в электрическом ионном двигателе работает следующим образом:The inventive device for increasing the thrust force in an electric ion engine operates as follows:
После ионизации электрически заряженная среда попадает в первую пару ускоряющих электродов, имеющую разность потенциалов ΔU1. Электрически заряженная среда представляет собой неравномерный объемный заряд, который влияет на распределение потенциала между электродами. Функция распределения потенциала между электродами представляет собой кривую, имеющую максимум. Таким образом, сначала происходит торможение заряженной среды, до достижения ею точки максимума потенциала, после чего среда ускоряется. В книге О.Н. Фаворский и др. (О.Н. Фаворский, В.В. Фишгойт, Е.И. Янтовский, Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. Под. ред. О.Н. Фаворского. Учеб. пособие для вузов. М., "Высшая школа", 1970. 488 с.) приведена зависимость максимально возможной плотности тока от разности потенциалов между ускоряющими электродами, расстояния между, величины удельного заряда и начальной скорости ионовAfter ionization, the electrically charged medium enters the first pair of accelerating electrodes, which has a potential difference ΔU 1 . An electrically charged medium is an uneven space charge that affects the potential distribution between the electrodes. The potential distribution function between the electrodes is a curve with a maximum. Thus, the charged medium first decelerates until it reaches the point of maximum potential, after which the medium accelerates. In the book of O.N. Favorsky and others (O.N. Favorsky, V.V. Fishgoyt, E.I. Yantovsky, Fundamentals of the theory of space electric propulsion systems. Edited by O.N. Favorsky. Textbook for universities. M., " Higher school", 1970. 488 p.) shows the dependence of the maximum possible current density on the potential difference between the accelerating electrodes, the distance between them, the magnitude of the specific charge and the initial velocity of the ions
Там же приведены расчеты для ионов цезия (kq,Cs=7.25⋅105) и лития (kq,Li=1.39⋅107). Задавая напряженность поля между электродами в как обеспечивающую отсутствие пробоя между электродами (согласно https://yandex.ru/search/?text=Напряженность+пробоя+электорческого+поля&lr=2&clid=1955454&win=2301, [https://studopedia.net/14_38080_probivnoe-napryazhenie-i-probivnaya-napryazhennost.html] величина пробоя в воздухе составляет , для расстояния между ускоряющими электродами в 10 мм (ускоряющая разность потенциалов 104 В) и начальной скорости получаем:The calculations for cesium (k q,Cs =7.25⋅10 5 ) and lithium (k q,Li =1.39⋅10 7 ) ions are also given there. Setting the field strength between the electrodes in as ensuring the absence of breakdown between the electrodes (according to https://yandex.ru/search/?text=Strength+breakdown+electric+field&lr=2&clid=1955454&win=2301, [https://studopedia.net/14_38080_probivnoe-napryazhenie-i- probivnaya-napryazhennost.html] the amount of breakdown in air is , for a distance between the accelerating electrodes of 10 mm (accelerating potential difference of 10 4 V) and an initial speed we get:
для цезия скорость истечения Рмид=7.867 Па;for cesium expiration rate P mid = 7.867 Pa;
для лития скорость истечения Рмид=7.867 Па.for lithium expiration rate P mid = 7.867 Pa.
При использовании заявляемой схемы разгона для тех же ионов и значений скоростей истечения получены следующие данные:When using the claimed acceleration scheme for the same ions and values of the expiration velocities, the following data were obtained:
для цезия скорость истечения Рмид=24.88 Па;for cesium expiration rate P mid = 24.88 Pa;
для лития скорость истечения Рмид=24.88 Па.for lithium expiration rate P mid = 24.88 Pa.
Таким образом, заявляемая схема разгона увеличивает мидельную тягу в 3.16 раза по сравнению с классической схемой разгона. При этом потребовалось 3 пары ускоряющих электродов. Ниже в таблице приведены параметры ускоряющих систем заявляемой схемыThus, the claimed overclocking scheme increases the midship thrust by 3.16 times compared to the classical overclocking scheme. This required 3 pairs of accelerating electrodes. The table below shows the parameters of the accelerating systems of the proposed scheme
Результат достигается за счет того, что на первой паре ускоряющих электродов создаются условия для достижения максимально возможной плотности тока, т.е. плотности заряженной среды. При этом скорость после прохождения первой пары ускоряющих электродов будет относительно не велика. А достижение высокой скорости истечения достигается за счет ускорения последующими парами ускоряющих электродов, разность потенциалов и расстояние между которыми выбираются таким образом, чтобы максимально возможная плотность тока была бы не ниже, чем для первой пары ускоряющих электродов. Плотность тока во всей ускоряющей системе остается постоянной при отсутствии токов утечек (нет разфокусировки ионных пучков), отсутствии пульсаций, т.к. постоянная подача рабочего тела - ионов - и постоянные (не пульсирующие) напряжения между электродами.The result is achieved due to the fact that conditions are created on the first pair of accelerating electrodes to achieve the maximum possible current density, i.e. charged medium density. In this case, the speed after passing the first pair of accelerating electrodes will be relatively small. And the achievement of a high velocity of the expiration is achieved due to acceleration by subsequent pairs of accelerating electrodes, the potential difference and the distance between which are chosen in such a way that the maximum possible current density would not be lower than for the first pair of accelerating electrodes. The current density in the entire accelerating system remains constant in the absence of leakage currents (no defocusing of ion beams), in the absence of pulsations, since constant supply of the working fluid - ions - and constant (not pulsating) voltages between the electrodes.
Из приведенных данных видно, что ускоряющее напряжение, прикладываемое к очередной паре ускоряющих электродов меньше суммарного ускоряющего напряжения, необходимого для достижения скорости истечения такого же, как в классической схеме. Это позволяет существенно увеличивать скорость истечения в заявляемой схеме. Например, для ионов лития скорость истечения необходимо суммарное ускоряющее напряжение 158.63 кВ.It can be seen from the given data that the accelerating voltage applied to the next pair of accelerating electrodes is less than the total accelerating voltage required to achieve the same exhaust velocity as in the classical scheme. This allows you to significantly increase the rate of expiration in the proposed scheme. For example, for lithium ions, the outflow rate a total accelerating voltage of 158.63 kV is required.
При этом для классической (двухэлектродной) схемы разгона будем иметь:In this case, for the classical (two-electrode) overclocking scheme, we will have:
для заявляемой схемы разгона:for the claimed overclocking scheme:
что в 12.6 раза выше, чем для классической схемы.which is 12.6 times higher than for the classical scheme.
Для сравнения с наиболее близким аналогом, в котором использовались ионы ксенона, удельный заряд которых равен были оценены значения плотности тока, начальной скорости зарядов и расстояния между первой парой пластин (в описании аналога эти параметры не указаны). Были получены следующие значения:For comparison with the closest analogue, which used xenon ions, the specific charge of which is equal to the values of the current density, the initial velocity of the charges, and the distance between the first pair of plates were estimated (these parameters are not indicated in the description of the analogue). The following values were obtained:
расстояния между первой парой пластин - 5 мм;the distance between the first pair of plates - 5 mm;
начальная скорость зарядов - initial speed of charges -
При этих параметрах увеличение плотности тока (и мидельной тяги) аналога по сравнению с классическим устройством составляет 2.75.With these parameters, the increase in current density (and midship thrust) of the analog compared to the classic device is 2.75.
Заявляемое устройство при сохранении той же скорости истечения позволяет достичь увеличения плотности тока (мидельной тяги) в 2.25-3.19 раз выше, чем для ближайшего аналога. Эффективность по мидельной тяге может быть еще больше увеличена по сравнению с аналогом за счет достижения более высокой скорости истечения. Плотность тока в заявляемом устройстве остается без изменения, т.к. не меняются параметры первой пары ускоряющих электродов.The inventive device, while maintaining the same expiration rate, makes it possible to achieve an increase in current density (middle thrust) 2.25-3.19 times higher than for the closest analogue. The midship thrust efficiency can be further increased compared to its counterpart by achieving a higher exhaust velocity. The current density in the proposed device remains unchanged, because the parameters of the first pair of accelerating electrodes do not change.
Еще большую эффективность заявляемое устройство обеспечивает при разгоне заряженных частиц, имеющих относительно невысокий удельный заряд. Например, для заряженных частиц с удельным зарядом может быть достигнута скорость истечения в при мидельной тяге 4334 Па, что в 551 раз выше, чем для классического устройства. При этом суммарное ускоряющее напряжение составляет 5 MB, но для заявляемого устройства за счет использования последовательно установленных ускоряющих пар электродов ускоряющее напряжение, подаваемое на эти пары может не превышать максимально технически возможного напряжения, обеспечиваемого энергоустановкой, например, 10 кВ.The proposed device provides even greater efficiency when accelerating charged particles having a relatively low specific charge. For example, for charged particles with a specific charge flow rate can be reached with a midship thrust of 4334 Pa, which is 551 times higher than for the classic device. In this case, the total accelerating voltage is 5 MB, but for the claimed device, due to the use of accelerating pairs of electrodes installed in series, the accelerating voltage applied to these pairs may not exceed the maximum technically possible voltage provided by the power plant, for example, 10 kV.
Расчеты показали, что предлагаемая схема разгона ионов позволяет получить увеличение мидельной тяги по сравнению с классической схемой разгона от 2 до 500 раз в зависимости от величины удельного заряда при скорости истечения от 50 до 500 км/с, что примерно в 2 раза выше приведенного значения для ближайшего аналога.Calculations have shown that the proposed ion acceleration scheme makes it possible to obtain an increase in midship thrust compared to the classical acceleration scheme from 2 to 500 times, depending on the value of the specific charge at an exhaust velocity of 50 to 500 km / s , which is approximately 2 times higher than the given value for closest analogue.
Claims (11)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2784248C1 true RU2784248C1 (en) | 2022-11-23 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
RU2704523C1 (en) * | 2018-11-26 | 2019-10-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Device for creation of adjustable thrust force in electric ion engine |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
RU2704523C1 (en) * | 2018-11-26 | 2019-10-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Device for creation of adjustable thrust force in electric ion engine |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Изобретен сверхмощный ионный двигатель, 19.01.2006, https://pcnews.ru/news/dual-stage-ds4g-esa-10-210-smart-orson-sutherland-roger-walker-103198.html#gsc.tab=0%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D1%8F. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4282436A (en) | Intense ion beam generation with an inverse reflex tetrode (IRT) | |
US10172227B2 (en) | Plasma accelerator with modulated thrust | |
Werner et al. | Generation of high-intensity pulsed ion and plasma beams for material processing | |
CN110630460B (en) | Segmented anode high specific impulse pulse plasma thruster | |
RU2784248C1 (en) | Device for increasing thrust in an electric ion thruster | |
Symons | Scaling laws and power limits for klystrons | |
US3846668A (en) | Plasma generating device | |
Brewer et al. | Ionic and plasma propulsion for space vehicles | |
RU2704523C1 (en) | Device for creation of adjustable thrust force in electric ion engine | |
RU73405U1 (en) | DEVICE FOR CREATING AN ADJUSTABLE THROUGH POWER IN AN ELECTRIC ION ENGINE | |
Qi et al. | A pulsed vacuum arc ion thruster for distributed small satellite systems | |
RU98492U1 (en) | DEVICE FOR CREATING AN ADJUSTABLE THROUGH POWER IN AN ELECTRIC ION ENGINE | |
Brown et al. | Low energy vacuum arc ion source | |
Klimov et al. | Surface HF plasma aerodynamic actuator | |
RU2651578C1 (en) | High voltage electronic supply system of high-frequency generator | |
GB2223349A (en) | Charged particle beam intensity varying device | |
RU2776324C1 (en) | Ramjet relativistic engine | |
Morozov | Electric propulsion thrusters and plasmadynamics | |
Cho | Modeling of secondary arc on high‐voltage solar array in space | |
Perevodchikov et al. | Electron-beam valves (EBVs): a new type of high-power device | |
Miller | Super-reltrons and pulsed power issues | |
Wilbur | Correlation of ion and beam current densities in Kaufman thrusters | |
Grieser et al. | Upgrading of the Heidelberg accelerator facility with a new high current injector | |
Au et al. | Ion Thruster ESKA 8 for North-South Stationkeeping of Synchronous Satellites | |
Lamba et al. | Design and development of a high current pseudospark switch for pulse power applications |