ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ
PLASMA ENGINE WITH CLOSED ELECTRON DRIFT

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в электроракетных двигателях (ЭРД), например, в стационарных плазменных двигателях и двигателях с анодным слоем, а также в технологических плазменных ускорителях, применяемых в вакуумно-плазменной технологии.
Ускорители заряженных частиц и плазменных потоков, на основе которых кроме прочего разрабатываются как двигатели с анодным слоем (ДАС), так и стационарные плазменные двигатели (СПД), широко известны и используются для решения различных практических задач [Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л.А., М.: Машиностроение, 1974 г., с. 54-95]. Плазменные двигатели обеих схем имеют достаточно высокие интегральные и тяговые характеристики, которые достигаются, кроме прочего, за счет азимутальной равномерности распределения объемного заряда в ускорительном канале, что существенным образом влияет на КПД, направление вектора тягового усилия и ресурс работы [Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М. Машиностроение, 1989 г., с. 151].
Известен плазменный двигатель (или ускоритель) с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с ускорительным каналом, полый анод, газовый распределитель с каналами подвода и отверстиями подачи рабочего газа, магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, источники намагничивающей силы и катод-компенсатор [Патент РФ №2092983, кл. 6 Н05Н 1/54, F03H 1/00].
В такой конструкции известного плазменного двигателя функции анодного токоприемника с токоподводом и подачи газа в ускорительный канал разрядной камеры выполняются независимо друг от друга специально предназначенными для этого отдельными элементами конструкции, а именно кольцеобразным анодом и газовым распределителем, соответственно. Это усложняет конструкцию вследствие необходимости решения целого ряда технических вопросов: по автономному их размещению и креплению, изолированию разнопотенциальных элементов конструкции разных электрических цепей, и организации независимой друг от друга трассировки, как газовых трактов подачи рабочего тела, так и электрических линий токоподвода к аноду.
Известен также плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий коаксиальную разрядную камеру с наружной и внутренней стенками, образующими ускорительный канал, полый анод-газораспределитель с каналами подвода и отверстиями подачи рабочего газа, магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, источники намагничивающей силы и катод-компенсатор [Патент РФ №2191289, кл. 6 Н05Н 1/54, F03H 1/00].
В конструкции такого известного плазменного двигателя анод совмещен с газовым распределителем подачи газа, что упрощает его конструктивную схему и компоновку сборки. Однако такое совмещение различных функций в одном элементе конструкции приводит к тому, что при его работе появляются риски возникновения локальных перегревов отдельных участков анода, особенно вблизи отверстий подачи газа, что в целом приводить к постепенному снижению эффективности работы ускорителя. Наиболее вероятной причиной этого является неравномерность процесса стока и замыкания электронов на анодную поверхность в результате сильно переменной плотности газа по азимуту в прианодной области. В условиях неоднородности газа по объему ускорительного канала и равнодоступности ко всем элементам анода-газораспределителя электронов, при прочих равных условиях, процесс токопереноса электронов с большей вероятностью происходит преимущественно в зонах повышенной плотности газа, что, в свою очередь, и приводит к перераспределению объемного заряда в прианодной зоне и неравномерности плотности тока в различных зонах, и что, соответственно, приводит к неравномерному тепловыделению на различных участках в пределах одного элемента конструкции - токосъемника в виде анода. Таким образом, в местах повышенной плотности тока высока вероятность возникновения локальных перегревов отдельных элементов - то есть в данном случае наиболее критичными являются кромки отверстий подачи рабочего тела. Перегревы отдельных отверстий подачи газа существенным образом изменяют расходную характеристику протекающего газа ввиду изменения его вязкости, что в целом приведет к ухудшению азимутальной равномерности распределения газа. Работа такого плазменного ускорителя будет нестабильной и ненадежной.
Известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, содержащий разрядную камеру, формирующую ускорительный канал с зонами ионизации и ускорения рабочего газа, газовый распределитель с каналами подвода и отверстиями подачи рабочего тела, а также внутренним козырьком, анод, расположенный в глубине ускорительного канала, источники намагничивающей силы, магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, образующие рабочий межполюсный промежуток и катод-компенсатор [Патент РФ №2209532, Н05Н 1/54, F03H 1/00].
Введение в конструкцию анода-газораспределителя такого известного плазменного ускорителя, в сравнении с известным аналогом, дополнительного элемента в виде кольцеобразного плоского козырька позволило исключить риски возникновения неравномерного токопереноса и замыкания электронов на поверхности анода во время работы плазменного ускорителя преимущественно в местах расположения отверстий подачи рабочего тела путем выравнивания однородности газовой среды (плотности газа) в прианодной зоне в азимутальном направлении. Такой эффект достигается за счет того, что плоский козырек, расположенный непосредственно над отверстиями подачи рабочего тела с зазором, препятствует свободному истечению рабочего тела в виде отдельных протяженных струй газа вдоль ускорительного канала, рассеивает и дополнительно перемешивает газ, способствуя тем самым более лучшему распределению газа в ограниченном объеме. Это позволило устранить проблему локальных перегревов отдельных участков, возникающих в результате сконцентрированного токопереноса электронов преимущественно в зонах повышенной плотности газа. Это обусловлено тем, что преобладающий токоперенос в газовой среде непосредственно вдоль газовых струй рабочего тела и последующее прохождение тока через кромки относительно малых отверстий подачи газа приводит к скачкообразному увеличению плотности тока на участке малой площади с большим электрическим сопротивлением и, как результат, более интенсивному местному выделению тепловой энергии и локальному перегреву в сравнении с прилегающими участками анодной поверхности.
Однако и такому известному плазменному ускорителю присущ недостаток.
Эффективность распределения газа в ускорительном канале при помощи такого газового распределителя с плоским козырьком будет снижаться по мере увеличения расхода газа, проходящего через него, из-за очень ограниченного малого объема выходного канала, образованного между двумя параллельными поверхностями с одной стороны козырька, а с другой - самого газового распределителя. При увеличении расхода в таком плоском канале относительно ограниченной протяженности газ не успевает полностью равномерно распределиться в азимутальных направлениях от отверстий и в полости ускорительного канала распределение газа будет неудовлетворительное из-за явно выраженных зон повышенной плотности газа в местах расположения отверстий подачи газа из газового распределителя. Газовая неоднородность рабочего тела в объеме ускорительного канала приведет к азимутальной неравномерности механизма токопереноса и процесса стока (замыкания) электронов на анод, что, в свою очередь, приводит к негативным флуктуациям процесса ионообразования и его неоднородности в канале по азимуту, что при функционировании проявится в неравномерной эрозии (износу) элементов конструкции и последующей нестабильной работе плазменного ускорителя и соответствующим ограничениям его применения.
При создании изобретения решались задачи повышения надежности и расширения диапазона работы плазменного ускорителя.
Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, содержащим разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, газовый распределитель с каналами подвода и отверстиями подачи рабочего газа, а также по большей мере наружным и внутренним козырьками, анод, расположенный в ускорительном канале, магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, образующие рабочий межполюсный промежуток, по меньшей мере один источник намагничивающей силы и по меньшей мере один катод-компенсатор, согласно изобретению козырек выполнен таким, что между его нависающим краем и внешней поверхностью полого газораспределителя образована кольцеобразная щель, а в зоне выхода газа из полого газораспределителя образована дополнительная буферная и распределительная полость.
Дополнительно в козырьках могут быть выполнены распределительные отверстия рабочего тела, которые в азимутальном направлении чередуются с предшествующими отверстиями подачи рабочего газа.
Кроме того, предпочтительней чтобы, суммарное гидравлическое сопротивление распределительных отверстий было больше суммарного гидравлического сопротивления предшествующих отверстий подачи рабочего тела.
Придание козырькам такой формы, при которой между его нависающим краем и внешней поверхностью полого газораспределителя образована кольцеобразная щель, а в зоне выхода газа из полого газораспределителя образована дополнительная буферная и распределительная полость, позволяет решить задачи по повышению надежности работы плазменного двигателя в режимах повышенной мощности, а также по расширению диапазона его работы путем повышения эффективности распределения газа при повышенных расходах в ускорительном канале большей ширины и увеличенного объема за счет организации на выходе рабочего тела из газового распределителя дополнительной буферной полости ограниченного объема для обеспечения дополнительной ступени накопления газа с последующим дополнительным распределением его в азимутальном направлении перед попаданием рабочего тела непосредственно в рабочую зону ускорительного канала.
Выполнение в козырьках распределительных отверстий рабочего тела и расположение их в азимутальном направлении чередованием относительно предшествующих отверстий подачи рабочего газа позволяет повысить эффективность распределения газа как по глубине ускорительного канала, так и в прианодной области путем обеспечения свободного проникновение через козырьки части газа и покрытие анодной поверхности с целью препятствования сквозному электронному току.
Эффективность распределения газа по объему ускорительного канала будет максимальной при условии, когда суммарное гидравлическое сопротивление распределительных отверстий больше или равно суммарному гидравлическому сопротивлению предшествующих отверстий подачи рабочего тела газового распределителя.
Таким образом, реализация предложенной конструкции газового распределителя с козырьками новой формы на выходе газа позволит расширить область применения плазменного двигателя с обеспечением надежности его работы в режимах большой мощности и повышенных расходах рабочего тела.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На Фиг. 1 представлена половина осевого разреза предлагаемого плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов, в котором анод-газораспределитель имеет два ряда отверстий подачи газа в ускорительный канал, над которыми соответственно располагаются наружный и внутренний козырьки.
На Фиг. 2 показ вид А с фронтальной проекцией плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов, на которой представлено расположение распределительных отверстий в козырьках чередованием с отверстиями подачи рабочего тела, выполненных в стенке последней распределительной полости газового распределителя.
Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, согласно изобретению, состоит из коаксиальной разрядной камеры 1 с наружной 2 и внутренней кольцеобразными стенками, образующими между собой ускорительный канал 4 определенной ширины с зоной ионизации и ускорения рабочего газа, в глубине которого располагается полый кольцеобразный газовый распределитель 5 с каналами подвода 6, отверстиями подачи 7 рабочего газа, с наружным 8 и внутренним 9 кольцеобразными козырьками (или одним козырьком в зависимости от конструктивных особенностей), закрывающие собой при прямой видимости вдоль канала отверстия подачи рабочего тела. В некоторых ускорителях газовый распределитель 5 также совмещает в себе функции анода 10 (как показано в варианте конструкции на фиг. 1), для чего он дополнительно снабжается отдельной токоподводящей линией (не показана). Магнитная система плазменного ускорителя содержит магнитопровод 11, внутренний 12 и наружный 13 магнитные полюса, образующие рабочий межполюсный промежуток 14 и источники намагничивающей силы, размещенные по магнитному контуру: 15а внутренний, а 15б наружный. Снаружи плазменного ускорителя располагается катод-компенсатор 16. Полые козырьки 8, 9 на выходе газового распределителя образуют, соответственно, дополнительные распределительные полости 17, из которых рабочий газ, дополнительно распределившись по азимуту, попадает в ускорительный канал.
Для более эффективного заполнения газа в прианодной области вдоль ускорительного канала в козырьках предпочтительней выполнять дополнительные прямоточные распределительные отверстия 18. В случае группирования распределительных отверстий вблизи краев полого газового распределителя в виде, например, двух рядов - наружного и внутреннего, в козырьках распределительные отверстия выполняются также сгруппировано 18а и 18б в пределах каждого элемента конструкции. Действующий относительно малый перепад давления газа в распределительных отверстиях 18 или его отсутствие, вследствие того, что их суммарное гидравлическое сопротивление больше или близкое к гидравлическому сопротивлению соответствующей кольцеобразной щели, образованной между краем нависающего козырька и внешней поверхностью газового распределителя, обеспечивает свободное проникновение только небольшой части газа напрямую в прианодную область (в зону перед самим козырьком анода), не ухудшая при этом азимутальную равномерность распределения основной части газа в разрядной камере и сокращая время распространения газа перед анодом по глубине канала.
Плазменный двигатель работает следующим образом.
В ускорительный канал 4 разрядной камеры 1, образованный ее наружной 2 и внутренней 3 стенками, из полого газового распределителя 5, пройдя по каналу подвода 6 и отверстия подачи 7, из распределительных полостей 17 под соответствующими козырьками 8 и 9 подается рабочий газ. В межполюсном промежутке 14, образованном парой магнитных полюсов 12 и 13, при помощи источников магнитодвижущей силы 15а и 15б создается преимущественно поперечное по отношению к направлению ускорения плазмы магнитное поле. При этом генерируемый магнитный поток проходит по магнитному контуру, который содержит также магнитопровод 11. Разрядное напряжение прикладывается между анодом 10 (в варианте конструкции на чертеже объединен с газораспределителем 5) и катодом-компенсатором 21, при запуске и последующей работе между которыми инициируется основной разряд в скрещенных  электрическом и магнитном полях. Вентильные свойства поперечного магнитного поля препятствуют свободному движению электронов  от катода-компенсатора 16 к аноду 10, которые преимущественно замыкаются на внешние поверхности наружного и/или внутреннего козырьков 8 и 9. Взаимодействие электрического и магнитного полей вызывает дрейф электронов в азимутальном направлении, в процессе которого электроны ионизируют нейтральные атомы (n) рабочего газа. Образовавшиеся в газовом разряде ионы  ускоряются за счет приложенного напряжения между катодом-компенсатором и анодом. На выходе ускорительного канала поток ускоренных ионов компенсируется частью электронов, имитируемых катодом-компенсатором 16. Таким образом, часть электронов, выходящих из катода-компенсатора, поступают обратным током в разрядную камеру 1, участвуя при этом в ионизационных процессах рабочего газа, а другая их часть нейтрализует ускоренный ионный поток за пределами ускорительного канала 4.
В варианте конструкции плазменного двигателя увеличенного типоразмера и, соответственно, всех его геометрических размеров, включая линейные размеры и ширину ускорительного канала 4, предпочтительней козырьки анода-газораспределителя выполнять со сквозными распределительными отверстиями 18, улучшающими динамику процесса заполнения газом, в особенности непосредственно над поверхностью козырька и добиться более лучшего распределения газа по объему всего ускорительного канала в прианодной области не только в азимутальном направлении, но и по его глубине.
Использование предложенного изобретения в космической технике позволит создавать надежные электроракетные двигатели (ЭРД) на базе плазменных ускорителей, способных работать в режимах повышенной мощности от 4 до 10 кВт и более, для выполнения разнообразных трансферных задач в составе космических аппаратов (КА).
Использование данного изобретения в ионно-плазменной технологии позволит производить более эффективное промышленное оборудование повышенной мощности в виде технологических источников плазмы для процессов нанесения различных покрытий и сухого травления материалов.