ПЛАЗМЕННЫЙ ПОЛЫЙ КАТОД-КОМПЕНСАТОР
HOLLOW PLASMA CATHODE-COMPENSATOR

Изобретение относится к плазменной технике, а именно, к плазменным полым катодам-компенсаторам, работающих на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях для нейтрализации ускоренного ионного потока плазмы, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для -ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, и в качестве автономно функционирующего источника плазмы.
th
Одним из критичных элементов конструкции стационарных плазменных двигателей (СПД) является плазменный полый катод-компенсатор, что обуславливается его собственным термонапряженным режимом работы, сопровождающимся большим количеством включений, и испытываемых им вследствие этого знакопеременным тепловым воздействиям, что, в свою очередь, приводит как к ограничению его собственного ресурса, так и к снижению надежности СПД в целом [Arkhipov. В., et al, "The Results of 7000 Hour SPT-100 Life Testing", IEPC-95-039, 24 International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995, Fig. 1, 16].
Известен плазменный полый катод-компенсатор, содержащий эмиссионный узел с трубкой подвода газа, состоящий из капсулы с размещенным внутри нее эмиттером, и поджигной электрод, изготовленный из магнитопроводящего материала, наружная поверхность которого покрыта материалом со степенью черноты не менее 0,75 [Патент РФ №2663241, МПК H01J 37/077, F03H 1/00, Н05Н 1/54, 2017 г.].
Основным недостатком известного плазменного полого катода-компенсатора является ограничение ресурса работы из-за недолговечности деталей его поджигного электрода вследствие частичной эрозии и разрушений деталей от воздействия ускоренного потока плазмы.
Известен плазменный полый катод-компенсатор, принятый за прототип, содержащий корпус, поджигной электрод, эмиссионный узел с трубкой подвода газа и размещенный между корпусом и поджигным электродом соосно им керамический колпачок. С поджигным электродом керамический колпачок сопряжен частью своей боковой поверхности посредством резьбы, а с корпусом - частью своей боковой поверхности, на которой выполнены канавки, заполненные алюмохромфосфатным клеем [Патент РФ №2173001, МПК Н01J 37/077, F03H 1/00, 2000 г.]. Ресурс работы этой конструкции катода-компенсатора увеличен за счет уменьшения скорости разрушения поджигного электрода путем введения в конструкцию дополнительного керамического колпачка, охватывающего поджигной электрод с внешних сторон, из материала более стойкого к распылению и эрозии при бомбардировке высокоэнергетичными ионами ускоренной плазменной струи.
Однако известному плазменному полому катоду-компенсатору присущ следующий недостаток. Используемые в конструкции клеевые соединения деталей из высокотемпературных разнородных материалов (тугоплавких металлов или сплавов на их основе с различными видами керамики на основе нитрида бора) имеют ограничения по ресурсной наработке - в особенности по количеству включений. Так, в результате многократных включений и теплосмен такой конструкции, сопровождающихся значительными изменениями температур в очень большом диапазоне, в клеевых соединениях из-за разных коэффициентов термических линейных расширений деталей возникают различные термические напряжения, в результате разности которых и образуются трещины в клее. С ресурсной наработкой количество трещин постепенно, увеличивается и происходят локальные выкрашивания частиц материала клея, из-за чего нарушается его целостность, и такое клеевое соединение постепенно ослабевает. Это приводит к радиальным и осевым (продольным) взаимным смещениям металлических и керамических деталей и, как следствие, к потери требуемого взаимного расположения элементов конструкции катода-компенсатора из разнородных материалов по соосности, а рабочие параметры и характеристики катода при этом деградируют вплоть до значительных превышений начальных полей допусков.
При создании изобретения решалась задача увеличения ресурса работы плазменного полого катода-компенсатора при одновременном повышении надежности его эксплуатации в условиях многократных знакопеременных тепловых воздействиях.
Поставленная задача решена за счет того, что в плазменном полом катоде-компенсаторе, содержащим корпус, поджигной электрод, эмиссионный узел с трубкой подвода газа и размещенный между корпусом и поджигным электродом соосно им керамический колпачок, который своей боковой поверхностью сопряжен с поджигным электродом посредством резьбы, а с корпусом при помощи клеевого соединения, заполняющего ряд сквозных отверстий в корпусе и канавки на наружной боковой поверхности керамического колпачка, согласно изобретению, резьба на поджигном электроде выполнена по меньшей мере на двух участках, между которыми выполнены упругие юбки, расположенные относительно друг друга по схеме «ласточкин хвост», торцевая поверхность сопряжения керамического колпачка выполнена под углом, близким углу наклона сопрягаемой с ним юбки, между корпусом и поджигным электродом соосно им дополнительно размещено поджимающее керамическое кольцо, торцевая поверхность сопряжения которого выполнена под углом, близким углу наклона сопрягаемой с ним другой юбки, причем внутренняя поверхность поджимающего керамического кольца сопряжена с корпусом посредством резьбы, а наружная поверхность сопряжена с поджигным электродом посредством клеевого соединения. Керамический колпачок сопряжен на участке с поджимающим керамическим кольцом при помощи их цилиндрических поверхностей. На наружной боковой поверхности. поджимающего керамического кольца выполнены канавки. В корпусе, в местах сопряжения его с поджимающим керамическим кольцом, по окружности выполнен дополнительный ряд сквозных отверстий.
Выполнение резьбы на поджигном электроде в виде прерывистой и состоящей по меньшей мере из двух участков, между которыми выполнены упругие юбки, расположенные относительно друг друга по схеме «ласточкин хвост», придание торцевой поверхности сопряжения керамического колпачка конусообразности с углом образующей, близким углу наклона сопрягаемой с ним упругой юбки, размещение между корпусом и поджигным электродом соосно им дополнительного поджимающего керамического кольца, торцевая поверхность сопряжения которого выполнена под углом, близким углу наклона сопрягаемой с ним другой упругой юбки, при сопряжении внутренней поверхности поджимающего керамического кольца с корпусом посредством резьбы, а наружной поверхности с поджигным электродом посредством клеевого соединения позволяет решить задачу повышения рабочего ресурса плазменного полого катода-компенсатора путем перехода к металлокерамическому упругому соединению, которое компенсирует разницу геометрических деформаций разнородных материалов с одновременным сохранением взаимного расположения элементов конструкции по критерию их соосности и исключению продольной подвижности в условиях действия многократных тепловых смен в течение длительного ресурса.
Сопряжение керамического колпачка на участке с поджимающим керамическим кольцом при помощи их цилиндрических поверхностей позволяет решить задачу по обеспечению повышенных требований по соосности двух керамических деталей путем формирования ограниченного участка сопряжения с минимальным зазором и выравнивания термических напряжений в клеевых соединениях разных керамических деталей.
Выполнение на наружной боковой поверхности поджимающего керамического кольца дополнительных канавок позволяет решить задачу по повышению надежности клеевого соединения путем развития и увеличения площади поверхностей в клеевом соединении за счет увеличения сил адгезии клея.
Выполнение в корпусе в местах сопряжения его с поджимающим керамическим кольцом по окружности дополнительного ряда сквозных отверстий позволяет решить задачу по дополнительному повышению надежности клеевого соединения путем более существенного развития и увеличения площади поверхностей в клеевом соединении за счет более значительного наращивания суммарных сил адгезии клея.
Таким образом, плазменный полый катод-компенсатор, изготовленный согласно изобретению, в котором реализовано упруго-подвижное соединение разнородных материалов по схеме «металл-керамика», позволяет увеличить ресурс работы катода-компенсатора и повысить его надежность эксплуатации в условиях многократных знакопеременных тепловых воздействиях при его включениях и последующей работе, а также выключениях и нахождении его в паузах между работой или в режиме ожидания в условиях космического пространства.
Изобретение иллюстрируется чертежами где на фиг. 1 изображен осевой разрез предлагаемого плазменного полого катода-компенсатора, на котором также показан источник электрического питания элементов катода, необходимый для его работы; на фиг. 2 показан выносной элемент А (с увеличенным масштабом).
Плазменный полый катод-компенсатор содержит корпус 1, поджигной электрод 2, эмиссионный узел 3 с трубкой подвода газа 4 и размещенный между корпусом 1 и поджигным электродом 2 соосно им керамический колпачок 5. Керамический колпачок 5 своей боковой поверхностью 6 соединен с поджигным электродом 2 при помощи резьбы 7, а с корпусом при помощи клеевого соединения, клей которого заполняет ряд сквозных отверстий 8 в корпусе 1 и канавки 9, выполненные на наружной боковой поверхности 6 керамического колпачка 5. Резьба на поджигном электроде 2 выполнена по меньшей мере в виде двух участков 7а и 7б, между которыми выполнены упругие юбки 10 и 11, расположенные относительно друг друга по схеме «ласточкин хвост». Торцевая поверхность сопряжения 12 керамического колпачка 5 расположена под углом, близким к углу наклона сопрягаемой с ним юбки 11. Между корпусом 1 и поджигным электродом 2 соосно им размещено дополнительное поджимающее керамическое кольцо 13, торцевая поверхность сопряжения 14 которого выполнена под углом, близким к углу наклона сопрягаемой с ним другой юбки 10, причем внутренняя поверхность поджимающего керамического кольца 13 сопряжена с корпусом 1 посредством резьбы 15, тогда как наружная поверхность сопряжена с поджигным электродом 2 посредством дополнительного клеевого соединения. Керамический колпачок 5 частично сопрягается на участке 16 с поджимающим керамическим кольцом 13 при помощи их цилиндрических поверхностей. В осевом встречном направлении между поджимающим керамическим кольцом 13 и керамическим колпачком 5 образован продольный зазор L, гарантирующий обеспечение механических деформаций при поджатиях керамических деталей на упругие юбки 10 и 11. На наружной боковой поверхности поджимающего керамического кольца 13 могут быть выполнены канавки 17. В корпусе 1 в местах сопряжения его с поджимающим керамическим кольцом 13 по окружности может быть выполнен дополнительный ряд сквозных отверстий 18.
Плазменный полый катод-компенсатор работает следующим образом.
Плазмообразующее рабочее тело (например, газообразный ксенон или другие инертные газы), поступающее под давлением последовательно через трубку подвода газа 4 в эмиссионный узел 3, ионизируется за счет энергии, выделяющейся при электрическом пробое в газе во время подачи напряжения по токоподводящей линии поджигного импульса от источника электрического питания. Электрическая схема подсоединений элементов плазменного полого катода-компенсатора осуществляется следующим образом: клемма "+" источника электрического питания соединена с пусковым электродом 2, тогда как клемма "-" источника электрического питания может быть присоединена, например, к элементам эмиссионного узла 3. При подаче поджигного импульса при помощи поджигного электрода 2 возникает эмиссия электронов в эмиссионном узле 3 и происходит зажигание разряда плазмы на выходе из катода-компенсатора. В процессе своей работы эмиссионный узел 3 разогревается до высоких температур не менее 1000°С и, соответственно, нагреваются за счет теплопередачи излучением и окружающие его элементы конструкции, включая непосредственно сам поджигной электрод 2 совместно с контактирующими, с ним деталями через резьбовые соединения 7а и 7б: через внутреннюю поверхность резьбы 15 дополнительного поджимного керамического кольца 13 и боковую поверхность 6 керамического колпачка 5. При нагревании поджигного электрода 2 возникают термические деформации в результате повышенных линейных расширений, которые передаются и воздействуют на поверхности сопрягаемых с ним керамических деталей, то есть на керамический колпачок 5 и дополнительное поджимающее керамическое кольцо 13. При этом контактные термические напряжения, возникающие в местах сопряжений между торцевой поверхностью 12 керамического колпачка и упругой юбкой 11 поджигного электрода 2, а также между торцевой поверхностью 14 дополнительного поджимающего керамического кольца 13 и упругой юбкой 10 поджигного электрода 2, компенсируются за счет трения-скольжения сопрягаемых конусообразных поверхностей и сил упругости предварительно согнутых юбок 10 и 11, которые обеспечиваются при сборки катода-компенсатора на стадии его изготовления, в процессе которого формирование сил упругости в указанных выше соединениях «металл-керамика» обеспечивается за счет изгибов упругих юбок 10 и 11, радиальных зазоров конструкции и линейного гарантирующего зазора L.
Единое клеевое соединение между корпусом 1 и керамическим колпачком 5 объединяет в себе заполненные им ряд сквозных отверстий 8 и канавок 9.
Взаимное центрирование керамического колпачка 5 и поджимающего керамического кольца 13 обеспечивается за счет сопряжения их цилиндрических поверхностей на участке 16 с минимальным радиальным зазором.
Клеевое соединение между поджимающим керамическим кольцом и корпусом может быть дополнительно усилено как за счет канавок 17 на наружной боковой поверхности поджимающего керамического кольца 13, так и дополнительного ряда сквозных отверстий 18 в корпусе 1. Таким образом, единое клеевое соединение между корпусом 1 и дополнительным поджимным керамическим кольцом 13 объединяет в себе заполненные им дополнительный ряд сквозных отверстий 18 и канавок 17.
Промышленная реализуемость предложенного изобретения апробирована изготовлением опытных образцов предлагаемого поджигного электрода для плазменного полого катода-компенсатора повышенной мощности с рабочими токами порядка 25 А.