УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ РЕГУЛИРУЕМОЙ СИЛЫ ТЯГИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ИОННОМ ДВИГАТЕЛЕ

Полезная модель относится к технике, в частности к электрическим ионным двигателям.
Известен ионный двигатель [авторское свидетельство SU №682150], содержащий газоразрядную камеру и многолучевую ионно-оптическую систему, образованную ускоряющим и замедляющим электродами, в которых выполнено большое число соосных отверстий.
Известно также устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе [патент на изобретение US №483802], содержащее газоразрядную камеру и ионно-оптическую систему, образованную двумя электродами (экранным и ускоряющим), между которыми прикладывают постоянную ускоряющую разность потенциалов.
Однако для реализации этого устройства необходим громоздкий накопитель электрической энергии (обычно это конденсаторная батарея большой емкости), а также сложный блок коммутации для возбуждения импульсного разряда, включающий в себя микроконтроллер.
Известен также способ формирования перфорированного непланарного электрода, ионно-оптическая система и ионный двигатель малой тяги [патент на изобретение Ru №2153187], содержащий газоразрядную камеру и ионно-оптическую систему, состоящую, по крайней мере, из трех близко расположенных электродов, названных экранной, ускоряющей и замедляющей сетками. Этими сетками формируется периодическая структура наборов отверстий, причем каждый набор отверстий включает в себя одно отверстие каждой из трех сеток. Недостатком аналога является высокая эрозия ускорительной сетки, определяемая большой энергией ионов, которую они приобретают при прохождении ускоряющего зазора между экранной и ускоряющей сетками.
Наиболее близким аналогом является устройство для ускорения потока заряженных частиц [патент на изобретение RU №2104411], содержащее плазменный источник (газоразрядную камеру) и многолучевую ионно-оптическую систему, имеющую, по крайней мере, три электрода последовательно расположенных на удалении друг от друга, причем первый электрод (экранный) является торцевой стенкой газоразрядной камеры и заряжен положительно. Второй, ускоряющий электрод, заряжен отрицательно. Для улучшения структуры ионного потока после ускоряющего электрода устанавливают третий - замедляющий электрод, подтормаживающий наиболее быстрые ионы. Формирование многолучевого потока осуществляется за счет того, что в электродах ионно-оптической системы выполнена совокупность отдельных соосных отверстий для пролета индивидуальных ионных пучков.
Недостатками наиболее близкого аналога является то, что для достижения высокой скорости ионной струи в ускоряющей системе необходимо поддерживать высокое ускоряющее напряжение (30-50 кВ), что сопряжено с опасностью электрического пробоя в разделяющих электроды изоляционных элементах или непосредственно в рабочем промежутке.
Кроме того, для плавного регулирования скорости ионной струи необходимо вводить в источник ускоряющего напряжения специальные схемы управления величиной ускоряющего напряжения, выполненные, например, на тиристорах. Это вынуждает повышать мощность источника питания двигателя и приводит к увеличению габаритов и массы всего устройства.
Задача заявляемой полезной модели заключается в создании устройства, характеризующегося высокой и плавно регулируемой скоростью ионного потока при пониженном ускоряющем напряжении, а это уменьшает опасность электрического пробоя между электродами многолучевой ионно-оптической системы, снижает мощность источника ускоряющего напряжения, массу и габариты двигателя.
1
2
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что устройство содержит газоразрядную камеру, источники ускоряющего и тормозящего напряжения, соединенные с элементами многолучевой ионно-оптической системы, представляющими собой три последовательно расположенных на удалении друг от друга электрода: экранный, являющийся торцевой стенкой газоразрядной камеры, ускоряющий и замедляющий, имеющих отверстия для пролета индивидуальных ионных пучков; в устройство дополнительно введены управляющий электрод, расположенный между ускоряющим и экранным электродами на расстоянии d от последнего и имеющий отверстия, центры которых совпадают с центрами отверстий для пролета индивидуальных ионных пучков; источник постоянного напряжения; два резонансных контура: входной параллельный резонансный контур, включенный между экранным и управляющим электродами, и выходной параллельный резонансный контур, включенный между ускоряющим и замедляющим электродами, расположенными на расстоянии d друг от друга; генератор высокочастотных колебаний; витки связи и две высокочастотные линии связи, посредством которых генератор высокочастотных
колебаний соединен с обоими резонансными контурами; аттенюатор, включенный в линию связи с входным параллельным резонансным контуром; фазовращатель, включенный в линию связи с выходным параллельным резонансным контуром; причем значения параметров устройства подчинены соотношениям:
,
,
где  - длина волны высокочастотных колебаний, м;
1
d - расстояние между управляющим и экранным электродами, м;
2
d - расстояние между ускоряющим и замедляющим электродами, м;
1
U - постоянная разность потенциалов между экранным и управляющим электродами, В;
2
U- постоянная разность потенциалов между экранным и ускоряющим электродами, В;
зам
3
2
3
2
К=U/U- коэффициент замедления, определяемый отношением постоянного напряжения на замедляющем электроде - U к постоянному напряжению на ускоряющем электроде - U;
i
M - относительная масса ионов, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.);
m1
U - амплитуда высокочастотного напряжения между управляющим и экранным электродами, В.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в решении поставленной ранее задачи, а именно - достижение высокой и плавно регулируемой скорости ионной струи в ускоряющей системе при уменьшенных, по сравнению с прототипом, величины ускоряющего напряжения, а также габаритах и массе всего аппарата.
Это обеспечивается за счет дополнительного ускорения ионов высокочастотным полем на выходе ускоряющей системы, которое
1
достигается путем предварительной высокочастотной модуляции ионов по плотности (в области, примыкающей к экранному электроду) и последующего ускорения их в сильном высокочастотном поле в промежутке между ускоряющим и замедляющим электродами. Для этого между ускоряющим и экранным электродами на расстоянии d от экранного дополнительно вводят управляющий электрод с отверстиями, соосными отверстиям электродов многолучевой ионно-оптической системы, между экранным и управляющим электродами подключают входной параллельный резонансный контур, а между ускоряющим и замедляющим электродами - выходной параллельный резонансный контур.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью фиг.1, на которой представлена схема устройства для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе.
На фиг.1 позициями 1-20 обозначены:
1 - газоразрядная камера;
2 - экранный электрод;
3 - ускоряющий электрод;
4 - замедляющий электрод;
5 - отверстия электродов;
6 - источник ускоряющего напряжения;
7 - источник тормозящего напряжения;
8 - управляющий электрод;
9 - отверстия управляющего электрода;
10 - входной параллельный резонансный контур;
11 - источник постоянного напряжения;
12 - выходной параллельный резонансный контур;
13 - первый виток связи;
14 - второй виток связи;
15 - первая высокочастотная линия;
16 - вторая высокочастотная линия;
17 - генератор высокочастотных колебаний;
18 - аттенюатор;
19 - фазовращатель;
20 - термоэлектронный источник.
Заявляемое устройство содержит газоразрядную камеру 1 для ионизации рабочего газа, многолучевую ионно-оптическую систему, представляющую собой три последовательно расположенных на удалении друг от друга электрода: экранный электрод 2, являющийся торцевой стенкой газоразрядной камеры 1, ускоряющий 3 и замедляющий 4 электроды.
1
Все три электрода выполнены с соосными отверстиями 5, для пролета индивидуальных ионных пучков. С элементами многолучевой ионно-оптической системы соединены источники ускоряющего 6 и тормозящего 7 напряжений. Между экранным 2 и ускоряющим 3 электродами на расстоянии d от экранного электрода установлен управляющий электрод 8, имеющий отверстия 9, соосные отверстиям 5 электродов 2, 3, 4.
2
Между электродами экранным 2 и управляющим 8 включен входной параллельный резонансный контур 10, с которым соединен источник постоянного напряжения 11. Между ускоряющим 3 и замедляющим 4 электродами, установленными на расстоянии d друг от друга, включен выходной параллельный резонансный контур 12.
Оба резонансных контура 10, 12 соединены посредством витков связи 13, 14 и двух высокочастотных линий связи 15, 16 с генератором высокочастотных колебаний 17.
В линии связи с входным параллельным резонансным контуром 10 включен аттенюатор 18, а в линии связи с выходным параллельным резонансным контуром 12 - фазовращатель 19. На выходе двигателя устанавливают термоэлектронный источник 20.
Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе работает следующим образом. Настраивают
оба параллельных резонансных контура 10, 12 на одну резонансную частоту и после инициирования разряда в газоразрядной камере 1 и подачи отрицательного напряжения смещения между экранным 2 и управляющим 8 электродами от источника постоянного напряжения питания 11, а также постоянного напряжения на ускоряющий и замедляющий электроды от источника ускоряющего напряжения 6 и источника тормозящего напряжения 7 соответственно, возбуждают входной параллельный резонансный контур 10 небольшой частью высокочастотной мощности от генератора высокочастотных колебаний 17, снабженного устройствами для регулирования амплитуды и фазы выходного сигнала. Большую часть выходной мощности генератора высокочастотных колебаний 17 подают на выходной параллельный резонансный контур 12, а фазу высокочастотного напряжения, действующего между ускоряющим 3 и замедляющим 4 электродами, подбирают с помощью фазовращателя 19 так, чтобы она совпадала с фазой сгустков ионов в сгруппированном многолучевом ионном потоке. Причем длину волны генератора высокочастотных колебаний 17 выбирают из следующего условия:
где  - длина волны высокочастотных колебаний, м;
2
U- разность потенциалов между экранным и ускоряющим электрода-ми, В;
зам
3
2
3
2
К=U/U - коэффициент замедления, определяемый отношением постоянного напряжения на замедляющем электроде - U к постоянному напряжению на ускоряющем электроде - U;
i
M- относительная масса ионов в а.е.м.;
2
d - расстояние между ускоряющим и замедляющим электродами, м.
При длине волны, меньшей, чем указано в соотношении (1), эффективность взаимодействия ионов с высокочастотным полем в выходном зазоре снижается из-за проявления эффекта инерции. Это приводит к
уменьшению скорости ионного потока, так же, как и в линейных ускорителях ионов.
m1
Силу тяги плавно регулируют с помощью аттенюатора 18, изменяя величину амплитуды высокочастотного напряжения U, действующего между управляющим 8 и экранным 2 электродами, выбирая ее из условия:
, (2)
Установленный на выходе двигателя термоэлектронный источник 20 обеспечивает нейтрализацию пространственного заряда ионного потока.
Реализация предлагаемого устройства поясняется следующими примерами:
Пример №1.
1
Рассчитаем расстояние d между экранным и управляющим электродами по предлагаемому соотношению:
Возьмем в качестве примера следующие, типичные для многолучевого ионного двигателя, работающего на ионах ксенона (Хе), параметры:
М=131.29 а.е.м.
2
d=5 м,
2
U=5000 B,
зам
К=0.7.
1
U=2500 В.
m1
1
U/U=0,5.
1
Сверху величина d при выбранных параметрах ограничена условием:
м.
1 мин
1
мин
Снизу величина d ограничена условием возникновения электрического пробоя. Максимальная напряженность электрического поля на расстоянии между экранным и управляющим электродами d может быть приближенно определено по формуле:
В/м.
1 мин
Из этого соотношения определим d, подставив в него заданные параметры:
1
U=2500 В.
m1
1
U/U=0.5.
м.
Пример №2.
Рассчитаем длину волны генератора высокочастотных колебаний, по предлагаемой формуле:
(1)
2
2
зам
-3
Возьмем в качестве исходных данных параметры примера №1. М=131.29 a.e.м., d=5·10 м, U=5000 В, К=0.7.
После подстановки этих параметров в формулу (1), получаем ограничительные условия для выбора длины волны, при которой эффективность преобразования энергии высокочастотных колебаний в энергию ионного потока высока:
м.
Переходя от длины волны к рабочей частоте, имеем
F=300/2.506 МГц.
На более высоких частотах проявляется эффект инерции ионов и коэффициент полезного действия устройства падает.
м.
Пример №3
2
2
3
m2
*
Определим скорость ионов на выходе ионного двигателя. В случае плоскопараллельных электродов, расположенных на расстоянии d друг от друга и находящихся под потенциалами U и U+U cos(t), скорость ионов может быть вычислена по формуле:
,
m2
i
где U - амплитуда высокочастотного напряжения, действующего между ускоряющим и замедляющим электродами, М - масса ионов.
Эта формула может быть переписана в виде:
,
m2
3
где =U/U - относительная амплитуда высокочастотного напряжения на расстоянии между ускоряющим и замедляющим электродами.
2
3
i
Полагая М=131.29 а.е.м., =1, U=5000 В, U=3500 В, получаем - V=93.5 км/сек.
2
3
i
При отсутствии модуляции =0, U=5000 В, U=3500 В, V=78.73 км/сек.
2
3
Таким образом, введение при низких ускоряющих напряжениях (U, U) высокочастотной модуляции и ускорения ионного потока увеличивает скорость ионной струи на выходе устройства, при выбранных параметрах, примерно в 1.2 раза. Для достижения того же результата в прототипе потребовалось бы большие ускоряющие напряжения. Скорость ионного потока в заявляемом устройстве можно плавно регулировать, изменяя амплитуду и фазу модулирующего высокочастотного напряжения.
Следовательно, задача заявляемой полезной модели, заключающаяся в создании устройства, характеризующегося высокой и плавно регулируемой скоростью ионного потока при пониженном ускоряющем напряжении выполнена. При этом уменьшена опасность электрического пробоя между электродами многолучевой ионно-оптической системы и
могут быть снижены мощность источника ускоряющего напряжения, масса и габариты двигателя.