УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ РЕГУЛИРУЕМОЙ СИЛЫ ТЯГИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ИОННОМ ДВИГАТЕЛЕ

Полезная модель относится к ракетной технике, в частности, к электрическим ионным двигателям.
Известно устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ракетном двигателе (патент на изобретение US №4838021, МПК: F03H 1/00), содержащее ионизационную камеру и ионно-оптическую систему с двумя электродами (экранный и ускоряющий), между которыми прикладывают постоянную ускоряющую разность потенциалов. Модуляцию тока многолучевого ионного потока осуществляют за счет импульсной модуляции тока разряда в ионизационной камере.
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.
Известно также устройство для ускорения космического аппарата потоком заряженных частиц (патент на изобретение RU №2104411, МПК: F03H 1/00, B64G 1/40), содержащее плазменный источник (ионизатор) и многолучевую ионно-оптическую систему, имеющую три электрода последовательно расположенных на удалении друг от друга, причем первый электрод (экранный) является торцевой стенкой ионизатора и заряжен положительно. Второй, отрицательно заряженный электрод, служит для ускорения ионного потока. Для улучшения структуры ионного потока после ускоряющего электрода установлен третий замедляющий электрод, подтормаживающий наиболее быстрые ионы. Формирование многолучевого потока осуществляется за счет того, что в электродах ионно-оптической системы выполнена совокупность отдельных продольных каналов для пролета индивидуальных ионных пучков, а центры каналов и соответствующие этим каналам центры фокусирующих поверхностей, выполненных на внешней стороне экранного электрода, расположены на более чем одной концентрических окружностях относительно оси двигателя.
Недостатком этого устройства является то, что для достижения высокой скорости ионного потока в ускоряющей системе между экранным и ускоряющим электродами необходимо поддерживать высокое ускоряющее напряжение (10…50 кВ), что сопряжено с опасностью электрического пробоя в разделяющих электроды изоляционных элементах или непосредственно в рабочем промежутке. Кроме того, попадание ионов на стенки пролетных каналов может вызвать разрушение электродов реактивного ионного двигателя.
Для устранения этого недостатка в патенте US №6318069 «Ion thruster having grids made of oriented pyrolytic graphite» предложено выполнять сетки трехэлектродного ионного двигателя из пиролитического графита.
Дальнейшее увеличение скорости ионного потока возможно в четырехсеточном ионном двигателе (см. Feam D.G. "The use of ion thruster for orbit raising // J. Brit. Interplan Soc. V.33, 1980-PP 129-137).
В данном устройстве ионы ускоряют в две стадии. Плазма имеет потенциал, примерно равный анодному Ua=+(20…30) кВ. На первой стадии ускорения ионы извлекают из газоразрядной камеры, используя первые две сетки (экранную и извлекающую) с ограничением разности потенциалов между ними до величины, меньшей 0.85 Ua. Это необходимо для предотвращения чрезмерного искривления поверхности плазмы и, соответственно, исключения направленного попадания части ионов на извлекающую сетку. Вторая стадия ускорения происходит между двумя последовательно расположенными электродами (извлекающим и ускоряющим) за счет наличия на ускоряющем электроде постоянного потенциала, достигающего величины примерно -0.07 Ua. Эти электроды удалены друг от друга на расстояние, исключающее вероятность электрического пробоя. Четвертый электрод в данном устройстве играет такую же роль, как третий (замедляющий) электрод в трехэлектродной схеме. На него подают нулевой потенциал. Этот электрод уменьшает расходимость ионных лучей, связанную с влиянием пространственного заряда. В конечном итоге на выходе из двигателя ионы могут ускориться до скорости порядка 150 км/с.
Однако в данном двигателе регулировка силы тяги также затруднена, как и в случае двухэлектродной ускоряющей системы. При этом импульс тяги можно менять путем варьирования частоты включений ионного двигателя и изменением длительности импульсов за счет импульсной модуляции тока разряда в ионизационной камере.
Для осуществления космических полетов к дальним планетам необходимы реактивные двигатели с большей скоростью ионного потока и регулируемой силой тяги.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе (патент на полезную модель RU №73405, МПК: F03H 1/00, B64G 1/40), включающее газоразрядную камеру, источники постоянного ускоряющего и тормозящего напряжения, генератор высокочастотных колебаний и два параллельных резонансных контура, соединенных с четырьмя последовательно расположенными на удалении друг от друга экранным, извлекающим, ускоряющим и замедляющим электродами с отверстиями для прохождения ионного потока. При этом входной параллельный резонансный контур включен между экранным и извлекающим электродами, отверстия в которых выполнены соосно, а выходной параллельный резонансный контур, включен между ускоряющим и замедляющим электродами, причем оба контура соединены с генератором высокочастотных колебаний с помощью витков связи и двух высокочастотных линий связи, одна из которых включает в себя аттенюатор и соединена с входным параллельным резонансным контуром, а другая включает в себя фазовращатель и соединена с выходным параллельным резонансным контуром.
В данном устройстве сохраняются все достоинства аналога и появляется дополнительная возможность высокочастотного ускорения ионного потока в промежутке между ускоряющим и тормозящим электродами, на котором действует ВЧ напряжение генератора. Это напряжение синхронизировано по фазе с фазой ионных сгустков, образующихся за счет модуляции ионов по плотности в пространстве «экранный и извлекающий электроды». За счет аттенюатора можно изменять амплитуду ВЧ напряжения на первом ускоряющем промежутке и, следовательно, плавно регулировать силу тяги.
Одним из недостатков прототипа, имеющего четырехэлектродную конструкцию электродов, предназначенную для пропускания многолучевого ионного потока, является трудность точной механической центровки осей всех пролетных каналов ионных пучков. При высокочастотном ускорении невозможно полностью предотвратить попадание на ускоряющие отрицательные электроды разгоняемых ионов. Это ведет к их бесполезной потере, снижению потенциала ускоряющего электрода (и в результате - к дополнительному расходованию электроэнергии), а также к возникновению во внешней межэлектродной цепи вредного электрического тока, вызывающего нагрев конструкции. Кроме того, столкновение быстро движущихся ионов с ускоряющими электродами, выполненными из молибдена, может привести к эрозии и разрушению этих электродов. Положение плазменной границы сильно зависит от величины приложенного напряжения между экранным и извлекающим электродами. При наличии переменного ВЧ напряжения между этими электродами может произойти уменьшение электрической прочности извлекающего зазора (пробой) за счет появления в этом зазоре электронов, движущихся перпендикулярно к плазменной границе. Это ограничивает величину ускоряющего напряжения и, следовательно, скорость реактивной струи.
Задачей полезной модели является увеличение скорости ионного потока за счет повышения величины ускоряющего напряжения на первой стадии ускорения при увеличенной электрической прочности извлекающего зазора, а также уменьшение вероятности эрозии и разрушения экранного, извлекающего, ускоряющего и замедляющего электродов путем рационального выбора формы отверстий для прохождения ионного потока и материала этих электродов.
Поставленная задача решается тем, что устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе, содержащее осесимметричную газоразрядную камеру, источники постоянного ускоряющего и тормозящего напряжения, генератор высокочастотных колебаний, входной и выходной параллельный резонансные контуры, соединенные с четырьмя последовательно расположенными по направлению движения ионного потока экранным, извлекающим, ускоряющим и замедляющим электродами, имеющими отверстия для пролета отдельных ионных пучков, так что входной параллельный резонансный контур включен между экранным и извлекающим электродами, а выходной параллельный резонансный контур включен между ускоряющим и замедляющим электродами, при этом отверстия в экранном и извлекающем электродах выполнены соосно, оба резонансных контура соединены с генератором высокочастотных колебаний с помощью витков связи и двух высокочастотных линий связи, одна из которых включает в себя аттенюатор и соединена с входным параллельным резонансным контуром, а другая включает в себя фазовращатель и соединена с выходным параллельным резонансным контуром, согласно предлагаемому решению содержит источник возбуждения газового разряда, подключенный к газоразрядной камере, которая снабжена источником магнитного поля, расположенным с возможностью создания направления индукции магнитного поля и оси шнура газового разряда перпендикулярно направлению движения многолучевого ионного потока.
Ось газоразрядной камеры ориентирована перпендикулярно направлению движения ионного потока. По крайней мере, экранный и извлекающий электроды выполнены из ориентированного пиролитического графита, при этом отверстия в экранном и извлекающем электродах расположены, по крайней мере, в два ряда, параллельные оси газоразрядной камеры, а количество отверстий в каждом ряду превышает количество рядов. Отверстия в ускоряющем и замедляющем электродах выполнены в виде щелей, расположенных параллельно оси газоразрядной камеры для пропускания общего многолучевого ленточного ионного потока.
Устройство снабжено также нейтрализатором ионного потока.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого устройства. Позициями на чертеже обозначены:
1 - газоразрядная камера; 2, 3, 4 - источники постоянного ускоряющего напряжения; 5 - источник тормозящего напряжения; 6 - генератор высокочастотных колебаний; 7, 8 - входной и выходной параллельные резонансные контуры, соответственно; 9 - экранный электрод; 10 - извлекающий электрод; 11 - ускоряющий электрод; 12 - замедляющий электрод; 13 - отверстия для пролета отдельных ионных пучков; 14 - витки связи; 15, 16 - высокочастотные линии связи; 17 - аттенюатор; 18 - фазовращатель; 19 - источник возбуждения газового разряда; 20 - источник магнитного поля; 21 - отверстия в ускоряющем и замедляющем электродах; 22 - нейтрализатор ионного потока; 23 - питатель; 24 - вольфрамовая спираль; 25 - анод.
1
2
Утройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе содержит осесимметричную газоразрядную камеру 1, ось которой ориентирована перпендикулярно направлению движения ионного потока, четыре последовательно расположенных на удалении друг от друга электрода: экранный электрод 9, являющийся торцевой стенкой газоразрядной камеры 1, извлекающий электрод 10, установленный на расстоянии d от экранного, ускоряющий электрод 11 и замедляющий электрод 12, установленный на расстоянии d от ускоряющего электрода. Экранный 9 и извлекающий 10 электроды выполнены с соосными отверстиями для пролета отдельных ионных пучков 13, при этом отверстия расположены на более чем одном линейном ряде относительно оси газоразрядной камеры, а количество рядов отверстий в продольном, относительно оси газоразрядной камеры, направлении превышает количество рядов в поперечном направлении. Ускоряющий 11 и замедляющий 12 электроды снабжены отверстиями 21, выполненными в виде щелей, расположенных параллельно оси газоразрядной камеры, при этом продольный размер щелей соответствует длине продольных рядов отверстий в экранном и извлекающем электродах.
Электроды 9, 10, 11 соединены с источниками 2, 3, 4 постоянного ускоряющего напряжения, соответственно, а электрод 12 - с источником тормозящего напряжения 5. Между экранным 9 и извлекающим 10 электродами включен входной параллельный резонансный контур 7, соединенный с источником постоянного ускоряющего напряжения 3. Между ускоряющим 11 и замедляющим 12 электродами включен выходной параллельный резонансный контур 8, соединенный с источником постоянного ускоряющего напряжения 4. Оба резонансных контура 7, 8 соединены посредством витков связи 14 и двух высокочастотных линий связи 15, 16 с генератором высокочастотных колебаний 6. В линии связи с входным параллельным резонансным контуром 7 включен аттенюатор 17, а в линии связи с выходным параллельным резонансным контуром 8 - фазовращатель 18. Устройство содержит подключенный к газоразрядной камере 1 источник возбуждения газового разряда 19, а газоразрядная камера 1 снабжена источником магнитного поля 20, расположенным с возможностью создания направления индукции магнитного поля и оси шнура газового разряда перпендикулярно направлению движения многолучевого ионного потока. На выходе двигателя установлен нейтрализатор ионного потока 22.
Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе работает следующим образом.
Сначала из питателя 23 в газоразрядную камеру 1 подают рабочее вещество (например, газ ксенон (Хе)). Источником электронов может служить, например, вольфрамовый катод (К) прямоугольной формы, тыльная сторона которого бомбардируется пучком ускоренных электронов, испускаемых вольфрамовой спиралью 24. Между подогревным катодом К и стенками осесимметричной разрядной камеры 1 для создания потока электронов, необходимого для возбуждения дугового разряда, прикладывают постоянное напряжение от источника 19, равное примерно 100…150 В. Так как газоразрядная камера ориентирована вдоль силовых линий магнитного поля, формируемых источником магнитного поля 20, то электронный пучок имеет в поперечном сечении ленточную форму, то есть форму полоски, ширина и толщина которой определяется размерами катода. Интенсивная ионизация газа электронным пучком приводит к возникновению ленточного по форме шнура интенсивного дугового газового разряда, широкой стороной ориентированного параллельно поверхностям экранного 9 и извлекающего 10 электродов. При этом плазма проникает из газоразрядной камеры 1 в высоковакуумную область, где происходит извлечение и формирование пучков через множество отверстий, выполненных в экранном электроде, образуя большое число плазменных эмиттеров, расположенных на более чем одном линейном ряду относительно оси газоразрядной камеры 1.
После этого на экранный 9 и извлекающий 10 электроды подают постоянное напряжение смещения от источника питания 2. Этим обеспечивается первая стадия извлечения и ускорения многолучевого ионного потока из газоразрядной камеры. На этой стадии скорость ионного потока равна, примерно, половине скорости потока на выходе устройства, а форма (максимальные продольные и поперечные размеры) многолучевого ионного потока на выходе из ускоряющего электрода 11 определяется количеством рядов плазменных эмиттеров в поперечном и продольном направлениях относительно оси газоразрядной камеры 1.
Поскольку ось газоразрядной камеры 1 ориентирована перпендикулярно направлению движения ионного потока, и эта камера снабжена источником возбуждения газового разряда 19 и источником магнитного поля 20, выполненных с возможностью создания направления индукции магнитного поля параллельно поверхностям экранного 9 и извлекающего 10 электродов, то в этом случае в извлекающем зазоре (между экранным и извлекающим электродами) на электроны, которые могут попасть в этот зазор из плазмы или за счет вторичной электронной эмиссии с электродов, действуют скрещенные электрические и магнитное поля. При этом эти электроны будут выводиться из первой зоны ускорения в поперечном направлении за счет действия силы Лоренца. Следовательно, электрическая прочность извлекающего зазора будет повышена и, поэтому, на первой стадии ускорения можно увеличить ускоряющее напряжение и скорость многолучевого ионного потока, проходящего через множество мелкоструктурных отверстий для пролета отдельных ионных пучков 13. Однако при этом могут появиться эффекты, связанные с нагревом и распылением экранного 9 и извлекающего 10 электродов за счет ухудшения ионно-оптических характеристик пучков. Так как эти электроды выполнены из пиролитического графита, то эти эффекты будут сведены к минимуму. Пирографит идеально подходит для изготовления сеточных электродов ионного двигателя. Его синтезируют путем термического крекинга углеводородных газов. Высокая прочность этого материала позволяет делать очень тонкую структуру сетки с большей долей площади для пропускания ионов. В отличие от молибдена жесткость пирографита, его прочность на разрыв и изгиб повышаются с ростом температуры. Поэтому сетки не деформируются и не провисают при рабочих температурах (обычно 700…1000°С). Другими преимуществами пирографита, используемыми при изготовлении сеток, являются его высокая теплоизлучательная способность и низкий коэффициент вторичной эмиссии электронов. Отверстия для пролета отдельных ионных пучков 13 в экранном и извлекающем электродах могут быть образованы путем лазерной обработки поверхности этих электродов. В результате такой обработки эти электроды приобретают вид сеток.
Вторая стадия ускорения многолучевого ионного потока постоянным напряжением происходит между двумя последовательно расположенными извлекающим 10 и ускоряющим 11 электродами при подаче на эти электроды напряжения от источника постоянного ускоряющего напряжения 3.
Источник тормозящего напряжения 5 обеспечивает подачу на замедляющий электрод 12 тормозящего, относительно ускоряющего электрода 11, потенциала. Это уменьшает расходимость ионных лучей, связанную с влиянием пространственного заряда, и ограничивает движение электронов из нейтрализатора ионного потока 22 в сторону зоны ускорения.
Двигаясь по направлению к электродам 11 и 12, ускоренный многолучевой ионный поток перемешивается и приобретает по форме вид поперечного сечения, близкий к форме ленточного потока. Поэтому отверстия в ускоряющем 11 и замедляющем 12 электродах выполнены (для пропускания общего многолучевого ленточного потока) в виде щелей, расположенных параллельно оси газоразрядной камеры. Все это предотвращает попадание на электроды 11 и 12 разгоняемых ионов. При этом снижаются требования к точности механической центровки осей всех пролетных каналов ионных пучков в электродах 10 и 11.
Далее осуществляется третья (высокочастотная) стадия ускорения ионного потока. Для этого настраивают оба параллельных резонансных контура 7 и 8 на одну резонансную частоту и возбуждают с помощью витка связи 14 входной параллельный резонансный контур 7 небольшой частью высокочастотной мощности от генератора высокочастотных колебаний 6. Для подачи входного сигнала используют высокочастотную линию связи 15. Регулировку уровня этого сигнала, необходимую для выбора положения рабочей точки на вольтамперной характеристике ионного источника, осуществляют с помощью аттенюатора 17.
1
Таким образом, в зазоре d между экранным 9 и извлекающим 10 электродами действует, помимо постоянного напряжения смещения, высокочастотное напряжение, с помощью которого осуществляется модуляция ионов по плотности и формирование ионных сгустков. По своей физической сути этот процесс аналогичен процессу электростатической модуляции, осуществляемой в электронных СВЧ приборах с управляющей сеткой (триодах, тетродах, клистродах), только, вследствие большой массы заряженных частиц, он реализуется на более низких частотах (порядка 5-8 МГц).
Образованные в результате такой модуляции ионные сгустки, попадая в выходной высокочастотный зазор между электродами 11 и 12, могут забирать энергию от внешнего высокочастотного поля и ускоряться. Для этого большую часть выходной мощности генератора подают через высокочастотную линию связи 16 на выходной параллельный резонансный контур. При этом фазу высокочастотного напряжения, действующего между ускоряющим и замедляющим электродами, подбирают с помощью фазовращателя 18 так, чтобы она совпадала с фазой сгустков ионов в сгруппированном многолучевом ионном потоке.
Скорость ионного потока Vi за счет высокочастотного ускорения можно увеличить до 200-250 км/сек. Силу тяги плавно регулируют с помощью аттенюатора, изменяя величину амплитуды высокочастотного напряжения, действующего между экранным и извлекающим электродами. Силу тяги можно также регулировать изменением фазы высокочастотного напряжения, действующего в зазоре между ускоряющим и замедляющим электродами.
Установленный на выходе двигателя нейтрализатор ионного потока 22 обеспечивает нейтрализацию пространственного заряда ионного потока.