ГАЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА ТРАКТА ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА ПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ
GAS-ELECTRIC DECOUPLER OF INLET CHANNEL OF WORKING MEDIUM OF PLASMA ACCELERATOR

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к системам подачи рабочего тела, и может быть использовано в пневматических трактах доставки рабочего тела (РТ) плазменным ускорителям, а также в технологических источниках плазмы, применяемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме.
th
пр
В плазменных ускорителях большой мощности разряда высокие удельные параметры и характеристики - КПД и удельный импульс достигаются на режимах с большим разрядным напряжением от 500 до 1000 В и выше [David Н. Manzella, David T. Jacobson and Robert S. Jankovsky "High Voltage SPT Performance", Presented at the 37AIAA Joint Propulsion Conference, Salt Lake City, Utah, 8-11 July 2001, AIAA-2001-3774]. Надежное функционирование таких высоковольтных плазменных ускорителей достигается за счет обеспечения необходимой электрической изоляции разобщенных электрических цепей (электрической прочности), находящихся при работе под большой разностью потенциалов. Наиболее критичным элементом конструкции плазменных ускорителей является газоэлектрическая развязка, которая устанавливается в их трактах подачи газообразного рабочего тела (РТ) различным функциональным компонентам и узлам, имеющих высокую разность потенциалов и очень часто расположенных вблизи других элементов конструкции из состава низковольтных цепей. Газоэлектрическая развязка должна защищать конструкцию во время работы от электрических пробоев между различными элементами конструкции, как правило, находящихся под разными потенциалами. Электрические пробои возможны, как во внешней области в условиях вакуума, так и по газовой среде, что наиболее критично, во внутренней полости трактаподачи РТ, где напряжение пробоя зависит от давления газа в тракте подачи РТ и расстояния между электрически разобщенными электродами по зависимости U=f(pd) в соответствии с законом Пашена [М.Д.Гуревич, М.Д.Гуревич. Электровакуумные приборы. М.: Военное издательство Министерства обороны Союза ССР, 1960, с.330-338].
Известна газоэлектрическая развязка тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя, содержащая пару изоляторов с плоскими торцами, имеющими коаксиальные кольцевые проточки для прохода РТ и сообщающиеся по радиальным пазам и одним сквозным отверстием в каждом из изоляторов, диэлектрическую проставку, размещенную между изоляторами, которые вместе заключены в металлическом корпусе, магистрали подачи и отвода РТ, а также металлические стержни, рассекающие канал прохода РТ на несколько подканалов [Белан Н.В. и др. Стационарные плазменные двигатели. Харьков, ХАИ, 1989, с.284].
Известная газоэлектрическая развязка тракта подачи РТ имеет ряд существенных недостатков:
- большое гидравлическое сопротивление участка канала вследствие больших коэффициентов трения из-за поперечного расположения внутренних каналов в изоляторах относительно направления входящего потока газа по тракту подачи РТ;
- малые запасы электрической стойкости (прочности) конструкции;
- низкая надежность конструкции из-за высокой вероятности возникновения электрических пробоев по газу в местах негерметичности стыков соединений между плоскими поверхностями неметаллических элементов конструкции (изоляторов) вследствие большой шероховатости их поверхностей, обусловленной структурой исходного материала при изготовлении и трудностями по их последующей доводке из-за высокой твердости;
- большие линейные размеры и масса.
Известна газоэлектрическая развязка тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя, принятая за прототип, содержащая изолятор со спиралеобразным каналом прохода рабочего тела, размещенный в тракте подачи рабочего тела [Патент РФ №2091990, кл. 6 Н05Н 1/54, F03Н 1/00].
Некоторые недостатки, присущие известному аналогу, частично устранены в выбранном прототипе газоэлектрической развязки. Так за счет выполнения центральной части внутреннего канала в виде спирали могут быть увеличены запасы электрической стойкости по внутренней полости конструкции путем увеличения протяженности (длины) канала прохода РТ при одновременном сохранении минимальных геометрических размеров такой развязки в сборе. Кроме того, упрощается и конструктивная схема за счет сокращения количества используемых деталей в ней и, соответственно, количество стыков, влияющих на суммарную герметичность развязки. Герметичность в стыках соединений деталей, изготовленных из разнородных материалов: металлов и изоляторов из керамических материалов, может быть обеспечена при помощи высокотемпературной вакуумной пайки [см., например, Патент РФ №2047665, кл. 6 С23С 4/10].
Однако и такая газоэлектрическая развязка тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя имеет недостатки. К ним относится низкая надежность при функционировании ее во время нахождения различных элементов конструкции под большой разностью потенциалов в условиях действия высоких температур, когда резко возрастает вероятность электрических пробоев во внешней области - например, по наружной поверхности изолятора между разными частями тракта РТ или через зазор с другими элементами конструкции. В противном же случае, для повышения электрической стойкости требуется взаимное удаление элементов электрически разобщенных цепей, что ухудшает компактность исполнения такой конструкции и увеличивает массу и размеры.
Основным недостатком такой известной газоэлектрической развязки является наличие крутоизогнутых входного и выходного участков канала прохода РТ в изоляторе, которые повышают коэффициенты трения проходящего потока газа, вследствие чего увеличиваются потери давления газа на данных участках, что в свою очередь приводит к существенному увеличению гидравлического сопротивления тракта подачи РТ в целом [И.Е.Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям, Ленинград, Госэнергоиздат, 1960 г., раздел 6].
Кроме того, процесс изготовления изолятора с внутренним каналом большой кривизны для прохода РТ или имеющим лишь отдельные крутоизогнутые участки представляется достаточно трудоемким и сложным при его осуществлении. Изготовление же изоляторов, имеющих входной и выходной участки с кривизной внутреннего канала, равной или более 90°, например из алюмооксидной керамики, известными методами практически трудновыполнимая задача, вследствие физических свойств такого рода материалов, в частности их вязкости [Б.М.Тареев и М.М.Лернер. Оксидная изоляция. М., Энергия, 1964].
При создании изобретения решалась задача по повышению надежности газоэлектрической развязки, отдельные элементы которой при работе имеют большую разность потенциалов, в широком диапазоне расходов газообразного рабочего тела и при повышенных тепловых воздействиях, а также снижению гидравлических потерь потока РТ и трудоемкости изготовления изоляторов.
Указанный технический результат достигается тем, что в газоэлектрической развязке тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя, содержащей изолятор со спиралеобразным каналом прохода рабочего тела, герметично размещенный в разрыве тракта подачи рабочего тела, согласно изобретению, вход и выход спиралеобразного канала на торцевых стенках изолятора выполнены по образующей спиралеобразного канала. Кроме этого на наружной поверхности изолятора может быть выполнен в радиальном направлении по меньшей мере один выступ с габаритными размерами, равными или больше габаритных размеров соединяемых частей тракта подачи рабочего тела. Дополнительно на выступе изолятора может быть выполнена по меньшей мере одна проточка. Также с внешней стороны изолятора может быть размещен защитный экран, электрически изолированный от других частей тракта подачи РТ. Кроме того, изолятор предпочтительней выполнять из материала со степенью черноты не менее 0,7. И также в изоляторе может быть выполнен по меньшей мере один дополнительный канал спиралеобразной формы для прохода рабочего тела со смещением его входа и выхода в азимутальном направлении.
Выполнение в изоляторе газоэлектрической развязки сквозного канала прохода РТ по винтовой линии с постоянным шагом на всем его протяжении через изолятор с постоянной кривизной, то есть по образующей с постоянными диаметром и межвитковым шагом, начиная с участка его входа и заканчивая участком на выходе, расположенными на соответствующих противолежащих торцевых стенках изолятора, позволяет решить задачу по снижению потерь давления проходящего газа путем исключения отдельных участков внутреннего канала прохода РТ с большой кривизной за счет снижения коэффициентов сопротивления между потоком газа и стенками канала и понижения, тем самым, гидравлического сопротивления всего канала через изолятор. Это также позволяет значительно снизить трудоемкость изготовления такого изолятора за счет упрощения конфигурации внутренней полости канала, что существенно облегчает его практическую реализацию известными методами.
Снабжение изолятора на его наружной поверхности по меньшей мере одним радиальным выступом с размерами, равными или больше размеров соединяемых частей тракта подачи РТ, позволяет решить задачу по повышению ее надежности за счет повышения электрической стойкости конструкции и снижения рисков возникновения электрических пробоев с наружной стороны между различными элементами конструкции, находящимися под разными электрическими потенциалами путем экранирования (затенения) противолежащих частей газоэлектрической развязки, которые находятся под различными потенциалами и расположены в прямой видимости по отношению друг к другу, и потому являющиеся потенциальными электродами, вероятность электрического пробоя между которыми максимальна.
Для дополнительного увеличения запасов электрической стойкости конструкции на выступе изолятора может быть выполнена по меньшей мере одна проточка, что несколько увеличивает расстояние вдоль поверхности изолятора, что также снижает риски возникновения электрического пробоя с внешней стороны газоэлектрической развязки.
Введение с внешней стороны изолятора защитного экрана, охватывающего его, но электрически разобщенного, как от частей тракта подачи рабочего тела самой газоэлектрической развязки, так и от окружающих ее других элементов конструкции, позволяет решить задачу по повышению надежности функционирования при плотной компоновке элементов, входящих в разно-потенциальные цепи конструкции.
Изготовление изолятора из материала со степенью черноты не хуже 0,7 позволяет решить задачу по повышению эффективности теплообмена газоэлектрической развязки в условиях действия повышенных температур за счет хороших физико-механических и оптических характеристик его наружных поверхностей, в частности по критерию ε - коэффициента (степени) черноты.
Применение же изолятора с несколькими спиралеобразными каналами для прохода рабочего тела, разнесенными в азимутальном направлении своими входами и выходами, позволяет расширить область применения таких газоэлектрических развязок и для плазменных ускорителей, работающих на режимах с большим расходом газа, путем увеличения суммарного проходного сечения канала через изолятор за счет увеличения количества каналов с сохранением его габаритных размеров, реализуя, таким образом, поликанальную схему истечения газа через изолятор.
Таким образом, реализация газоэлектрической развязки в трактах подачи газообразного рабочего тела плазменных ускорителей предлагаемой конструкции, согласно изобретению, позволит повысить ее надежность, электрическую стойкость конструкции в расходном режиме истечения газа при большой разности потенциалов и в условиях действия повышенных температур.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлен продольный осевой разрез предлагаемой газоэлектрической развязки в составе тракта подачи рабочего тела.
Газоэлектрическая развязка тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя содержит изолятор 1, установленный в разрыве тракта 3 подачи РТ, имеющий спиралеобразный канал 2 (с образующей срединной линией 8) для прохода рабочего тела с входом 4 и выходом 5, размещенными на торцевых стенках 6 и 7. На наружной поверхности 9 изолятор 1 может быть снабжен радиальным выступом 10 размером D, который по крайней мере меньше максимального размера d любой из частей тракта подачи РТ 3а или 3б. На наружной поверхности радиального выступа 10 изолятора может быть дополнительно выполнена обнижающая проточка 11. Также с внешней стороны изолятора дополнительно может быть размещен защитный экран 12, электрически изолированный от других частей тракта подачи рабочего тела и элементов конструкции.
Газоэлектрическая развязка тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя работает следующим образом.
В тракт подачи рабочего тела 3 поступает рабочий газ, который последовательно проходит сквозь элементы газоэлектрической развязки. Газ подводится, например, через часть тракта 3б (или 3а), минуя вход 5 (или 4), расположенный на соответствующей торцевой поверхности 7 (или 6) изолятора 1, и попадает в спиралеобразный канал 2, пройдя через который, он выходит из него через выход 4 (или 5), и далее через часть тракта 3а (или 3б) отводится из полости газоэлектрической развязки. При работе части тракта 3а и 3б, относящиеся к различным разобщенным электрическим цепям, находятся под разными потенциалами. Так, например, при функционировании плазменного ускорителя часть 3а, имея электрическую связь с анодом плазменного ускорителя, будет находиться соответственно под анодным потенциалом, который при работе одновременно выполняет функции и газораспределителя подаваемого газа в разрядный (ускорительный) канал, тогда как часть тракта 3б будет под потенциалом корпуса ускорителя, что, как правило, делается для изоляции корпуса от электрических цепей конструкции для организации подачи РТ от внешних источников подачи и хранения РТ. Для снижения рисков возникновения электрических пробоев между металлическими частями газоэлектрической развязки во внешней области на наружной поверхности 9 изолятора 1 может быть сделан радиальный выступ 10 с обнижающей проточкой 11. Для защиты же наружных поверхностей изолятора 1 в условиях вакуума от запыления и осаждений в результате распыления различных материалов окружающих элементов конструкции, которые ухудшают электрическую изоляцию ниже допустимого уровня, вплоть до ее полной потери, может быть применен специальный защитный экран 12. Такой защитный экран 12, расположенный на изоляторе, окружая его с внешней стороны, и электрически изолированный от всех других элементов конструкции, будет находиться, таким образом, при работе под плавающим потенциалом, что является более предпочтительным особенно при достаточно плотной компоновке высоковольтных и низковольтных цепей вследствие требований по минимизации и компактности конструкций.
Промышленная реализуемость предложенного изобретения экспериментально подтверждена изготовлением опытной партии образцов изоляторов со спиралеобразным каналом из керамики, которые использовались для производства различных вариантов исполнений высоковольтных газоэлектрических развязок, надежно функционирующих при напряжениях от 300 до 1000 В, имеющих возможность дальнейшего увеличения рабочих напряжений, а также при расходах газа до 50 мг/с и выше, что достигается за счет более чем двукратного увеличения протяженности (длины) внутреннего сквозного канала для прохода РТ, сделанного по винтовой линии с постоянным шагом при сохранении габаритных размеров изолятора.