ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С АНОДНЫМ СЛОЕМ (ВАРИАНТЫ)
COMPOUND ENGINE WITH ANODE LAYER (VERSIONS)

Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).
Известен двухступенчатый двигатель с анодным слоем (ДАС) [1], содержащий кольцевые катоды и анод-газораспределитель, образующие разрядную ступень, причем кольцевые катоды одновременно являются анодами ускорительной ступени, и кольцевые катоды ускорительной ступени. Обе ступени размещаются в кольцевом зазоре магнитной системы, состоящей из электромагнита и магнитопровода с полюсами. Катоды и аноды изготовлены из молибдена.
5
Недостатком такого ДАС является сравнительно небольшой ресурс работы вследствие большого катодного распыления молибденовых электродов. Так четырехсотчасовые испытания ДАС на висмуте показали, что скорость уноса молибденовых катодов составляла ~(1/7-1,9)10 г/К [2]. Это означает, что даже при токе 5 А длина кольцевых катодов за каждые 1000 часов уменьшается на 10-15 мм.
Из предлагаемых путей увеличения ресурса ДАС наиболее существенным является замена материала катодов на графит [2]. В работе [3], посвященной исследованию эрозии разрядного канала ДАС, показано, что при испытаниях двухступенчатого ДАС общей продолжительностью до 1200 часов эрозии катодов первой ступени не наблюдалось. Приведены пути обеспечения ресурса двигателя.
1. Изготовление распыляющихся деталей из стойких к распылению материалов.
2. Увеличение толщины распыляемых электродов.
3. Сокращение глубины канала.
Второй и третий пути практически исчерпали свои возможности в современных конструкциях ДАС.
Наиболее близкий аналог ДАС [3] содержит катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени. При выполнении электродов из графита, коэффициент катодного распыления даже при больших энергиях ионов (при напряжении в ускорительной ступени 2,5 кВ) снижается в ~2-3 раза. Именно высоковольтный режим ДАС, обеспечивающий высокую удельную тягу двигателя, определяет его преимущество по сравнению со стационарным плазменным двигателем (СПД). Однако серия 30-часовых эрозионных испытаний двухступенчатого ДАС в высоковольтном режиме, проведенных в ЦНИИМаш, и серия 300-часовых испытаний, проведенных в ИЦ Гленна (США), показали, что скорость эрозии графитовых катодов в плоскости полюсов магнитной системы составляет величину примерно 3,2-3,3 мкм/ч, т.е. более 3 мм за 1000 часов работы ДАС. При обеспечении ресурса ДАС в 10000 часов эрозия катода ускорительной ступени должна составить более 30 мм, что недопустимо, т.к. это привело бы к значительной эрозии магнитных полюсов, сопровождаемой деградацией характеристик двигателя.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение ресурса двухступенчатого двигателя с анодным слоем при сохранении его характеристик в течение всего времени работы.
Для решения поставленной задачи в двухступенчатом двигателе с анодным слоем, содержащем катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненных в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся в систему радиально расположенных на полюсах магнитопровода штифтов, смещенных по оси устройства в направлении к выходу, при этом на поверхностях колец вне рабочей полости выполнены кольцевые ограничительные выступы, а штифты выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.
Кроме того, поставленная задача может быть решена тем, что в двухступенчатом двигателе с анодным слоем, содержащем катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненых в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся во фланцы, расположенные на полюсах магнитопровода, при этом со стороны рабочей полости диаметры соответствующих колец и фланцев выполнены равными, поверхности колец вне рабочей полости содержат кольцевые ограничительные выступы и на выходе из двигателя имеют ступенчатую форму, а фланцы выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.
Техническим результатом использования предлагаемого устройства является снижение массы, повышение экономичности, т.к. отпадает необходимость использования резервного двигателя.
На фиг.1 представлен вариант выполнения ДАС; на фиг.2 схематично показано последовательное состояние катода ускорительной ступени в выходной части во время работы двигателя по первому варианту; фиг.3 - второй вариант выполнения ДАС; фиг.3 - последовательное состояние выходной части катода ускорительной системы по второму варианту (схематично).
ДАС содержит кольцевые анод-газораспределитель 1, катод разрядной ступени 2, которые через изоляторы 3 неподвижно установлены на магнитопроводе 4. Катод ускорительной ступени выполнен составным и состоит из кольцеобразного корпуса 5 и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода 4 и неподвижно смонтированных в двигателе анода-газораспределителя 1, катода разрядной ступени 2 и корпуса 5 внутреннего 6 и наружного 7 колец катода ускорительной ступени. При этом кольца 6 и 7 катода ускорительной ступени подпружинены относительно корпуса 5 пружинами 8 в направлении выхода из двигателя и упираются в систему радиально установленных на внутреннем 9 и наружном 10 полюсах магнитопровода 4 штифтов (вариант 1), выполненных, например, из графита или из керамического материала, имеющего коэффициент катодного распыления, близкий к графиту. Система штифтов состоит, например, из двух рядов - внешнего 11 и внутреннего 12, смещенных в осевом направлении к выходу из двигателя. Во внешний ряд 11 упираются кольца 6 и 7, внутренний ряд 12 расположен в пазах 13, выполненных на внешних, вне рабочей полости, поверхностях выходных участков колец 6 и 7. Кроме того, наружные цилиндрические поверхности колец 6 и 7, вне рабочей полости двигателя, содержат кольцевые ограничительные выступы 14. В исходном состоянии пружины 8 сжаты. На оси двигателя установлен катод-нейтрализатор 15, внутри магнитопровода 4 установлены электромагниты 16.
В варианте 2 внутреннее 6 и наружное 7 кольца подпружинены в направлении выхода из двигателя вдоль его оси как и в первом варианте и упираются во фланцы - внутренний 17 и наружный 18, расположенные на полюсах 9 и 10 магнитопровода 4. Обращенные внутрь двигателя диаметры соответствующих друг другу колец и фланцев выполнены равными. Наружные, вне рабочей полости, цилиндрические поверхности колец 6 и 7 содержат кольцевые ограничительные выступы 14 и на выходе из двигателя имеют ступенчатую форму со ступенями 19. Фланцы 17 и 18 выполнены из немагнитного материала, коэффициент катодного распыления которого близок к коэффициенту катодного распыления материала колец.
Предлагаемые варианты двухступенчатых двигателей с анодным слоем работают следующим образом.
Рабочее тело, например ксенон, подают в анод-газораспределитель 1 и катод-нейтрализатор 15. Подают напряжение на электромагниты 16, напряжение между анодом-газораспределителем 1 и катодом разрядной ступени 2, а также между катодом разрядной ступени 2 (он же анод ускорительной ступени), катодом ускорительной ступени и катодом-нейтрализатором 15. Выводят двигатель на номинальный режим. При работе двигателя за счет катодного распыления графита колец 6 и 7 катода ускорительной ступени происходит уменьшение их длины и образование фаски на выходе колец 6 и 7 и штифтах 11 (см. фиг.2). Через несколько тысяч часов работы эрозия внешнего штифта 11 достигает такой величины (фиг.2а), при которой внешний ряд штифтов не является упором для подпружиненных колец 6 и 7 (или одного из них). Под действием пружин 8 кольца внутреннее 6 и наружное 7 (или одно из них) перемещаются до упора внутреннего штифта 12 в торец паза 13, в котором этот штифт расположен. Передвинувшиеся в направлении выхода из двигателя кольца 6 и 7 катода ускорительной ступени восстанавливают первоначальное положение катода, защищающего магнитные полюса 9 или 10. При дальнейшей работе в течение нескольких тысяч часов продолжается эрозия выходной части колец 6 и 7 катода ускорительной ступени и штифтов внешних 11 и внутренних 12 до того момента, когда внутренний штифт 12, в который упирается подпружиненное кольцо, перестанет быть упором (фиг.2б). При отсутствии необходимости установки еще одного штифта, кольцо передвинется под действием пружины 8 до упора его кольцевого выступа 14 во внутреннюю плоскость полюса 9 или 10, вернув первоначальную геометрию выходной части катода ускорительной ступени относительно полюсов 9 и 10 (фиг.2в). Это обеспечивает защиту полюсов от эрозии, предотвращая деградацию характеристик двигателя.
Аналогичная эффективность при большей прочности может быть получена и в двухступенчатом двигателе с анодным слоем по второму варианту. Работа этого двигателя проиллюстрирована фиг.4. За первые несколько тысяч часов работы двигателя образующаяся в результате эрозии выходных торцов колец 6 и 7 и фланцев 17 и 18 фаска (фиг.4а) приводит к тому, что фланцы перестают быть упорами для подпружиненных колец 6 и 7. В результате чего указанные кольца передвинутся до упора фланцев 17 и 18 в следующие ступени 19. На фиг.4б, в, г показана схема последующих трех аналогичных переходов до упора последнего кольцевого выступа 14 колец 6 и 7 в полюса 9 и 10. При этом каждое перемещение колец может составлять величину в 6-7 мм, что компенсирует линейную эрозию колец 6 и 7, защищающих полюса 9 и 10 магнитной системы, равную 24-28 мм. При определенной экспериментально скорости эрозии ~3 мк/ч в предложенном двигателе должна быть обеспечена защита полюсов, а следовательно, сохранение характеристик двигателя, в течение 8000-10000 часов его работы.
Литература
1. Гришин С.Д., Ерофеев B.C. и др. Характеристики двухступенчатого ионного ускорителя с анодным слоем. ПМТФ, 1978, №2, с.28.
2. Гришин Г.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975, с.164.
3. Семенкин А.В., Солодухин А.Е. Исследование эрозии в разрядном канале многорежимного двигателя с анодным слоем. Теоретические и экспериментальные исследования вопросов общей физики. ЦНИИмаш, 2006, с.111-117.