ИОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Предлагаемое техническое решение касается полезной модели как объекта промышленной собственности и относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при разработке и изготовлении ионно-оптической системы (ИОС) ионных двигателей (ИД).
ИОС является конструктивно и технологически наиболее сложным элементом ИД. Параметры ИОС изменяются в ходе работы двигателя, электроды ИОС подвержены не только эрозионному воздействию, но и заметным деформациям из-за нагрева. Процессы разрушения электродов ограничивают ресурс работы ИОС. Необходимо соблюдать высокую точность изготовления отверстий в электродах ИОС, обеспечить и поддерживать высокую степень их соосности в течение работы ИД, необходимо строго выдерживать определенную величину зазора между электродами, принимать меры по уменьшению их эрозии, обеспечивать высокие ресурсы работы ИОС. Все это создает большие трудности при разработке эффективных конструкций ИОС, особенно при проектировании ИД высокой мощности (до ~100 кВт), которые должны функционировать в космосе с ресурсом, исчисляемым десятками тысяч часов.
Известен патент США №6774550 (2004 г.) "Устройство для извлечения и формирования пучка заряженных частиц", в котором сеточные электроды ИОС имеют полусферическую форму и смонтированы на (одном) крепежном диэлектрическом кольце, имеющем скрытые поверхностные области или объемы для сохранения электрической изоляции между электродами. Электроды крепятся к монтажному кольцу с применением пазов и соединительных штифтов, допускающих тепловое расширение и сжатие кольца со скольжением электродов и монтажного кольца, при достаточно хорошем согласовании ориентации отверстий сеток и зазоров между электродами. Асимметричные соединительные штифты способствуют тепловому расширению со скольжением, и при этом, удерживая электроды. Электрические контакторы подают и поддерживают электрический потенциал сетчатых электродов посредством прижимаемых пружинами скользящих контактов, не оказывая существенного влияния на тепловые характеристики электродов. Такое крепление, как утверждают авторы, обеспечивает компенсацию термического расширения и сжатия электродов, при этом в процессе работы поддерживается постоянное межэлектродное расстояние и соосность отверстий в электродах ИОС.
Однако это устройство имеет следующие недостатки:
- электроды ИОС крепятся на большое керамическое кольцо, являющееся изолятором между электродами, его изготовление подразумевает создание пресс-формы с дальнейшим прессованием керамической массы, отжигом и сверхточным шлифованием полученной заготовки - это очень трудоемкий и дорогостоящий процесс;
- во время работы ИД на внутренней поверхности двигателя возможно появление напыленных металлических электропроводных частиц (пленок), а так как керамическое кольцо, на котором крепятся электроды ИОС, не защищено от попадания распыленных металлических частиц, возникает угроза пробоя (замыкания) электродов по поверхности керамики, в результате чего возможен выход из строя ИД и, следовательно, уменьшение ресурса его работы;
- подвод электричества к электродам ИОС через пружинные скользящие контакты цилиндрической формы с закруглением в месте касания с электродом также способствует снижению ресурса работы ИД, так как скользящий контакт пружинного элемента при высокой температуре и с течением времени (усталость металла) может потерять свою пружинящую способность и не поджимать надлежащим образом контакт к электроду, при этом электрический контакт будет неустойчивым и ненадежным.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является увеличение ресурса работы ИД, упрощение конструкции, изготовления и сборки ИОС с одновременным уменьшением экономических затрат.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в ионно-оптической системе ионного двигателя, включающей изолированные друг от друга электропроводные полусферические сетчатые эмиссионный и ускоряющий электроды, крепежные элементы и электрические контакторы, эмиссионный и ускоряющий электроды крепятся к двум разным фланцам прижатием их головкой винта через втулку, между фланцами установлены закрытые чехлами со всех сторон керамические изоляторы, при этом фланцы непосредственно соединены с электрическими контакторами.
Крепление эмиссионного и ускоряющего электродов к двум разным фланцам прижатием их головкой винта позволяет надежно закрепить электроды на фланцах, тем самым обеспечив постоянный и стабильный подвод электричества к электродам во время длительной работы ИД.
Наличие между фланцами керамических изоляторов с чехлами со всех сторон обеспечивает надежное соединение и установку друг относительно друга двух фланцев с установленными на них электродами. В этом случае на разные электроды можно подавать разные электрические потенциалы, не опасаясь пробоя (короткого замыкания). Чехлы выполняют функцию защиты керамики от возможного напыления металлических пленок, которые возникают во время работы ИД, что может привести к пробою по керамике, если она не будет защищена.
Подвод и поддержание потенциалов по всей площади прилегания сетчатых электродов к фланцам и отказ от пружинных элементов приводит к тому, что точность установки электродов друг относительно друга не меняется в процессе работы ИД и на электродах обеспечивается надежный подвод электричества, что приводит к повышению надежности и увеличению ресурса работы двигателя.
Предлагаемая ИОС ионного двигателя поясняется представленными чертежами: на Фиг.1 изображена конструкция ионного двигателя, на Фиг.2 представлен сборочный чертеж ИОС и на Фиг.3. представлена схема установки сетчатого электрода на фланец.
Ионный двигатель (Фиг.1) включает в себя: газоразрядную камеру (ГРК) 1, ИОС 2, катод ГРК 3, анод 4, катод-нейтрализатор 5 и корпус ИД 6; в состав ИОС 2 входят эмиссионный электрод 7 и ускоряющий электрод 8. Электрические контакторы, обеспечивающие подвод электрических потенциалов к электродам 7 и 8, на Фигурах не показаны.
На сборочном чертеже ИОС (Фиг.2) показана сборка состоящая из 2-х фланцев 9, 10 (вид В) с установленными на них сетчатыми электродами 7 (8). Эти фланцы между собой соединены «электрической развязкой», межосевое центрирование (ориентация) отверстий сеток между электродами производится с помощью монтажных штифтов, которые устанавливаются при сборке ИОС в центральные отверстия двух электродов (разрез А-А) и в три высокоточные отверстия (разрез Б-Б), расположенные по периметру самих электродов.
2
3
«Электрическая развязка» представлена на виде В (разрез А-А Фиг.2). Основным элементом является керамический изолятор 11 (можно использовать материал АLO), который состоит из двух одинаковых втулок. Втулки устанавливаются на металлическую шпильку 12 через фланец 9 и стягиваются гайкой 13 с одной стороны шпильки, другой конец шпильки проходит сквозь фланец 10 и притягивается к нему гайкой 14 через керамические втулки - изоляторы 11. Сверху керамические втулки закрыты двумя металлическими чехлами 15, 16, которые крепятся к фланцу 10. Чехлы обеспечивают защиту керамических изоляторов от попадания на них распыленного металла во время работы ИД.
Эмиссионный 7 и ускоряющий 8 электроды устанавливаются по одной и той же схеме (Фиг.3), но угол поворота крепежных отверстий относительно отверстий в рабочей области электродов будет разным, при этом шляпки винтов крепления одного электрода, попадут в полые отверстия, расположенные на другом электроде, как показано на виде В (Фиг.2).
На разрезе А-А (Фиг.3) показано крепление электрода 7 к фланцу 10. Крепление осуществляется с помощью прижатия шляпкой винта 17 электрода к фланцу 10, но между шляпкой винта и фланцем, установлена металлическая втулка 18 с наружным диаметром, меньшим, чем диаметр шляпки винта. Функция втулки 18 - обеспечение свободного движения электрода по поверхности фланца во время работы ИД (тепловые расширения материала электрода) без потери электрического контакта.
Координация электрода 7 относительно фланца 10, осуществляется при помощи 3-х установочных штифтов 19, которые равномерно расположены по периметру фланца 10 (разрез Б-Б Фиг.3). Установка электрода на установочный штифт 19, осуществляется по посадке, которая обеспечивает минимальный зазор с центрированием.
Ионный двигатель, содержащий ИОС 2 (Фиг.1) работает следующим образом: подают напряжение на катод ГРК 3, запускают рабочее тело (ксенон) через катод ГРК 3 и ГРК 1, подают напряжение на анод 4, активируют магнитную систему ГРК. Перевод двигателя в рабочий режим осуществляют путем одновременной подачи высокого положительного потенциала на эмиссионный электрод 7 ИОС 2 и отрицательного потенциала на ускоряющий электрод 8 ИОС 2, осуществляемым через фланцы с помощью контакторов. Электроды прикреплены к фланцам прижатием шляпки винта 17 через втулку 18 (Фиг.3). При работе ИД сетчатые электроды нагреваются и происходит их тепловое расширение. Втулки 18 обеспечивают свободное движение электродов по поверхности фланцев во время работы ИД, предотвращая смещение отверстий на рабочей поверхности электродов друг относительно друга. Ионы из ГРК 1 через отверстия в эмиссионном электроде 7 попадают в межэлектродный зазор, где ускоряются под действием электрического поля. Компенсация положительного объемного заряда за срезом двигателя осуществляется за счет электронного тока, идущего с катода-нейтрализатора 5. Отрицательный потенциал, подаваемый на ускоряющий электрод 8, создает потенциальный барьер, препятствующий попаданию электронов из пучковой плазмы в ГРК 1.
Образцы ИОС по предлагаемой полезной модели были изготовлены, отработаны в составе ионных двигателей с разными диаметрами рабочей зоны, проведены испытания, которые показали значительное улучшение по надежности, вибростойкости и увеличению ресурса работы.