Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов
PLASMA ACCELERATOR WITH CLOSED ELECTRON DRIFT

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться при разработке стационарных плазменных двигателей (СПД), называемых за рубежом «Холловскими двигателями» (ХД), и источников ускоренных ионов для вакуумно-плазменной обработки материалов с целью очистки их поверхностей и модификации их свойств. Изобретение может быть использовано для улучшения организации рабочих процессов в СПД (ХД), широко используемых в настоящее время в системах управления движением в отечественных и зарубежных космических аппаратах (КА).
Первые летные образцы СПД впервые в мире были разработаны и испытаны в космосе в СССР в 1972 году и с тех пор успешно применяются для доведения околоземных КА на рабочие орбиты после выведения их на промежуточные орбиты ракетами-носителями (РН), поддержания заданных рабочих орбит или их изменения в течение срока активного существования КА, увода КА на орбиты захоронения по окончании эксплуатации, а также для межорбитальной транспортировки автоматических КА, например, с околоземной на окололунную орбиту (Lev D., Myers R., Lemmer K. et al. The Technological and Commercial Expansion of Electric Propulsion in the Past 24 Years // Paper IEPC-2017-242, Proc. 34th International Electric Propulsion Conference, October 8-12, 2017, Giorgia Institute of Technology, USA).
Из анализа уровня техники известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов (УЗДЭ) (см. патент на изобретение US 10082133 В2, опубл. 25.09.2018), содержащий разрядную камеру с выполненным в ней кольцевым рабочим каналом, открытым в выходной части, анод-газораспределитель расположенный внутри рабочего канала, магнитную систему с источниками намагничивания и магнитопроводящими элементами, включающими в себя наружный и внутренний полюса, охватывающие указанную выходную часть рабочего канала и выполненные с ближайшими к рабочему каналу точками на внешних плоскостях полюсов, образующих межполюсный зазор, а внутренние плоскости полюсов находятся на расстояние минимальной толщины полюсов от внешних плоскостей полюсов, при этом внешние и внутренние плоскости полюсов расположены перпендикулярно оси кольцеобразного рабочего канала, и магнитный экран, открытый в выходной части и охватывающий разрядную камеру.
Недостатком данного ускорителя является то, что выходные кромки стенок разрядной камеры приходится выполнять острыми и таким образом, что края этих кромок располагаются близко к плоскости, перпендикулярной оси рабочего канала и проходящей через ближайшие к рабочему каналу внешние плоскости полюсов магнитной системы, это приводит к тому, что во время их работы, полюса магнитной системы подвергаются распылению частью ускоренных ионов, образующихся вблизи кромок выходных частей стенок разрядной камеры и у наружных границ основного потока (А.С.Архипов, В.П. Ким, Е.К. Сидоренко. Стационарные плазменные двигатели Морозова - Москва, изд. МАИ, 2012 г., 291 с.). Это приводит к необходимости защищать полюса магнитной системы специальными накладками, которые в свою очередь так же подвержены распылению, что снижает ресурс работы укорителя.
Из уровня техники известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов (см. патент на изобретение RU 2030134 С1, опубл. 27.02.1995), принятый за прототип, содержащий разрядную камеру, выполненную из теплостойкого керамического материала, кольцеобразный рабочий канал с открытой выходной частью и сформированный стенками разрядной камеры, включающими в себя выходные торцы, магнитную систему с источниками магнитодвижущей силы и магнитопроводящими элементами, включающими в себя центральный сердечник, фланец магнитной системы, наружный и внутренний полюса, охватывающие указанную выходную часть рабочего канала и выполненные с ближайшими к рабочему каналу точками на внешних плоскостях полюсов образующими межполюсный зазор, а внутренние плоскости полюсов находятся на расстояние минимальной толщины полюсов от внешних плоскостей полюсов, при этом внешние и внутренние плоскости полюсов расположены перпендикулярно оси кольцеобразного рабочего канала, магнитный экран, выполненный с наружной и внутренней стенками, открытый в выходной части и охватывающий рабочий канал, стенки магнитного экрана установлены с радиальными зазорами относительно ближайших полюсов, а выходные торцы стенок магнитного экрана расположены с торцевыми зазорами относительно внутренних плоскостей полюсов, анод-газораспределитель, расположенный внутри рабочего канала.
Недостатком данного плазменного ускорителя является снижение тяги и тяговой эффективности ускорителя при его длительной работе, связанное с изменением геометрии выходной части канала и смещением зоны ускорения (ЗУ) с основным падением потенциала в сторону анода-газораспределителя вследствие износа выходных стенок разрядной камеры, увеличивающим потери энергии за счет увеличения площади контакта зоны ускорения со стенками разрядной камеры и приводящим к ухудшению тяги и тяговой эффективности двигателя при длительной работе.
Задачей изобретения является устранение недостатков плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и создание наиболее стабильного в работе плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов.
Технический результат изобретения - повышение ресурса, тяговой эффективности и снижение износа элементов конструкции плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов при длительной работе.
Указанный технический результат достигается тем, что плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов содержит разрядную камеру, выполненную из теплостойкого керамического материала, кольцеобразный рабочий канал с открытой выходной частью и сформированный стенками разрядной камеры, включающими в себя выходные торцы, магнитную систему с источниками магнитодвижущей силы и магнитопроводящими элементами, включающими в себя центральный сердечник, фланец магнитной системы, наружный и внутренний полюса, охватывающие указанную выходную часть рабочего канала и выполненные с ближайшими к рабочему каналу точками на внешних плоскостях полюсов образующими межполюсный зазор, а внутренние плоскости полюсов находятся на расстояние минимальной толщины полюсов от внешних плоскостей полюсов, при этом внешние и внутренние плоскости полюсов расположены перпендикулярно оси кольцеобразного рабочего канала, магнитный экран, выполненный с наружной и внутренней стенками, открытый в выходной части и охватывающий рабочий канал, стенки магнитного экрана установлены с радиальными зазорами относительно ближайших полюсов, а выходные торцы стенок магнитного экрана расположены с торцевыми зазорами относительно внутренних плоскостей полюсов, анод-газораспределитель, расположенный внутри рабочего канала, выходные торцы стенок разрядной камеры выполнены плоскими, расположены параллельно внешним плоскостям полюсов и смещены в выходном направлении относительно внешних плоскостей полюсов на величину от 0,5 до 1 от толщины ближайших к рабочему каналу частей полюсов, анод-газораспределитель расположен на расстоянии от торцов выходной части разрядной камеры, превышающем в 1,5 и более раз минимальную ширину рабочего канала в межполюсном зазоре, радиальные зазоры стенок магнитного экрана выполнены так, чтобы хотя бы один из этих зазоров превышал величину торцевых зазоров, магнитной системой создается магнитное поле с распределением радиальной компоненты магнитной индукции между стенками разрядной камеры на равном удалении от каждой из них вдоль рабочего канала, у которого ширина возрастающей части распределения радиальной компоненты магнитной индукции от 0,5 до 1 от максимума указанного распределения не превышает минимальную ширину рабочего канала в межполюсном зазоре, а максимум указанного распределения радиальной компоненты магнитной индукции находится вне рабочего канала и смещен в выходном направлении рабочего канала относительно внешних плоскостей полюсов на величину более 0,3 от минимальной ширины рабочего канала в межполюсном зазоре, а в выходной части рабочего канала выполнено расширение, таким образом, что одна из силовых линий магнитного поля, проходящая через рабочий канал и имеющая в середине канала значение магнитной индукции от 0,1 до 0,3 от максимума распределения радиальной компоненты магнитной индукции между стенками разрядной камеры на равном удалении от каждой из них вдоль рабочего канала, не пересекает поверхности стенок разрядной камеры и касается одного или обоих торцов стенок разрядной камеры только в местах пересечения их торцовых плоскостей с внутренними поверхностями стенок рабочего канала. Наружная и внутренняя стенки магнитного экрана соеденены между собой со стороны анода-газораспределителя перемычкой, а сам магнитный экран установлен с зазором относительно фланца магнитной системы. Наружная и внутренняя стенки магнитного экрана установлены на фланец магнитной системы, при этом ускоритель содержит как минимум два источника магнитодвижущей силы, один между центральным сердечником и внутренней стенкой магнитного экрана, второй за пределами внешней стенки магнитного экрана.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фигуре 1 представлена схема предлагаемого ускорителя с магнитным экраном, отделенным от остальных магнитопроводящих элементов магнитной системы;
на фигуре 2 представлена схема предлагаемого ускорителя с магнитным экраном, соединенным с другими элементами магнитной системы;
r
на фигуре 3 представлена схема выходной части рабочего канала ускорителя с геометрией силовых линий магнитного поля и распределением радиальной компоненты индукции магнитного поля (B) между стенками разрядной камеры на равном удалении от каждой из них вдоль рабочего канала в предлагаемом ускорителе.
На фигуре 1 представлена схема предлагаемого ускорителя с магнитным экраном, отделенным от остальных магнитопроводящих элементов магнитной системы, содержит следующие элементы: 1 - анод-газораспределитель, 2 - центральный сердечник, 3 - разрядная камера, 4 - наружный полюс магнитной системы, 5 - катушки намагничивания, 6 -внутренний полюс магнитной системы, 7 - фланец магнитной системы, 8, 9 -торцы выходных частей стенок разрядной камеры, 10, 11 - внутренняя и наружная стенки магнитного экрана, соединенные магнитопроводящей перемычкой, превращающей магнитный экран в единую деталь.
На фигуре 2 представлена схема предлагаемого ускорителя с магнитным экраном, соединенным с другими элементами магнитной системы, содержит следующие элементы: 1 - анод-газораспре делитель, 2 -центральный сердечник, 3 - разрядная камера, 4 - наружный полюс магнитной системы, 5 - катушки намагничивания, 6 - внутренний полюс магнитной системы, 7 - фланец магнитной системы, 8, 9 - торцы выходных частей стенок разрядной камеры, 10, 11 - внутренняя и наружная стенки магнитного экрана.
r
На фигуре 3 представлена схема выходной части рабочего канала ускорители с геометрией силовых линий магнитного поля и распределением радиальной компоненты индукции магнитного поля (B) между стенками разрядной камеры на равном удалении от каждой из них вдоль рабочего канала в предлагаемом ускорителе, представлены следующие элементы его конструкции: 4 - наружный полюс магнитной системы, 6 - внутренний полюс магнитной системы, 8, 9 - торцы выходных частей стенок разрядной камеры, 10, 11 - внутренняя и наружная стенка магнитного экрана, 12, 14 -внутренние плоскости полюсов, 13, 15 - внешние плоскости полюсов.
int
ext
Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов содержит разрядную камеру (3), выполненную из теплостойкого керамического материала, кольцеобразный рабочий канал с открытой выходной частью и сформированный стенками разрядной камеры, включающими в себя выходные торцы (8, 9), магнитную систему с источниками магнитодвижущей силы (5) и магнитопроводящими элементами. Магнитопроводящие элементы включают в себя центральный сердечник (2), фланец магнитной системы (7), наружный (4) и внутренний (6) полюса, охватывающие указанную выходную часть рабочего канала и выполненные с ближайшими к рабочему каналу точками на внешних плоскостях полюсов (13, 15) образующими межполюсный зазор. Внутренние плоскости полюсов (12, 14) находятся на расстояние минимальной толщины полюсов (δ, δ) от внешних плоскостей полюсов(13, 15). Внешние (12, 14) и внутренние (13, 15) плоскости полюса расположены перпендикулярно оси (z) кольцеобразного рабочего канала. Магнитный экран, выполненный с наружной (11) и внутренней (10) стенками, открытый в выходной части и охватывающий рабочий канал. Стенки магнитного экрана (10, 11) могут быть соеденены между собой со стороны анода-газораспределителя перемычкой из магнитомягкого материала и установленны с зазором относительно фланца магнитной системы (7). Также возможен вариант ускорителя в котором стенки магнитного экрана (10, 11) установлены на фланец магнитной системы (7), при этом ускоритель должен содержать как минимум два источника магнитодвижущей силы (5), один между центральным сердечником (2) и внутренней стенкой магнитного экрана (10), второй за вределами внешней стенки магнитного экрана (11). Стенки магнитного экрана (10, 11) установлены с радиальными зазорами относительно ближайших полюсов (6, 4), а выходные торцы стенок (10, 11) магнитного экрана расположены с торцевыми зазорами относительно соответствующих внутренних плоскостей полюсов (12, 14), анод-газораспределитель (1), расположенный внутри рабочего канала.
Выходные торцы (8, 9) стенок разрядной камеры, выполненые плоскими и расположены параллельно внешним плоскостям полюсов, смещены в выходном направлении относительно внешних плоскостей полюсов (13, 15) на величину от 0,5 до 1 от толщин ближайших к рабочему каналу частей полюсов. Анод-газораспределитель (1) расположен внутри рабочего канала на расстоянии от выходных торцев (8, 9) в 1,5 и более раз превышающем минимальную ширину рабочего канала в межполюсном зазоре - b.
Разрядная камера (3) выполнена таким образом, что выходной торец (8) стенки разрядной камеры (3) смещен в выходном направлении на расстояние  от внешней плоскости полюса (15) внутреннего полюса (6), а выходной торец (9) стенки разрядной камеры (3), смещен в выходном направлении на расстояние  от внешней плоскости полюса (13) наружного полюса (4).
int
ext
Магнитный экран, внутренний и наружный полюс ускорителя выполнены таким образом, что торец стенки магнитного экрана (10) расположен с торцевым зазором Δz относительно внутренней плоскости (14) полюса (6). Торец стенки магнитного экрана (11) расположен с торцевым зазором Δz относительно внутренней плоскости (12) наружного полюса (4).
int
ext
int,
ext
Радиальный зазор Δr между стенкой магнитного экрана (10) и ближайшей поверхностью полюса (6) и радиальный зазор Δr между стенкой магнитного экрана (11) и ближайшей поверхностью полюса (4) выполнены таким образом, что хотя бы один из этих зазоров превышал величину продольных зазоров ΔzΔz.
int,
ext
int
ext
Данная конфигурация зазоров в которой радиальные зазоры Δr Δrбольше чем торцевые Δz, Δz создает магнитное поле с силовыми линиями, часть которых проходит от одного магнитного полюса к другому через рабочий канал, с распределением радиальной компоненты магнитной индукции между стенками разрядной камеры на равном удалении от каждой из них вдоль рабочего канала, возрастающей в выходном направлении рабочего канала, а максимум указанного распределения радиальной компоненты магнитной индукции смещен в выходном направлении относительно указанных внешних плоскостей полюсов (13, 15).
ext
int
ext
int
В представленном ускорителе в выходной части рабочего канала выполнено расширение, а величина смещения торцов выходных частей стенок разрядной камеры  исостявляет от 0,5 до 1 δи δсоответсвено, где δ - минимальная толщина наружного полюса (4), а δ - минимальная толщина внутреннего полюса (6).
rmax
rmax
Максимум распределения магнитной индукции (B), между стенками разрядной камеры на равном удалении от каждой из них вдоль рабочего канала, размещается вне рабочего канала на расстоянии от внешних плоскостей полюсов (13, 15), составляющем более 0,3 от минимальной ширины рабочего канала в межполюсном зазоре - b. Геометрия выходной части рабочего канала и магнитное поле таковы, что одна из силовых линий магнитного поля с индукцией магнитного поля в диапазоне 0,1-0,3 от B проходит через рабочий канал без пересечения со стенками разрядной камеры и касается выходных торцов (8, 9) стенок разрядной камеры только в местах пересечения их торцовых плоскостей с внутренними поверхностями стенок рабочего канала.
rmax
rmax
Ширина возрастающей части распределения магнитной индукции  между стенками разрядной камеры на равном удалении от каждой из них вдоль рабочего канала от 0,5 B до 1 B, не превышает минимальную ширину рабочего канала b.
В рабочий канал (3) через анод-газораспределитель (1) подается рабочее вещество (РВ) в газообразном виде и его поток анодом-газораспределителем (1) или расположенными в его окрестности газораспределительными устройствами как можно равномернее распределяется в кольцевом рабочем канале для обеспечения равномерности распределения анод-газораспределитель (1) устанавливается в рабочем канале на расстоянии от выходных торцов разрядной камеры (8, 9) превышающем в 1,5 и более раз минимальную ширину рабочего канала в межполюсном зазоре. Подачей напряжений на катушки намагничивания (5) создается магнитное поле, которое распределяется элементами магнитной системы, такими как центральный сердечник (2), фланец магнитной системы (7), внешний (4) и внутренний (6) полюса и магнитный экран с его стенками (10, 11) таким образом, что в рабочем канале создается преимущественно радиальное по направлению индукции магнитное поле, возрастающее от анода-газораспределителя к выходному сечению рабочего канала. Между анодом-газораспределителем (1) и катодом прикладывается постоянное разрядное напряжение, создающее в рабочем канале преимущественно продольное электрическое поле. В рабочем канале зажигается разряд в потоке РВ, движущегося от анода-газораспределителя (1) или анодной области рабочего канала к выходу из рабочего канала. В этом разряде частицы РВ ионизируются электронами, поступающими в разряд из катода, и электронами, образовавшимися в разряде. Появившиеся в результате ионизации частиц РВ ионы, ускоряются электрическим полем преимущественно в продольном направлении. На выходе из двигателя ускоренные ионы захватывают вторую часть электронов из катода, которые обеспечивают нейтрализацию объемного заряда истекающих из ускорителя ионов. В результате из ускорителя уходит ускоренный плазменный поток. В процессе ускорения ионов создается реактивная тяга.
Соотношения торцевых и радиальных зазоров между стенками магнитного экрана и ближайшими к ним полюсами, в которых радиальные зазоры больше чем торцевые, позволяет создать в рабочем канале такое магнитное поле, в котором максимум распределения магнитной индукции между стенками разрядной камеры на равном удалении от каждой из них вдоль рабочего канала располагается на расстоянии от внешних плоскостей полюсов превышающем 0,3 от минимальной ширины рабочего канала в межполюсном зазоре, а одна из силовых линий магнитного поля, проходящая через рабочий канал, имеющая в середине канала значение магнитной индукции в диапазоне 0,1-0,3 от максимума распределения радиальной компоненты магнитной индукции между стенками разрядной камеры на равном удалении от каждой из них вдоль рабочего канала, не пересекает поверхности стенок разрядной камеры и касается одного или обоих торцов выходной части стенок разрядной камеры (8, 9), только в местах пересечения их торцовых плоскостей с внутренними поверхностями стенок рабочего канала. Поскольку силовая линия проходит глубоко в канале то для предотвращения сквозного электронного тока возникает необходимость размещения анода-газораспределителя на расстоянии от торцов выходной части разрядной камеры, превышающем в 1,5 и более раз минимальную ширину рабочего канала в межполюсном зазоре. Кроме того, для обеспечения непересечения силовой линией со значением индукции в диапазоне от 0,1 до 0,3 от максимума распределения радиальной компоненты магнитной индукции в выходной части рабочего канала выполнено расширение со смещеним выходных торцевых поверхностей (8, 9) на величину от 0,5 до 1 толщин ближайших к рабочему каналу частей полюсов.
r
Полученное распределением радиальной компоненты магнитной индукции между стенками разрядной камеры на равном удалении от каждой из них вдоль рабочего канала УЗДЭ B(z) в котором максимум указанного распределения выдвинут на расстояние более 0,3 от минимальной ширины рабочего канала в межполюсном зазор, а одна из силовых линий магнитного поля, проходящая через рабочий канал и имеющая в середине канала значение магнитной индукции от 0,1 до 0,3 от максимума распределения радиальной компоненты магнитной индукции между стенками разрядной камеры на равном удалении от каждой из них вдоль рабочего канала, не пересекает поверхности стенок разрядной камеры и касается одного или обоих торцов только в местах пересечения их торцовых плоскостей с внутренними поверхностями стенок рабочего канала, позволяет сместить распределение потенциала плазмы φ(z)и напряженности электрического поля E(z) вдоль рабочего канала в выходном направлении. Все это в совокупности приводит к смещению положения зоны ускорения (ЗУ) с основным падением потенциала относительно рабочего канала и элементов магнитной системы в выходном направлении, достаточное для того, чтобы ЗУ сместилась в выходном направлении за пределы внешних плоскостей полюсов на расстояние от 0,5 до 1 от толщины ближайших к рабочему каналу частей полюсов, что в свою очередь требует смещения выходных торцевых поверхностей разрядной камеры на указанную величину. Такое смещение зоны ускорения совместно с расширением выходной части рабочего канала снижает потоки ионов и электронов на стенки разрядной камеры, и внешние плоскости полюсов магнитной системы уменьшая безвозвратные энергетические потери, тем самым снижая износ элементов конструкции УЗДЭ, повышая ресурс и стабильность в работе предложенного ускорителя при его длительной работе. Таким образом достигается технический результат изобретения - повышение ресурса, тяговой эффективности и снижение износа элементов конструкции плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов при длительной работе. На основе изобретения в настоящее время созданы и испытаны опытные образцы УЗДЭ со сниженным износом элементов конструкции, высокой тяговой эффективностью, не изменяющейся во время длительной работы и ресурсом работы выше, чем у известных УЗДЭ.