БЛОЧНЫЙ КАТОД-КОМПЕНСАТОР
MODULAR CATHODE-COMPENSATOR

Изобретение относится к области плазменной технике, а именно к катодам-компенсаторам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано как в составе космических электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного пучка при их наземных испытаниях и натурной эксплуатации, так и в технологических источниках плазмы, применяемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы [Патент РФ №2219683, кл. 7 H05H 1/24, 1/54, F03H 1/00].
Условия эксплуатации электрореактивных двигателей с катодом-компенсатором, входящих в состав электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ), используемых на борту космического аппарата (КА), предъявляют к применяемому оборудованию и аппаратуре целый комплекс самых разнообразных требований. Так на этапе запуска ракетоносителя и выведения КА на заданную орбиту все компоненты КА подвергаются значительным механическим воздействиям, которые при использовании различных ракетоносителей и в зависимости от конструкции компонентов полезной нагрузки, представляют собой достаточно широкий амплитудно-частотный спектр. При последующей же натурной эксплуатации КА в условиях изменяющегося теплового окружения и под воздействием факторов космического пространства все компоненты электрореактивных двигателей должны обеспечивать надежное функционирование в течение заданного ресурса работы [Фаворский О.Н., Каданер Я.С. Вопросы теплообмена в космосе. - М.: Высшая школа, 1967 г.].
Известен блочный катод-компенсатор, содержащий корпус с торцевой стенкой и посадочной поверхностью, эмиссионный узел с выходным отверстием и трубкой подвода газа, поджигной электрод и посадочный кронштейн с отверстиями внешнего закрепления [Патент РФ №2191290, кл. 7 F03H 1/00].
Известный блочный катод-компенсатор имеет ряд существенных недостатков:
- критическая близость низшей частоты собственных колебаний блочного катода-компенсатора с частотами, как самого электрореактивного двигателя, так и посадочных элементов КА, на которых он устанавливается, в результате чего вероятность совпадения резонансов достаточно высока и, как следствие, увеличение нагрузки на катод-компенсатор;
- вследствие использования цельнометаллической конструкции посадочного кронштейна, который обладает высокой жесткостью, при вибрациях на наиболее удаленных деталях от мест закрепления катода-компенсатора развиваются большие коэффициенты усиления и опрокидывающие и изгибающие моменты, снижающие механическую стойкость такой конструкции;
- асимметричность конструктивной схемы размещения блочного катода-компенсатора на одной из боковых сторон электрореактивного двигателя приводит к неравномерному, а потому разрушающему воздействию массы блочного катода-компенсатора на конструкцию электрореактивного двигателя в целом при механических нагрузках, действующих по трем взаимно перпендикулярным направлениям.
Известен блочный катод-компенсатор, принятый за прототип, содержащий корпус с торцевой стенкой, эмиссионный узел с выходным отверстием и трубкой подвода газа, поджигной электрод, соединенный через изолятор и державку с установочным фланцем, и посадочный кронштейн с отверстиями внешнего закрепления [Патент РФ №2196922, кл.7 F03H 1/00].
Некоторые недостатки, присущие известному аналогу блочного катода-компенсатора из состава электрореактивного двигателя, частично решены в выбранном прототипе. Так переход на закрепление блочного катода-компенсатора непосредственно на посадочной плите двигателя, при помощи которой он крепится к элементам КА, позволил несколько повысить запасы прочности конструкции путем повышения низшей частоты собственных колебаний блочного катода-компенсатора, возникающих при вибрациях за счет минимизации количества промежуточных крепежных элементов, и снизить моменты инерционных усилий за счет максимального приближения мест крепления кронштейна блочного катода-компенсатора к посадочной поверхности двигателя.
Однако и такой известный блочный катод-компенсатор имеет существенные недостатки. Основным недостатком является то, что на наиболее удаленных деталях от мест закрепления катода-компенсатора при внешних механических нагрузках развиваются большие коэффициенты усилений и изгибающие моменты, близкие к критическим, при которых вероятность разрушений резко возрастает. Это обусловлено как особенностями консольной конструкции узлов самого катода-компенсатора, так и его конструктивной схемой закрепления при помощи промежуточных кронштейнов цельнометаллической конструкции, обладающих высокой жесткостью. Снижение же жесткости соединения между катодом-компенсатором и посадочным кронштейном может быть достигнуто, например введением в стыки соединений между катодом-компенсатором и стенкой кронштейна, а также между стенкой данного кронштейна и крепежными элементами различных упругих элементов. При этом возникающие колебания в различных элементах конструкции, и затем передающиеся от одного элемента к другим через их соединения, гасятся за счет демпфирующего эффекта введенных упругих элементов, препятствуя усилению, в особенности для наиболее удаленных деталей конструкции от мест опорного закрепления и, тем самым, существенно снижая коэффициенты усиления на элементах катода-компенсатора [Заявка №2002130283/06 от 12.11.2002 г.]. Однако при реализации подобных мероприятий существует ограничение по допускаемому ослаблению стыков в таких демпферных соединениях из-за повышения вероятности «раскрытия» стыков при механических и тепловых воздействиях, что приводит к сдвигам низшей частоты собственных колебаний, которые, в свою очередь, привели бы к потере стабильности прочностных характеристик соединений между различными элементами конструкции.
Кроме того, для конструкций блочного катода-компенсатора, в которых его собственный центр масс оказывается близким или на границе его опорной базы, характерны значительные суммарные опрокидывающие моменты инерционных усилий, развивающиеся на всех элементах катода-компенсатора при повышенных механических воздействиях.
При создании изобретения решались задачи по повышению механической стойкости блочного катода-компенсатора и надежности конструкции при повышенных механических воздействиях по трем взаимно перпендикулярным направлениям.
Указанный технический результат достигается тем, что в блочном катоде-компенсаторе, содержащем корпус с торцевой стенкой, эмиссионный узел с выходным отверстием и трубкой подвода газа, поджигной электрод, соединенный через изолятор и державку с установочным фланцем, и посадочный кронштейн с отверстиями внешнего закрепления, согласно изобретению на торцевой стенке корпуса соосно продольной оси катода-компенсатора выполнен фиксирующий в радиальном направлении выступ, а между эмиссионным узлом и боковой стенкой корпуса образован зазор, торец которой расположен в серединной части эмиссионного узла, дополнительно с внешней стороны корпуса введен полый ротор с тонкостенным торцом, который соединен с выступом корпуса и с другой стороны торцевым фланцем, который сопряжен с дополнительной упругой диафрагмой, соединенной с торцом боковой стенки корпуса, периферийная часть которой размещена между установочным фланцем поджигного электрода и торцевым фланцем ротора, которые закреплены на концах дополнительных упругих шпильках, которые размещены вокруг ротора соосно продольной оси катода-компенсатора и соединены другими своими концами с посадочным кронштейном.
Выполнение на торцевой стенке корпуса соосно продольной оси катода-компенсатора фиксирующего в радиальном направлении выступа, формирование между эмиссионным узлом и боковой стенкой корпуса зазора, торец которой расположен в серединной части эмиссионного узла, а также введение с внешней стороны корпуса дополнительного полого ротора с тонкостенным торцом, который соединен с выступом корпуса, и с другой стороны торцевым фланцем, который сопряжен с дополнительной упругой диафрагмой, соединенной с торцом боковой стенки корпуса, а периферийная часть которой размещена между установочным фланцем поджигного электрода и торцевым фланцем ротора, которые совместно закреплены на концах дополнительных упругих шпилек, размещенных вокруг ротора соосно продольной оси катода-компенсатора, и которые соединены обратными своими концами с посадочным кронштейном, позволяет решить задачу по повышению механической стойкости блочного катода-компенсатора за счет сформированного упругоподвижного механизма по трем взаимноперпендикулярным направлениям при помощи комбинации упругих протяженных шпилек с упругой диафрагмой тарельчатого типа, обеспечивающих комфортную подвеску катода-компенсатора на посадочном кронштейне. В такой конструкции выполнено разделение собственных частот отдельных элементов блочного катода-компенсатора, которые зависят от габаритно-массовых характеристик изделия в целом, линейных размеров и диаметров упругих шпилек и упругой диафрагмы, а также от свойств материалов, из которых они изготовлены.
Выбор спектра частот осуществляется с использованием математической конечно-элементной модели таким образом, чтобы воздействие внешних механических нагрузок с максимальными амплитудами минимизировался за счет демпфирующих свойств и характеристик разрабатываемой конструкции.
Таким образом, реализация предложенной конструктивной схемы блочного катода-компенсатора согласно изобретению позволит повысить механическую стойкость конструкции при воздействии значительных механических нагрузок, а также обеспечить автономность его размещения и закрепления при различных вариантах компоновки оборудования на борту КА.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлен продольный осевой разрез предлагаемого блочного катода-компенсатора с упругоподвижным механизмом, выполненным на разъемных соединениях. На чертеже условно обозначены три взаимноперпендикулярных направления: направление Y совпадает с продольной осью блочного катода-компенсатора, а два других взаимноперпендикулярных направления X и Z в поперечных направлениях по отношению к Y.
Блочный катод-компенсатор содержит корпус 1 с торцевой стенкой 2 и боковой стенкой 13 с торцом 14, эмиссионный узел 3 с выходным отверстием 4 и трубкой подвода газа 5, поджигной электрод 6, соединенный через изолятор 7 и державку 8 с установочным фланцем 9, и посадочный кронштейн 10 с отверстиями внешнего закрепления 11. На торцевой стенке корпуса выполнен соосно продольной оси катода-компенсатора выступ 12. С внешней стороны корпус охвачен с зазором полым ротором 15 с тонкостенным торцом 16, который соединен с выступом 12 при помощи крепежных элементов, и с другой стороны торцевым фланцем 17, соединенный с упругой диафрагмой 18. Диафрагма 18 соединена с торцом 14 боковой стенки 13 корпуса, а ее периферийная часть 19 размещена между установочным фланцем поджигного электрода и торцевым фланцем ротора, которые крепятся на концах упругих шпилек 20 также при помощи крепежных элементов, размещенные вокруг ротора и соединенные другими своими концами с посадочным кронштейном.
Блочный катод-компенсатор работает следующим образом
При транспортировании и на этапе выведения КА на заданную орбиту блочный катод-компенсатор испытывает существенные механические воздействия. При этом механические воздействия по двум взаимноперпендикулярным направлениям X и Z, поперек продольной оси катода-компенсатора, действуют на упругие шпильки 20, под действием которых они изгибаются, тем самым, гася - подавляя передачу и снижая уровень нагрузки от одного элемента конструкции к другим. При этом суммарные крутящие моменты, стремящиеся опрокинуть эмиссионный узел 3, компенсируются (гасятся) фиксирующим в радиальном направлении выступом 12, выполненном на торцевой стенке 2 корпуса 1 и который соединен с полым ротором 15. Механические же воздействия в продольном направлении Y по оси катода-компенсатора демпфируются упругой диафрагмой 18, которая соединена с торцом 14 боковой стенки 13 корпуса 1, а ее периферийная часть 19 вместе с установочным фланцем 9 поджигного электрода 6 и торцевым фланцем 17 ротора закрепляются на концах упругих шпилек 20, которые другими своими концами соединены с посадочным кронштейном 10, при помощи которого блочный катод-компенсатор монтируется и закрепляется на различных элементах КА. При эксплуатации блочного катода-компенсатора рабочее тело (например, газообразный ксенон), поступающее через трубку подвода газа 5, ионизируется в зоне выходного отверстия 4 при подаче стартового напряжения на эмиссионный узел 3 и поджигной электрод 6, в результате чего происходит зажигание вспомогательного разряда, а после подачи напряжения на анод ускорителя плазмы (на чертеже не показан) происходит зажигание основного разряда. При этом эмиссионный узел 3 разогревается до температуры, обеспечивающей необходимую эмиссию электронов и достаточную для поддержания постоянного электрического разряда между ним и анодом ускорителя плазмы. После чего блочный катод-компенсатор работает в автоматическом режиме, при котором необходимый уровень температуры эмиссии обеспечивается за счет энергии, поступающей от разряда.
Промышленная реализуемость предложенного изобретения экспериментально подтверждена испытаниями опытных образцов блочного катода-компенсатора при наземной отработке их конструкции, при которой были получены следующие результаты:
- эмиссионный узел как наиболее критичный элемент конструкции отделен от непосредственного воздействия, оказываемого посадочным местом различных конструкций;
- повышен уровень низших частот собственных колебаний элементов конструкции до 500…600 Гц, а для элементов эмиссионного узла до 1000…1200 Гц с одновременным снижением коэффициентов усилений для наиболее критичных элементов конструкции.