ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ION ENGINE

Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).
Среди различных типов электроракетных двигателей (ЭРД) в ионных двигателях (ИД) может быть достигнут максимальный удельный импульс тяги.
Принцип действия ИД основан на извлечении из ионизованной плазмы ионов и дальнейшем их электростатическом ускорении. В таком двигателе полностью разделены процессы ионизации и ускорения. По способу перевода рабочего тела (РТ) в ионизованное состояние ИД разделяют на 3 группы: на основе разряда постоянного тока, ВЧ-разряда или СВЧ-разряда.
ИД средней мощности широко используются за рубежом. К настоящему времени разработан широкий спектр таких двигателей. В США разрабатываются, производятся и эксплуатируются ИД с разрядом постоянного тока [1].
Особенностью германских двигателей является то, что ионизация РТ происходит в ВЧ-разряде.
В японских двигателях ионизация ксенона происходит в СВЧ-разряде.
Одним из основных узлов ИД является ионно-оптическая система (ИОС).
Известен ИД [1 - с.240], содержащий газоразрядную камеру (ГРК), имеющую форму цилиндра с конической задней стенкой. К стенкам ГРК через изоляторы крепятся аноды. Магнитное поле создается с помощью электромагнитов, расположенных снаружи ГРК. Конфигурация магнитного поля задается тремя полюсными наконечниками. Внутри катодного полюсного наконечника расположен полый катод. Эмиттер - из гексаборида лантана. Рабочее тело (ксенон) подается в ГРК через коллектор, расположенный в районе ИОС, которая состоит из плазменного, ускоряющего и замедляющего электродов. Замедляющий электрод выполнен в виде кольца, охватывающего весь ионный пучок. Плазменный и ускоряющий электроды толщиной 0,5 и 1,0 мм имеют форму сегмента сферы с большим радиусом и обладают начальным прогибом, направленным наружу ГРК. Снаружи ИОС расположен катод-нейтрализатор.
Недостатком ИД с разрядом постоянного тока является то, что под высоким потенциалом находятся: анод, стенка ГРК, катод с подключенными к нему источниками электропитания, экранная сетка ИОС и кабели. Обеспечить надежную электрическую изоляцию указанных цепей от корпуса и в системе питания и управления (СПУ) технически сложно. Кроме того, двигатель с разрядом постоянного тока конструктивно сложнее двух других типов. Для его работы необходим катод ГРК, ток которого должен в 7-10 раз превосходить ток катода-нейтрализатора. Для двигателя мощностью (30-70) кВт с ионным током (10-20) А потребуется катод на разрядный ток (70-150) А. Создание такого сильноточного катода представляет собой достаточно сложную инженерную задачу. Катоды и нейтрализаторы, в особенности сильноточные, имеют ограниченный ресурс. Так, наработка катодов-нейтрализаторов ОКБ «Факел» (для СПД-100 на 4,5 А) не превышает 9000 ч [1 - с.33]. Поэтому потребуется резервирование как катодов, так и катодов-нейтрализаторов, но поместить несколько катодов в ГРК практически невозможно, так как катод должен располагаться вдоль продольной оси двигателя.
Самым мощным ионным двигателем к настоящему времени является лабораторная модель двигателя NEXIS мощностью до 25 кВт. Для повышения его мощности в 2-3 раза (необходимой для маршевых задач дальнего космоса) требуется пропорционально увеличить площадь ИОС. В результате, на мощность 50 кВт, диаметр модели должен быть около 0,8 м, на 75 кВт - 1 м. Мембрана такого диаметра, закрепленная по периферии, обладает малой вибропрочностью.
За прототип принят ионный двигатель с ВЧ-разрядом, например, RIT-ИД с радиочастотной ионизацией [2]. В общем случае ионный двигатель, например, RIT-22, содержит: 2- или 3-сеточную ИОС (круглого сечения); катод-нейтрализатор, установленный снаружи корпуса ИД; ГРК из диэлектрического материала с малым косинусом потерь; индуктор в виде спирали из медного провода; узел подачи ксенона, с газоэлектрической развязкой; корпус и радиочастотный генератор.
В радиочастотном двигателе единственным элементом, находящимся под высоким потенциалом, является экранная сетка (с подключенным к ней проводом), которая расположена внутри диэлектрической ГРК, выполняющей, помимо всего, защитную функцию. Поэтому особых мер по обеспечению электрической прочности изоляции этой сетки не требуется. Остальные элементы двигателя имеют относительно низкие потенциалы.
-6
-1
В разрабатываемом крупногабаритном ИД RIT-45 мощностью 35 кВт диаметр ИОС будет порядка 500 мм, в крупногабаритном ИД ЭРД-50 мощностью 30 кВт характерный размер ИОС (круглого сечения) составляет 700 мм [1]. При этом электроды ИОС традиционно выполняются в виде тонких (толщиной 0,4…1,0 мм) пластин перфорированных до 35000 отверстий. Причем допуск на точность выполнения отверстий в двух электродах обычно составляет не более 0,02 мм. Вибропрочность таких электродов, представляющих собой заделанную по окружности тонкостенную мембрану большой площади, перфорированную десятками тысяч отверстий, достаточно мала. Кроме того, расчет термической деформации электродов ИОС в крупногабаритном ИД с учетом геометрии, температурных полей и теплофизических свойств материалов показывает, что обеспечение приемлемых тепловых деформаций сеток представляет собой достаточно сложную задачу. В этом смысле предпочтительней делать сетки из однородного материала - углерода, который имеет наименьший коэффициент линейного расширения - минус 0,3·10°C. Так как электроды являются практически изотермичными, они будут повторять форму друг друга. При использовании разнородных материалов сеток добиться стабильности межэлектродных зазоров в диапазоне (0,5-1,0) мм крайне сложно.
Недостатком такого крупногабаритного ИД является значительное снижение вибропрочности ИОС, представляющей собой огромную перфорированную мембрану. Кроме того, несимметричная установка катода-нейтрализатора снаружи ИОС, приводит к уменьшению КПД ИД на 5-7% [3].
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение вибропрочности и надежности эксплуатации за счет обеспечения стабильности межэлектродных зазоров ИОС, а также повышение КПД крупногабаритного ИД.
Эта задача решается следующим образом.
В крупногабаритном ионном двигателе, содержащем корпус, закрепленные жестко на наружной поверхности корпуса газоразрядную камеру и ионно-оптическую систему и катод-нейтрализатор, установленный на корпусе, при этом корпус ионного двигателя имеет горообразную форму, причем катод-нейтрализатор установлен по центральной оси корпуса, электроды ионно-оптической системы и газоразрядная камера выполнены кольцеобразной формы, при этом их внутренние поверхности по периметру жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса ионного двигателя.
На фиг.1 представлен общий вид ИД, который состоит из заключенных в кольцевой корпус 6 кольцевой 3-сеточной ИОС 1, расположенного вдоль центральной оси катода-нейтрализатора 2 и кольцевой ГРК 3, выполненной из диэлектрического материала с малым косинусом потерь. Индуктор 4 выполнен в виде спирали из медного провода и кольцевого узла подачи ксенона 5 с газоэлектрической развязкой. При этом ИОС 1 состоит из кольцевых: экранного электрода 7 с токоподводом 8, ускоряющего электрода 9 с токоподводом 10 и замедляющего электрода 11, электроразделенных изоляторами 12 и заделанных в корпус с наружной и внутренней стороны. Корпус 6 перфорирован отверстиями 13.
Для запуска двигателя подают расход ксенона в катод-нейтрализатор 2 и кольцевой узел подачи ксенона 5 ГРК 3. После стартового разогрева катода-нейтрализатора 2 инициируют в нем разряд и включают ВЧ-генератор, питающий индуктор 4. Электроны через ИОС 1 проникают в полость ГРК 3, где инициируют высокочастотный разряд. Затем подают напряжение на электроды 7, 9, 11 ИОС 1 и двигатель переходит в номинальный режим работы. Особенностью двигателя такой схемы является то, что только экранный электрод 7 ИОС 1 находится под высоким потенциалом, так как разряд в ГРК 3 является безэлектродным.
Рассмотрим две мембраны из одного и того же материала, одинаковой толщины, отличающиеся только диаметром.
Круговая частота собственных колебаний мембраны рассчитывается по формуле
<mrow><msup><mi>λ</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>35</mn><mfrac><mi>P</mi><mrow><mi>m</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>R</mi><mn>4</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
,
где λ - круговая частота;
Р - цилиндрическая жесткость мембраны;
m - масса единицы площади мембраны;
R - радиус мембраны.
Цилиндрическая жесткость мембраны описывается следующим образом:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>E</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>h</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>12</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>l</mi><mo>−</mo><msup><mi>μ</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
,
где Е - модуль Юнга;
h - толщина мембраны;
µ - коэффициент Пуассона.
<mrow><mi>λ</mi><mo>~</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
В результате получаем:
. То есть собственная частота колебаний мембраны обратно пропорциональна ее площади. Сетки ИОС ионного двигателя в упрощенном виде можно представить в виде мембран. В ионном двигателе, в котором площадь оптики в два раза больше, чем у другого ИД, собственная частота сеток в два раза ниже. При одинаковом уровне перегрузок вдвое возрастет амплитуда перемещений, что увеличивает риск повреждения (поломок) сеток.
Таким образом, при необходимости значительного увеличения мощности двигателя (площади его ИОС) предпочтительно использовать предложенный ИД. В нем электроды ИОС закреплены по наружной и по внутренней поверхностям корпуса. Такая конструкция ИД позволит значительно повысить вибропрочность электродов и обеспечить стабильность межэлектродных зазоров в диапазоне (0,5-1,0) мм при их термическом расширении во время работы ИД.
Кроме того, центральное расположение катода-нейтрализатора обеспечит увеличение КПД на несколько (5-7) процентов, особенно при значительном увеличении диаметра ИОС.
Литература
1. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда; под ред. акад. РАН А.С. Коротева. - М.: Машиностроение. - 2008.
2. H.W. Loeb, D. Feili, G.A. Popov, V.A. Obukhov, V.V. Balashov, A.I. Mogulkin, V.M. Murashko, A.N. Nesterenko, and S.A. Khartov: "Design of High-Power High-Specific Impulse RF-Ion Thruster", 32 nd IEPC, Wiesbaden, Sept. 11-15, 2011.
3. Исследование и разработка катодов нового поколения для стационарных плазменных двигателей. Архипов Б.А. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Калининград, 1998 г. С.21.