Магнитная система для стендовых испытаний плазменных ракетных двигателей

Полезная модель относится к электротехнике, к конструкциям сверхпроводящих магнитов для работы в среде вакуума или газообразного гелия при температуре обмотки 20-30 К, и может быть использована для создания магнитного поля до 2,5 Тл в теплой апертуре диаметром до 100 мм для стендовых испытаний плазменных ракетных двигателей (ПРД).
Наиболее близкой является сверхпроводящая магнитная система, создающая поле до 3 Тл в апертуре диаметром 60 мм, которая состоит из 12 секций в виде катушек типа «двойная галета», намотанных ВТСП лентами второго поколения (ВТСП-2 лентами). Соединение секций осуществлено путем прямого спаивания лент соседних галет - (Е.Р. Krasnoperov, V.V. Guryev, S.V. Shavkin, V.E. Krylov, V.V. Sychugov, V.S. Korotkov, A.V. Ovcharov, P.V. Volkov Solenoid from Experimental HTS tape for Magnetic Refrigeration \\ Journal of Engineering Science and Technology, Review 12(1) (2019), p. 104-109).
Недостатком описанной конструкции является наличие слабых мест в виде паянных соединений ВТСП-2 лент, изогнутых для обеспечения связи с соседней секцией. Паяные контакты находятся под действием механических напряжений, вследствие изгиба ленты и являются наиболее вероятными для ее перегорания.
Технической проблемой является разработка конструкции магнитной системы, позволяющей снизить риск снижения токонесущей способности обмотки за счет соединения ВТСП-2 лент соседних секций без дополнительных механических напряжений посредством пайки на контактной площадке.
Технический результат заключается в разработке конструкции магнитной системы, повышающей стабильность и надежность ее работы.
Технический результат достигается в магнитной системе для стендовых испытаний плазменных ракетных двигателей, состоящей из соединенных между собой секций в виде катушек типа «двойная галета», на каркас которых намотаны неизолированные ВТСП-2 ленты, причем ВТСП-2 ленты соседних секций соединены посредством пайки на контактной площадке, закрепленной через изолирующий слой на щеках каждой «двойной галеты».
Контактная площадка выполнена, например, из меди, серебра, золота.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На Фиг. 1 показана конструкция секции магнитной системы.
На Фиг. 2 приведена схема магнитной системы.
На Фиг. 3 приведен график распределения магнитного поля по оси магнитной системы.
На Фиг. 4 приведена карта распределения магнитного поля для 16 секций и рабочего тока 140 А.
Обмотка магнитной системы формируется за счет соединения секций (11) (Фиг. 2), выполненных в виде катушек типа «двойная галета» (3) (Фиг. 1), навитых высокотемпературными сверхпроводящими ВТСП-2 лентами (5) на стеклотекстолитовый каркас (2) и отделенными от щеки (1) электрической изоляцией (4). Для предотвращения возникновения вихревых токов в щечках при вводе тока в магнитную систему, предусмотрена диэлектрическая вставка из стеклотекстолита (8). Компенсация расширения секций под действием магнитного поля в радиальном направлении осуществляется за счет стягивания конструкции хомутами (7), а по оси магнитной системы за счет стягивания всей конструкции шпильками из аустенитной немагнитной стали марки А2 (9) (Фиг. 2). Параллельно оси магнитной системы расположены теплопроводы в виде медных трубок (12) для выравнивания рабочей температуры секций. Для размещения элементов активной защиты от квенча предусмотрены сквозные каналы (10). Последовательное электрическое соединение секций осуществляется с помощью перемычек (13) из ВТСП-2 лент, распаянных на контактных площадках (6).
Магнитная система работает следующим образом: для проведения стендовых испытаний на оси секций (11, Фиг. 2) магнитной системы размещают канал плазменного ракетного двигателя, далее для создания магнитного поля к токовводам (на чертеже не указано) магнитной системы подключают источник тока и устанавливают на нем линейную развертку тока от 0 до 140 А. При достижении 140 А в центре магнитной системы создается магнитное поле 2,5 Тл.
Предложенная конструкция отвечает параметрам, приведенным в таблице 1.
Для достижения параметров, приведенных в таблице 1, проведены расчеты оптимального числа секций и однородности распределения поля в осевом и радиальном направлениях. Оптимальное количество секций, необходимое для достижения параметров магнитной системы, указанных в таблице 1, при минимальной длине обмотки в катушке (3, Фиг. 1) и магнитной системе в целом (с условием достижения однородности поля в осевом направлении ±25 мм) составляет 16 секций (Фиг. 3). В расчетах принято значение рабочего тока на уровне 140 А (с условием двукратного запаса критического тока, достигаемого для коммерчески доступных ВСТП-2 лент в поле 3 Тл, и температуре 30 К).
Основные расчетные параметры магнитной системы, обеспечивающие достижение указанных в таблице 1 характеристик, представлены в таблице 2.
Предложенная конструкция магнитной системы может служить источником магнитного поля для стендовых испытаний плазменных ракетных двигателей. Максимальное рабочее магнитное поле (2,5 Тл) в центре апертуры магнитной системы достигается при вводе в систему электрического тока 140 А, при этом магнитное поле распределяется в пространстве в соответствии с графиком на Фиг. 4.
Стабильность и надежность работы магнитной системы обеспечивается за счет исключения винтового скручивания ВТСП-2 лент в местах их контактного электрического соединения, что предотвращает снижение токонесущей способности или перегорание ВТСП-2 лент, связанного с механическими напряжениями. С целью предотвращения внезапного перехода магнитной системы из сверхпроводящего в резистивное состояние конструкция секций предусматривает повышенный теплоотвод в радиальном направлении за счет использования неизолированной ВТСП-2 ленты.