PLASMA ACCELERATOR WITH CLOSED ELECTRON DRIFT
ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в электроракетных двигателях (ЭРД), например в стационарных плазменных двигателях (называемых также в соответствии с зарубежной классификацией как Холловские двигатели) и двигателях с анодным слоем, а также в технологических плазменных ускорителях, применяемых в вакуумно-плазменной технологии.
Область применения различных ЭРД на борту космических аппаратов (КА) постоянно расширяется. Среди ЭРД наибольшую известность имеет стационарный плазменный двигатель (СПД), различные модели которого производятся серийно и успешно эксплуатируются как на отечественных КА, так и в составе КА иностранного производства. Другим известным ЭРД является двигатель с анодным слоем (ДАС), который также прошел демонстрационные летные испытания на борту КА. Эти разновидности ЭРД базируются на физических принципах ускорителя заряженных частиц и плазменных потоков. Одним из основополагающих физических принципов работы такого плазменного ускорителя является формирование в ускорительном канале структуры магнитного поля с положительным градиентом в направлении выхода ускоренного потока плазмы. Генерация магнитного поля в канале производится при помощи магнитной системы ЭРД, которая по своей конфигурации и составу в различных моделях СПД может принципиально отличаться. Так, если в одних магнитных системах, помимо прочего, снаружи используется один общий источник намагничивающей силы кольцеобразной формы [Арцимович Л.А. и др. Разработка стационарного плазменного двигателя и его испытание на ИСЗ "Метеор". Космические исследования. М.: "Наука", 1974, т. XII, в. 3, с. 455, рис. 5], то в других магнитных системах снаружи используются несколько автономных источников намагничивающей силы соленоидального типа, равномерно расположенных по азимуту [Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1989 г., с. 128]. В ДАС так же, как и в СПД, используются аналогичные конструкции магнитных систем для создания магнитного поля в ускорительном канале [Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л.А., М.: Машиностроение, 1974 г., с. 75-81]. Добротность электрических магнитных систем в основном зависит от потерь ампер-витков намагничивающей силы в магнитном контуре при ее функционировании.
В электромагнитной технике для создания магнитных полей используются самые разнообразные магнитные системы. Во время работы кроме основного рабочего магнитного потока (относительно высокого уровня), проходящего преимущественно по магнитопроводящим участкам рабочего магнитного контура с высокой магнитной проводимостью, и внутри магнитного контура действует внутреннее магнитное поле рассеивания (относительно среднего уровня), а также и в окружающем пространстве возникает внешнее магнитное поле рассеивания (относительно низкого уровня). Магнитные системы с одним общим кольцеобразным наружным источником намагничивающей силы (или электрокатушкой намагничивания) генерируют магнитные поля с такой структурой, в которой действующие магнитные поля рассеивания в различных ее зонах являются согласованными с рабочим магнитным полем в ускорительном канале [Гниздор Р.Ю., Козубский К.Н., Митрофанова О.А., "Компьютерное моделирование магнитных систем стационарных плазменных двигателей", Вестник Российского государственного университета им. И. Канта, 2010, Выпуск 10, с. 137-144]. При использовании в магнитной системе по периферии группы автономных источников намагничивающей силы (соленоидального типа) общая топология магнитного поля существенным образом трансформируется - если внутреннее магнитное поле рассеивания согласовано с рабочим магнитным полем в ускорительном канале, то внешнее магнитное поле рассеивания в азимутальном направлении противоположного действия и, таким образом, является несогласованным с рабочим, при этом по своему уровню оно значительно больше внутреннего поля рассеивания [В.В. Гопанчук, Н.М. Никулин, М.Ю. Потапенко. Оптимизация магнитных систем электрореактивных двигателей // Вестник Московского авиационного института, 2011, №1, т. 18, с. 64-74], то есть, при прочих равных условиях, магнитное поле рассеивания существенно больше в сравнении с вариантом магнитной системы с одним общим кольцеобразным источником намагничивающей силы. Такое разделение структуры магнитного поля на две области происходит по границе инверсии магнитного поля, вдоль которой магнитное поле равно нулю. Такое принципиальное разделение структуры магнитного поля приводит к дополнительным конструктивным ограничениям и трудностям, которые приходиться кроме прочего также учитывать при разработке ЭРД, в частности при выборе расположения катода-компенсатора [Патент РФ №2426913, кл. 6 Н05Н 1/54, F03H 1/00].
Известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, включающий катод-компенсатор, разрядную систему, содержащую разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, анод и газовый распределитель с каналами подвода и инжекции рабочего тела, и магнитную систему, содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, источники намагничивающей силы [Патент РФ №2426913, Н05Н 1/54, F03H 1/00].
Известный плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов имеет следующие недостатки. Основной недостаток его магнитной системы, в которой внешний участок магнитного контура образован за счет сердечников нескольких цилиндрических источников намагничивающей силы (соленоидального типа), расположенных в азимутальном направлении равномерно, заключается в наличии в окружающем пространстве относительно больших магнитных полей рассеивания. С одной стороны это накладывает дополнительные ограничения и значительно осложняет процесс проектирования и компоновки основных функциональных элементов плазменного ускорителя: анодного узла и катода. С другой стороны большие внешние магнитные поля рассеивания свидетельствуют о больших потерях ампер-витков источников намагничивающей силы, что говорит о повышенных энергетических затратах, идущих на их компенсацию.
Известен плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, включающий катод-компенсатор, разрядную систему и магнитную систему, содержащую тыльный, внутренний и наружный магнитопроводы, внутренний и наружный магнитные полюса и источники намагничивающей силы [Патент РФ №2191289, Н05Н 1/54, F03H 1/00].
Выполнение магнитной системы, в которой наружный участок магнитного контура образован при помощи наружного магнитопровода в виде цельной цилиндрической тонкостенной оболочки, в сравнении с известным аналогом, позволяет исключить разделение структуры магнитного поля на разнородные области и упростить проектирование плазменного ускорителя. Такая конфигурация магнитной системы обладает более низкими общими потерями ампер-витков источников намагничивающей силы.
Однако и такому известному плазменному ускорителю присущи недостатки.
Потери суммарных ампер-витков всех источников намагничивающей силы, расположенных вдоль всего магнитного контура, относительно большие.
При длительной ресурсной наработке элементы конструкции подвергаются постепенному износу в результате эрозии от действия заряженных частиц. Вначале происходит износ выходных кромок керамических стенок разрядной камеры, которые закрывают другие элементы конструкции. После же их разрушения на всю толщину стенки износу также подвергаются и прочие элементы магнитной системы, и в-первую очередь те, которые расположены во фронтальной плоскости выхода (среза) разрядной камеры, обращенные к плазменной струе, откуда разрушающее воздействие в боковых направлениях «замагниченными» электронами и обратными потоками ускоренных ионов максимально [Arkhipov. В., et al, "The Results of 7000 Hour SPT-100 Life Testing", IEPC-95-039, 24th International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995, а также Ben Welander, Christian Carpenter, Christian Carpenter, Richard R. Hofer, Thomas M. Randolph and David H. Manzella, "Life and Operating Range Extension of the BPT-4000 Qualification Model Hall Thruster", AIAA 2006-5263, 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 9-12 July 2006, Sacramento, California]. Именно процессы разрушающей эрозии основных элементов конструкции и ограничивают ресурс известных плазменных ускорителей.
При создании изобретения решались задачи повышения эффективности работы плазменного ускорителя за счет снижения энергетических потерь в магнитной системе и ресурса его работы.
Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, включающем по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную систему и магнитную систему, содержащую тыльный магнитопровод, внутренний и наружный магнитопроводы, внутренний и наружный магнитные полюса и по меньшей мере один источник намагничивающей силы, согласно изобретению по меньшей мере концевые участки внутреннего и наружного магнитных полюсов выполнены дугообразной формы с радиусом кривизны таким, что в зону выхода разрядной системы выдвинуты только края внутреннего и наружного магнитных полюсов.
Внутренний магнитопровод с внутренним магнитным полюсом и наружный магнитопровод с наружным магнитным полюсом могут быть сопряжены дугообразно. Также тыльный магнитопровод с внутренним магнитопроводом могут быть сопряжены дугообразно. Кроме того, тыльный магнитопровод с наружным магнитопроводом также могут быть сопряжены дугообразно. Внутренний магнитопровод предпочтительней выполнять полым.
Выполнение концевых участков внутреннего и наружного магнитных полюсов дугообразной формы с радиусом кривизны таким, что в зоне выхода разрядной системы располагаются только края внутреннего и наружного магнитных полюсов, позволяет решить задачи по уменьшению внешнего поля магнитного рассеивания во фронтальной области и снижению потерь магнитного потока, а также снизить разрушающее воздействие на элементы конструкции магнитной системы, оказываемое ускоренным потоком заряженных частиц путем придания полюсам геометрической формы, приближенной к форме силовых линий магнитного поля на данных участках, и, тем самым, расположив поверхности основных элементов магнитной системы таким образом, чтобы бомбардировка потоками заряженных частиц происходила тангенциально, то есть по касательной.
Сопряжение внутреннего магнитопровода с внутренним магнитным полюсом и наружного магнитопровода с наружным магнитным полюсом по дуге позволяет решить задачу по дополнительному уменьшению магнитных потерь в магнитной системе путем перехода на данных участках магнитного контура от стыков, выполняемых под прямым углом к плавным сопряжениям по радиусу кривизны, за счет сближения геометрической формы участков магнитного контура с естественной кривизной силовых линий магнитного поля. Радиус кривизны сопряжений выбирается из условия его превышения характерной толщины на данном участке магнитного контура в несколько раз.
Выполнение внутреннего магнитопровода полым позволяет решить задачу по расширению вариативности предлагаемого технического решения и использованию его при разработке плазменных ускорителей увеличенного типоразмера, в которых за счет этого формируется полая центральная зона, в которой может быть расположен катод-компенсатор, что представляется наиболее предпочтительным с точки зрения исключения асимметричности расположения катода в плазменном ускорителе.
Таким образом, реализация предложенной конструкции магнитной системы округлой формы позволит создавать плазменные ускорители нового облика и конфигурации с высокой эффективностью работы за счет снижения потерь генерации магнитного поля и увеличения ресурса работы за счет уменьшения воздействия ускоренного потока плазмы на критичные элементы конструкции.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На Фиг. 1 представлена половина осевого разреза предлагаемого плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов с магнитной системой, в которой внутренний магнитопровод с внутренним магнитным полюсом и наружный магнитопровод с наружным магнитным полюсом сопряжены дугообразно, при этом одновременно и концевые участки внутреннего и наружного магнитных полюсов выполнены дугообразной формы (радиусы кривизны двух участков одинаковые) с радиусом кривизны таким, что в зоне выхода из разрядной системы оказываются расположены только края внутреннего и наружного магнитных полюсов.
На Фиг. 2 показана половина осевого разреза варианта магнитной системы плазменного ускорителя, в которой тыльный магнитопровод с внутренним и наружным магнитопроводами сопряжены по дуге.
На Фиг. 3 показана половина осевого разреза другого варианта магнитной системы плазменного ускорителя, в которой внутренний магнитопровод выполнен полым, что предпочтительней для случая реализации предлагаемого изобретения в плазменном ускорителе увеличенного типоразмера.
Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов согласно изобретению включает разрядную систему 2, магнитную систему, содержащую тыльный магнитопровод 3, внутренний 4 и наружный 5 магнитопроводы, внутренний 6 и наружный 7 магнитные полюса и источники намагничивающей силы 8 (на рисунке в качестве примера показан вариант с внутренним 8а и наружным 8б источниками намагничивающей силы), и катод-компенсатор 1.
В различных конструктивных схемах плазменных ускорителей основными функциональными элементами разрядной системы 2 являются разрядная камера, анод и газовый распределитель подачи рабочего тела (на рисунке данные компоненты условно не показаны).
В варианте конструкции плазменного ускорителя, в котором только концевые участки 6а, 7а внутреннего и наружного магнитных полюсов выполняются дугообразной формы с радиусом кривизны таким, чтобы в зоне выхода разрядной системы располагались бы только края внутреннего и наружного магнитных полюсов, предельно снижаются риски интенсивного износа наиболее важных участков магнитных полюсов, определяющих топологию магнитного поля на выходе из разрядной камеры.
В наиболее предпочтительном варианте конструкции плазменного ускорителя, обладающего предельно слабым магнитным полем рассеивания в окружающем пространстве (на уровне фонового) и малыми потерями в магнитном контуре его магнитной системы, все сопряжения между магнитопроводящими элементами (тыльный 3, внутренний 4 и наружный 5 магнитопроводы, внутренний 6 и наружный 7 магнитные полюса), образующими рабочий магнитный контур, должны выполняться с плавным переходом по дуге (в общем случае дугообразно) с радиусами кривизны, соизмеримыми с кривизной силовых линий магнитного потока на соответствующих участках.
Для вариантов конструкции больших типоразмеров и использования в них предлагаемой формы магнитного контура с плавными переходами предпочтительней, чтобы внутренний магнитопровод 4 выполнялся полым.
Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов работает следующим образом.
В рабочую полость разрядной системы 2 через газовый распределитель подается рабочий газ. Между внутренним 6 и наружным 7 магнитными полюсами при помощи источников магнитодвижущей силы 8а (внутренний) и 8б (наружный) создается преимущественно поперечное по отношению к направлению ускорения плазмы магнитное поле. Генерируемый источниками магнитодвижущей силы 8 согласованный магнитный поток распространяется преимущественно по магнитному контуру магнитной системы, которая в себе объединяет тыльный 3, внутренний 4 и наружный 5 магнитопроводы, внутренний 6 и наружный 7 магнитные полюса и необходимое количество источников намагничивающей силы 8 (например, внутренний 8а и наружный 86, размещенные на внутреннем 4 и наружном 5 магнитопроводах соответственно). При запуске и последующей стационарной работе разрядное напряжение прикладывается между анодом разрядной системы 2 и катодом-компенсатором 1, между которыми инициируется основной плазменный разряд, происходящий в скрещенных  электрическом и магнитном полях. Транспортировка электронов  от катода-компенсатора 1 к аноду разрядной системы 2 происходит по спиралеобразным траекториям вдоль и вокруг силовых линий магнитного поля. Взаимодействие электрического и магнитного полей вызывает дрейф электронов в азимутальном направлении, в процессе которого электроны ионизируют нейтральные атомы (n) рабочего газа. Образовавшиеся в газовом разряде ионы  ускоряются за счет приложенного напряжения между катодом-компенсатором 1 и анодом разрядной системы 2. На выходе из разрядной системы 2 поток ускоренных ионов также компенсируется частью электронов, имитируемых катодом-компенсатором 1. Часть электронов из катода-компенсатора поступает в виде обратного тока к аноду через рабочую полость разрядной системы 2, в которой участвуют в массовом столкновительном процессе в виде встречных соударений с нейтральными атомами подаваемого газа с одновременной передачей им при этом части своей энергии, ионизируя тем самым нейтралы, превращающиеся в ионы, которые ускоряются электрическим полем, действующим вдоль ускорительного канала. Другая часть электронов из катода-компенсатора 1 при этом нейтрализует ускоренный ионный поток за пределами разрядной системы 2.
Во время работы максимальная эффективность магнитной системы плазменного ускорителя достигается в варианте конструкции с магнитным контуром оптимальной конфигурации, при которой потери генерации магнитного потока будут минимальными, что достигается исключением крутых участков переходов между отдельными магнитопроводящими элементами, образующими магнитный контур.
Использование предложенного изобретения в космической технике позволит создавать более эффективные электроракетные двигатели (ЭРД) на базе плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов для выполнения различных практических задач в составе космических аппаратов (КА).
Использование данного изобретения в ионно-плазменной технологии позволит разрабатывать более производительное промышленного оборудование, использующее технологические плазменные ускорители, применяемые для процессов нанесения различных покрытий и сухого травления материалов.