Стационарный плазменный двигатель малой мощности

Полезная модель относится к плазменной технике и преимущественно предназначено для использования в космической области в качестве исполнительного органа электрореактивной двигательной установки. Изобретение относится к плазменным двигателям, применяемым на космических аппаратах, в частности к стационарным плазменным двигателям (СПД) или "холловским двигателям".
Такие двигатели предназначены, в основном, для применения при движении в условиях космоса. Благодаря их высокому удельному импульсу (от 1500 до 6000 с) они обеспечивают значительный выигрыш по массе в сравнении с химическими реактивными двигателями. В качестве источников ионов или плазмы они также используются для наземного применения, в частности для технологий с ионной обработкой материалов.
СПД низкой энергетической ценой тяги за счет создания условий, благоприятных для ионизации, при этом создаваемый ими ионный поток нейтрален, что снимает ограничения величины плотности ионного тока за счет действия объемного заряда. В связи с этим такой плазменный двигатель может работать в широком диапазоне ускоряющих напряжений. Ионный ток в хороших моделях плазменных ускорителей такого типа близок к разрядному и определяется лишь величиной массового расхода рабочего тела. Таким образом, в известных СПД, в отличие от ионных двигателей, имеется возможность независимо изменять массовый расход и ускоряющее напряжение, то есть тягу и скорость истечения при высоком кпд двигателя.
В МГТУ МИРЭА при конструировании плазменных двигателей, потребляющих малую мощность, используется метод масштабирования, основанный на критерии Меликова - Морозова, подробно описанном в публикациях (А.И. Бугрова, Н.А. Масленников, А.И. Морозов. Законы подобия интегральных характеристик в УЗДП // ЖТФ, 1991, том 61, вып. 6, с. 45-51; А.И. Бугрова, А.В. Десятсков, А.С. Липатов и др. Экспериментальные исследования стационарных плазменных двигателей семейства АТОН // Физика плазмы, 2010, т. 36, №4, с. 395-400), так и метод оптимизации магнитного поля, запатентованный в 1999 г. (RU 2139647).
Так, известен созданный в МГТУ МИРЭА стационарный плазменный двигатель малой мощности, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, кольцеобразный анод, соосно установленный каналу разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему из двух кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания заданного магнитного поля в главном канале, обеспечивающих наличие в нем радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала.
Кольцевой анод, концентричный кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, расположен на определенном расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер кольцеобразного канала ионизации и ускорения, газовводы для подачи ионизируемого газа установлены в направлении к аноду через кольцевой распределитель с зоной, отличной от зоны расположения анода, при этом со стороны заднего фланца закреплено кольцо из немагнитной нержавеющей стали, для формирования симметричной конфигурации силовых линий магнитного поля с помощью двух разнесенных в поперечном направлении относительно разрядной камеры источников магнитного поля кольцеобразных магнитных устройств магнитной системы (RU 2527898, Н05Н 1/54, опубл. 10.09.2014).
2
3
Так же известен стационарный плазменный двигатель малой мощности, содержащий разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, кольцеобразный анод, соосно установленный каналу разрядной камеры, кольцеобразное газораспределительное устройство, размещенное в буферной камере без перекрытия входа в кольцеобразный канал и выполненное с отверстиями для подачи ионизируемого газа в буферную камеру, и магнитную систему из двух кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания магнитного поля в главном канале, обеспечивающих наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала, кольцевой анод, концентричный кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, расположен на расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, а со стороны заднего фланца закреплено кольцо из немагнитной нержавеющей стали, для формирования симметричной конфигурации силовых линий магнитного поля с помощью двух разнесенных в поперечном направлении относительно разрядной камеры источников магнитного поля кольцеобразных магнитных устройств магнитной системы, полая буферная камера выполнена заодно с разрядной камерой с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения в виде единой или сборной детали из корундовой керамики с содержанием более 95% α-AlO и пределом прочности при сжатии, МПа, не менее 1100 при 20°C и не менее 20 при 1500°C (RU 152775, Н05Н 1/54, F03H 1/00, опубл. 20.06.2015 г.). Это решение принято в качестве прототипа.
На Земле испытания СПД производят в вакуумных камерах. В вакуумных камерах практически невозможно создать условия, идеально повторяющие условия в Космосе, так как вакуумные камеры имеют ограниченный объем и плохие по сравнению с Космосом вакуумные условия. По этой причине параметры СПД, помещенного в вакуумную камеру, отличаются от такого же двигателя в Космосе (это справедливо и для любого электрореактивного двигателя в вакуумной камере). Если в Космосе за срезом СПД имеется только пучок быстрых ионов и нейтрализующее их объемный заряд облако электронов, поступивших из катода-компенсатора, то при наличии вакуумной камеры в системе появляется ряд новых факторов. Имеют место специфические "граничные условия": стенки камеры (или криопанели насосов). К плазме, выходящей из СПД, добавляются нейтральный газ (Xe), вторичная плазма (Хе+ + с), поток распыленных частиц от мишени, примесные газы (из-за масла насосов, щелей в камере и т.д.).
При проведении испытаний замечено, что внутренняя поверхность кольцеобразного канала ионизации и ускорения спустя время порядка 1 ч покрывается темным налетом. Испытания, а также химический анализ покрытия показали, что в образовании таких плохо проводящих пленок большую роль играют продукты распыления "мишеней", т.е. стенок вакуумной камеры или специальных приемников плазменной струи. При этом, как правило, запыление внутренности канала было выражено сильнее, чем запыление прилегающих стенок вакуумной камеры. Создавалось впечатление, что плазменная струя каким-то образом втягивает в себя распыленные частицы и транспортирует их внутрь ускорителя.
Для изучения "эффекта всасывания" были поставлены специальные эксперименты. В струю (рабочий режим канала: расход ксенона т=3 мг/с, напряжение разряда U=300 В) и рядом с ней помещались камеры-обскуры (КО), которые "смотрели" на мишень. Влетающие в КО частицы оседали на задней стеклянной стенке. Эти эксперименты убедительно показали, что запыление стекла КО, стоящей в потоке, идет во много раз быстрее, чем расположенной рядом КО, находящейся вне потока. Второй цикл экспериментов был связан с исследованием проводимости диэлектрических стенок канала после испытаний канала в камере. Оказалось, что на задней стенке буферного объема образуется узкий (~4 мм) проводящий поясок из распыляемого металла. Наличие такого пояска говорит о том, что мы имеем хорошо сфокусированный поток ионов, идущий из вакуумной камеры в канал. Важно отметить, что проводящий поясок появляется и на внутреннем изоляторе (примерно напротив анода), что указывает на стимулированное выпадение частиц в зоне разряда. Все это позволило высказать предположение, что из вакуумной камеры в канал идет поток отрицательных ионов, образующихся на поверхности мишени. Такой поток благодаря положительному потенциалу струи транспортируется к выходному отверстию канала и далее ускоряется в самом ускорителе, где часть ионов "разваливается" в разряде. Поэтому и образуются указанные две проводящие зоны (Ст. "О роли отрицательных ионов в системе плазменный ускоритель УЗПД-мишень", авторы А.И. Бугрова, А.С. Липатов, А.И. Морозов. Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики и РНЦ "Курчатовский институт", опубл. в ж. "ФИЗИКА ПЛАЗМЫ", 1995, том 21, №7, стр. 650-651).
Распространено мнение, что моделирование космических условий в камере тем лучше, чем ниже давление, т.е. чем больше число Кнудсена (Кп) для упругих столкновений быстрых ионов Xe+ с остаточным газом. Однако при этом упускается из виду интенсивное распыление ионным пучком мишеней, поскольку при энергии ионов -300 эВ каждый ион выбивает -1 частицу из мишени. Таким образом, при (Kn)≥1 в вакуумной камере имеется не один, а два источника частиц: сам двигатель и мишень. Идущие из камеры в канал двигателя частицы могут "отравить" рабочие поверхности двигателя. Нейтральные атомы, попав в канал, ионизуются дрейфующими электронами, в результате чего возрастает разрядный ток. Отсюда видно, что запыление металлом, идущее от мишеней, может совсем сорвать пристеночную проводимость, причем для этого достаточно покрыть изолятор небольшим числом атомных слоев металла. Срыв пристеночной проводимости за счет запыления ведет к перестройке разряда. В нем резко возрастает уровень колебаний и зона ионизации смещается к срезу. В результате ухудшается ионизация, возрастает разброс частиц по энергиям, возрастает электронная температура и происходит перестройка формы выходящего потока (поток принимает форму "спицы") (ст. "Влияние вакуумных условий на работу стационарного плазменного двигателя", авторы А.И. Бугрова, А.И. Морозов, Московский институт радиотехники, электроники и автоматики и РНЦ "Курчатовский институт", опубл. в ж. "ФИЗИКА ПЛАЗМЫ", 1996, том 22, №8, с. 701-706).
Таким образом, при проведении исследований работы СПД в вакуумной камере, имитирующей условия в Космосе, было установлено, что на стенках канала и на аноде образуется напыление или налет от оседания частиц, выбиваемых из мишени, приводящий к повышению разрядного тока и снижению кпд СПД. Если наличие налета на стенке канала оказывает несущественное снижение кпд, то наличие налета на аноде оказывает решающее значение на показатель кпд. Для сохранения стабильности длительной работы СПД с примерно одинаковым кпд необходимо исключить загрязнение внутренней стенки анода. Предполагалось, что эффект загрязнения - это результат наличие расположенной напротив плазменного потока стенки вакуумной камеры, которая рассматривается как мишень. А в Космосе таких мишеней нет. Но налет на стенке канала может быть образован в этом случае только исключительно от бомбардировки стенки канала частицами плазменного потока. Скорость образования налета в Космосе должна сольно отличаться от земных испытаний. Однако использование СПД на космических объектах показало, что и в Космосе скорость образования налета не сильно отличается от испытаний на Земле. Это обусловлено компоновкой СПД по отношению к поверхности космического аппарата, которая как мишень участвует в образовании налета. Кроме того, на пути плазменного потока, выходящего из канала СПД, присутствуют конструкции навесного оборудования, элементы крепления, антенн и т.д., которые и являются мишенями в Космосе.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в сохранении тяговых параметров СПД и его кпд в течение длительного времени без снижения за счет исключения образования непроводящих пленок на, по крайней мере, части внутренней поверхности металлического анода.
Указанный технический результат достигается тем, что в стационарном плазменном двигателе малой мощности, содержащем разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полую буферную камеру, сообщенную со входом кольцеобразной камеры, катод, размещенный со стороны открытого выхода канала и сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа, и магнитную систему из кольцеобразных магнитных устройств с источниками магнитного поля, расположенных соответственно со стороны внешних и со стороны внутренних стенок разрядной камеры для создания магнитного поля в главном канале, кольцеобразный металлический анод, соосно установленный каналу разрядной камеры и концентрично кольцеобразному каналу ионизации и ускорения, и расположенный на расстоянии от его открытого конца, во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, кольцеобразный металлический анод выполнен в виде втулки с ступенчатой внутренней поверхностью, в которой ступень меньшего диаметра расположена на расстоянии к открытому концу кольцеобразного канала ионизации и ускорения меньшем, чем ступень большего диаметра этой поверхности.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - конструкция плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов;
фиг. 2 - принципиальная схема СПД по фиг. 1;
фиг. 3 - первый пример исполнения кольцеобразного металлического анода;
фиг. 4 - второй пример исполнения кольцеобразного металлического анода;
фиг. 5 - третий пример исполнения кольцеобразного металлического анода;
фиг. 6 - показаны векторы движения частиц, выбиваемых из мишени, в направлении анода.
Согласно настоящему изобретению рассматривается конструкция плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов (СПД). Этот двигатель содержит главный кольцевой канал ионизации и ускорения, ограниченный конструкционными элементами из изолирующего материала и открытый на своем выходном конце. По крайней мере, один полый катод сообщен с линией для подачи ионизируемого газа. Кольцевой анод, концентричный главному каналу, расположен на расстоянии от его открытого конца. Во входной части главного канала за зоной расположения анода размещена кольцевая буферная камера, размер которой в радиальном направлении превышает радиальный размер главного кольцевого канала. Трубки для подачи ионизируемого газа сообщаются в направлении к аноду через кольцевой распределитель с зоной, отличной от зоны расположения анода. Средства для создания магнитного поля в главном канале обеспечивают наличие в этом канале радиально направленного магнитного поля с определенным градиентом для получения максимальной индукции на выходе главного канала.
Патентуемый СПД содержит (фиг. 1) разрядную камеру 1 с главным кольцевым каналом 2 ионизации и ускорения имеет открытый выход 3. С кольцевым каналом 2 со стороны его входа сообщается полость буферной камеры, выполненной так же из изолирующего материала (электроизоляционного, например, из корундовой керамики, в частности, керамика марки 22ХС (ВК94-1). В рассматриваемом примере буферная камера выполнена в разрядной камере и составляет конструкционную часть последней в виде единой детали. Возможно исполнение сборной конструкции разрядной камеры и буферной камеры. Со стороны закрытой части кольцевого канала 2 установлен, по крайней мере, один полый анод 4, сообщенный с линией для подачи ионизируемого газа (немагнитная трубка 5, закрепленная посредством изолирующей втулки 6 в стенке, несущей немагнитные шпильки 7 для прикрепления СПД к опоре).
Кольцеобразный анод 8 выполнен в виде металлической втулки (сталь 12Х18Н10Т). При этом анод 8 расположен на расстоянии от его открытого конца. Кольцеобразный анод 8 через лапку 9 соединен с кольцевой камерой 10 из немагнитного материала (сталь 12Х18Н10Т) полого анода 4. Камера 10 имеет отверстия для впрыска газового агента (например, газа ксенона), поступающего из трубки 5 в полость кольцевой камеры 10 и из нее в канал 2. Выполнение лапок 9 из электропроводного материала обеспечивает электрическое соединение анода с линией электропитания от положительного полюса источника постоянного напряжения.
Катод и анод 8 соответственно подключены к отрицательному и положительному полюсам источника постоянного напряжения, образуя цепь электропитания. Кольцевая камера 10 размещена в полости буферной камеры и представляет собой кольцеобразное газораспределительное устройство без перекрытия входа в кольцеобразный канал 2. Ионизируемый газ подается в полый катод и в газораспределительное устройство от отдельных или от общего источника сжатого газа. В качестве рабочего ионизируемого газа используется инертный газ, в рассматриваемом случае ксенон (Xe). В кольцевом газораспределительном устройстве (камере 10) выполнено отверстие для подачи в него ионизируемого газа посредством подводящей трубки 5. Газ подается в буферную камеру через отверстия в камере 10, которые ориентированы перпендикулярно оси симметрии разрядной камеры 1, по окружности максимального диаметра. Выполнение отверстий для подвода ионизируемого газа в буферную камеру радиально направленными способствует созданию равномерной по плотности рабочего газа зоны, занимающей практически весь объем буферной камеры.
Кольцевая буферная камера расположена во входной части главного канала за зоной расположения анода, размер кольцевой буферной камеры в радиальном направлении превышает радиальный размер главного кольцевого канала 2.
Магнитное поле в полостях буферной и разрядной камер создается с помощью магнитной системы из двух магнитных устройств. Первое магнитное устройство включает в себя центральный цилиндрический сердечник 11 с источниками магнитного поля 12 (внутренняя катушка) и магнитными полюсами 13. Второе магнитное устройство включает в себя корпус 14 Г-образной формы, внутри которого установлена кольцевая опора 15, по бокам которой расположены два дисковых ограничителя 16 из немагнитного материала. Таким образом, образуется кольцевая полость для источника магнитного поля 17 (наружная катушка). Вся сборка укрепляется опорным диском 18, несущим элементы присоединения магнитопроводящих стержневых элементов 19 из Ст 3-10. Второе магнитное устройство выполнено в виде кольцевой сборки, которая надевается на разрядную камеру 1 со стороны открытого выхода 3. Посредством магнитопроводящих стержневых элементов 19 идет скрепление магнитной системы. Внешние стержневые элементы 19 равномерно расположены вокруг камеры 10 и канала 2 по окружности и скрепляют торцевые части плазменного ускорителя.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема рассмотренного двигателя. Эта схема используется для демонстрации векторов плазменной струи 20 и частиц 21, исходящих от мишени 22 (распыленные нейтральные атомы). В результате исследований установлено, что траектории частиц плазменной струи имеют практически линейный характер с небольшим углом расхождения на срезе канала. А траектории нейтральных атомов, выбиваемых из мишени, тоже имеют линейный характер и направление в сторону канала СПД. Таким образом, небольшая часть атомов пролетает, а большая часть атомов попадает в канал и, контактируя со стенкой канала и анодом, остается на поверхности образуя налет или напыление. Это явление всасывания атомов (металлических ионов от мишени) от мишени в полость канала описано в ст. "Влияние вакуумных условий на работу стационарного плазменного двигателя", авторы А.И. Бугрова, А.И. Морозов, 1995.
Традиционно кольцеобразный анод для СПД выполняется в виде втулки, как это показано на фиг. 1, с гладкой внутренней поверхностью постоянного диаметра. При таком исполнении при всасывания металлических отрицательных ионов от мишени с учетом их линейной траектории, часть этих атомов оседает на внутренней поверхности втулки - анода, равно так же как и на внутренней поверхности канала на участке до втулки.
Именно линейность траекторий этих атомов и позволила решить проблему с запылением металлического анода в СПД. Решение заключается в том, что кольцеобразный металлический анод выполняется в виде втулки со ступенчатой внутренней поверхностью, в которой ступень 23 меньшего диаметра расположена на расстоянии к открытому концу кольцеобразного канала ионизации и ускорения меньшем, чем ступень 24 большего диаметра этой поверхности. Таким образом, первая ступень 23 меньшего диаметра становится подобием преграды для засасываемых в канал атомов мишени, закрывающей путь осаждения атомов на ступени 24 большего диаметра. Таким образом, появилась возможность сохранять область в зоне анода с внутренней его стороны, в которой напыление или налет не образуются. Это позволяет обеспечить аноду правильные условия функционирования, не приводящие в росту разрядного тока и соответственно к снижению эффективности. Иллюстрация этого явления приведена на фиг. 6 для анода по фиг. 4. Видно, что частицы мишени пролетают мимо преграды (ступени меньшего диаметра), оставляя зону, прилегающую к ступени большего диаметра незапыленной.
На фиг. 3-5 показаны примеры исполнения металлического анода, которые в равной степени обеспечивают, по крайней мере, части внутренней поверхности металлического кольца сохранение проводящей функции и отсутствие загрязнения. На фиг. 4 представлен пример исполнения металлического анода, выполненного в виде втулки, представляющей собой ступень 24 большего диаметра, в которую вставлена втулка меньшего диаметра, выполняющая функцию ступени 23 меньшего диаметра. Для усиления эффекта изоляции части внутренней поверхности анода можно на внутренней поверхности втулки меньшего диаметра закрепить кольцо или выполнить бурт 25 (фиг. 3), который расширит зону незапыляемости.
На фиг. 4 показан пример исполнения анода, в котором на внутренней поверхности втулки выполнено оребрение в виде рядов, но дистанционно расположенных, кольцевых ребер 26 одинакового или разного диаметра. Это позволят получить на внутренней стенке втулки ряд незапыленных кольцеобразных участков. Для этого примера исполнения ребра выполняют функцию ступени 23 меньшего диаметра.
Такой СПД согласно патентуемого изобретения может использоваться, в первую очередь, в космической технике в качестве исполнительного органа электрореактивной двигательной установки. Кроме того, плазменный ускоритель может применяться в научных исследованиях, для моделирования направленных плазменных потоков. Настоящее изобретение позволяет исключить оседание (напыление) налета-пленки на токопроводящей части металлического анода, что приводит к сохранению характеристик анода для сохранения величины разрядного тока длительное время. Это обеспечивает сохранение постоянным достигнутого в начале работы СПД его коэффициента полезного действия, несмотря на образование на стенке главного канала налета от частиц, выбитых с краев материала самого канала и от находящихся на пути плазменной струи конструкций.