ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
HIGH-VOLTAGE ION ENGINE FOR SPACE VEHICLES

Изобретение относится к области космического аппаратостроения и может быть использовано для ускорения устройств, движущихся в космосе в условиях высокого вакуума. Известен ионный двигатель Deep Space, использующий в качестве рабочего вещества ионы Хе, ускоренные потенциалом 400 В. Недостатком данного двигателя является использование низкого ускоряющего потенциала, что существенно ограничивает достижимую величину тяги при малых расходах эжектируемой массы.
5
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является ионный двигатель Европейского Космического Агентства «Dual Stage Four Grid» (DS4G), в котором ускорение ионов ксенона производится потенциалом 30 кВ через последовательно размещенные четыре решетки-электроды с тысячью миллиметровых согласованных отверстий в каждой и общем токе примерно 100 мА. Такое устройство мало пригодно для применения в условиях использования больших разностей потенциалов, так как чревато опасностью частых пробоев или быстрым разрушением ускоряющих решеток (из-за облучения их быстрыми рассеянными ионами). Необходимость малого расхода эжектируемой массы, максимальной износостойкости источника ионов в длительных полетах при одновременном обеспечении больших значений величины тяги требует значительного увеличения скорости истечения массы, в данном случае к существенного увеличения ускоряющей ионы разности потенциалов. При этом целесообразно, по нашему мнению, принять за норму расхода массы величину тока ионов Хе порядка 200 мА, что соответствует (при эффективности использования массы 50%) расходу массы 16.5 кг за год. К примеру, при ускоряющем ионы потенциале 100 кВ тяговое усилие составит 0.1 Н и удельный импульс 3.8·10 сек. Указанные выше токи не могут быть получены в результате отбора ионов из плазмы источника ионов через приосевое круглое отверстие (как это обычно делается) из-за ограничения, накладываемого объемным зарядом ионов.
Предлагается решение данной задачи осуществить путем перехода к использованию кольцевых разрядных камер, для которых возможно организовать компенсацию объемного заряда ионов электронами с помощью так называемого эффекта Холла и одновременно осуществить предускорение ионов.
Известен (и нашел техническое применение) источник ионов с кольцевой разрядной камерой и с ускорением ионов до энергий в нескольких КэВ в узком промежутке между электродами с одновременной компенсацией объемного заряда ионов электронами на выходе из источника (United States Patent. Kovalsky et al. ION SOURCE 4122347, Oct.24 1978), который (при соответствующей переработке конструкции) может быть превращен в предускоритель для высоковольтных двигателей космических аппаратов. Вышеназванный источник ионов для получения трубчатого пучка содержит корпус в виде цилиндра, закрытого с обеих сторон торцевыми частями, между которыми расположен стержень, соосный с цилиндрическим корпусом, причем на одном из торцов предусмотрена кольцевая щель, а внутри корпуса, являющегося ускоряющим электродом, соосно с ним расположены соленоид и разрядная камера, причем цилиндрический корпус, его торцевые части и стержень выполнены из магнитомягкого материала.
В предлагаемом ионном двигателе, с целью увеличения энергии эжектируемых ионов до значений 10-100 кэВ внутренняя цилиндрическая часть корпуса магнитопровода источника ионов имеет приосевую сквозную цилиндрическую полость, в которую встроен опорный участок внутренней части коаксиальной ускорительной системы. На оси полости помещен жесткий электропроводящий цилиндрический стержень, проходящий далее вдоль оси через всю конструкцию двигателя, совпадающий по длине с его продольным размером и служащий основой для размещения приосевых деталей ускорительной системы. Вокруг стержня укреплено (в зависимости от заданных условий) определенное количество чередующихся электропроводящих и диэлектрических трубок. Каждая электропроводящая трубка электрически соединена, а также является держателем и токоподводом для определенной детали приосевой части ускорительной системы. Диэлектрические материалы (в том числе трубки) обеспечивают электрическую прочность системы. Коаксиальная ускорительная система может состоять из одной или более трехэлектродных секций, состоящих каждая в свою очередь из входного электрода, промежуточного электрода и основного ускоряющего электрода, причем промежуточный электрод при работе двигателя имеет несколько больший потенциал, чем основной (для удержания встречного электронного потока электронов из плазмы ионного пучка в предыдущую область). Наружная цилиндрическая сторона корпуса источника ионов, а также вся ускорительная система плотно охвачены двухслойной трубой из диэлектрического электропрочного материала, между слоями которой размещены токоподводы (разнесенные по окружности трубы) к контактам разнопотенциальных электродов периферийной части ускорительной системы, которые укреплены на внутренней стороне трубы и соответствуют деталям приосевых электродов ускорительной системы, а в стенке трубы имеются изменяемые по площади отверстия, для регулирования давления газа в области движения ионного потока.
На чертеже изображен продольный разрез ионного двигателя. Разрядная часть двигателя состоит из коаксиального магнитопроводящего корпуса 1 закрытого торцевыми магнитопроводящими стенками. В выходной для ионов торцевой стенке корпуса, являющейся ускоряющим электродом системы предускорения 2, предусмотрено соосное с корпусом кольцевое отверстие 3. Корпус источника ионов, его торцы и внутренний магнитопровод 4 (с достаточно толстыми стенками для свободного прохождения магнитного потока), соединяющий торцы, выполнены из магнитомягкого материала. Между коаксиальными частями корпуса соосно с ним расположена разрядная кольцевая камера 5, включающая в себя кольцевой прямонакальный катод 6 и цилиндрический анод 7, соосный с ней. Снаружи разрядной камеры располагается соленоид 8, соосный с корпусом источника. В разрядной камере (имеющей потенциал прямонакального катода) имеется отверстие 9 для впуска рабочего газа. Разрядная камера имеет кольцевую щель 10 для выхода плазмы. На оси в приосевой полости находится жесткий электропроводящий цилиндрический стержень 11, на котором расположены чередующиеся по радиусу трубочки из проводящих 12 и диэлектрических 13 материалов (последние должны обеспечивать электрическую прочность данного узла при заданном потенциале ускорения ионов). Последний, считая от оси, диэлектрический слой находится в контакте со стенкой внутреннего магнитопровода. Центральный стержень и металлические трубки являются и держателями, и средствами для передачи электрических потенциалов к деталям приосевой части ускорительной системы. Весь двигатель заключен в жесткую двухслойную трубу 14 из диэлектрического материала. Между слоями трубы размещаются (разнесенные по окружности трубы) токоподводы 16 к периферийным, соответствующим приосевым, деталям ускорительной системы. Она также является держателем деталей и узлов периферийной части системы ускоряющих электродов. Система ускорения ионов включает в себя промежуточный участок с защитным электродом 17 и эквипотенциальной областью 18. За этим участком (считая от источника ионов) помещается собственно ускорительная система. На чертеже показаны две идентичные секции системы, чтобы подчеркнуть возможность увеличения числа секций в ускорительной системе. Каждая секция содержит входной электрод (в первой секции это 19, средний электрод 20 и ускоряющий электрод 21). Вторая секция 22 аналогична по устройству первой и позволяет в принципе дополнительно увеличить энергию ионов. Между разнопотенциальными электродами ускорительной системы предусмотрены кольца и муфты 23 из диэлектрических материалов для увеличения электрической прочности ускорительной системы. Периферийные и внутренние (по радиусу) части электродов системы ускорения установлены согласовано друг с другом, образуя в каждом случае единый электрод с кольцевым отверстием. Средние диаметры кольцевых отверстий в электродах ускорительной системы одинаковы и равны среднему диаметру выходного электрода источника ионов. После каждого этапа ускорения предусмотрена нейтрализация ионного потока с помощью электронных эмиттеров 24 (обозначены кружками). В эквипотенциальных участках ускорительной системы имеются регулируемые по площади отверстия в стенках трубы 14, охватывающей устройство (на чертеже не показаны).
Ионный двигатель работает следующим образом.
После нагрева катода разрядной камеры через нее пропускается поток рабочего газа. При включении анодного напряжения зажигается газовый разряд. Поток образовавшейся плазмы вытекает через кольцевое отверстие в область предварительного ускорения ионов. После подачи потенциала на корпус разрядной камеры величиной 2-5 кВ возникает поток ускоренных ионов из источника ионов в ускорительную систему, частично ионизирующих газ на своем пути. Образующиеся при этом электроны движутся в сторону источника ионов и затем, попадая в область действия магнитного поля, движутся по окружности и совместно с электронным током катода нейтрализации создают ток Холла, который компенсирует объемный заряд ионов. После прохождения эквипотенциальной области так называемой «лучевой плазмы» ионы поступают в ускорительную систему. Ускорение ионов происходит первоначально до повышенной энергии (сверх номинальной для данной секции) между входным и средним электродами секции, а затем после небольшого торможения между средним и выходным электродом достигается номинальное значение энергии для данной секции (что позволяет «запереть» встречный поток электронов из плазмы ионного потока). Аналогичный процесс имеет место в следующих ускорительных секциях. Упомянутые выше отверстия в стенках охватывающей двигатель трубы регулируют давление газа на пути пучка.
В качестве предускорителя может быть в принципе использован (после соответствующей переработки конструкций) известный источник ионов (Арцимович Л.А. и др. Разработка стационарного плазменного двигателя (СПД) и его испытания на ИСЗ «Метеор» «Космические исследования». М., 1974, т.ХII, вып.3, стр.451-456, тоже создающий трубчатый поток ионов с компенсированным зарядом, но имеющий протяженную зону ускорения ионов внутри источника (основанный на идее А.И.Морозова о возможности создания электрических полей в плазме). Следует отметить, что определенным недостатком таких источников ионов является невозможность ускорения ионов потенциалами свыше тысячи вольт из-за электрического пробоя разрядного пространства. В определенных условиях в качестве предускорителя может быть использован кольцевой источник ионов с холодным катодом (Маишев Ю.П. и др. Патент SU 543305 A1, H01J 3/04, 1975), имеющий аналогичное строение магнитомягкого корпуса.