ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ
PLASMA ENGINE WITH CLOSED ELECTRINE DRIFT

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при наземных испытаниях и эксплуатации электрореактивных двигателей (ЭРД) различной мощности, например стационарных плазменных двигателей (СПД) или двигателях с анодным слоем (ДАС), и электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ) на их основе.
Плазменные двигатели на основе ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов широко известны в науке и технике и используются для решения различных практических задач [Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л.А. М.: Машиностроение, 1974 г., с.54-95].
К данному классу плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов, которые часто также называют холловскими ускорителями, относятся ускорители двух конструктивных схем. Один из них, так называемый ускоритель с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения, имеет диэлектрическую коаксиальную разрядную камеру с кольцевым ускорительным каналом, выходная часть которого размещена между магнитными полюсами, анод-газораспределитель с каналами подвода газообразного рабочего тела (например, ксенон Хе или аргон Ar) в разрядную камеру и катод-компенсатор. Второй ускоритель с так называемым анодным слоем имеет похожую схему, но преимущественно с металлической разрядной камерой. В перечисленных типах ускорителей каналы подвода рабочего газа выполнены в большом количестве в виде калиброванных отверстий, обеспечивающих необходимую азимутальную однородность разряда в ускорительном канале [Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1989 г., с.143-145].
Ускорители плазмы обеих схем имеют достаточно высокие интегральные характеристики, однако наличие жестких требований предъявляемых к обеспечению азимутальной равномерности распределения разряда, существенно влияющей на КПД и ресурс работы таких ускорителей, требует принятия дополнительных мер по повышению однородности разряда по всему объему ускорительного канала [Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1989 г., с.151].
Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий катод-компенсатор, коаксиальную разрядную камеру с внутренней и наружной кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, в днище которой размещен кольцевой анод-газораспределитель с каналами подвода и инжекции рабочего газа в разрядную камеру, и магнитную систему, содержащую магнитопровод с внутренним и наружным магнитными полюсами и источники намагничивающей силы [Патент РФ №2209532, кл. 6 Н05Н 1/54, F03H 1/00].
В известном плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов азимутальная равномерность плотности рабочего газа обеспечивается путем расположения каналов впрыска рабочего газа в разрядную камеру под острым углом относительно поперечного сечения ускорительного канала, то есть тангенциально или близкого к такому углу наклона. Однако и при такой организации подачи рабочего тела приемлемой однородности плотности рабочего газа в азимутальном направлении удается достичь лишь только в ограниченной локальной зоне - только в кольцеобразном поясе вначале ускорительного канала, тогда как в целом процесс ионизации происходит по всему объему протяженной зоны ионизации. В результате этого в таком плазменном двигателе эффективность ионизации рабочего газа будет довольно низкой из-за того, что инжекция рабочего тела в разрядную камеру осуществляется лишь только со стороны входа в зону ионизации. Максимальное заглубление зоны инжекции рабочего газа приводит к увеличению вероятности гибели достаточно большого количества ионов на стенках разрядной камеры, половина из которых, доходящих до зоны ускорения, испытывают акты ионизации и последующей рекомбинации на стенках, что в конечном результате приводит к повторной (вторичной) ионизации и, соответственно, к увеличению общих энергетических затрат на ионизацию рабочего тела.
Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, содержащий по меньшей мере один катод- компенсатор, разрядную камеру, формирующую ускорительный канал с зонами ионизации и ускорения рабочего газа, образованную полым магнитопроводящим анодом, охватывающим зону ионизации, внутренней и наружной кольцеобразными стенками, примыкающими соответственно к внутреннему и наружному торцам полого магнитопроводящего анода, содержащего газораспределитель с каналами подвода рабочего тела и каналами инжекции рабочего тела в разрядную камеру, расположенные у наружного торца полого магнитопроводящего анода, и магнитную систему, включающую по меньшей мере один источник намагничивающей силы и магнитопровод, состоящий из внутреннего и наружного магнитных полюсов, образующих рабочий межполюсный зазор на выходе из разрядной камеры, центральной и периферийной частей, соединенных с тыльной стороны основанием [Патент РФ №2191487, кл. 6 Н05Н 1/54, F03H 1/00].
В таком известном плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов несколько уменьшена доля вторично ионизованных ионов путем переноса пояса каналов инжекции рабочего газа из глубины разрядной камеры к границе разделения зон ионизации и ускорения. При таком размещении каналов инжекции значительная часть первично ионизованных ионов оказывается в непосредственной близости от входа в зону ускорения, которые, мгновенно ускоряясь, покидают зону ионизации.
Однако и такая организация подачи рабочего газа в разрядную камеру имеет ряд недостатков. В первую очередь, они обусловлены тем, что, как и в аналоге, азимутальная однородность плотности рабочего газа гарантированно обеспечивается лишь в узкой зоне в непосредственной близости пояса инжекции за счет локального впрыска текущей дозы рабочего газа в отдельную область зоны ионизации. С другой стороны, приближение пояса инжекции к выходу разрядной камеры повышает вероятность потерь нейтральной компоненты рабочего газа из-за его утечек в виде отдельных нейтралов, уходящих по ускорительному каналу выносимых ускоренным потоком плазмы.
При создании изобретения решались задачи повышения КПД и ресурса работы плазменного двигателя в широком диапазоне рабочих параметров, повышения коэффициента ионизации рабочего газа, а также повышения тепловой стойкости конструкции при воздействии циклических знакопеременных температур в широком диапазоне.
Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную камеру, формирующую ускорительный канал с зонами ионизации и ускорения рабочего газа, образованную полым магнитопроводящим анодом, охватывающим зону ионизации, внутренней и наружной кольцеобразными стенками, которые примыкают соответственно к внутреннему и наружному торцам полого магнитопроводящего анода, образующим анодную пару магнитных полюсов, содержащего газораспределитель с каналами подвода рабочего тела и каналами инжекции рабочего тела в разрядную камеру, расположенными у наружного торца полого магнитопроводящего анода, и магнитную систему, включающую по меньшей мере один источник намагничивающей силы и магнитопровод, состоящий из внутреннего и наружного магнитных полюсов, образующих рабочий межполюсный зазор на выходе разрядной камеры, центральной и периферийной частей, соединенных с тыльной стороны основанием, согласно изобретению каналы инжекции рабочего тела в разрядную камеру размещены в области перехода зоны ионизации в зону ускорения и расположены в азимутальном направлении чередованием между собой по различным углам наклона относительно ускоряемого потока плазмы.
Также анодные магнитные полюса могут выполняться с минимальной толщиной в продольном направлении большей, чем максимальная толщина сопрягаемых с ними боковых стенок полого магнитопроводящего анода.
Кроме того, на внутренней поверхности внутренней кольцеобразной стенки может быть сделана проточка, к которой своим наружным краем примыкает внутренний упругий элемент, внутренний край которого прижат внутренним магнитным полюсом, а также на наружной поверхности наружной кольцеобразной стенки может быть сделана проточка, к которой своим внутренним краем примыкает наружный упругий элемент, наружный край которого прижат наружным магнитным полюсом.
Размещение каналов инжекции рабочего тела в разрядную камеру в области перехода зоны ионизации в зону ускорения с последовательным чередованием их в азимутальном направлении по различным углам своего наклона по отношению к ускоряемому потоку плазмы позволяет решить задачи по повышению КПД и ресурса работы плазменного двигателя, а также коэффициента ионизации рабочего тела, в особенности при пониженных массовых расходах, характерных для высокоимпульсных режимов. Поставленная цель достигается в основном за счет одновременного повышения однородности инжектируемого рабочего газа в разрядную камеру как в азимутальном направлении, так и в продольном направлении, то есть по всей глубине зоны ионизации, путем обеспечения впрыска рабочего газа одновременно по всему объему зоны ионизации, при котором резко снижается вероятность флуктуации плотности рабочего газа по глубине разрядной камеры, особенно в зоне ионизации, которые ограничивают ресурс плазменного двигателя из-за того, что азимутальная неоднородность плотности рабочего тела и, соответственно, разряда приводит к неравномерному износу кольцеобразных стенок разрядной камеры.
Выполнение анодных магнитных полюсов с толщиной в продольном направлении большей, чем толщина сопрягаемых с ними боковых стенок полого магнитопроводящего анода позволяет решить задачу по повышению КПД за счет оптимизации магнитного поля в зоне ионизации. Это достигается путем перераспределения части магнитного потока проходящего через магнитный контур, образованный полым магнитопроводящим анодом. При подобном соотношении магнитных сопротивлений указанных участков магнитной цепи анода одновременно, с одной стороны, снижается часть магнитного потока, проходящего по магнитопроводящим стенкам и днищу анода, что приводит к снижению значения индукции магнитного поля непосредственно перед днищем анода, и, с другой стороны, повышается часть магнитного потока, проходящего через дополнительный анодный межполюсный зазор, образованный дополнительной парой анодных магнитных полюсов, позволяющий локально перераспределять магнитные потоки, проходящие через магнитный контур анода, с целью повышения значения индукции магнитного поля непосредственно на входе в зону ускорения и, соответственно, в магнитную линзу. В конечном итоге данные факторы позволяют повысить общий положительный градиент радиальной составляющей магнитной индукции в ускорительном канале (grad ) [Патент РФ №2191291, кл. 6 Н05Н 1/54, F03H 1/00] за счет увеличения градиента преимущественно на участке протяженной зоны ионизации.
Выполнение же проточек на кольцеобразных стенках разрядной камеры, изготовляемых преимущественно из диэлектрических материалов, и размещение в них упругих элементов позволяет решить задачу по повышению тепловой стойкости соединения элементов из разнородных материалов («металл-керамика») при воздействии циклических знакопеременных температур в широком диапазоне. Примыкание деталей между собой без зазора по плоскостям различной формы, как плоской, так и конусообразной, достигается за счет сил упругости, возникающих при деформировании упругого элемента, который изгибается на стадии сборки плазменного двигателя, обеспечивая необходимое поджатие внутренней и наружной кольцеобразных стенок к торцам полого магнитопроводящего анода. Это особенно важно при наиболее критичных переходных тепловых процессах, происходящих при включении (разогреве) и выключении (остывании) плазменного двигателя, когда металлические и неметаллические детали претерпевают различные изменения своей геометрии как в продольном, так и в радиальном направлениях, что обусловлено разными коэффициентами линейных расширений используемых конструкционных материалов.
Таким образом, реализация предложенной конструктивной схемы плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов, согласно изобретению, позволит повысить его основные удельные параметры и характеристики путем оптимизации процесса ионизации и более полного использования рабочего газа, особенно при пониженных массовых расходах.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На Фиг.1 представлен половинчатый продольный разрез предлагаемого плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов.
На Фиг.2 представлен разрез А-А в плоскости размещения каналов инжекции рабочего тела в разрядную камеру и расположенных под углом α относительно ускоряемого потока плазмы в ускорительном канале.
1
1
На Фиг.3 представлен разрез Б-Б в плоскости, расположенной относительно плоскости разреза А-А под углом β, в которой размещены каналы инжекции рабочего тела в разрядную камеру, наклоненные под другим углом α относительно ускоряемого потока плазмы, например таким углом наклона, который бы обеспечивал впрыск газа в срединную часть зоны ионизации ускорительного канала в разрядной камере.
2
2
На Фиг.4 представлен разрез В-В в плоскости, расположенной относительно плоскости разреза А-А под углом β, в которой могут размещаться каналы инжекции рабочего тела в разрядную камеру, но расположенные уже под еще одним углом αотносительно ускоряемого потока плазмы, например углом наклона, обеспечивающим впрыск газа в донную часть зоны ионизации ускорительного канала.
1
2
10
11
10
11
Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит катод-компенсатор 1, разрядную камеру 2, формирующую ускорительный канал с зонами ионизации 3 и ускорения 4 рабочего газа и образованную, с одной стороны, стенками полого магнитопроводящего анода 5, который преимущественно охватывает зону ионизации, и, с другой стороны, внутренней 6 и наружной 7 кольцеобразными стенками, которые соответственно примыкают к внутреннему 8 и наружному 9 торцам полого магнитопроводящего анода, которые фактически образуют дополнительную пару анодных магнитных полюсов 10 и 11 на входе в зону ускорения 4. Расстояние в радиальном направлении между анодной парой магнитных полюсов меньше, чем расстояние между соответствующими смежными стенками магнитопроводящего полого анода 5. Анод также содержит газораспределитель с каналами подвода рабочего тела 12 и каналами инжекции рабочего тела 13 в полость разрядной камеры. Каналы инжекции размещены в области перехода зоны ионизации в зону ускорения и расположены в азимутальном направлении последовательным их чередованием между собой по различным углам (α, α, α и т.д.) своего наклона относительно ускоряемого потока плазмы. Одним из основных элементов плазменного двигателя является его магнитная система, содержащая внутренний 14в и наружный 14н источники намагничивающей силы и магнитопровод, состоящий из внутреннего 15 и наружного 16 магнитных полюсов, образующих рабочий межполюсный зазор на выходе разрядной камеры, центральной 17 и периферийной 18 частей, соединенных с тыльной стороны основанием 19. Анодные магнитные полюса 10 и 11 выполнены с минимальной толщиной t и t в продольном направлении, которая больше максимальной соответствующей толщины s и s сопрягаемых с ними боковых стенок полого магнитопроводящего анода 5. На внутренней поверхности 20 внутренней кольцеобразной стенки 6 имеется проточка 21, к которой своим наружным краем примыкает внутренний упругий элемент 22, внутренний край которого сдеформирован при помощи внутреннего магнитного полюса 15 для обеспечения взаимного прижатия сопрягаемых элементов. Соответственно на наружной поверхности 23 наружной кольцеобразной стенки 7 имеется проточка 24, к которой своим внутренним краем примыкает наружный упругий элемент 25, наружный край которого сдеформирован при помощи наружного магнитного полюса 16 с целью обеспечения взаимного прижатия сопрягаемых элементов.
Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов работает следующим образом.
В ускорительном канале разрядной камеры 2, образованном внутренней 6 и наружной 7 кольцеобразными стенками, в области пары магнитных полюсов 15 и 16 магнитной системы, образующих основной межполюсный зазор, и дополнительной пары анодных магнитных полюсов 10 и 11 при помощи источников намагничивающей силы 14в и 14н создается преимущественно радиальное - поперечное по отношению к направлению ускорения магнитное поле. В разрядную камеру 2 через каналы подвода рабочего тела 12 и каналы инжекции рабочего тела 13 газораспределителя, конструктивно совмещенного с полым магнитопроводящим анодом 5, подается рабочее вещество. Зажигание разряда происходит в скрещенных  электрическом и магнитном полях. Вентильные свойства поперечного магнитного поля препятствуют свободному движению электронов  от катода к аноду. Взаимодействие электрического и магнитного полей вызывает дрейф электронов в азимутальном направлении, в процессе которого электроны ионизируют атомы рабочего газа в зоне ионизации 3. Образовавшиеся в газовом разряде ионы  ускоряются за счет приложенного напряжения между катодом-компенсатором 1
1
2
и полым магнитопроводящим анодом 5, которые на выходе ускорительного канала компенсируются электронами, истекающими из катода-компенсатора 1. Рабочий газ поступает в разрядную камеру одновременно по всему объему протяженной зоны ионизации, попадая по глубине в разные области зоны ионизации благодаря различным углам наклона α, α, α последовательно чередующихся каналов инжекции газа 13. После выхода плазменного двигателя на установившийся режим мощности стабилизируется и возросшая температура элементов конструкции, всегда сопровождающаяся термическими деформациями в зависимости от используемых материалов. Для компенсации различных коэффициентов теплового линейного расширения в соединениях металлического полого магнитопроводящего анода 5 с диэлектрическими внутренней 6 и наружной 7 кольцеобразными стенками используются внутренний 22 и наружный 25 упругие элементы, которые, в условиях значительно изменяющейся температуры, обеспечивают постоянное усилие их взаимного поджатая.
p
Промышленная реализуемость предложенного изобретения экспериментально подтверждена исследовательскими испытаниями опытной модели с типовым размером середины ускорительного канала ⌀40 мм. При испытаниях продемонстрирована стабильная работа предложенного плазменного двигателя при работе в широком диапазоне мощностей от 90 до 300 Вт, а также при работе и на режимах повышенной мощности до 500~580 Вт при повышенном разрядном напряжении до U=500 В.
Предложенное изобретение наиболее перспективно для плазменных двигателей относительно больших типоразмеров, в которых легче достигнуть наиболее оптимальной топологии магнитного поля в различных локальных зонах магнитной системы вследствие их меньшего взаимного влияния из-за большей удаленности друг от друга, и использование предлагаемого изобретение в них позволит достигнуть улучшенных параметров и характеристик.